细胞生物学 膜与物质运输

细胞质膜及物质运输STRUCTUREPlasmaMembrane&FunctionofTheCell福建医科大学《细胞生物学》理论课程教学王明权icurgod@wang@福建医科大学细胞生物学与遗传学系QQ群：56492150（福医细胞交流群）加入请注明如“福医2009级/口腔/西门吹雪”，固定在线时间每周三晚上细胞质膜及物质运输

真核细胞质膜概述细胞膜的化学组成细胞膜的分子结构细胞膜的结构特点细胞膜与物质运输细胞膜与临床疾病细胞质膜及物质运输真核细胞质膜概述真核细胞质膜概述细胞膜(cellmembrane)又称为质膜(plasmamembrane)或外膜(outermembrane)，电镜下都表现为单位膜(unitmembrane)结构；相对于外膜，真核细胞内所有由单位膜形成的结构，统称为内膜(endomembrane)；细胞的外膜和内膜成分统称生物膜(bio-membrane)，所有的生物膜都具有相似的形态结构、化学组成和生理功能；生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础之一。电镜下红细胞膜的结构

细胞膜和内膜统称为生物膜，它们都具有共同的结构和功能特征，透射电镜下都表现为“两暗夹一明”的三层结构，其内外层为电子密度高的暗带，中间层为低电子密度的明带，厚度约7.5nm，称为单位膜。细胞质膜及物质运输细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成生物膜的化学成分主要为脂类(lipid)、蛋白质(protein)和糖类(sugar)；脂类和蛋白质构成膜的主体，糖类主要以复合糖类的形式存在；糖类主要与膜脂和膜蛋白结合形成复合物的形式：包括糖脂(glycolipid)和糖蛋白(glycoprotein)。某些生物膜的化学组成3.21-22476线粒体内膜1.12.44852线粒体外膜2.0～3367内质网膜1.72.93559大鼠肝细胞核膜1.044951

牛视杆细胞1.52.44060

HeLa细胞0.95～104258

大鼠肝细胞～2～45446

小鼠肝细胞1.184349

人红细胞质膜0.2337918髓鞘蛋白质/脂类糖类(%)脂类(%)蛋白质(%)膜细胞质膜及物质运输细胞膜的化学组成脂类(lipid)生物膜上的脂类分子统称为膜脂(membranelipid)，膜脂是生物膜的主要成分之一；膜脂包括磷脂(phospholipid)、胆固醇(cholesterol)和糖脂(glycolipid)；脂类都是双亲性分子，包含亲水性末端和疏水性末端，通常称为亲水性头部和疏水性尾部。返回上一层

在水溶液中，膜脂分子能自动聚拢，使亲水的头部暴露在外，疏水的尾部避开水埋藏于内部可形成三种形式：

球状的胶态分子团

脂质体

脂质双分子层

脂质分子可能形成的几种结构磷脂(phospholipid)构成细胞膜中的磷脂，主要有：

卵磷脂(磷脂酰胆碱)

脑磷脂(磷脂酰乙醇胺)

磷脂酰肌醇

鞘磷脂

磷脂酰丝氨酸磷脂分子的结构特点（以卵磷脂为例）极性头部(亲水)头部尾部顺式双键胆碱磷酸甘油碳氢链

非极性尾部(疏水)磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸鞘磷脂磷脂酰胆碱生物膜中的主要磷脂分子胆固醇(cholesterol)

胆固醇也是双亲性分子，其极性的羟基与非极性的脂肪酸链间与固醇环相连。胆固醇(cholesterol)

胆固醇分子散布在磷脂之间，极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定于靠近磷脂碳氢链的位置，有助于提高生物膜的稳定性。糖脂(glycolipid)

含一个到几个糖基；约占膜外层脂类分子的50%；与细胞之间的相互识别和信息传导有关。半乳糖脑苷脂神经节苷脂唾液酸糖脂(glycolipid)细胞质膜及物质运输细胞膜的化学组成返回上一层蛋白质(protein)生物膜上的蛋白质统称为膜蛋白(membraneprotein)，膜蛋白是生物膜的主要成分之一；膜蛋白主要包括两大类型：跨膜蛋白和膜周蛋白；生物膜上蛋白质的种类和含量反映了膜的功能适应性。

