细胞生物学之笔记第4章细胞膜与物质的穿膜运输Word下载.docx
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（2）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合
又称
含量
作用力
特点
膜内在蛋白
穿膜蛋白
70%~80%
范德华力
α-螺旋构象/β-筒孔蛋白
膜外在蛋白
外周蛋白
20%~30%
非共价键
水溶性
脂锚定蛋白
脂连接的蛋白
共价键
运动性增大
1.内在膜蛋白
又称跨膜蛋白，占膜蛋白总量70%~80%；
分单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜三种类型
跨膜区域20~30个疏水氨基酸残基，通常N端在细胞外侧
内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合区域，作用方式：
①疏水氨基酸形成α-螺旋，跨膜并与脂双层脂肪酸链通过范德华力相互作用②某些α-螺旋外侧非极性，内侧是极性链，形成特异性畸形分子的跨膜通道
多数跨膜区域是α-螺旋，也有以β-折叠片多次穿膜形成筒状结构，称β-筒，如孔蛋白（porin）
2.外在膜蛋白
又称外周蛋白，占膜蛋白总量20%~30%；
完全在脂双层之外，胞质侧或胞外侧，通过非共价键附着膜脂或膜蛋白
胞质侧的外周蛋白形成纤维网络，为膜提供机械支持，也连接整合蛋白，如红细胞的血影蛋白和锚蛋白
外周蛋白为水溶性蛋白，与膜结合较弱，改变溶液离子浓度或pH，可分离它们而不破坏膜结构
3.脂锚定蛋白
①一种位于膜的两侧，蛋白质直接以共价键结合于脂类分子；
此种锚定方式与细胞恶变有关
②还有糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI），通过蛋白质C端与磷脂酰肌醇连接的糖链共价结合
脂锚定蛋白在膜上运动性增大（侧向运动），有利于结合更多蛋白，有利于更快地与胞外蛋白结合、反应
GPI-锚定蛋白分布极广，100种以上，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等
4.去垢剂（detergent）
离子型去垢剂：
SDS十二烷基磺酸钠引起蛋白质变性
非离子型去垢剂：
TritonX-100对蛋白质比较温和
（3）膜糖类覆盖细胞膜表面
细胞膜的糖类，占质膜重量2%~10%；
①大多以低聚糖或多聚糖共价结合膜蛋白，形成糖蛋白（糖蛋白中的糖基化主要发生在天冬酰胺（N-连接），其次是丝氨酸和苏氨酸（O-连接）残基上）；
②或以低聚糖共价结合膜脂，形成糖脂，所有糖链朝向细胞外表面
形成低聚糖的单糖类型：
甘露糖、岩藻糖、半乳糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸等
A.唾液酸残基在糖链末端，形成细胞外表面净负电荷
B.寡糖链中的单糖的数量、种类、排列顺序、有无支链等不同，可以出现千变万化的组合形式。
Eg.人类ABO血腥抗原的差别就是血型糖蛋白在红细胞质膜外表面寡糖链的组成结构决定。
△细胞外被cellcoat=糖萼glycocalyx=与质膜相连的糖类物质
功能：
①保护细胞抵御各种物理、化学性损伤②建立起水盐平衡③帮助蛋白质膜上定位、固定，防止翻转④参与细胞与外环境的作用，eg识别、粘附、迁移
2、细胞膜的生物学特性
（1）膜的不对称性决定膜功能的方向性
膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性和生命活动的高度有序性
1．膜脂的不对称性
SM、PC在细胞外侧叫多，PE在细胞内侧较多。
2．膜蛋白的不对称性
各种膜蛋白在质膜中有特定位置，分布绝对不对称：
酶和受体多分布于质膜的外侧面，而腺苷酸环化酶定位内侧面
跨膜蛋白有一定方向性：
多数N外C内，两端肽链长度、氨基酸种类、活性位点不同
3．膜糖的不对称性都向着非胞质面
（2）膜的流动性是膜功能活动的保证
流动性fluidity主要是指膜脂的流动性+膜蛋白的运动性
1．脂双层为液晶态二维流体
液晶态（lipid-crystalstate）脂双分子层已有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性。
细胞内外的水环境，使膜脂分子不能从脂双层逸出，只能在二维平面交互位置。
相变（phasetransition）正常体温下，膜呈液晶态；
当温度下降到临界温度（膜的相变温度），膜脂转为晶态
膜的流动性是膜功能活动的保证。
2．膜脂分子的运动方式
