细胞膜2015-2

1、 细胞膜的物质运输细胞膜的物质运输细胞为什么需要进行物质运输？细胞是通过什么与外界环境进行物质交换的？细胞膜对任何物质都是通透的吗？物质运输方式的两种类型 一、小分子物质和离子的跨膜运输二、大分子和颗粒物质的膜泡转运人工合成脂双层对不同分子的相对通透性 一、小分子物质和离子的跨膜运输一、小分子物质和离子的跨膜运输高浓度高浓度低浓度低浓度脂质双分子层脂质双分子层电化学梯度电化学梯度简单扩散（简单扩散（simple diffusion）是小分子运输最简方式。）是小分子运输最简方式。两个条件：一是溶质浓度差；二是溶质必须能透过膜。两个条件：一是溶质浓度差；二是溶质必须能透过膜。脂溶性物质如醇、苯、甾

2、体类激素以及脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和和H2O等等细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输蛋白（蛋白质称为膜运输蛋白（membrane transport protein）。）。 膜运输蛋白主要有两类：膜运输蛋白主要有两类： 载体蛋白（载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（通道蛋白（channel protein） 二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输 一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡

3、萄一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易化扩散（化扩散（facilitated diffusion）或帮助扩散）或帮助扩散 。载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图 GLUT-葡萄糖转运葡萄糖转运-糖尿病糖尿病胱氨酸尿症肾小管对胱

4、氨酸重吸收减少，从而引起尿中胱氨酸浓度增加.胱氨酸于酸性尿中很少溶解，当它的浓度超过其溶解度时就发生沉淀，形成结晶或结石. （二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输能运输 主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。的穿膜转运方式。 主动运输可分为主动运输可分为ATP驱动泵（由驱动泵（由ATP直直接提供能量）和协同运输（接提供能量）和协同运输（ATP间接提供间接提供能量）两种类型。能量）两种类型。1. ATP驱动泵驱动泵 ATP驱动泵都是穿膜

5、蛋白，它们在膜的胞质驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为称之为“泵泵”。 4种类型种类型ATP驱动泵模式图驱动泵模式图 （1）P-型离子泵（型离子泵（P-class ion pump） Na+-K+泵、泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H-K泵等都属于此种类型。泵等都属于此种类型。Na+-K+泵泵 Na+-K+泵的结构

6、泵的结构 小亚基：糖蛋白，帮助作用。小亚基：糖蛋白，帮助作用。 大亚基：跨膜蛋白，大亚基：跨膜蛋白，实际上是实际上是Na+-K+ATP酶，酶，具有载体和酶的双重作用。具有载体和酶的双重作用。几种细胞与其间质的几种细胞与其间质的Na+、 K+的浓度的浓度（mmol/L）K+Na+K+Na+7.31471608大鼠肌细胞大鼠肌细胞2.610612716蛙肌细胞蛙肌细胞5.915110012大鼠红细胞大鼠红细胞4.21389111人红细胞人红细胞 细胞间质细胞间质 细胞内细胞内细胞种类细胞种类泵的功能：形成泵的功能：形成Na+-K+离子浓度梯度离子浓度梯度2、Ca 2+泵泵 维持细胞膜两侧的维持细胞

7、膜两侧的Ca 2+浓度差，当外浓度差，当外界信号作用于细胞膜时，可使界信号作用于细胞膜时，可使Ca 2+顺顺浓度梯度进入细胞，实现信号的跨膜浓度梯度进入细胞，实现信号的跨膜传递；传递；维持肌浆网两侧的维持肌浆网两侧的Ca 2+浓度差，当神浓度差，当神经兴奋传到肌浆网时经兴奋传到肌浆网时，Ca 2+从肌浆网从肌浆网中释放，引起肌纤维收缩，随后又将中释放，引起肌纤维收缩，随后又将Ca 2+从细胞质泵入肌浆网，肌纤维重从细胞质泵入肌浆网，肌纤维重新舒张。新舒张。Ca 2+泵的功能泵的功能 （2）V -型质子泵（型质子泵（V-class proton pump） 主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。主

