細(xì)胞生物學(xué)之筆記第4章細(xì)胞膜與物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸

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1、第4章 細(xì)胞膜與物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸 第1節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成與生物特性 1、 細(xì)胞膜的化學(xué)組成 細(xì)胞膜上的脂類=膜脂（membrane lipid），約占膜成分的50%，主要有磷脂（phospholipid）、膽固醇（cholesterol）、和糖脂（glycolipid） （1） 膜脂構(gòu)成細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)骨架 1． 磷脂是膜脂的主要成分 甘油磷酸的共同特征：以甘油為骨架，甘油分子的1、2位羥基分別于脂肪酸形成酯鍵，3位羥基與磷酸基團(tuán)形成酯鍵。磷酸基團(tuán)結(jié)合膽堿/乙醇胺/絲氨酸/肌醇。脂肪酸鏈長短不一，通常14~24個(gè)碳原子，一條脂肪酸鏈不含雙鍵，另一條含有一個(gè)或幾個(gè)雙鍵，形成30彎曲

2、。 鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，鞘氨醇的氨基結(jié)合長鏈的不飽和脂肪酸，分子末端的一個(gè)羥基與膽堿磷酸結(jié)合，另一個(gè)游離羥基可與相鄰分子的極性頭部、水分子或膜蛋白形成氫鍵。鞘磷脂及其代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺、鞘氨醇、1-磷酸鞘氨醇參與各種細(xì)胞活動(dòng)。神經(jīng)酰胺是第二信使；1-磷酸鞘氨醇在細(xì)胞外通過 G蛋白偶聯(lián)受體起作用，在細(xì)胞內(nèi)與靶蛋白作用 2． 膽固醇能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜和調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性 膽固醇為兩性極性分子。 極性頭部為連接于固醇環(huán)（甾環(huán)）上的羥基，靠近相鄰的磷脂分子。 固醇環(huán)疏水，富有剛性，固定在磷脂分子臨近頭部的烴鏈上，對林芝的 脂肪酸尾部的運(yùn)動(dòng)具有干擾作用。 尾部為疏水性烴鏈。埋在磷脂的疏水

3、尾部中。 膽固醇分子調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性和加強(qiáng)膜的穩(wěn)定性。沒有膽固醇，細(xì)胞膜會(huì)解體。 PS.不同生物膜有各自特殊的脂類組成。哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上富含膽固醇和糖脂，線粒體膜內(nèi)富含心磷脂；大腸桿菌質(zhì)膜則不含膽固醇。 3． 糖脂主要位于質(zhì)膜的非胞質(zhì)面 糖脂含量占膜脂總量5%以下，遍布原核、真核細(xì)胞表面 細(xì)菌和植物的糖脂 均是 甘油磷脂衍生物，一般是 磷脂酰膽堿PC 衍生來 動(dòng)物糖脂都是鞘氨醇衍生物，稱為鞘糖脂，糖基取代磷脂酰膽堿，成為極性頭部 已發(fā)現(xiàn)40多種糖脂，區(qū)別在于極性頭部不同，由1至幾個(gè)糖殘基構(gòu)成 最簡單的糖脂是腦苷脂，極性頭部只是一個(gè) 半乳糖/葡萄糖 殘基 最復(fù)雜的糖脂是

4、神經(jīng)節(jié)苷脂，極性頭部有七個(gè)糖殘基；在神經(jīng)細(xì)胞膜中最豐富，占總膜脂5%~10% 脂質(zhì)體（lipidsome）可以作運(yùn)載體 （2） 膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結(jié)合 又稱 含量 作用力 特點(diǎn) 膜內(nèi)在蛋白 穿膜蛋白 70%~80% 范德華力 α-螺旋構(gòu)象/β-筒 孔蛋白 膜外在蛋白 外周蛋白 20%~30% 非共價(jià)鍵 水溶性 脂錨定蛋白 脂連接的蛋白 共價(jià)鍵 運(yùn)動(dòng)性增大 1.內(nèi)在膜蛋白 又稱 跨膜蛋白，占膜蛋白總量70%~80%；分單次跨膜、多次跨膜、多亞基跨膜三種類型 跨膜區(qū)域 20~30個(gè) 疏水氨基酸殘基，通常N端在細(xì)胞外側(cè) 內(nèi)在膜

5、蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂結(jié)合區(qū)域，作用方式：①疏水氨基酸形成α-螺旋，跨膜并與脂雙層脂肪酸鏈通過范德華力相互作用②某些α-螺旋外側(cè)非極性，內(nèi)側(cè)是極性鏈，形成特異性畸形分子的跨膜通道 多數(shù)跨膜區(qū)域是α-螺旋，也有以β-折疊片多次穿膜形成筒狀結(jié)構(gòu)，稱β-筒，如 孔蛋白(porin) 2.外在膜蛋白 又稱 外周蛋白，占膜蛋白總量20%~30%；完全在脂雙層之外，胞質(zhì)側(cè)或胞外側(cè)，通過 非共價(jià)鍵 附著膜脂或膜蛋白 胞質(zhì)側(cè)的外周蛋白形成纖維網(wǎng)絡(luò)，為膜提供機(jī)械支持，也連接整合蛋白，如紅細(xì)胞的血影蛋白和錨蛋白 外周蛋白為水溶性蛋白，與膜結(jié)合較弱，改變?nèi)芤?離子濃度或pH，可分離它們而不破壞膜結(jié)構(gòu)