1 侧向扩散lateraldiffusion=脂双层的单分子层内，脂分子沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置，每秒约107次。
侧向扩散运动时膜脂分子主要的运动方式。
。
2 翻转运动flip-flop从脂双层一层翻转到另一层，需要翻转酶，在内质网发生
3 旋转运动rotation膜脂分子围绕与膜平面向垂直的轴的自旋运动
4 弯曲运动flexion膜脂分子的烃链是有韧性、可弯曲的，分子尾部端弯曲、摆动幅度大，而靠近头部弯曲摆动幅度小。
5 此外，还有伸缩、震荡
3．影响膜脂流动性的因素
1 脂肪酸链的饱和程度
磷脂分子长的饱和脂肪酸链呈直线型，具有最大的聚集倾向而排列紧密成凝胶状态；
不饱和脂肪酸链在双键出形成折曲而呈弯曲状，感染了脂分子间范德华力的相互作用，故排列疏松，从而增加了膜的流动性。
∴脂双分子层中含有的不饱和脂肪酸越多，膜的相变温度越低，流动性越大。
环境温度降低时，A.细胞通过去饱和酶（desaturases）催化将胆碱去饱和形成双键。
B.通过磷脂酶&
脂酰转移酶在不同的磷脂分子之间重组脂肪酸链以产生含两个不饱和脂肪酸链的磷脂分子。
2 脂肪酸链的长短
脂肪酸链短的相变温度低，流动性大。
短→尾端不易发生相互作用；
长→不仅可以在同一分子称内相互作用，而且可以与另一分子层中的长链尾端相互作用
3 胆固醇的双重调节作用
A.当温度在相变温度以上时，由于胆固醇分子的固醇环与磷脂分子靠近极性头部的烃链部分结合，限制了这几个CH2的运动，起到稳定质膜的作用。
B.当温度在相变温度以下时，由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态的形成。
4 卵磷脂与鞘磷脂的比值
哺乳动物细胞中，卵磷脂和鞘磷脂的含量约占膜脂的50%，卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；
鞘磷脂则相反。
在细胞衰老过程中，卵磷脂和鞘磷脂的比值下降，流动性也下降。
5 膜蛋白的影响
膜蛋白嵌入膜脂疏水区后，是周围的脂类分子不能单独活动而形成界面脂；
在含较多内在蛋白的膜中，存在有内在蛋白分割包围的富脂区（lipid-richregion）磷脂分子智能在一个富脂区内自有扩散，而不能扩散到邻近的富脂区
此外，膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度等都对膜脂流动性产生一定影响。
环境温度高，膜脂流动性大；
相变温度内，每下降10℃，膜的粘性增加3倍，膜流动性降低
4．膜蛋白的运动性
1 侧向扩散
膜蛋白在膜脂中可以自有漂浮&
在膜表面扩散。
人鼠杂交细胞表面抗原分布变化可证明。
目前测定膜蛋白的侧向扩散常采用光致漂白荧光恢复法（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）
2 旋转运动
膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动。
速度比侧向扩散慢；
不同膜蛋白速度不同，有些膜蛋白无法运动；
膜蛋白周围脂质的流动性影响膜蛋白的流动性
膜蛋白的运动不需要消耗能量
膜的流动性意义重大：
物质运输、细胞识别、信息传导等；
生物膜的各种功能都是在膜的流动状态下进行的，膜的流动过低，代谢终止
3、细胞膜的分子结构模型
（1）片层结构模型具有三层夹板式结构特点
1935年，JamesDanielli和HughDavson发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面表面张力，推测质膜中有蛋白质；
提出“片层结构模型”（蛋白-磷脂-蛋白三层夹板式结构）
（2）单位膜模型体现膜形态结构的共同特点
1959年，电镜观察细胞膜“两暗夹一明”——单位膜
单位膜模型：
膜蛋白是单层肽链以β折叠通过静电作用与磷脂极性端结合；
能对膜的某些属性进行解释，被普遍采用，但是把膜作为静止的单一结构
（3）流动镶嵌模型是被普遍接受的模型
1972年，“流动镶嵌模型”Fluidmosaicmodel：
磷脂双层构成膜的连续主体，具有晶体的有序性和液体的流动性；
球形蛋白质分子以不同形式结合脂双层分子；
膜是一种动态的、不对称的具有流动性结构
1975年，“晶格镶嵌模型”：
膜脂可逆地进行“有序（液态）”和“无序（晶态）”相变，膜蛋白对膜脂的运动具有限制作用，流动性是局部的
1977年，“板块镶嵌模型”：
流动的脂双层中存在能独立移动脂类板块
（4）脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识
