第四章：细胞质膜

第四章细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜的结构组成细胞膜（cellmembrane）1、定义：包围在细胞质表面的一层薄膜,又称质膜(plasmamembrane)。可将细胞中生命物质与外界环境分隔开，维持细胞特有的稳定内环境，同时行使物质转运、信号传递、细胞识别等多种复杂功能，与细胞的起源、增殖分化、细胞的识别、代谢、能量转换等生命科学中的基本问题密切相关。1）隔离作用:为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境细胞膜：细胞内、外两个区域内膜系统：细胞内分隔成不同的区域2）物质运输功能运输离子、营养成分2、细胞质膜的功能3）信息传递:提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递4）细胞与细胞间的相互作用与免疫,肿瘤,代谢调节密切相关5）能量转换功能线粒体膜和质膜可以将电化学能量转换为ATP6）维持细胞的形状细胞膜骨架7）为酶提供结合位点使酶促反应高效而有序地进行；内质网上进行蛋白质转运的酶8）特化结构，鞭毛，纤毛等，与细胞的运动功能有关3、细胞内膜(internalmembrane)

围绕各种细胞器的膜，包括内质网、高尔基复合体、溶酶体等膜结构，与质膜在化学组成、分子结构和功能活动方面有许多共性。4、生物膜(biomembrane)

质膜和内膜系统的总称，因为质膜和内膜在起源、分子结构和化学组成等方面具有相似性，具“两暗一明”的单位膜结构第一节细胞膜的化学组成与分子结构主要由：脂类、蛋白质、糖、离子、水组成生物膜功能越复杂，蛋白质所占比例越大。神经髓鞘：18%心肌细胞线粒体膜：75%一、细胞膜的化学组成（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架占50%左右，分磷脂、胆固醇、糖脂三类1、磷脂构成膜脂的基本成分，占膜脂50%以上，分两类：甘油磷脂和鞘磷脂1)甘油磷脂：以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。

PE（脑磷脂）PSPC（卵磷脂）SM2)鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。2、胆固醇能够稳定膜和调节膜的流动性结构：四个甾环，一个烃链，甾环的羟基形成极性的头，甾环形成刚性的平面，烃链形成非极性的尾。主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。胆固醇的结构由脂类和寡糖构成，〈5%，神经细胞膜上含量多，5-10%：含糖而不含磷酸,结构与SM相似，两性分子，极性头：葡萄糖或半乳糖，非极性的尾巴：鞘氨醇和脂肪酸3、糖脂主要位于质膜的非胞质面

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。Raven.and.Johnson's.Biology,.6th4、膜中的脂类分子为双亲分子具有亲水头端和疏水尾端，头端朝向水相，疏水尾端埋藏在膜的内部——呈双分子层排列，构成了膜的结构骨架。Raven.and.Johnson's.Biology,.6th特征：

1）极性的头和两个非极性的尾

2）脂肪酸的碳链为偶数，16，18，103）除饱和脂肪酸外，还含有不饱和脂肪酸，其双链1-多个双链，多为顺式，在烃链产生30度的弯曲，使尾巴在一定范围内活动。磷脂分子团和脂质体结构1、形成球状分子团，把尾部包藏在里面2、形成双分子层，把尾部夹在头部中间3、为了避免双分子层两端疏水尾部与水接触，其游离端能自动闭合，形成脂质体脂质体可用于膜功能研究作为体内药物或DNA运输的载体脂类双分子层存在的意义是什么？思考：脂双分子层能够自动形成构成两个分隔的水溶液环境屏障，脂双分子层内为疏水的脂肪酸链，不允许水溶性分子、离子和大多数生物分子自由通过，保障了细胞内环境的稳定脂双层是黏滞的二维流体，使细胞膜具有流动性是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。包括转运蛋白、酶、连接蛋白和受体蛋白等蛋白质分子或嵌插在脂双层网架中，或粘附在脂双层表面，根据在膜上的存在部位，膜蛋白可分为三类：

（二）膜蛋白执行细胞膜的多种重要功能1，2：膜整合蛋白3，4：脂锚定蛋白5，6：外周蛋白1、整合膜蛋白（integralmembraneprotein）1）也称跨膜蛋白(transmembraneproteins)，为两性分子，非极性区（疏水区）插在脂双层分子之间，极性区（亲水区）则朝向膜的表面，占70%～80%。2）主体穿过细胞膜脂双层，分为单次跨膜、多次跨膜和多亚基跨膜蛋白三种。3）单次跨膜蛋白肽链穿过脂双层一次，有胞外、胞质和跨膜三个结构域，跨膜域含有20～30个疏水性氨基酸，以α螺旋构象穿越脂双层。穿膜的方式包括：跨膜结构域的疏水性氨基酸残基形成α-螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层脂肪酸链相互作用，把蛋白质封闭在脂壁中。