6、 3.脂錨定蛋白 ①一種位于膜的兩側(cè)，蛋白質(zhì)直接以共價(jià)鍵結(jié)合于脂類分子；此種錨定方式與細(xì)胞惡變有關(guān) ②還有糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白(GPI)，通過蛋白質(zhì)C端與磷脂酰肌醇連接的糖鏈共價(jià)結(jié)合 脂錨定蛋白在膜上運(yùn)動(dòng)性增大（側(cè)向運(yùn)動(dòng)），有利于結(jié)合更多蛋白，有利于更快地與胞外蛋白結(jié)合、反應(yīng) GPI-錨定蛋白分布極廣，100種以上，如多種水解酶、免疫球蛋白、細(xì)胞黏附分子、膜受體等 4. 去垢劑（detergent） 離子型去垢劑：SDS十二烷基磺酸鈉 引起蛋白質(zhì)變性 非離子型去垢劑：Triton X-100 對蛋白質(zhì)比較溫和 （3） 膜糖類覆蓋細(xì)胞膜表面 細(xì)胞膜的糖類，占質(zhì)膜重量2%~

7、10%； ①大多以低聚糖或多聚糖共價(jià)結(jié)合膜蛋白，形成糖蛋白（糖蛋白中的糖基化主要發(fā)生在天冬酰胺（N-連接），其次是絲氨酸和蘇氨酸（O-連接）殘基上）； ②或以低聚糖共價(jià)結(jié)合膜脂，形成糖脂，所有糖鏈朝向細(xì)胞外表面 形成低聚糖的單糖類型：甘露糖、巖藻糖、半乳糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸 等 A.唾液酸殘基 在糖鏈末端，形成 細(xì)胞外表面 凈負(fù)電荷 B.寡糖鏈中的單糖的數(shù)量、種類、排列順序、有無支鏈等不同，可以出現(xiàn)千變?nèi)f化的組合形式。Eg.人類ABO血腥抗原的差別就是血型糖蛋白在紅細(xì)胞質(zhì)膜外表面寡糖鏈的組成結(jié)構(gòu)決定。 △細(xì)胞外被cell coat=糖萼glycocalyx=與質(zhì)膜

8、相連的糖類物質(zhì) 功能：①保護(hù)細(xì)胞抵御各種物理、化學(xué)性損傷 ②建立起水鹽平衡③幫助蛋白質(zhì)膜上定位、固定，防止翻轉(zhuǎn)④參與細(xì)胞與外環(huán)境的作用，eg識(shí)別、粘附、遷移 2、 細(xì)胞膜的生物學(xué)特性 （1） 膜的不對稱性決定膜功能的方向性 膜結(jié)構(gòu)上的不對稱性保證了膜功能的方向性和生命活動(dòng)的高度有序性 1． 膜脂的不對稱性 SM、PC在細(xì)胞外側(cè)叫多，PE在細(xì)胞內(nèi)側(cè)較多。 2． 膜蛋白的不對稱性 各種膜蛋白在質(zhì)膜中有特定位置，分布絕對不對稱：酶和受體多分布于質(zhì)膜的外側(cè)面，而 腺苷酸環(huán)化酶 定位內(nèi)側(cè)面 跨膜蛋白有一定方向性：多數(shù)N外 C內(nèi)，兩端肽鏈長度、氨基酸種類、活性位點(diǎn)不同 3． 膜

9、糖的不對稱性 都向著非胞質(zhì)面 （2） 膜的流動(dòng)性是膜功能活動(dòng)的保證 流動(dòng)性fluidity主要是指膜脂的流動(dòng)性+膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性 1． 脂雙層為液晶態(tài)二維流體 液晶態(tài)（lipid-crystal state）脂雙分子層已有固體分子排列的有序性，又有液體的流動(dòng)性。細(xì)胞內(nèi)外的水環(huán)境，使膜脂分子不能從脂雙層逸出，只能在二維平面交互位置。 相變（phase transition）正常體溫下，膜呈液晶態(tài)；當(dāng)溫度下降到臨界溫度(膜的相變溫度)，膜脂轉(zhuǎn)為晶態(tài) 膜的流動(dòng)性是膜功能活動(dòng)的保證。 2． 膜脂分子的運(yùn)動(dòng)方式 1　 側(cè)向擴(kuò)散 lateral diffusion =脂雙層的單分子

10、層內(nèi)，脂分子沿膜平面?zhèn)认蚺c相鄰分子快速交換位置，每秒約107次。側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)膜脂分子主要的運(yùn)動(dòng)方式。。 2　 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) flip-flop 從脂雙層一層翻轉(zhuǎn)到另一層，需要翻轉(zhuǎn)酶，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生 3　 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)rotation 膜脂分子圍繞與膜平面向垂直的軸的自旋運(yùn)動(dòng) 4　 彎曲運(yùn)動(dòng) flexion 膜脂分子的烴鏈?zhǔn)怯许g性、可彎曲的，分子尾部端彎曲、擺動(dòng)幅度大，而靠近頭部彎曲擺動(dòng)幅度小。 5　 此外，還有伸縮、震蕩 3． 影響膜脂流動(dòng)性的因素 1　 脂肪酸鏈的飽和程度 磷脂分子長的飽和脂肪酸鏈呈直線型，具有最大的聚集傾向而排列緊密成凝膠狀態(tài)； 不飽和脂肪酸鏈在雙鍵出形成折曲而呈彎

