第四章 细胞膜与物质的运输（改）

第四章细胞膜与物质的运输主要内容◘细胞膜的化学组成与分子结构◘小分子物质的跨膜运输◘大分子和颗粒物质的跨膜运输◘细胞外表及其特化结构◘细胞膜异常与疾病细胞膜〔cellmembrane〕细胞的界膜，又称质膜〔plasmamembrane〕选择性运输物质感受外界信号，传递信息细胞膜与细胞内膜结构相同，统称生物膜〔biologicalmembrane〕单位膜，透射电镜下呈“两暗夹一明〞的三层结构，厚约8nm第一节细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜结构一、细胞膜的化学组成脂类〔lipid〕50％蛋白质〔protein〕40～50％糖类〔glucide〕1～10％其它：水、无机盐、金属离子少量〔一〕膜脂〔membranelipid〕1.磷脂分子磷脂构成细胞膜的根本成分，占膜的50％多常见磷脂分子：磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酰肌醇共同结构特征：磷脂酰碱基＋甘油＋脂肪酸头部：磷脂酰碱基局部，有极性，亲水尾部：脂肪酸链，14～24个C，无极性，疏水膜脂是两亲性分子，膜上内外两侧是亲水的磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂分子2.胆固醇〔cholesterol〕散布在磷脂分子之间的中性脂质极性头部为羟基团，紧靠磷脂极性头部非极性疏水结构为甾环和烃链稳定膜，调节膜的流动性甾环结构使与之相邻的磷脂疏水尾部的一局部不易活动3.糖脂〔glycolipid〕占膜脂分子的5％，由脂类和寡糖构成糖基暴露在细胞外侧细菌和植物细胞的糖脂由甘油酯类衍生来的，一般为磷脂酰胆碱动物细胞的糖脂是由鞘氨醇衍生来的，称为鞘磷脂不同类型的糖脂主要区别在于极性头部不同最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,存在髓鞘中最复杂的糖脂是神经节苷脂〔ganglioside〕,含1个以上唾液酸残基，存在神经细胞膜上脑苷脂神经节苷脂唾液酸残基膜脂在水中自动形成双层亲水头部露在外面疏水尾部藏在里面形成脂双分子层或磷脂分子团(脂质体)〔二〕膜蛋白〔membraneprotein〕约占50％，线粒体内膜高达75％，神经髓鞘低于25％膜蛋白的功能：转运分子、传递信息、支撑连接、酶活性…三类膜蛋白：内在膜蛋白、外在膜蛋白和脂锚定蛋白

1.内在膜蛋白〔intrinsicproteins〕又称跨膜蛋白〔transmembraneprotein〕，占膜蛋白70％～80％，全部或局部插入细胞膜内大局部跨膜蛋白以α螺旋单次或屡次穿膜，带Ⅲ蛋白少数跨膜蛋白以β-折叠屡次穿膜形成β筒状结构，如孔蛋白〔porin〕。2.外在膜蛋白〔extrinsicproteins〕也称外周蛋白〔peripheralprotein〕，占20％～30％，位于膜的内外外表，内面较多主要是水溶性蛋白质连接较松散，温和处理就与膜别离周边蛋白通过离子键、氢键或静电作用与膜脂分子相互作用高盐溶液可破坏离子键，不需用去垢剂如：血影蛋白、锚蛋白。细胞色素C等3.脂锚定蛋白又称脂连接蛋白〔lipid-linkedprotein〕两种方式以共价键与质膜的脂类分子结合一种是直接与质膜的脂质分子碳氢链结合在胞质侧，如Src和Ras，这种锚定与细胞恶性转化有关〔胞质侧碳氢链+Src/Ras〕另一种是质膜外外表的蛋白质与外层磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合〔糖链+蛋白质〕，称糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体和G蛋白等100多种。〔三〕膜糖类占质膜重量的2~10%糖蛋白和糖脂的糖链位于质膜外侧7种单糖：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸单糖的数量、种类、排列顺序及其分支不同组成千差万别的组合形式唾液酸残基常见于糖链的末端，形成真核细胞外表的负电荷Cellcoat〔又称糖萼，glycocalyx〕ABO血型Glu：葡萄糖Gal：半乳糖GalNAc：N-乙酰半乳糖胺Fuc：海藻糖二、细胞膜的特性〔一〕膜不对称性〔membraneasymmetry〕1.