疏水性穿膜区亲水区亲水区一般不易分离开来，除非采用破坏膜结构或使用去垢剂的强烈方法才能被提出。某些α-螺旋外侧是非极性链，内侧是极性链，形成了特异性极性分子的跨膜通道。如人红细胞膜上的带Ⅲ蛋白，介导Cl-/HCO3-的跨膜运输。10-12氨基酸形成beta-折叠，也形成跨膜通道，一般为非特异性的，允许〈104的小分子自由通过。2、外在膜蛋白：也叫外周蛋白（peripheralprotein）蛋白质附着于膜的表层，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。附着在其他膜蛋白上的周边蛋白附着膜蛋白周边蛋白周边蛋白膜蛋白3、脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）周边蛋白有的通过寡糖链与脂双层表面共价结合；有的则直接通过端部氨基酸残基与脂分子间共价结合：共价结合与脂肪酸链形成酰胺键锚定至膜上与异戊二烯基团形成硫酯键锚定至膜上糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI):质膜外表面上与磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合而锚定在质膜上细胞膜内侧的G蛋白是脂锚定蛋白PIP2: 二磷酸磷脂酰肌醇DAG：二酰基甘油IP3:三磷酸肌醇（三）膜糖类覆盖细胞膜表面以糖脂和糖蛋白的形式存在，占2%~10%中性糖：如半乳糖，甘露糖，岩藻糖氨基糖：如D-半乳糖胺，D-葡萄糖胺氨基糖酸：如唾液酸，常见于糖链末端，形成真核细胞表面静负电荷功能：使跨膜蛋白在细胞膜表面定位及固定，防止滑入细胞质或在脂肪双层翻转，也可能参与环境相互作用，细胞识别。二、细胞膜的特性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性膜组分分布不对称性与膜功能的不对称性，使生命活动高度有序。

1、膜脂的不对称性

1）膜脂内外层化学组成不对称

2）不同膜性细胞器中脂类成分组成不同膜脂的不对称性：同一种脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。镰刀形红细胞与荧光标记的annexinV共孵育的荧光显微镜照片流式细胞仪检测到的PS暴露于表面的红细胞的百分比2，膜蛋白的不对称性包括：整合蛋白插入的深度不同；穿过蛋白质两侧的基团不同；两侧表面边周蛋白的性质种类不同。每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素受体分布在细胞膜外表面，细胞色素C位于线粒体内膜侧。3、糖类的不对称性：寡糖侧链只分布于质膜外表面，内膜系统中，寡糖侧链分布于膜腔的内侧面。二、膜的流动性是膜功能活动的保证膜是一个动态的结构，膜的流动性是细胞进行生命活动的必要条件。包括：脂类分子的流动性蛋白质的流动性1、膜脂双分子层是二维流体液晶态：细胞膜脂质组分居于晶态和液态之间，使膜既具有固体分子所具有的分子排列的有序性，也具有液体的流动性。相变温度：正常温度时，细胞膜呈液晶态，当温度下降到某一点时，它可以从液晶态转变为晶态；温度上升时又可以熔融为液晶态。荧光光漂白技术1）侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2）旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3）摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4）伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。5）翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。6）旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。2、膜脂分子能进行多种运动3.影响膜脂分子流动性的因素1）脂肪酸链的不饱和程度(不饱和脂肪酸越多,流动性越大)2）脂肪酸链的长度(脂肪酸链短，相变温度低，流动性大)3）胆固醇/磷脂的比值(胆固醇含量增加，膜脂流动性降低)4）卵磷脂/鞘磷脂比值(鞘磷脂含量高，流动性低)5）膜蛋白的影响(结合蛋白质，影响其流动性)此外，膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。相变温度以上，胆固醇含量增加，固醇分子的固醇环与磷脂分子的烃链部分相结合限制了膜的流动性。不饱和脂肪酸越多,流动性越大环境温度高，流动性大主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。通过人-小鼠细胞融合实验证明受细胞骨架的限制，细胞松弛素B处理细胞，阻断微丝形成，增强膜蛋白流动性。4、膜蛋白质的流动性5、膜流动性的生理意义：1）膜蛋白酶活性：适宜的膜流动性是维持酶构象的必要条件;2）物质运输：载体蛋白,受体介导内吞等均需要膜的流动性;3）细胞的信息传递：细胞的传递系统在膜上(激素及药物的作用需要适宜的膜流动性才能进行信号传递);4）细胞周期：分裂期最高,G1、S期最低;5）发育：一般,成体细胞的膜流动性要小于幼体细胞;经代谢来进行调节控制。(如贫血RBC低;癌细胞高)三、细胞膜的分子结构模型蛋白质、脂类等是如何组合在一起形成膜结构的？（一）片层结构模型

1935年，JamesDanielli和HughDavson提出：细胞膜是由两层磷脂分子构成，磷脂分子的疏水烃链在膜的内部彼此相对，而亲水端朝向膜的外表面，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成“蛋白质-磷脂-蛋白质”三层夹板式结构。（二）单位膜模型