11、曲狀，感染了脂分子間范德華力的相互作用，故排列疏松，從而增加了膜的流動(dòng)性。 ∴脂雙分子層中含有的不飽和脂肪酸越多，膜的相變溫度越低，流動(dòng)性越大。 環(huán)境溫度降低時(shí)，A.細(xì)胞通過去飽和酶（desaturases）催化將膽堿去飽和形成雙鍵。 B.通過磷脂酶&脂酰轉(zhuǎn)移酶在不同的磷脂分子之間重組脂肪酸鏈以產(chǎn)生含兩個(gè)不飽和脂肪酸鏈的磷脂分子。 2　 脂肪酸鏈的長短 脂肪酸鏈短的相變溫度低，流動(dòng)性大。短→尾端不易發(fā)生相互作用；長→不僅可以在同一分子稱內(nèi)相互作用，而且可以與另一分子層中的長鏈尾端相互作用 3　 膽固醇的雙重調(diào)節(jié)作用 A. 當(dāng)溫度在相變溫度以上時(shí)，由

12、于膽固醇分子的固醇環(huán)與磷脂分子靠近極性頭部的烴鏈部分結(jié)合，限制了這幾個(gè)CH2的運(yùn)動(dòng)，起到穩(wěn)定質(zhì)膜的作用。 B. 當(dāng)溫度在相變溫度以下時(shí)，由于膽固醇位于磷脂分子之間隔開磷脂分子，可有效地防止脂肪酸鏈相互凝聚，干擾晶態(tài)的形成。 4　 卵磷脂與鞘磷脂的比值 哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，卵磷脂和鞘磷脂的含量約占膜脂的50%，卵磷脂的脂肪酸鏈不飽和程度高，相變溫度較低；鞘磷脂則相反。在細(xì)胞衰老過程中，卵磷脂和鞘磷脂的比值下降，流動(dòng)性也下降。 5　 膜蛋白的影響 膜蛋白嵌入膜脂疏水區(qū)后，是周圍的脂類分子不能單獨(dú)活動(dòng)而形成界面脂；在含較多內(nèi)在蛋白的膜中，存在有內(nèi)在蛋白分割包圍的富脂區(qū)（lipid-rich r

13、egion）磷脂分子智能在一個(gè)富脂區(qū)內(nèi)自有擴(kuò)散，而不能擴(kuò)散到鄰近的富脂區(qū) 此外，膜脂的極性基團(tuán)、環(huán)境溫度、pH值、離子強(qiáng)度等 都對膜脂流動(dòng)性產(chǎn)生一定影響。環(huán)境溫度高，膜脂流動(dòng)性大；相變溫度內(nèi)，每下降10℃，膜的粘性增加3倍，膜流動(dòng)性降低 4． 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性 1　 側(cè)向擴(kuò)散 膜蛋白在膜脂中可以自有漂浮&在膜表面擴(kuò)散。人鼠雜交細(xì)胞表面抗原分布變化可證明。目前測定膜蛋白的側(cè)向擴(kuò)散常采用 光致漂白熒光恢復(fù)法（fluorescence recovery after photobleaching，F(xiàn)RAP） 2　 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 膜蛋白能圍繞與膜平面相垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 速度比側(cè)向擴(kuò)

14、散慢；不同膜蛋白速度不同，有些膜蛋白無法運(yùn)動(dòng)；膜蛋白周圍脂質(zhì)的流動(dòng)性影響膜蛋白的流動(dòng)性 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)不需要消耗能量 膜的流動(dòng)性意義重大：物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞識(shí)別、信息傳導(dǎo)等；生物膜的各種功能都是在膜的流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，膜的流動(dòng)過低，代謝終止 3、 細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型 （1） 片層結(jié)構(gòu)模型具有三層夾板式結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1935年，James Danielli 和 Hugh Davson發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的表面張力顯著低于油-水界面表面張力，推測質(zhì)膜中有蛋白質(zhì)；提出“片層結(jié)構(gòu)模型”(蛋白-磷脂-蛋白三層夾板式結(jié)構(gòu)) （2） 單位膜模型體現(xiàn)膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn) 1959年，J.D.Robertson 電

15、鏡觀察細(xì)胞膜“兩暗夾一明”——單位膜 單位膜模型：膜蛋白是單層肽鏈以β折疊通過靜電作用與磷脂極性端結(jié)合；能對膜的某些屬性進(jìn)行解釋，被普遍采用，但是把膜作為靜止的單一結(jié)構(gòu) （3） 流動(dòng)鑲嵌模型是被普遍接受的模型 1972年，“流動(dòng)鑲嵌模型”Fluid mosaic model：磷脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體，具有晶體的有序性和液體的流動(dòng)性；球形蛋白質(zhì)分子以不同形式結(jié)合脂雙層分子；膜是一種動(dòng)態(tài)的、不對稱的具有流動(dòng)性結(jié)構(gòu) 1975年，“晶格鑲嵌模型”：膜脂可逆地進(jìn)行“有序(液態(tài))”和“無序(晶態(tài))”相變，膜蛋白對膜脂的運(yùn)動(dòng)具有限制作用，流動(dòng)性是局部的 1977年，“板塊鑲嵌模型”：流動(dòng)的脂雙層中