跨膜蛋白(transmembraneprotein)又称为内在蛋白，占膜蛋白总量的70～80%，全部或部分镶嵌在膜内，通过非极性氨基酸部分，直接与膜脂的疏水区相互作用而嵌入膜内。膜周蛋白(peripheralprotein)又为称外在蛋白，不直接与脂质双分子层疏水区相连，而是通过静电作用、离子键、氢键等非共价键与膜脂的极性头部或膜镶嵌蛋白的亲水部分相互作用而间接与膜结合。脂锚定蛋白(lipid-anchoredprotein)又称为脂连接蛋白，与膜周蛋白类似，但与脂类分子以酰胺键或硫醚键形式共价结合。膜蛋白(membraneprotein)

某些细胞质水溶性蛋白与膜胞质面脂质单分子也可以通过酰胺键—肽键(A)或硫醚键结合(B)共价结合。细胞质可溶性蛋白质与质膜的结合典型膜糖蛋白：血型糖蛋白A细胞质膜及物质运输细胞膜的化学组成返回上一层糖类(sugar)糖类占细胞膜重量的2～4%；膜糖大多是与蛋白质或脂类共价结合的糖蛋白或糖脂；膜糖主要分布在膜的非胞质面；组成膜糖的单糖分子主要有：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖胺、半乳糖胺和唾液酸等；低聚糖链参与形成的糖脂或糖蛋白具有重要的生理功能。典型膜糖蛋白：血型糖蛋白A细胞质膜及物质运输细胞膜的分子结构细胞膜的分子结构片层结构模型(Danielli&Davson,1935)单位膜模型(JDRobertson,1958)液态镶嵌模型(Singer&Nicolson,1972)晶格镶嵌模型(Wallach,1975)板块镶嵌模型(Jain&White,1977)片层结构模型(Danielli&Davson,1935)单位膜模型(JDRobertson,1958)液态镶嵌模型(Singer&Nicolson,1972)晶格镶嵌模型(Wallach,1975)板块镶嵌模型(Jain&White,1977)单位膜模型(UnitMembraneModel)

JDRobertson(1958)

要点：所有生物膜都具有相似的结构，厚度基本一致；磷脂双分子层为主体，蛋白质位于内外两侧；折叠形式的膜蛋白通过静电作用与膜脂极性端相结合。

Singer&Nicolson(1972)

要点：流动的脂质分子构成膜的连续主体；膜蛋白质分子以不同程度镶嵌在脂质双分子层内；蛋白质非极性部分嵌入膜的非极性区，极性部分暴露于膜表面液态镶嵌模型(FluidMosaicModel)细胞外基质-细胞膜-膜骨架结构体系(细胞表面)细胞质膜及物质运输细胞膜的结构特点细胞膜的结构特点流动性不对称性膜脂的流动性膜脂分子运动形式主要有：(1)侧向运动；(2)旋转运动；(3)弯曲运动，(4)翻转运动。膜蛋白的流动性膜蛋白的运动形式主要有：

(1)侧向运动

(2)旋转运动膜蛋白的侧向扩散实验激光漂白后恢复技术(示膜蛋白流动性)细胞膜冰冻蚀刻示意图(示膜不对称性)生物膜的胞质面和非胞质面

以脂双层分子的疏水端为界，生物膜可分为近胞质面和非胞质面内外两层，生物膜内外二层的结构和功能有很大差异，这种差异称为生物膜的不对称性。

膜脂的分布也具有不对称性。膜脂双分子层成分有明显的不同。胆碱类磷脂如磷脂酰胆碱和鞘磷脂分布在非胞质面，胆固醇主要也分布于非胞质面，糖脂分布于非胞质面。氨基类磷脂如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇分布于胞质面。膜脂的不对称性膜蛋白的不对称性

膜蛋白分布具有绝对不对称性。各种镶嵌蛋白在膜内的排列方向即造成其不对称性，贯穿膜全层跨膜蛋白的两个亲水端，不仅长度不同，而且氨基酸的种类、顺序都不相同。外在蛋白在膜的内外表面分布也是不对称的，如Mg2+-ATP酶、5核苷酸酶、磷酸二酯酶均分布在膜的非胞质面，而腺苷酸环化酶位于胞质面。细胞质膜及物质运输细胞膜与物质运输细胞膜与物质运输