脂双层中由特殊脂质和蛋白质组成的微区，富含胆固醇和鞘脂类，聚集特定种类膜蛋白；
此膜区较厚（鞘脂类脂肪酸链较长），称“脂筏”Lipidrafts，其周围富含不饱和磷脂，流动性较高
脂筏的两个特点：
许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用；
脂筏提供有利于蛋白质变构的环境，形成有效构象
脂筏功能：
参与信号转导、受体介导内吞作用、胆固醇代谢运输等
第2节小分子物质和离子的穿膜运输
1、膜的选择性通透和简单扩散
简单扩散（simplediffusion）:
小分子的热运动使分子以自由扩散的方式由膜一侧扩散到另一侧，条件：
溶质在膜两侧有一定浓度差，溶质必须能透过膜
脂溶性物质如醇、苯、甾类激素、O2、CO2、NO、H2O通过简单扩散跨膜
简单扩散不需要运输蛋白协助，顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向扩散，不消耗能量；
也称“被动扩散”passivediffusion
2、膜运输蛋白介导的穿膜运输
除了水和非极性小分子，绝大多数溶质如各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸等都不能简单扩散穿膜转运
特定膜蛋白——膜运输蛋白（跨膜蛋白，每种只转运一种特定类型溶质）
膜运输蛋白分两类：
①载体蛋白carrierprotein：
与特定溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜②通道蛋白channelprotein：
形成水溶性通道，贯穿脂双层，通道开放时，特定溶质（无机离子）可穿越脂双层
"
被动运输"
passivetransport所有通道蛋白和许多载体蛋白，转运溶质分子不消耗能量，消耗顺电化学浓度梯度的势能
“主动运输”activetransport逆电化学浓度梯度转运溶质，需要载体蛋白参与，还需要消耗能量ATP；
这种利用代谢产生能量的进行逆浓度梯度的转运称为主动运输。
能量来源：
ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动etc
（1）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输
∆"
易化扩散"
facilitateddiffusion=帮助扩散=非脂溶性或亲水性小分子，不能简单扩散通过细胞膜，需载体蛋白介导不消耗代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运
∆特点：
特定易化转运蛋白介导特定物质在两个方向的穿膜运输，取决于该物质在膜两侧的相对浓度——转运特异性强，速率快
∆作用机制：
载体蛋白对所转溶质具有高度专一性，其分子上的结合位点与某一溶质进行短暂的可逆的结合，引起载体蛋白构象变化，转运溶质分子从膜一侧到另一侧；
载体与溶质亲和力下降，释放溶质，构象恢复
∆例子：
多数细胞（低浓度葡萄糖）从血流和组织液中（高浓度葡萄糖），通过易化扩散获取葡萄糖。
人类基因组编码14种葡萄糖转运载体蛋白glucosetransporter,GLUT，构成GLUT家族。
它们具有高度同源氨基酸序列，均含有12次跨膜的α-螺旋，α-螺旋含有丝氨酸Ser、苏氨酸Thr、天冬氨酸Asp和谷氨酸残基Glu，其侧链与葡萄糖羟基形成氢键，是葡萄糖结合位点。
GLUT的异常或缺陷是2型糖尿病的病因之一。
红细胞膜上存在5万个葡萄糖载体蛋白，占膜总蛋白5%最大转运速率每秒180个葡萄糖分子。
（2）主动运输时载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输
1．ATP驱动泵
在胞质侧有一个或多个ATP结合位点，水解ATP从低浓度向高浓度转运
转运主体
功能
P-型离子泵
阳离子
工作过程中形成磷酸化中间体，P表示磷酸化
△Na+-K+泵
（Na+-K+-ATP酶）
消耗一个ATP，输出3个Na+，转入2个K+
每秒1000次构象变化
多数动物细胞消耗1/3的ATP胞内低Na+胞外高K+，维持渗透压、产生维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力、为各种新陈代谢提供必要离子浓度
△Ca2+泵
消耗一个ATP逆浓度转运２个Ｃａ２＋
10次穿膜的α螺旋，≈1000个氨基酸残基
真菌维持细胞内极低浓度Ca2+；
肌浆网是肌细胞特化的内质网，是Ca2+储存场所，肌肉细胞内Ca2+升高，引起肌肉细胞收缩，储存→弛缓。