16、 存在能獨(dú)立移動(dòng) 脂類板塊 （4） 脂筏模型深化了對膜結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí) 脂雙層中由特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的微區(qū)，富含膽固醇和鞘脂類，聚集特定種類膜蛋白；此膜區(qū)較厚（鞘脂類脂肪酸鏈較長），稱“脂筏”Lipid rafts，其周圍富含不飽和磷脂，流動(dòng)性較高 脂筏的兩個(gè)特點(diǎn)：許多蛋白聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用；脂筏提供有利于蛋白質(zhì)變構(gòu)的環(huán)境，形成有效構(gòu)象 脂筏功能：參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)內(nèi)吞作用、膽固醇代謝運(yùn)輸 等 第2節(jié) 小分子物質(zhì)和離子的穿膜運(yùn)輸 1、 膜的選擇性通透和簡單擴(kuò)散 簡單擴(kuò)散(simple diffusion): 小分子的熱運(yùn)動(dòng)使分子以自由擴(kuò)散的方式由膜一側(cè)擴(kuò)散到另

17、一側(cè)，條件：溶質(zhì)在膜兩側(cè)有一定濃度差，溶質(zhì)必須能透過膜 脂溶性物質(zhì) 如 醇、苯、甾類激素、O2、CO2、NO、H2O 通過簡單擴(kuò)散 跨膜 簡單擴(kuò)散不需要運(yùn)輸?shù)鞍讌f(xié)助，順濃度梯度由高濃度向低濃度方向擴(kuò)散，不消耗能量；也稱“被動(dòng)擴(kuò)散”passive diffusion 2、 膜運(yùn)輸?shù)鞍捉閷?dǎo)的穿膜運(yùn)輸 除了水和非極性小分子，絕大多數(shù)溶質(zhì)如各種離子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸等都不能簡單擴(kuò)散穿膜轉(zhuǎn)運(yùn) 特定膜蛋白——膜運(yùn)輸?shù)鞍?跨膜蛋白，每種只轉(zhuǎn)運(yùn)一種特定類型溶質(zhì)) 膜運(yùn)輸?shù)鞍追謨深悾孩佥d體蛋白carrier protein：與特定溶質(zhì)結(jié)合，改變構(gòu)象使溶質(zhì)穿越細(xì)胞膜②通道蛋白channel pr

18、otein：形成水溶性通道，貫穿脂雙層，通道開放時(shí)，特定溶質(zhì)(無機(jī)離子)可穿越脂雙層 "被動(dòng)運(yùn)輸" passive transport所有通道蛋白和許多載體蛋白，轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)分子不消耗能量，消耗順電化學(xué)濃度梯度的勢能 “主動(dòng)運(yùn)輸”active transport逆電化學(xué)濃度梯度 轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)，需要載體蛋白 參與，還需要消耗能量ATP；這種利用代謝產(chǎn)生能量的進(jìn)行逆濃度梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)稱為主動(dòng)運(yùn)輸。能量來源：ATP水解、光吸收、電子傳遞、順濃度梯度的離子運(yùn)動(dòng)etc （1） 易化擴(kuò)散是載體蛋白介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸 ? "易化擴(kuò)散" facilitated diffusion=幫助擴(kuò)散=非脂溶性或親水性小分子

19、，不能簡單擴(kuò)散通過細(xì)胞膜，需載體蛋白介導(dǎo)不消耗代謝能量，順物質(zhì)濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn) ? 特點(diǎn)：特定易化轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)特定物質(zhì)在兩個(gè)方向的穿膜運(yùn)輸，取決于該物質(zhì)在膜兩側(cè)的相對濃度——轉(zhuǎn)運(yùn)特異性強(qiáng)，速率快 ? 作用機(jī)制：載體蛋白對所轉(zhuǎn)溶質(zhì)具有高度專一性，其分子上的結(jié)合位點(diǎn)與某一溶質(zhì) 進(jìn)行短暫的可逆的結(jié)合，引起載體蛋白構(gòu)象變化，轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)分子從膜一側(cè)到另一側(cè)；載體與溶質(zhì)親和力下降，釋放溶質(zhì)，構(gòu)象恢復(fù) ? 例子：多數(shù)細(xì)胞(低濃度葡萄糖)從血流和組織液中(高濃度葡萄糖)，通過易化擴(kuò)散獲取葡萄糖。人類基因組編碼14種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白glucose transporter, GLUT，構(gòu)成GLU

20、T家族。它們具有高度同源氨基酸序列，均含有12次跨膜的α-螺旋，α-螺旋含有絲氨酸Ser、蘇氨酸Thr、天冬氨酸Asp和谷氨酸殘基Glu，其側(cè)鏈與葡萄糖羥基形成氫鍵，是葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)。GLUT的異?；蛉毕菔?型糖尿病的病因之一。紅細(xì)胞膜上存在5萬個(gè)葡萄糖載體蛋白，占膜總蛋白5% 最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率每秒180個(gè)葡萄糖分子。 （2） 主動(dòng)運(yùn)輸時(shí)載體蛋白逆濃度梯度的耗能運(yùn)輸 1． ATP驅(qū)動(dòng)泵 在胞質(zhì)側(cè)有一個(gè)或多個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)，水解ATP從低濃度向高濃度轉(zhuǎn)運(yùn) 轉(zhuǎn)運(yùn)主體 特點(diǎn) 功能 P-型離子泵 陽離子 工作過程中形成 磷酸化中間體，P表示 磷酸化 △Na+-K+泵 （Na+