细胞膜的选择透过性小分子和离子的跨膜运输大分子和颗粒物质的囊泡运输跨膜运输：小分子&离子

简单扩散通道蛋白与被动运输：通道扩散载体蛋白与被动运输：协助扩散载体蛋白介导的主动运输返回上一层细胞质膜及物质运输细胞膜与物质运输

人工脂质扩散试验表明，不同的小分子物质转运的效率差异极大，主要取决于该分子的大小和对脂类的相对溶解度。一般说来，分子量越小，脂溶性越强，通过脂双层的速度越快。非极性的小分子如O2易溶解于脂类，可迅速通过脂双层，不带电荷的极性小分子如CO2、乙醇、尿素也能迅速通过。但较大的分子如甘油通过较慢，葡萄糖、果糖则几乎不能通过。水分子量小，不带电荷，且具双极性，能迅速过膜。脂双层对带电荷的离子，不论大小，都是高度不通透的。人工脂质双分子层对多种物质通透性简单扩散(simplediffusion)概念：简单扩散(simplediffusion)是待转运物质顺电化学梯度(物质浓度梯度和离子浓度梯度)从高浓度的一侧通过细胞膜或其它的膜相结构向低浓度的一侧进行的物质运输。物质进行简单扩散时，不需要消耗能量。特点：

(1)顺电化学梯度

(2)无需消耗能量

(3)不需要膜转运蛋白被动运输(passivetransport)概念：被动运输(passivetransport)是被转运物质顺电化学梯度(物质浓度梯度和离子浓度梯度)从高浓度的一侧通过细胞膜或其它的膜相结构向低浓度的一侧进行的物质运输。物质进行被动运输时，不需要消耗能量，需要或不需要膜转运蛋白的参与。形式：

(1)需要转运蛋白：易化扩散(需载体蛋白)(2)需要转运蛋白：通道扩散(需通道蛋白)通道扩散(channeldifussion)

运输特点—顺浓度梯度或电化学梯度—无需耗费能量(驱动力：溶质浓度梯度&跨膜电位差)—需特异性的膜转运蛋白(通道蛋白)

分类(离子通道)

—电压门通道

—配体门通道

—压力门通道

适应对象

—金属离子

通道蛋白跨膜形成亲水性通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，其动力来自于溶质浓度梯度和跨膜电位差。通道扩散介导物质运输时无需与溶质发生结合，往往与离子运输有关，故又称离子通道。离子通道具有两个显著特点：(1)离子选择性，和(2)门控运输。离子通道可分为电压门通道、配体门通道以及压力门通道等几种类型。通道扩散的几种类型离子通道：乙酰胆碱受体(AchR)

乙酰胆碱受体存在于神经－肌肉接头处肌细胞的质膜上，神经终末受到神经冲动的影响，引起终末内乙酰胆碱分泌小泡释放、进入突触间隙，被肌细胞表面的乙酰胆碱受体识别、结合，导致通道打开，Na+因此进入肌肉细胞内，使质膜去极化，质膜的去极化又进一步引起电压门Na+开放，进一步增强去极化，引起肌浆网膜上电压门通道Ca2+通道活化，释放Ca2+至细胞质内，起肌肉收缩。离子通道：压力门通道协助扩散(facilitateddiffusion)

特点—无需耗费能量—顺浓度梯度或电化学梯度—需特异性的膜转运蛋白(载体蛋白)对象

—糖、氨基酸、核苷酸

—细胞的多种代谢产物

载体蛋白是细胞膜上与某种物质运输有关的跨膜蛋白，通过其空间构象的变构来实现物质的摄取和释放。载体蛋白与溶质的结合具有高度专一性，不同的溶质由不同的载体蛋白进行运输。载体蛋白与溶质的结合和分离是一个暂时性的、可逆性变化过程。载体蛋白通过构象变化转运物质

载体蛋白介导的物质运输过程中，可能存在两种或两种以上的物质同时进行运输，则称这种运输方式为协同运输(coupledtransport)，相应地载体蛋白只介导一种物质的运输方式称为单运输(uniport)。按照两种物质运输的方向不同，协同运输又分为共运输(symport)和对向运输(antiport)两种方式。载体蛋白转运物质的几种方式主动运输(activetransport)

特点—逆浓度梯度或电化学梯度—直接或间接需要能量，需ATP酶参与—需特异性的膜转运蛋白（载体蛋白）——泵(具有ATP酶活性)