50年代，Robertson电镜下观察到生物膜的“两暗夹一明”的三层式结构，即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，暗线厚约2nm，明线厚约3.5nm，总厚度为7.5nm。，这种“两暗夹一明”的结构模型被称为单位膜模型。（三）流动液态镶嵌模型S.J.Singer和G.L.Nicolson在1972年提出了膜的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)：荣获1972年诺贝尔奖！流动镶嵌模型的含义：1.细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。2.磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；3.蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。（四）脂筏模型（lipidraft）

质膜中一些功能性微区，是一些富含鞘脂类和胆固醇的区域，就像一个蛋白质停泊的平台，其中聚集一些特定种类的膜蛋白与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系，脂筏周围是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。膜加厚,富含胆固醇和鞘磷脂。外膜：脂锚定蛋白(GPI-linkedproteins)内膜：陷窝蛋白(Caveolin)Lehninger'sPrinciplesofBiochemistry4th第二节小分子物质的跨膜运输质膜对所运输物质通透性的高低取决于质膜固有的脂溶性和物质本身的特性细胞对小分子和离子的运输通过：简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和主动运输一、膜的选择性通透和简单扩散

1、细胞膜是选择性的透过膜，1)脂溶性越强的分子，易，如O2，N2；2)分子越小，易，如H2O；3)不带电荷分子，易，如尿素，甘油；4)大分子、亲水性分子和离子依赖于专一性的跨膜蛋白，如葡萄糖、蔗糖，H+，Na+，K+，Ca2+、Mg2+，Cl-，HCO3-2、简单扩散(simplediffusion)

由于物质在细胞两侧存在浓度的差异，分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从膜的一侧通过细胞膜进入膜的另一侧，也称被动扩散（passivediffusion），满足条件：1)沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；2)不需要提供能量；3)没有膜蛋白协助二、膜转运蛋白介导的跨膜运输细胞膜中存在特定的膜转运蛋白，肽链穿越脂双层，使被转运物质通过细胞膜，分为两类：载体蛋白（carrierprotein）：

与溶质结合后改变构象，使溶质穿膜，介导主动和被动运输。通道蛋白（channelprotein）：形成水溶性通道，贯穿脂双层，通道开放时，无机离子可通过，介导被动运输。（一）离子通道高效转运各种离子也叫离子通道（ionchannel），特点：1）通道蛋白介导的是被动运输2）对转运离子大小和所带电荷有高度选择性3）转运速率高，106～108/s4)多数离子通道不是持续开放三种类型的门控离子通道蛋白：电压控制通道配体控制通道应力激活通道神经肌接头处突触传递（1）当神经冲动传至神经末梢，引起细胞去极化，导致膜上的电压门控通道Ca2+通道瞬时开放，Ca2+内流，引起突触小泡中ACh释放至突触间隙内。（2）Ach与突触后肌细胞膜上的nAChR结合，促使其开放形成阳离子通道，Na+内流，细胞膜局部去极化。（3）肌细胞膜去极化诱发膜上电压门控Na+通道短暂开放，大量Na+涌入肌细胞内，使细胞膜进一步去极化，并扩散到整个细胞膜。（4）肌细胞膜去极化，使肌肉网上Ca2+通道开放，Ca2+大量释放入肌细胞内使肌浆中Ca2+浓度，引起肌原纤维的收缩。（二）载体蛋白介导的易化扩散易化扩散（faciliateddiffusion）：一些非脂溶性（或亲水性）物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，不以简单扩散的方式通过细胞膜，但在载体蛋白的介导下，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。

人类基因组编码12种与糖转运相关载体蛋白GLUT1~12，对葡萄糖的摄取表现出酶动力学基本特征。简单扩散与易化扩散的比较载体蛋白的构象转换“乒乓”模型（三）载体蛋白介导的主动运输主动运输：由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式，需要消耗能量，根据所需能量来源不同，分为两种：由ATP直接提供能量的主动运输由ATP间接提供能量的协同运输1、离子泵直接水解ATP进行主动运输（1）Na+-K+泵为维持细胞的渗透压的平衡，细胞需要花费能量将从高浓度渗漏到低浓度一侧的离子再运输到高浓度的一侧。如钠外高内低，钾外低内高，细胞则使用位于细胞膜上的一个叫钠钾泵的装置将钠由内向外，钾由外向内，都是逆着浓度梯度进行运输，需要消耗能量。

钠钾泵实际上是ATP酶，在钠钾离子存在的情况下，将ATP转化为ADP+Pi，同时利用蛋白质构象的变化，同时将钠钾向逆浓度梯度的方向运输。Na+-K+-泵活动示意图钠钾泵的作用：1）维持细胞的渗透性，保持细胞体积；2）维持低Na+高K+的细胞内环境；3）维持细胞的静息电位。4）地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。（2)Ca2+泵存在于质膜和内质网膜上，将钙离子泵出细胞或泵入内质网池，以维持细胞内钙离子的浓度低的状态，也是ATP酶，每消耗一个ATP，可以泵出2个钙离子，如肌细胞内肌浆网上