21、-K+-ATP酶） 消耗一個(gè)ATP，輸出3個(gè)Na+，轉(zhuǎn)入2個(gè)K+ 每秒1000次構(gòu)象變化 多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞消耗1/3的ATP胞內(nèi)低Na+胞外高K+，維持滲透壓、產(chǎn)生維持膜電位、為某些物質(zhì)的吸收提供驅(qū)動(dòng)力、為各種新陳代謝提供必要離子濃度 △Ca2+泵 消耗一個(gè)ATP逆濃度轉(zhuǎn)運(yùn)２個(gè)Ｃａ２＋ 10次穿膜的α螺旋，≈1000個(gè)氨基酸殘基 真菌維持細(xì)胞內(nèi)極低濃度Ca2+；肌漿網(wǎng)是肌細(xì)胞特化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，是Ca2+儲(chǔ)存場所，肌肉細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高，引起肌肉細(xì)胞收縮，儲(chǔ)存→弛緩。Ca2+濃度升高，激活Ca2+反應(yīng)蛋白，引起多種重要活動(dòng)，促進(jìn)細(xì)胞分泌、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、信號(hào)傳導(dǎo)等 V-型質(zhì)子泵 逆Ｈ＋濃

22、度梯度 主要存在于真核細(xì)胞膜性酸性區(qū)室，不形成磷酸化中間體 逆H+電化學(xué)梯度 轉(zhuǎn)運(yùn)到上述細(xì)胞器或囊泡中，使其內(nèi)成為酸性環(huán)境，并保持細(xì)胞質(zhì)的pH中性； F-型質(zhì)子泵 H+-ATP合成酶 順Ｈ＋濃度梯度 存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體內(nèi)膜 釋放能量將ADP合成ATP，即是氧化磷酸化 或光合磷酸化 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體 脂、毒素、代謝物 哺乳50種不同，每種ABC運(yùn)輸?shù)鞍子刑禺惖孜? 運(yùn)輸哺乳類質(zhì)膜上 磷脂、膽固醇、肽、親脂性藥物等，在肝、小腸、腎細(xì)胞 表達(dá)豐富，將毒素、藥物代謝物等排出 2． 協(xié)同運(yùn)輸：共運(yùn)輸+對向運(yùn)輸 協(xié)同運(yùn)輸（co-transport）是一類由Na+-

23、K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。 物質(zhì)穿膜運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)梯度中的能量，而維持這種離子電化學(xué)梯度是通過Na+-K+泵（或H+泵）消耗ATP來實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)物利用Na+-K+泵，植物利用H+泵 ①共運(yùn)輸：兩種溶質(zhì)分子同一方向穿膜運(yùn)輸。Eg腸腔細(xì)胞膜的“Na+/葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸?shù)鞍住?Na+/glucose cotransporter在質(zhì)膜外表面結(jié)合2個(gè)Na+和一個(gè)葡萄糖。進(jìn)入細(xì)胞的Na+之后再被Na+-K+泵排出，維持Na+膜內(nèi)外濃度差。葡萄糖一旦進(jìn)入小腸細(xì)胞，再以 易化擴(kuò)散

24、 方式 進(jìn)入血流。 ②對向運(yùn)輸：由同一種膜蛋白將兩種不同的離子或分子分別向膜的相反方向穿膜運(yùn)輸。 Na+-H+交換載體exchange carrier 脊椎動(dòng)物細(xì)胞 耦聯(lián)Na+順濃度梯度流進(jìn)&H+泵出 清除細(xì)胞代謝過程產(chǎn)生的過多H+，胞內(nèi)pH上升 Cl--HCO3-交換器 真核細(xì)胞 陰離子載體 泵出HCO3-，將Cl-運(yùn)入 調(diào)節(jié)pH，介導(dǎo)細(xì)胞輸出CO2和HCO3-，或配合破骨細(xì)胞的泌酸活動(dòng) H+-K+泵 胃腺中的壁細(xì)胞（parietal cell） 運(yùn)出H+，胃腔OH-與CO2結(jié)合生成HCO3-，需要靠Cl--HCO3-協(xié)助

25、 分泌HCL進(jìn)入胃腔，殺菌并為胃蛋白酶提供酸性環(huán)境 主動(dòng)運(yùn)輸 特點(diǎn)： ①逆濃度或電化學(xué)梯度 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) ②消耗能量，直接水解ATP或離子電化學(xué)梯度提供能量 ③膜上特異性載體蛋白介導(dǎo)，載體特異結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)，載體構(gòu)象可變 （3） 離子通道高效轉(zhuǎn)運(yùn)各種離子 1． 離子通道的特點(diǎn)（順梯度，高選擇，高效率，受調(diào)控。） ①只介導(dǎo) 被動(dòng)運(yùn)輸，溶質(zhì)從膜的 高濃度一側(cè) 自由擴(kuò)散到 低濃度一側(cè) ②離子通道 對被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小 所帶電荷 有高度選擇性 ③轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，通道允許106~108個(gè)特定離子/秒 通過，比最快效率的載體蛋白 高1000倍 ④離子通道不是持續(xù)開放，有