类型—Na+-K+泵、Ca2+泵、H+泵对象

—金属离子

—氨基酸、葡萄糖等

几乎所有的动物细胞膜都含有Na+-K+泵，具有水解ATP的功能，故又称为Na+-K+ATP酶，Na+-K+ATP酶由大、小两个亚基组成。大亚基是一个多次跨膜的镶嵌蛋白，具有ATP酶活性，是催化单位。小亚基是一种具有组织细胞特异性的糖蛋白，具体功能未知。大亚基在胞质面有1个ATP结合位点和3个Na+结合位点，非胞质面有2个K+和1个乌本苷(ouabain)结合位点。Na+-K+ATP酶介导了细胞对Na+和K+的对向运输，即将Na+泵出胞外，K+泵入胞内。Na+-K+ATP酶在细胞膜电位的产生和维持，以及维持细胞渗透压平衡等方面具有重要作用。Na+-K+泵(Na+-K+ATP酶)Na+-K+ATP酶介导的Na+/K+运输

Na+-K+ATP酶对Na+/K+具有高度亲和力，大亚基具有ATP酶活性，通过水解ATP导致酶分子空间构象的改变，实现了对Na+/K+的摄取和释放。其大致过程为：3Na+和ATP结合到酶胞质面的相应结合位点；这种结合刺激了ATP水解，使酶磷酸化，蛋白的构象发生改变，Na+结合位点转而暴露在胞外，Na+亲和力下降，释放Na+到细胞外；Na+亲和力下降的同时，K+亲和力增强，胞外的2K+

结合到K+结合位点；K+的结合刺激酶发生去磷酸化，导致蛋白的构象再次发生变化，将K+的结合位点转而朝向胞质面，随即释放K+到胞质中，最后酶蛋白构象又恢复原状。Na+-K+ATP酶介导主动运输的效应直接效果维持胞内低Na+，高K+的特殊离子环境间接效果

(1)调节细胞体积

(2)促进物质吸收

(3)维持重要酶活动必需的高K+环境

(4)产生跨膜电位Ca2+-ATP酶介导的Ca2+运输

Ca2+又称Ca2+-ATP酶，主要存在于细胞膜和肌浆网膜(内质网膜)，功能为介导细胞对Ca2+的运输，参与调节细胞基本功能。Ca2+-ATP酶与Na+-K+ATP酶的大亚基同源，可能具有共同的进化来源。Ca2+-ATP酶每消耗一个ATP分子，可运输2个Ca2+，它将Ca2+泵出细胞或泵入内质网腔贮存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+(一般情况下，细胞内Ca2+浓度约为10-7mol/L，细胞外为10-3mol/L)。离子浓度梯度驱动的主动运输(协同运输)

顺&逆浓度梯度；

溶质运输不直接由ATP提供能量，而是靠与之偶联的离子如Na+提供的电化学梯度；

细胞内外离子如Na+浓度梯度的正常维持需要相应的离子泵参与；

需载体蛋白(协同运输载体蛋白)参与；

实例：肠上皮细胞或肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收。小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收和转运

某些主动运输系统是由离子浓度梯度中贮存的能量来驱动的，其动力并非直接来自于ATP的水解供能，所有这些功能都是协同运输，某些是同向运输，某些是对向运输。在动物细胞中，驱动这种协同运输的离子通常都是Na+，Na+的电化学梯度提供驱动主动转运的另一种物质的能量。在许多上皮细胞中，载体蛋白在细胞膜上的分布是不对称的，从而形成吸收溶质的跨细胞膜转运系统。如小肠上皮细胞，与Na+偶联的通向运输载体存在于细胞膜的游离面吸收区域，主动转运营养物质进入细胞质，形成一定的浓度梯度，与Na+无关的转运蛋白位于基底面或侧面，允许营养物质离开细胞，以降低浓度梯度。返回上一层细胞质膜及物质运输细胞膜与物质运输囊泡运输：大分子&颗粒耗能的主动转运过程；运输过程涉及到膜泡的形成、转移和融合等动态过程；需要多种蛋白质如细胞骨架、衣被蛋白等的协同作用；通过膜流实现生物膜成分动态更新；运输方式：胞吞作用&胞吐作用。胞吞作用(endocytosis)胞外物质的内化过程三种形式：(1)吞噬作用(phagocytosis)(2)胞饮作用(pinocytosis)(3)受体介导的内吞作用