膜脂分布的不对称内外两层的脂类分子不对称膜外层：磷脂酰胆碱和鞘磷脂膜内层：磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇糖脂只分布膜外侧和内膜系统的非胞质侧不同膜性细胞器脂类组成不同质膜鞘磷脂、磷脂酰胆碱、胆固醇核膜、内质网膜、线粒体外膜磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇高尔基复合体膜脂类组成介于内质网与质膜之间线粒体内膜富含心磷脂2.膜蛋白分布的不对称跨膜蛋白的方向性血型糖蛋白N端在膜的非胞质侧〔外〕带Ⅲ蛋白的N端在膜的胞质侧〔内〕酶蛋白的分布不同膜外外表：Mg2+-ATP酶、5’核苷酸酶、磷酸二酯酶膜内外表：腺苷酸环化酶〔AC〕红细胞膜的冰冻断裂技术显示内层膜蛋白颗粒比外层多1倍〔外层为1400个/µm2〕3.膜糖的不对称性寡糖链连接在质膜的外外表内膜系统的寡糖链连接在膜腔的内侧面糖脂分布在极性上皮细胞的游离面，磷脂酰胆碱主要是分布在基底面上膜糖、脂类和蛋白质的不对称，保证了膜两侧的功能不同和方向性〔二〕膜的流动性1.膜脂的流动脂双层是一种二维流体，因细胞内外的水环境阻止膜脂分子自双层中逸出，只能在双层内运动和交换位置1〕膜脂分子的运动形式烃链的旋转异构运动〔流动性的主要因素〕C一C自由旋转产生旋转异构体反式构象歪扭构象侧向扩散〔lateraldiffusion〕同一单分子层内脂类分子交换位置，107次/秒。扩散距离为1～2µm/秒翻转运动〔flip-flop〕膜脂分子从一层翻转到另一层，慢而少，但在内质网膜上频繁，造成膜的不对称性旋转运动〔rotation〕膜脂分子垂直于膜平面围绕其纵轴快速转动伸缩振荡运动膜脂的脂肪酸链沿着与膜平面垂直的长轴进行伸缩、振荡运动。2〕影响膜脂的流动性脂肪酸链的饱和程度不饱和脂肪酸〔双键〕流动性脂肪酸链的长短链短相变温度流动性胆固醇的双重调节作用相变温度之上：胆固醇流动性稳定相变温度之下：胆固醇干扰烃链相互凝集防止膜流动性突然降低烃链长短和饱和程度链短、含双键流动性大相变温度相变：溶胶〔液态〕凝胶〔晶态〕链短、含双键相变温度低相别离〔phaseseparation〕以不同饱和程度磷脂组成的人工膜有多个相变点，在某相变点时同时存在溶胶和凝胶状态。卵磷脂与鞘磷脂的比值哺乳动物细胞中，卵磷脂与鞘磷脂各为50%，卵磷脂：不饱和脂肪酸多，相变温度低鞘磷脂：饱和脂肪酸多，相变温度高，流动性比值大流动性，比值小流动性膜蛋白的影响膜蛋白嵌入膜脂类分子结合形成界面脂，降低膜的流动性膜蛋白多膜微粘度增加流动性低2.膜蛋白的流动〔1〕膜蛋白运动形式侧向扩散膜蛋白在同一层漂浮扩散，没有翻转运动细胞融合实验用培养的人和小鼠成纤维细胞进行融合，形成人-小鼠杂交细胞人荧光〔红〕标记膜蛋白抗体人膜蛋白小鼠荧光〔绿〕标记膜蛋白抗体小鼠膜蛋白旋转运动围绕垂直于膜平面的轴旋转自发的热运动，不需能量变构运动通道蛋白构形改变，执行相关功能载体蛋白膜的流动性与膜功能的完成有着密切的关系三、细胞膜的分子结构模型1、片层结构模型(lamellastructuremodel)1935年Danielli和Davson提出第一个膜的分子结构模型双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相对，亲水端朝向膜的内外外表球形蛋白质附着在脂双层的两侧外表，形成蛋白质-磷脂-蛋白质三层甲板式结构2、单位膜模型(unitmembranemodel)1959年Robertson提出电镜下生物膜呈两暗夹一明的三层结构，称单位膜磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外与附着的蛋白质构成暗带，疏水尾部向内构成明带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单位膜模式图电镜下细胞膜1972年Singer和Nicolson提出磷脂双层构成膜的连续主体强调球形蛋白质镶嵌在脂双分子层内膜是一种动态的、不对称的具有流动性特点的结构3、流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)1975年Wallach提出晶格镶嵌模型镶嵌蛋白及周围形成晶态，流动性的脂类呈小片点状分布〔液态〕，说明了流动性、稳定性和完整性。