26、開和關(guān) 兩種構(gòu)象，受信號(hào)調(diào)控 2． 離子通道的類型 1　 配體門控通道ligand-gated channel。 實(shí)際為離子通道型受體，它們與細(xì)胞外的特定配體ligand結(jié)合后，發(fā)生構(gòu)象改變，結(jié)果吧“門”打開，允許某種離子快速穿膜擴(kuò)散。 Eg.煙堿型乙酰膽堿受體nAChR是典型的配體門控陽離子通道，大量存在與骨骼肌神經(jīng)接頭處。4種不同亞基單組成的五聚體穿膜蛋白（α2βγδ）→梅花狀通道及結(jié)構(gòu)。 ①神經(jīng)沖動(dòng)→神經(jīng)末梢→細(xì)胞去極化→電壓門控Ca2+通道開放→細(xì)胞外Ca2+涌入細(xì)胞→胞內(nèi) 突觸小泡 釋放 乙酰膽堿 至 突觸間隙 ②釋放的乙酰膽堿→結(jié)合突觸后膜的 乙酰膽堿受體→通道開放，N

27、a+流入肌細(xì)胞→肌細(xì)胞膜 局部去極化 ③肌細(xì)胞去極化→誘發(fā)膜上Na+通道開放→大量Na+涌入肌細(xì)胞，使整個(gè)肌細(xì)胞膜進(jìn)一步去極化 ④肌細(xì)胞膜的去極化→使肌漿網(wǎng)上Ca2+通道開放→Ca2+大量釋放如胞質(zhì)→肌原纖維收縮 2　 電壓門控通道voltage-gated channel 膜電位的改變是控制電壓門通道開放與關(guān)閉的直接因素。反應(yīng)快。主要存在與神經(jīng)元、肌細(xì)胞及腺上皮細(xì)胞等興奮細(xì)胞，包括鉀通道、鈣通道、氯通道 3　 應(yīng)力門控通道stress-activated channel 應(yīng)力激活通道是通道蛋白感受應(yīng)力而改變構(gòu)象，通道開放，離子跨膜，膜電位變化 Eg.A.內(nèi)耳 聽覺毛細(xì)胞 頂部的

28、聽毛 具有應(yīng)力激活通道，受到聲波振動(dòng) 而彎曲，應(yīng)力門控通道 開放，離子跨膜進(jìn)入毛細(xì)胞 改變膜電位，將聲波信號(hào) 傳遞給 聽覺神經(jīng)元 B.細(xì)菌與古細(xì)菌的 應(yīng)力激活通道 均為跨膜蛋白 五聚體，通透陽離子 （4） 水通道介導(dǎo)水的快速轉(zhuǎn)運(yùn) 1． 水通道的分類 哺乳類 水通道蛋白家族已有11個(gè)，根據(jù)功能特性的差異，分為兩個(gè)家族：AQP1、2、4、5、6和AQP0 基因結(jié)構(gòu)類似，氨基酸序列同源30%~50%，只能通透水，經(jīng)典的 選擇性水通道；AQP3、7、9、10 除通透水，對甘油、尿素等中性小分子也具有通透性，第二家族——水-甘油通道；AQP8位于水選擇型與甘油滲透型之間 2． 水通道蛋白的結(jié)構(gòu)

29、 AQP1由4個(gè)對稱排列的圓筒狀亞基圍成的四聚體，每個(gè)亞基中心的中央孔 直徑0.28nm，只允許水分子通過。每個(gè)AQP1亞基有 6個(gè)長α螺旋構(gòu)成基本骨架，兩個(gè)短嵌入式α螺旋頂對頂排列，頂端均有保守的Asn-Pro-Ala基序，使得頂對頂穩(wěn)定每個(gè)亞基的α螺旋 朝向脂雙層的一面是非極性氨基酸殘基，朝向中央孔的一面是極性氨基酸殘基 3． 水通道對水分子的篩選機(jī)制 水孔蛋白 對水分子高度特異性選擇，因?yàn)椋好總€(gè)亞基中央孔的直徑0.28nm，只比水分子大一點(diǎn)點(diǎn)，限制其它分子通過；每個(gè)亞基中央孔道內(nèi)有特異溶質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，每個(gè)水分子通過時(shí)，孔道內(nèi)的3極性氨基酸殘基的羰基氧與水分子形成氫鍵；離子與水分子的復(fù)

30、合物比孔道大得多，不能通過 水通道 持續(xù)開放，每秒通過3109個(gè)水分子，不耗能，水分子移動(dòng)方向由膜兩側(cè)滲透壓決定，低→高 第3節(jié) 大分子和顆粒物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸 大分子物質(zhì) 不能通過 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 進(jìn)入細(xì)胞，由膜包圍形成膜泡，然后通過膜泡形成和融合來完成轉(zhuǎn)運(yùn)——小泡運(yùn)輸 細(xì)胞攝入大分子或顆粒物質(zhì)的過程，稱 胞吞作用(endocytosis) 細(xì)胞排出大分子或顆粒物質(zhì)的過程，稱 胞吐作用(exocytosis) 胞吞胞吐 涉及膜泡的 融合與斷裂，需要消耗能量，屬于 主動(dòng)運(yùn)輸 以上膜泡運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)量較大，也稱 批量運(yùn)輸；膜泡運(yùn)輸 也發(fā)生于胞內(nèi)各種 膜性細(xì)胞器 1、 胞吞作用 （1） 吞