Ca2+浓度升高，激活Ca2+反应蛋白，引起多种重要活动，促进细胞分泌、神经递质释放、信号传导等
V-型质子泵
逆Ｈ＋浓度梯度
主要存在于真核细胞膜性酸性区室，不形成磷酸化中间体
逆H+电化学梯度转运到上述细胞器或囊泡中，使其内成为酸性环境，并保持细胞质的pH中性；
F-型质子泵H+-ATP合成酶
顺Ｈ＋浓度梯度
存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体内膜
释放能量将ADP合成ATP，即是氧化磷酸化或光合磷酸化
ABC转运体
脂、毒素、代谢物
哺乳50种不同，每种ABC运输蛋白有特异底物
运输哺乳类质膜上磷脂、胆固醇、肽、亲脂性药物等，在肝、小肠、肾细胞表达丰富，将毒素、药物代谢物等排出
2．协同运输：
共运输+对向运输
协同运输（co-transport）是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。
物质穿膜运动的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度中的能量，而维持这种离子电化学梯度是通过Na+-K+泵（或H+泵）消耗ATP来实现的。
动物利用Na+-K+泵，植物利用H+泵
①共运输：
两种溶质分子同一方向穿膜运输。
Eg肠腔细胞膜的“Na+/葡萄糖协同运输蛋白”Na+/glucosecotransporter在质膜外表面结合2个Na+和一个葡萄糖。
进入细胞的Na+之后再被Na+-K+泵排出，维持Na+膜内外浓度差。
葡萄糖一旦进入小肠细胞，再以易化扩散方式进入血流。
②对向运输：
由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向穿膜运输。
Na+-H+交换载体exchangecarrier
脊椎动物细胞
耦联Na+顺浓度梯度流进&
H+泵出
清除细胞代谢过程产生的过多H+，胞内pH上升
Cl--HCO3-交换器
真核细胞阴离子载体
泵出HCO3-，将Cl-运入
调节pH，介导细胞输出CO2和HCO3-，或配合破骨细胞的泌酸活动
H+-K+泵
胃腺中的壁细胞（parietalcell）
运出H+，胃腔OH-与CO2结合生成HCO3-，需要靠Cl--HCO3-协助
分泌HCL进入胃腔，杀菌并为胃蛋白酶提供酸性环境
主动运输特点：
①逆浓度或电化学梯度跨膜转运
②消耗能量，直接水解ATP或离子电化学梯度提供能量
③膜上特异性载体蛋白介导，载体特异结合转运溶质，载体构象可变
（3）离子通道高效转运各种离子
1．离子通道的特点（顺梯度，高选择，高效率，受调控。
）
①只介导被动运输，溶质从膜的高浓度一侧自由扩散到低浓度一侧
②离子通道对被转运离子的大小所带电荷有高度选择性
③转运效率高，通道允许106~108个特定离子/秒通过，比最快效率的载体蛋白高1000倍
④离子通道不是持续开放，有开和关两种构象，受信号调控
2．离子通道的类型
1 配体门控通道ligand-gatedchannel。
实际为离子通道型受体，它们与细胞外的特定配体ligand结合后，发生构象改变，结果吧“门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。
Eg.烟碱型乙酰胆碱受体nAChR是典型的配体门控阳离子通道，大量存在与骨骼肌神经接头处。
4种不同亚基单组成的五聚体穿膜蛋白（α2βγδ）→梅花状通道及结构。
①神经冲动→神经末梢→细胞去极化→电压门控Ca2+通道开放→细胞外Ca2+涌入细胞→胞内突触小泡释放乙酰胆碱至突触间隙
②释放的乙酰胆碱→结合突触后膜的乙酰胆碱受体→通道开放，Na+流入肌细胞→肌细胞膜局部去极化
③肌细胞去极化→诱发膜上Na+通道开放→大量Na+涌入肌细胞，使整个肌细胞膜进一步去极化
④肌细胞膜的去极化→使肌浆网上Ca2+通道开放→Ca2+大量释放如胞质→肌原纤维收缩
2 电压门控通道voltage-gatedchannel
膜电位的改变是控制电压门通道开放与关闭的直接因素。
反应快。
主要存在与神经元、肌细胞及腺上皮细胞等兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、氯通道
3 应力门控通道stress-activatedchannel
应力激活通道是通道蛋白感受应力而改变构象，通道开放，离子跨膜，膜电位变化
.内耳听觉毛细胞顶部的听毛具有应力激活通道，受到声波振动而弯曲，应力门控通道开放，离子跨膜进入毛细胞改变膜电位，将声波信号传递给听觉神经元
B.细菌与古细菌的应力激活通道均为跨膜蛋白五聚体，通透阳离子
（4）水通道介导水的快速转运
1．水通道的分类