8、要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。 V-型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成，型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成， 其作用是利用其作用是利用ATP水解供能，将水解供能，将H+从胞质基质中从胞质基质中 逆逆H+电化学梯度转运。电化学梯度转运。（3）F-型质子泵（型质子泵（F-class proton pump）：）： 主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体膜中，它使膜中，它使H顺浓度梯度运动顺浓度梯度运动 。（4）ABC转运体（转运体（ABC transports）：）： ABC转运体是一类以转运体是一类以ATP供能的运输蛋白，供能的运输蛋白，ABC超

9、家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、肽、亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。 ABC蛋白的转运翻转酶模型蛋白的转运翻转酶模型 ABC transporterATP-binding cassette transporter它是细菌膜上利用H+梯度将各种营养物质泵运入细胞的载体蛋白。2个高度疏水结构域运输通道；另两个ATP结合催化结构域。第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白，该基因肝癌患者中过表达，降低疗效。约40%的患者过度表达。 2. 协同运输协同运输 协同运输（协同运输（co-transport）是一类由）是

10、一类由Na+-K+泵泵（或（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。所完成的主动运输方式。 根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（离子（Na+或或H+）方向的关系，又可分为共运输）方向的关系，又可分为共运输（symport）与对向运输（）与对向运输（antiport）。）。（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。 小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图 （三）离子通道高效转运各种离子（三）离子通道高效转运各种离子1

11、.离子通道的特点离子通道的特点 通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。 离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。度的选择性。 转运速率高转运速率高 。 多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门闸门”控制控制 。2. 离子通道的类型离子通道的类型 （2）电压门控通道）电压门控通道（3）应力激活通道）应力激活通道（1）配体门控通道）配体门控通道 配体门控通道（配体门控通道（ligand-gated channel）与细胞）与细胞外的特定配体（外的特定配体（

12、ligand）结合后，发生构象改变，）结合后，发生构象改变，结果将结果将“门门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。打开，允许某种离子快速穿膜扩散。 乙酰胆碱受体（乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配体门控通道。是典型的配体门控通道。（1）配体门控通道）配体门控通道配体配体高浓度低浓度神经肌肉接头处的闸门通道神经肌肉接头处的闸门通道（2）电压门控通道：）电压门控通道： 膜电位的改变是控制电压门控通道（膜电位的改变是控制电压门控通道（voltage-gated channel）开放与关闭的直接因素。）开放与关闭的直接因素。 电压门控通道主要存在于神经元、

13、肌细胞及腺上皮电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。道和氯通道。 电压闸门通道电压闸门通道钙通道与高血压 氨氯地平的分子侧链带正电荷，因此可在带负电荷的细胞膜脂质双分子层中缓慢移行，并缓慢地与钙通道受体结合与解离 （3）应力激活通道：）应力激活通道： 应力激活通道（应力激活通道（stress-activated channel）是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通道使道使“门门”打开，离子通过亲水通道进入打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电

14、信号。细胞，引起膜电位变化，产生电信号。 如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。力激活通道。 （四）水通道介导水的快速转运（四）水通道介导水的快速转运1. 水通道的分类水通道的分类 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个个成员（成员（AQP0AQP10） 2. 水通道蛋白的结构水通道蛋白的结构 人们对水通道蛋白家族中人们对水通道蛋白家族中AQP1的结构研的结构研究得比较清楚。究得比较清楚。 Aquaporins的三维结构1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），CHIP28的mRNA能引起

15、非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。水通道水通道2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。 二、大分子和颗粒物质的膜泡转运（一）胞吞作用（二）胞吐作用膜泡转运：大分子及颗粒物质并不直接穿过细胞膜，而是通过一系列膜囊泡形成和融合来完成的转运过程。（一）胞吞作用（一）胞吞作用 胞吞作用的三种类型胞吞作用的三种类型: :细胞摄取大分子或颗粒物质时，首先细胞摄取大分子或颗粒物质时，首先是大分子或颗粒物质附着于细胞表

