细胞膜生物学特性和物质穿膜运输

1、(Cell Membrane and Transmembrane Transport)细胞膜生物学特性和物质穿膜运输概述 第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性第二节 小分子物质和离子的穿膜运输第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节 细胞表面特化结构第五节 细胞膜异常与疾病内容概 述一、基本概念细胞膜 (cell membrane) 是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane）。 二、细胞膜的最基本功能1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境2.物质转运3.信号传递、细胞识别等第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜是由脂类和蛋白质构成的生 物大分子体系 （一）

2、膜脂构成细胞膜的结构骨架（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结 合，决定细胞膜的功能（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架 细胞膜上的脂类称为膜脂（membrane lipid） 主要有三种类型： 磷脂（phospholipid） 胆固醇（cholesterol） 糖脂(glycolipid) 磷脂甘油磷脂鞘磷脂 磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰丝氨酸 (PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂 膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约 占膜脂的50%以上。甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。 甘油磷脂的磷酸基团可分别与胆碱、乙

3、醇胺、丝氨酸或肌醇结合。这些亲水的小基团在分子的末端与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强，被称为头部基团（head group）或亲水头。 脂肪酸链是疏水的，无极性，称疏水尾。由于磷脂分子具有亲水头和疏水尾，被称为两亲性分子（amphipathic molecule）或兼性分子。鞘磷脂极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）鞘磷脂不以甘油为骨架的磷脂，以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。质膜中的主要磷脂分子2. 胆固醇 分布：胆固醇散布在磷脂分子之间 结构

4、：极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。 3. 糖脂 糖脂由脂类和寡糖构成 ，动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂 。膜脂可能的存在形式： 形成球状分子团（micelle） 形成双分子层（bilayer）（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合 细胞膜的不同特性和功能是由与细胞膜相结合的膜蛋白决定。 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多。 根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型： 内在蛋白（intrinsic

5、 protein）或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein） 脂锚定蛋白（lipid anchored protein） 1.膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（transmembrane protein） 占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子 大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以-折叠片层（-pleated sheet）构象穿膜 分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型-螺旋构象穿膜蛋白-折叠构象穿膜蛋白2.膜外在蛋白又称周边蛋白（peripheral protein）占膜蛋白总量的20%30%是一类与细胞膜结合比较松散的不插入脂双层的蛋白质，分布在质膜的胞质侧或

6、胞外侧周边蛋白与膜之间通常有一种动态关系，根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。膜外在蛋白3.脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein）脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合胞质侧的蛋白 糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI ）与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合 共价键胞质侧的蛋白 膜蛋白在膜中的几种结合方式（三）膜糖类覆盖细胞膜表面细胞膜中含有一定量的糖类，由于种属和细胞类型不同，糖类约占质膜重量的210。 糖蛋白糖脂共价键共价键糖类+膜蛋白膜糖类糖类+膜脂二、细胞膜的生物学特性是不对

7、称性和流动性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 膜的不对称性（membrane asymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1. 膜脂的不对称性 2. 膜蛋白的不对称性 膜蛋白分布是绝对不对称的，各种膜蛋白在质膜 中都有一定的位置。 穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。 （二）膜的流动性是膜功能活动的保证脂双层为液晶态二维流体 由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phase transition）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。 膜的流动性是膜功能活动的保证。 2. 膜脂分子

8、的运动方式 （1）侧向扩散（lateral diffusion） （2）翻转运动（flip-flop） （3）旋转运动（rotation） （4）弯曲运动（flexion） 3. 影响膜脂流动性的因素 （1）脂双分子层中含不饱和脂肪酸越多，膜的相变温度越低，其流动性也越大 （2）脂肪酸链短的相变温度低，流动性大（3）胆固醇的双重调节作用 （4）卵磷脂与鞘磷脂的比值低，其流动性也降低（5）膜蛋白的影响 4. 膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。小鼠人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图 三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结

9、构模型具有三层夹板式结构特点（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点 生物膜均呈“两暗一明”的三层式结构，在横切面上表现为内外两层为电子密度高的暗线，中间夹一条电子密度低的明线，内外两层暗线各厚约2nm，中间的明线厚约，膜的总厚度约为，这种“两暗一明”的结构被称为单位膜 （unit membrane）。因此，他们在片层结构模型基础上提出了“单位膜模型”（unit membrane model）。单位膜模型 （三）流动镶嵌模型是被普遍接受的模型 “流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子

10、以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。 流动镶嵌模型 （四）脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识 膜质双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区（microdomain），微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动，被称为脂筏 （lipid rafts）。 脂筏结构模式图 第二节 小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性人工脂双层对不同溶质的相对通透性 简单扩散（simple diffusion）是小分子物质 穿膜运输的最简单的方式。须满足两个条件：一是溶

11、质在膜两侧保持一定的浓度差；二是溶质必须能透过膜。脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通过简单扩散方式 。二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输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（membrane transport protein）。 膜运输蛋白主要有两类： 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein） （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，如葡萄糖、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，但它们可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺

12、物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易化扩散（facilitated diffusion）或帮助扩散 。载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图 （二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输 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的穿膜转运方式。 主动运输可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同运输（ATP间接提供能量）两种类型。1. ATP驱动泵 ATP驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP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，所以常称之为“泵”。 4种类型ATP

13、驱动泵模式图 （1）P-型离子泵（P-class ion pump） Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H-K泵等都属于此种类型。Na+-K+泵 （2）V -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。 V-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ATP水解供能，将H+从胞质基质中 逆H+电化学梯度转运。（3）F-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膜中，它使H顺浓度梯度运动 。（4）ABC转运体（ABC transports）： ABC转运体是一类以ATP供能的运

14、输蛋白，ABC超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、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 2. 协同运输 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。 根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（Na+或H+）方向的关系，又可分为共运输（symport）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。 小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图 （2）对向运输： 是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的穿膜运输过程。 （三）离子通道高效转运各种

15、离子离子通道的特点 通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。 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。 转运速率高 。 多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制 。2. 离子通道的类型 （2）电压门控通道（3）应力激活通道（1）配体门控通道 配体门控通道（ligand-gated channel）与细胞外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，结果将“门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。 乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配体门控通道。（1）配体门控通道乙酰胆碱受体模式图 （2）电压门控通道： 膜电位的改变是控制电

16、压门控通道（voltage-gated channel）开放与关闭的直接因素。 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、钠通道和氯通道。 （3）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，开启通道使“门”打开，离子通过亲水通道进入细胞，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力激活通道。 （四）水通道介导水的快速转运水通道的分类 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0AQP10） 2. 水通道蛋白的结构 人们对水通道蛋白家族中AQP1的结构研究得比

17、较清楚。 水通道模式图 3. 水通道对水分子的筛选机制 AQP1中央孔通道的直径（）限制了比水分子大的小分子通过。 AQP1中央孔通道内溶质结合位点的控制。 第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输 大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输（vesicular transport）。 一、胞吞是物质入胞作用方式 胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。 胞吞作用分为三种类型： 吞噬作用、胞饮作用及受体介导的胞吞。 （一）吞噬作用是吞噬细胞摄入颗粒物 质的过程 （二）胞饮作用是细胞吞入液体和可溶性 物质的过程 吞噬作用胞饮作用（三）受体介导的胞吞提高摄取特定物 质的效率 LDL受体介导的LDL胞吞过程有被小窝与有被小泡的形成 二、胞吐是物质出胞作用方式 胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反。 胞吐作用分为连续性分泌和受调分泌两种形式。（一）连续性分泌是不受调节持续不断 的细胞分泌（二）受调分泌是细