(receptor-mediatedendocytosis)主要功能：营养、防御、清洁吞噬作用(phagocytosis)概念：细胞吞入较大的固体颗粒或分子复合物(直径可达数微米)，如细菌、无机尘粒、细胞碎片等物质的过程，称为吞噬作用(phagocytosis)。过程：被吞噬颗粒首先吸附在细胞表面，经吸附区质膜内陷最终形成囊泡，进入细胞内成为吞噬体或吞噬泡。吞噬泡最终与溶酶体结合而被消化分解。细胞：广泛存在于原生动物，高等动物细胞比较少见，主要是一些特殊细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞和单核细胞等，主要参与免疫防御及清除细胞碎片的功能。细胞的吞噬作用胞饮作用(pinocytosis)概念：细胞吞入大分子溶质或极微小颗粒物质的过程，称为胞饮作用(pinocytosis)。过程：溶质分子首先吸附在细胞表面，经吸附区质膜内陷最终形成囊泡，进入细胞内成为胞饮体或胞饮小泡。胞饮小泡最终与溶酶体结合而被消化分解。细胞：胞饮作用与能形成伪足的细胞及具有高度可活动膜的细胞有关，主要存在于变形虫、小肠上皮细胞、粘液细胞、成纤维细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管细胞和巨噬细胞等。受体介导的胞吞作用(receptor-mediatedendocytosis)

特异性极强的胞吞作用配体－受体参与的过程有衣被囊泡形式的运输速度快，具有选择及浓缩功能受体介导的胞吞过程中有被小泡的形成

电镜观察显示细胞摄取低密度脂蛋白(LDL)过程中网格蛋白包被囊泡的形成过程。有被小泡扫描电镜观察

在受体介导的胞吞作用或定向到溶酶体时形成的有被小泡表面覆盖着特殊的化学成分——网格蛋白(clathrin)，它组装形成类似于篮网状结构。网格蛋白电镜观察及其在衣被中排列

网格蛋白(clathrin)是一种高度稳定的纤维状蛋白质，相对分子量为1.8×105，与另一种小分子多肽形成衣被的基本结构单位，即三臂蛋白复合体。每个复合体由3个笼蛋白分子(重链)和3个小分子多肽(轻链)，呈三分支排列。三臂蛋白复合体能形成特殊的几何结构，即五角形或六角形的篮网状结构。衣被与小泡形成有关，一旦小泡形成，网格蛋白随即解体脱落，循环使用。网格蛋白外被的组装和去组装低密度脂蛋白颗粒示意图

细胞对胆固醇的吸收是通过低密度脂蛋白颗粒(LDL)来实现的。LDL由磷脂双分子层、载脂蛋白(Apo)和胆固醇脂构成，载脂蛋白是LDL受体的识别配体。受体介导的内吞作用摄取胆固醇的过程

细胞对胆固醇的吸收是一有受体参与的胞吞过程，其主要过程为：LDL(低密度脂蛋白)颗粒通过载脂蛋白(ApoB100)与细胞质上的LDL受体识别并且结合；细胞表面凹陷形成有被小窝，后者逐步扩大、脱落形成有被小泡进入细胞内；有被小泡脱去衣被形成无被小泡，并与胞内酸性小囊泡(早期内体)融合形成大的晚期内体；内体膜上具有质子泵，使内体呈酸性环境，酸性环境下受体与配体分离；带有受体的部分膜结构芽生、脱落，再与质膜融合，回到细胞膜上重新利用；含有LDL的内体与溶酶体融合，LDL被溶酶体消化，形成氨基酸、胆固醇及多种可利用的物质，进入细胞供细胞代谢所需。胞吐作用(exocytosis)概念：细胞内某些物质由膜包被形成小泡，从细胞内部逐步移到质膜下方，小泡膜与质膜融合，最终把物质排到细胞外的过程，又称为分泌（secretion）。类型：(1)组成型胞吐作用(固有分泌)

(2)调节型胞吐作用(受调分泌)

(3)高尔基体－质膜(小管分泌)对象：激素、酶类、抗体以及未消化的食物残渣过程：分泌物形成移位入坞近质膜融合与分泌

胞吐作用细胞分泌包括两种形式

固有分泌：是一种连续的分泌方式；

受调分泌：细胞接受外界信号后，分泌颗粒与质膜融合，进行分泌。分泌泡的胞吐作用受调分泌的透射电镜观察受调分泌的透射电镜观察接受外界信号前的状态；接受外界信号后分泌泡迅速将泡内物质外吐。细胞质膜及物质运输细胞膜与临床疾病细胞膜与临床疾病膜受体异常与疾病载体蛋白异常与疾病离子通道异常与疾病

血管内皮细胞接受乙酰胆碱(Ach)，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质型鸟苷酸环化酶(CG