哺乳类水通道蛋白家族已有11个，根据功能特性的差异，分为两个家族：
AQP1、2、4、5、6和AQP0基因结构类似，氨基酸序列同源30%~50%，只能通透水，经典的选择性水通道；
AQP3、7、9、10除通透水，对甘油、尿素等中性小分子也具有通透性，第二家族——水-甘油通道；
AQP8位于水选择型与甘油渗透型之间
2．水通道蛋白的结构
AQP1由4个对称排列的圆筒状亚基围成的四聚体，每个亚基中心的中央孔直径，只允许水分子通过。
每个AQP1亚基有6个长α螺旋构成基本骨架，两个短嵌入式α螺旋顶对顶排列，顶端均有保守的Asn-Pro-Ala基序，使得顶对顶稳定每个亚基的α螺旋朝向脂双层的一面是非极性氨基酸残基，朝向中央孔的一面是极性氨基酸残基
3．水通道对水分子的筛选机制
水孔蛋白对水分子高度特异性选择，因为：
每个亚基中央孔的直径，只比水分子大一点点，限制其它分子通过；
每个亚基中央孔道内有特异溶质结合位点，每个水分子通过时，孔道内的3极性氨基酸残基的羰基氧与水分子形成氢键；
离子与水分子的复合物比孔道大得多，不能通过
水通道持续开放，每秒通过3×
109个水分子，不耗能，水分子移动方向由膜两侧渗透压决定，低→高
第3节大分子和颗粒物质的穿膜运输
大分子物质不能通过膜转运蛋白进入细胞，由膜包围形成膜泡，然后通过膜泡形成和融合来完成转运——小泡运输
细胞摄入大分子或颗粒物质的过程，称胞吞作用（endocytosis）
细胞排出大分子或颗粒物质的过程，称胞吐作用（exocytosis）
胞吞胞吐涉及膜泡的融合与断裂，需要消耗能量，属于主动运输
以上膜泡运输转运量较大，也称批量运输；
膜泡运输也发生于胞内各种膜性细胞器
1、胞吞作用
（1）吞噬作用是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程
免疫系统具有吞噬功能的中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞在摄取大固体颗粒或分子复合物（直径>
250nm）时进行
细胞膜凹陷或形成伪足，将大颗粒包裹摄入细胞，形成膜泡“吞噬体”
这些免疫细胞通过此方式吞噬入侵微生物、清除损伤和死亡细胞
（2）胞饮作用是细胞吞入液体和可溶性物质的过程
细胞非特异摄取细胞外液的过程；
胞饮发生在质膜的特殊区域，质膜内陷形成小窝，包围液体物质，形成“胞饮体”，直径小于150nm
胞饮作用分为两种类型：
①液相内吞：
非特异固有内吞作用，摄入细胞外液及可溶性物质；
②吸附内吞：
细胞外大分子/小颗粒物质以某种方式吸附在细胞表面，具有一定特异性
在能形成伪足和转运功能活跃的细胞中多见，如巨噬细胞、白细胞、毛细血管细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞等
（3）受体介导的胞吞提高摄入特定物质的效率
受体介导的内吞作用receptormediatedendocytosis是细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子物质的过程
可特异性摄入胞外含量很低的成分，比胞饮作用内化效率高1000多倍
1．有被小窝和有被小泡的形成
细胞膜上有多种受体蛋白，往往同类受体蛋白集中在膜特定区域，称“有被小窝”coatedpit；
小窝内受体浓度是质膜其它处的10~20倍
各种有被小窝约占质膜表面积2%，此处质膜向内凹陷，直径50~100nm，此处质膜内表面覆盖网格蛋白和衔接蛋白
网格蛋白，又称“笼蛋白”，由3条重链和3条轻链组成；
3个重链轻链的二聚体，形成三腿蛋白复合物→自我装配，自动形成篮网状结构网格蛋白作用：
牵拉质膜向内凹陷，参与捕获特定膜受体使其汇聚有被小窝
衔接蛋白参与有被小泡组成，处于网格蛋白与配体-受体复合物间
不同类型的衔接蛋白结合不同类型膜受体，使细胞捕获不同配体
网格蛋白没有特异性
2．无被小泡形成并与内体融合
配体结合膜上受体，通过衔接蛋白，网格蛋白聚集在膜的胞质侧，网格由6边形转变成5边形，促进网格蛋白外被弯曲变成笼形，牵动质膜凹陷
发动蛋白（dynamin）——GTP结合蛋白，自动组装成一个螺旋状领圈结构，水解GTP，构象改变，将有被小泡从质膜上切离下来，形成网格蛋白有被小泡
有被小泡很快脱去包被（笼蛋白重新利用）→无被小泡→与早期内体融合
内体：
动物细胞中经胞吞作用形成的膜包围的细胞器，作用是运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。
内体膜上有ATP驱动
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