31、噬作用是吞噬細(xì)胞攝入顆粒物質(zhì)的過程 免疫系統(tǒng)具有吞噬功能的 中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞 在攝取大固體顆粒或分子復(fù)合物(直徑>250nm)時(shí) 進(jìn)行 細(xì)胞膜凹陷或形成偽足，將大顆粒包裹 攝入細(xì)胞，形成膜泡“吞噬體” 這些免疫細(xì)胞 通過此方式 吞噬入侵微生物、清除損傷和死亡細(xì)胞 （2） 胞飲作用是細(xì)胞吞入液體和可溶性物質(zhì)的過程 細(xì)胞非特異攝取細(xì)胞外液的過程；胞飲發(fā)生在質(zhì)膜的特殊區(qū)域，質(zhì)膜內(nèi)陷 形成小窩，包圍液體物質(zhì)，形成“胞飲體”，直徑小于150nm 胞飲作用 分為兩種類型：①液相內(nèi)吞：非特異 固有內(nèi)吞作用，攝入細(xì)胞外液及可溶性物質(zhì)；②吸附內(nèi)吞：細(xì)胞外大分子/小顆粒物質(zhì) 以某種方式

32、 吸附在細(xì)胞表面，具有一定特異性 在能形成偽足和轉(zhuǎn)運(yùn)功能活躍的細(xì)胞中多見，如 巨噬細(xì)胞、白細(xì)胞、毛細(xì)血管細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞 等 （3） 受體介導(dǎo)的胞吞提高攝入特定物質(zhì)的效率 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用receptor mediated endocytosis 是細(xì)胞通過受體的介導(dǎo) 選擇性高效攝取細(xì)胞外 特定大分子物質(zhì)的過程 可特異性攝入胞外含量很低的成分，比胞飲作用 內(nèi)化效率 高1000多倍 1． 有被小窩和有被小泡的形成 u 細(xì)胞膜上有多種受體蛋白，往往同類受體蛋白 集中在膜特定區(qū)域，稱“有被小窩”coated pit；小窩內(nèi)受體濃度是質(zhì)膜其它處的10~20倍 u 各種

33、有被小窩 約占質(zhì)膜表面積2%，此處質(zhì)膜向內(nèi)凹陷，直徑50~100 nm，此處質(zhì)膜內(nèi)表面 覆蓋 網(wǎng)格蛋白和銜接蛋白 u 網(wǎng)格蛋白，又稱“籠蛋白”，由3條重鏈和3條輕鏈組成；3個(gè) 重鏈輕鏈的二聚體，形成 三腿蛋白復(fù)合物→自我裝配，自動(dòng)形成籃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)格蛋白作用：牽拉質(zhì)膜向內(nèi)凹陷，參與捕獲特定膜受體使其匯聚有被小窩 u 銜接蛋白 參與有被小泡組成，處于 網(wǎng)格蛋白 與 配體-受體復(fù)合物 間 u 不同類型的銜接蛋白 結(jié)合不同類型 膜受體，使細(xì)胞捕獲不同配體 網(wǎng)格蛋白沒有特異性 2． 無被小泡形成并與內(nèi)體融合 配體結(jié)合膜上受體，通過銜接蛋白，網(wǎng)格蛋白聚集在膜的胞質(zhì)側(cè)，網(wǎng)格由6邊形轉(zhuǎn)變成5邊形

34、，促進(jìn)網(wǎng)格蛋白外被彎曲變成籠形，牽動(dòng)質(zhì)膜凹陷 發(fā)動(dòng)蛋白(dynamin) ——GTP結(jié)合蛋白，自動(dòng)組裝成一個(gè) 螺旋狀領(lǐng)圈結(jié)構(gòu)，水解GTP，構(gòu)象改變，將有被小泡 從質(zhì)膜上 切離下來，形成網(wǎng)格蛋白有被小泡 有被小泡很快脫去包被 (籠蛋白 重新利用) →無被小泡 →與早期內(nèi)體融合 內(nèi)體：動(dòng)物細(xì)胞中經(jīng)胞吞作用形成的膜包圍的細(xì)胞器，作用是運(yùn)輸由胞吞作用新攝入的物質(zhì)到溶酶體被降解。內(nèi)體膜上有ATP驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵，將H+泵入內(nèi)體腔，降低腔內(nèi)pH（pH5~6） 低pH使受體與配體分離，內(nèi)體出芽形成運(yùn)載受體的小囊泡，返回質(zhì)膜；受體重新利用，含配體的內(nèi)體與溶酶體融合 3． 受體介導(dǎo)的LDL胞吞作用