1977年Jouin和White提出板块镶嵌模型脂双层中刚性较大的脂类板块独立移动板块之间是流动的脂类区晶格镶嵌模型及板块镶嵌模型和液态镶嵌模型实际上没有本质的差异，不过是膜流动性的分子根底进行了补充说明4、脂筏模型〔lipidraftsmodel〕近年发现含胆固醇和鞘磷脂的微区，聚集了特定的蛋白质这种含特殊脂质和蛋白质的微区较膜其它部位厚，更有序，较少流动，称脂筏脂筏直径约70～100nm，其上数百个蛋白质形成小窝〔caveolae〕，它可转运生物活性分子入细胞，参与信号转导脂筏的特点一是聚集蛋白质，便于相互作用二是提供蛋白质变构环境，形成有效的变构脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、老年痴呆、疯牛病等第二节小分子物质的跨膜转运一、膜的选择通透性和简单扩散1.细胞膜是选择性半透膜膜的通透性〔permeability〕质膜选择性的允许或阻止一些物质通过的特性。离子浓度差细胞膜的选择通透性造成细胞内外的离子浓度差人工脂双层对各种分子的相对通透性2.简单扩散〔simplediffusion〕物质顺电化学梯度自由穿膜运输方式不需要膜蛋白协助不需要细胞提供能量两类物质可简单扩散一类是疏水的小分子：氧气、氮气、苯等另一类是不带电的极性小分子：水、二氧化碳、乙醇、尿素、甘油等扩散速度取决于分子大小脂溶性程度电化学梯度二、膜转运蛋白介导的跨膜运输两类膜转运蛋白：一类为载体蛋白〔carrierprotein〕，结合特定溶质，改变构象，跨膜运输一类为通道蛋白〔channelprotein〕，形成〔开放〕通道，让特定溶质穿膜运动被动运输与主动运输被动运输：通道蛋白及许多载体蛋白介导，顺浓度梯度，不消耗代谢能主动运输：特定的载体蛋白介导，逆浓度梯度，消耗代谢能量〔一〕离子通道转运各种离子属被动运输顺梯度，运输时不与溶质结合转运速率高106~108个/秒高度选择性特异性的通道离子通道的开关受闸门控制1.配体门控通道(ligand-gatedchannel)受配体〔激素、药物〕控制的通道乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道N冲动传至神经末梢，电压闸门Ca2+通道瞬时开放Ca2+内流使突触小泡释放AchAch结合突触后膜受体，使Na+通道开放肌细胞膜Na+内流使电压闸门Na+通道短暂开放肌细胞膜去极化，肌浆网上Ca2+通道开放Ca2+内流，引起肌原纤维收缩神经肌肉接头处离子通道乙酰胆碱是五聚体跨膜蛋白〔α2βγδ〕2.电压门控通道

(voltage-gatedchannel)受跨膜电压变化调节的通道3.应力激活通道〔stress-activatedchannel〕感应力使构象改变，通道翻开，膜电位变化内耳毛细胞传递声波信号给听觉神经元〔二〕载体蛋白介导的易化扩散〔facilitateddiffusion〕概念亲水性物质在载体蛋白的帮助下，顺浓度梯度或电化学梯度通过膜的运输方式，不消耗能量运输对象葡萄糖、氨基酸、核苷酸或金属离子等扩散速率受膜两侧被转运物质浓度、载体蛋白数量及结合位点影响有人将载体蛋白称通透酶(permease),它有特异性、Vmax和结合常数〔Km〕，抑制剂可阻断它红细胞膜上的葡萄糖载体蛋白特性葡萄糖转运载体蛋白分子量55kD，为12次跨膜α螺旋，占膜总蛋白的5％数量5万个/红细胞〔占膜总蛋白的5%〕，最大转运速度：180个葡萄糖/秒转运机制葡萄糖载体蛋白构象改变，结合位点由朝向细胞外转向细胞内载体蛋白作用机理〔三〕载体蛋白介导的主动运输根据耗能方式分为：离子泵和离子梯度驱动的协同运输1.离子泵离子泵是一种称为ATP酶的膜蛋白〔1〕Na+-K+泵(Na+-K+ATPase)概念一种能对Na+和K+逆电化学梯度对向运输的ATPase〔1957年丹麦生理学家Skou提出〕结构2个α大亚基屡次跨膜整合蛋白，催化单位。2个β小亚基帮助α亚基折叠，其余作用不详Na+-K+泵示意图Na+-K+泵的工作原理过程Na++催化亚基→磷酸化→释放Na+，结合K+→催化亚基去磷酸化→释放K+，重新与Na+结合〔消耗细胞能量的70％，1000次/秒构象变化〕动力与方向ATP酶驱动的泵构型改变，水解1分子ATP，泵出3个Na+，泵入2个K+Na+内外、K+外内Na+-K+泵的工作过程Na+-K+泵的作用直接作用产生细胞内外Na+、k+浓度差，维持胞内Na+、K+的离子梯度间接作用控制细胞容积驱动主动运输调节渗透压维持膜电位洋地黄〔digitalis〕一种从洋地黄植物中获得的类固醇，能抑制钠泵而加强心脏收缩〔升高心肌细胞内Ca2+〕，它被用来治疗充血性心脏病已有200多年〔2〕Ca2+泵〔Ca2+-pump〕细胞膜及某些细胞器膜上的Ca2+-ATP酶含10次跨膜