16、面，是大分子或颗粒物质附着于细胞表面，然后细胞膜内陷，从细胞膜上分离下然后细胞膜内陷，从细胞膜上分离下来形成细胞内小泡，其中含有被摄入来形成细胞内小泡，其中含有被摄入的物质，此过程称胞吞作用。的物质，此过程称胞吞作用。1 1、吞饮作用（、吞饮作用（pinocytosis ）2 2、吞噬作用（、吞噬作用（phagocytosis ）3 3、受体介导的胞吞作用、受体介导的胞吞作用 （receptor-mediated endocytosis）细胞摄取细胞外液及其中细胞摄取细胞外液及其中的可溶性物质的过程。的可溶性物质的过程。细胞摄入的颗粒物质，如细菌、细胞摄入的颗粒物质，如细菌、细胞碎片等进行消化

17、的过程。细胞碎片等进行消化的过程。 巨噬细胞吞噬衰老的红细胞巨噬细胞吞噬衰老的红细胞细胞通过膜上的受体介导摄入特定细胞通过膜上的受体介导摄入特定的大分子的过程。的大分子的过程。 3 3、受体介导的胞吞作用、受体介导的胞吞作用特点：特点：摄入的大分子即配体在细胞膜上有摄入的大分子即配体在细胞膜上有特异的受体；特异的受体；配体与受体识别、结合后激发胞吞配体与受体识别、结合后激发胞吞作用；作用；受体与配体形成复合物聚集在细胞受体与配体形成复合物聚集在细胞膜的有被小窝内，细胞膜进一步内膜的有被小窝内，细胞膜进一步内陷形成有被小泡。陷形成有被小泡。高胆固醇血症高胆固醇血症家族性高胆固醇血症是常染色体显性

18、遗传性疾病 患者本身低密度脂蛋白（LDL）胆固醇数值异常超高是正常人的46倍 患心血管疾病。 受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用低密度脂蛋白低密度脂蛋白（LDL）转运胆固转运胆固醇；醇；LDL与细胞表面的与细胞表面的LDL受体结合；受体结合；细胞膜内陷形成细胞膜内陷形成有被小窝，进而有被小窝，进而形成有被小泡形成有被小泡；无被小泡与内体无被小泡与内体融合；融合；有被小窝和有被小泡的形成有被小窝和有被小泡的形成网格蛋白与三脚蛋白复合体网格蛋白与三脚蛋白复合体网格蛋白网格蛋白(clathrin)是一种进化上高度保守的蛋白质，由分子是一种进化上高度保守的蛋白质，由分子量为量为190kDa的重链和分

19、子量为的重链和分子量为35 40kDa的轻链组成二聚体的轻链组成二聚体, 三个二聚体形成包被的基本结构单位三个二聚体形成包被的基本结构单位-三联体骨架三联体骨架(triskelion), 称为三腿蛋白称为三腿蛋白(three-legged protein) 三脚蛋白复合体构成篮网结构三脚蛋白复合体构成篮网结构受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用胞内体融合，胞胞内体融合，胞内体的内体的低低pH使使LDL与与LDL受体分离；受体分离；LDL受体返回细受体返回细胞表面再利用；胞表面再利用；胞内体与溶酶体胞内体与溶酶体融合，融合，LDL被分被分解，胆固醇释放。解，胆固醇释放。细胞质细胞质LDL颗粒颗粒LDL受体受体有被小窝有被小窝有被小泡有被小泡无被小泡无被小泡胞内体胞内体受体与大分子颗粒分开受体与大分子颗粒分开胞内体部分胞内体部分胞内体部分胞内体部分 初级溶酶体初级溶酶体吞吞噬噬溶溶酶酶体体受体再循环受体再循环（二）（二） 胞吐作用胞吐作用 胞吐作用的两种分泌途径胞吐作用的两种分泌途径: :连续性、结构性分泌途径连续性、结构性分泌途径（ constitutive secretion ）受调分泌途径（受调分泌途径（ regulated secretion ）细胞内的一些物质被一层膜所包围，细胞内的一些物质被一层膜所包围，形成