35、 v 膽固醇是構(gòu)成膜的成分，也是類固醇激素的前體；動(dòng)物細(xì)胞通過 受體介導(dǎo)的胞吞作用 攝入所需 大部分膽固醇。 v 膽固醇 在肝臟 合成并包裝成 低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)，在血液中運(yùn)輸 v LDL為球狀顆粒，分子量3106，直徑22nm；中心是1500個(gè)酯化的膽固醇分子，外面包圍800個(gè)磷脂分子和500個(gè)游離膽固醇分子 v 載脂蛋白ApoB100是細(xì)胞膜上LDL受體的配體， 組裝LDL成顆粒 2、 胞吐作用 （1） 連續(xù)性分泌是不受調(diào)節(jié)持續(xù)不斷的細(xì)胞分泌 分泌蛋白在 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 合成后，轉(zhuǎn)運(yùn)到 高爾基體 進(jìn)行修飾、濃縮、分選，形成分泌

36、泡，被轉(zhuǎn)運(yùn)到 細(xì)胞膜，與膜融合，外排蛋白的過程 分泌蛋白：駐留蛋白、膜蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)組分 等 （2） 受調(diào)分泌是細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控的選擇性分泌 分泌蛋白合成后，包裹于分泌囊泡，儲(chǔ)存于胞質(zhì)中，受到細(xì)胞外信號(hào)刺激，引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度瞬時(shí)升高，才啟動(dòng) 胞吐作用 此種分泌途徑 只存在于 特化細(xì)胞，如分泌激素、酶、神經(jīng)遞質(zhì)的細(xì)胞 第4節(jié) 細(xì)胞膜異常與疾病 1、 載體蛋白異常與疾病 1. 胱氨酸尿癥是載體蛋白異常性疾病 2. 腎性糖尿是葡萄糖載體蛋白異常性遺傳病 2、 離子通道蛋白異常與疾病 1.囊性纖維?。╟ystic fibrosis，CF）細(xì)胞膜上一個(gè)受cAMP調(diào)節(jié)的氯離子通道

37、異常。 3、 膜受體異常與疾病 1. 家族性高膽固醇血癥（familial hypercholesterolemia）常染色體顯性遺傳病，患者編碼LDL受體的基因發(fā)生突變 復(fù)習(xí)題 1.構(gòu)成細(xì)胞膜的脂類有哪三種？ 2.磷脂分為哪兩種？ 3.哪一種磷脂在神經(jīng)細(xì)胞含量多，其他細(xì)胞含量少？ 4.膽固醇分子對膜的流動(dòng)性有何影響？ 5.動(dòng)物細(xì)胞膜的糖脂 由何磷脂 衍生而來？ 6.膜功能的活躍與否 跟什么成分的含量 密切相關(guān)？ 7.根據(jù)與脂雙層結(jié)合方式，膜蛋白 可分為哪三類？ 8.內(nèi)在膜蛋白的跨膜區(qū)，通常是 哪類氨基酸殘基 構(gòu)成的什么結(jié)構(gòu)？ 9.外在膜蛋白 通過什么鍵 附著膜

38、脂或膜蛋白？ 10.脂錨定蛋白 在膜兩側(cè) 以什么鍵 結(jié)合于什么分子？ 11.膜糖鏈的唾液酸殘基，在細(xì)胞外表面形成什么電荷？ 12.膜的不對稱性 主要體現(xiàn)在 哪三點(diǎn)？ 13.膜脂分子能進(jìn)行哪些運(yùn)動(dòng)？ 14.影響膜脂的流動(dòng)性的因素 有哪些？ 15.流動(dòng)鑲嵌模型 主要內(nèi)容是什么？ 16.脂筏模型的主要內(nèi)容 和特點(diǎn) 各是什么？ 17.膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 分為哪兩類？ 18.哪些溶質(zhì)能 簡單擴(kuò)散到膜另一側(cè)？ 19.被動(dòng)擴(kuò)散 和 主動(dòng)運(yùn)輸 主要區(qū)別 是什么？ 20.離子通道 的四個(gè)特點(diǎn) 是什么？ 21.易化擴(kuò)散的特點(diǎn)是什么？哪些物質(zhì)易化擴(kuò)散入膜？ 22.動(dòng)物細(xì)胞哪種離子泵 耗掉1/3的A

39、TP？ 23.Na+-K+泵 消耗1分子ATP，怎樣轉(zhuǎn)運(yùn)多少Na+和K+？ 24.肌細(xì)胞內(nèi) 什么細(xì)胞器 是Ca2+儲(chǔ)存場所？ 25.什么是 協(xié)同運(yùn)輸？ 26.參與葡萄糖同向運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白 是什么？ 27.調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH的 有哪些 離子載體蛋白？ 28.主動(dòng)運(yùn)輸有哪三個(gè)特點(diǎn)？ 29.胞吞胞吐是被動(dòng)運(yùn)輸還是主動(dòng)運(yùn)輸？ 30.什么是 受體介導(dǎo)的胞吞作用？有什么特點(diǎn)？ 31.有被小窩中，網(wǎng)格蛋白、銜接蛋白和發(fā)動(dòng)蛋白 各有什么作用？ 32.LDL如何進(jìn)入細(xì)胞？ 33.胞吐作用的兩種分泌途徑 有何不同？ 34.胱氨酸尿癥 是哪類遺傳疾??？ 35.囊性纖維化 是什么結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的？ 36.家族性高膽固醇血癥 是什么結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的？