–螺旋，4个与Ca2+结合形成Ca2+通道泵构型改变由ATP酶驱动转运方向

Ca2+泵入肌浆网或泵出胞外作用调节细胞内Ca2+浓度，降低细胞内Ca2+，使肌肉舒张细胞外信号引起少量Ca2+进入细胞内，就可改变细胞许多活动。2.离子梯度驱动的主动运输由离子电化学梯度贮存的能量驱动另一物质的主动运输，不是直接水解ATP提供驱动力通常是Na+的电化学梯度提供驱动主动转运另一种分子的能量小肠细胞和肾细胞同向运输Na+和葡萄糖就是Na+提供的动力〔1〕Na+-葡萄糖协同转运〔同向协同〕转运方向Na+外→内；葡萄糖或氨基酸：外→内Na+浓度↑→葡萄糖转运速率↑Na+的电化学梯度由Na+-K+泵维持。作用小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸肠上皮细胞对葡萄糖的运输协同运输〔coupledtransport〕单向运输〔uniport〕载体蛋白将一种溶质分子从膜一侧转运到另一侧，如葡萄糖的转运协同运输〔coupledtransport〕载体蛋白转运一种溶质分子时同时或随后伴随转运另一种溶质分子同向运输〔symport〕协同运输时两种溶质转运方向相同对向运输〔antiport〕协同运输时两种溶质转运方向相反2.Na+-H+交换载体〔Na+-H+exchangecarrier〕Na+驱动的对向运输系统转运方向Na+胞外→胞内；H+胞内→胞外作用去除细胞代谢产生的过量H+，维持胞质酸碱度〔pH一般在7.1～7.2〕交换载体的活动受细胞pH调节，交换载体激活和引起pH升高促进细胞增殖，Ph7.4时活性最强，Ph7.7以上即停止活动3.Cl--HCO3-交换器(Cl--HCO3-exchanger)相似于红细胞膜的带Ⅲ蛋白的Cl--HCO3-交换器交换方向与Na+-H+交换载体相反pH↑交换器活性↑HCO3-内→外；Cl-外→内。结果胞质pH↓主动运输的特点①小分子逆浓度梯度或电化学梯度转运②直接消耗ATP或由离子梯度提供能量③载体蛋白介导及其构型改变转运物质第三节大分子和颗粒物质的跨膜运输一、胞吞作用通过质膜内陷，包围细胞外大分子和颗粒物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。〔一〕吞噬作用〔phagocytosis〕摄取固体颗粒物质〔入侵的微生物、损伤和死亡的细胞等〕形成吞噬体〔phagosome〕或吞噬泡〔phagoctic〕，再与溶酶体结合具有吞噬功能的细胞：中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞〔二〕胞饮作用细胞非特异地摄取细胞外液滴的过程。质膜上特殊区域内陷形成小窝，包围液体形成胞饮体〔pinosome〕或胞饮泡〔pinocyticvesicle〕液相内吞吞入可溶性物质吸附内吞大分子或小颗粒物质先吸附于细胞外表胞饮时形成伪足的细胞：巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、小肠上皮细胞等胞饮作用〔三〕受体介导的内吞作用大分子低浓度的物质膜上特异性受体识别与结合膜内陷形成囊泡1.有被小窝和有被小泡有被小窝——质膜上受体集中的特定区域受体浓度是其他部位10~20倍电镜下小窝处质膜内陷，直径50~100nm内外表的毛刺状电子致密物包含网格蛋白〔clathrin〕和衔接蛋白〔adaptor〕网格蛋白又称笼蛋白，是一种蛋白复合物由3条重链和3条轻链组成重链和轻链组成二聚体3个二聚体形成包被小泡的结构——三腿蛋白复合物有被小泡的形成细胞外溶质小窝处的受体网格蛋白小窝内陷脱离质膜有被小泡〔外表笼状篮网结构〕网格蛋白包被有被小窝的作用：捕获膜受体，使之聚集于有被小窝牵拉质膜向内凹陷，形成有被小泡衔接蛋白的作用：参与小泡的包被形成起连接作用使细胞捕获不同类型的配体〔产生特异性〕发动蛋白的作用：一种小分子GTP结合蛋白，可结合GTP其构象改变切下质膜上的有被小泡2.受体介导的LDL内吞作用低密度脂蛋白〔lowdensitylipoprotein,LDL〕分子量3×106，Φ22nm，颗粒中心含1500个酯化的胆固醇，外面包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分子LDL受体839个氨基酸残基组成的单次跨膜蛋白,C端50个aa在膜内形成结构域受体介导LDL内吞过程LDL

LDL受体〔有被小窝〕无被小泡〔-〕