細(xì)胞膜2015-2

1、 細(xì)胞膜的物質(zhì)運輸細(xì)胞膜的物質(zhì)運輸細(xì)胞為什么需要進(jìn)行物質(zhì)運輸？細(xì)胞是通過什么與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的？細(xì)胞膜對任何物質(zhì)都是通透的嗎？物質(zhì)運輸方式的兩種類型 一、小分子物質(zhì)和離子的跨膜運輸二、大分子和顆粒物質(zhì)的膜泡轉(zhuǎn)運人工合成脂雙層對不同分子的相對通透性 一、小分子物質(zhì)和離子的跨膜運輸一、小分子物質(zhì)和離子的跨膜運輸高濃度高濃度低濃度低濃度脂質(zhì)雙分子層脂質(zhì)雙分子層電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度簡單擴(kuò)散（簡單擴(kuò)散（simple diffusion）是小分子運輸最簡方式。）是小分子運輸最簡方式。兩個條件：一是溶質(zhì)濃度差；二是溶質(zhì)必須能透過膜。兩個條件：一是溶質(zhì)濃度差；二是溶質(zhì)必須能透過膜。脂溶性物質(zhì)如醇、苯、甾

2、體類激素以及脂溶性物質(zhì)如醇、苯、甾體類激素以及O2、CO2、NO和和H2O等等細(xì)胞膜中有特定的膜蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運這些物質(zhì)，這類細(xì)胞膜中有特定的膜蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運這些物質(zhì)，這類蛋白質(zhì)稱為膜運輸?shù)鞍祝ǖ鞍踪|(zhì)稱為膜運輸?shù)鞍祝╩embrane transport protein）。）。 膜運輸?shù)鞍字饕袃深悾耗み\輸?shù)鞍字饕袃深悾?載體蛋白（載體蛋白（carrier protein） 通道蛋白（通道蛋白（channel protein） 二、膜運輸?shù)鞍捉閷?dǎo)物質(zhì)穿膜運輸二、膜運輸?shù)鞍捉閷?dǎo)物質(zhì)穿膜運輸（一）易化擴(kuò)散是載體蛋白介導(dǎo)的被動運輸（一）易化擴(kuò)散是載體蛋白介導(dǎo)的被動運輸 一些非脂溶性（或親水性）的物質(zhì)，如葡

3、萄一些非脂溶性（或親水性）的物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等，不能以糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等，不能以簡單擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜，但它們可在載體蛋簡單擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜，但它們可在載體蛋白的介導(dǎo)下，不消耗細(xì)胞的代謝能量，順物質(zhì)濃白的介導(dǎo)下，不消耗細(xì)胞的代謝能量，順物質(zhì)濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運，這種方式稱為易度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運，這種方式稱為易化擴(kuò)散（化擴(kuò)散（facilitated diffusion）或幫助擴(kuò)散）或幫助擴(kuò)散 。載體蛋白構(gòu)象變化介導(dǎo)的易化擴(kuò)散示意圖載體蛋白構(gòu)象變化介導(dǎo)的易化擴(kuò)散示意圖 GLUT-葡萄糖轉(zhuǎn)運葡萄糖轉(zhuǎn)運-糖尿病糖尿病胱氨酸尿癥腎小管對胱

4、氨酸重吸收減少，從而引起尿中胱氨酸濃度增加.胱氨酸于酸性尿中很少溶解，當(dāng)它的濃度超過其溶解度時就發(fā)生沉淀，形成結(jié)晶或結(jié)石. （二）主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗（二）主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運輸能運輸 主動運輸是載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆電化主動運輸是載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆電化學(xué)梯度，由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進(jìn)行學(xué)梯度，由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進(jìn)行的穿膜轉(zhuǎn)運方式。的穿膜轉(zhuǎn)運方式。 主動運輸可分為主動運輸可分為ATP驅(qū)動泵（由驅(qū)動泵（由ATP直直接提供能量）和協(xié)同運輸（接提供能量）和協(xié)同運輸（ATP間接提供間接提供能量）兩種類型。能量）兩種類型。1. ATP驅(qū)動泵驅(qū)動泵 ATP驅(qū)動泵都是穿膜

5、蛋白，它們在膜的胞質(zhì)驅(qū)動泵都是穿膜蛋白，它們在膜的胞質(zhì)側(cè)具有一個或多個側(cè)具有一個或多個ATP結(jié)合位點，能夠水解結(jié)合位點，能夠水解ATP使自身磷酸化，利用使自身磷酸化，利用ATP水解所釋放的能量將被水解所釋放的能量將被轉(zhuǎn)運分子或離子從低濃度向高濃度轉(zhuǎn)運，所以常轉(zhuǎn)運分子或離子從低濃度向高濃度轉(zhuǎn)運，所以常稱之為稱之為“泵泵”。 4種類型種類型ATP驅(qū)動泵模式圖驅(qū)動泵模式圖 （1）P-型離子泵（型離子泵（P-class ion pump） Na+-K+泵、泵、Ca2+泵和哺乳類胃腺分泌細(xì)胞上的泵和哺乳類胃腺分泌細(xì)胞上的H-K泵等都屬于此種類型。泵等都屬于此種類型。Na+-K+泵泵 Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)

6、泵的結(jié)構(gòu) 小亞基：糖蛋白，幫助作用。小亞基：糖蛋白，幫助作用。 大亞基：跨膜蛋白，大亞基：跨膜蛋白，實際上是實際上是Na+-K+ATP酶，酶，具有載體和酶的雙重作用。具有載體和酶的雙重作用。幾種細(xì)胞與其間質(zhì)的幾種細(xì)胞與其間質(zhì)的Na+、 K+的濃度的濃度（mmol/L）K+Na+K+Na+7.31471608大鼠肌細(xì)胞大鼠肌細(xì)胞2.610612716蛙肌細(xì)胞蛙肌細(xì)胞5.915110012大鼠紅細(xì)胞大鼠紅細(xì)胞4.21389111人紅細(xì)胞人紅細(xì)胞 細(xì)胞間質(zhì)細(xì)胞間質(zhì) 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞種類細(xì)胞種類泵的功能：形成泵的功能：形成Na+-K+離子濃度梯度離子濃度梯度2、Ca 2+泵泵 維持細(xì)胞膜兩側(cè)的維持細(xì)胞

7、膜兩側(cè)的Ca 2+濃度差，當(dāng)外濃度差，當(dāng)外界信號作用于細(xì)胞膜時，可使界信號作用于細(xì)胞膜時，可使Ca 2+順順濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞，實現(xiàn)信號的跨膜濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞，實現(xiàn)信號的跨膜傳遞；傳遞；維持肌漿網(wǎng)兩側(cè)的維持肌漿網(wǎng)兩側(cè)的Ca 2+濃度差，當(dāng)神濃度差，當(dāng)神經(jīng)興奮傳到肌漿網(wǎng)時經(jīng)興奮傳到肌漿網(wǎng)時，Ca 2+從肌漿網(wǎng)從肌漿網(wǎng)中釋放，引起肌纖維收縮，隨后又將中釋放，引起肌纖維收縮，隨后又將Ca 2+從細(xì)胞質(zhì)泵入肌漿網(wǎng)，肌纖維重從細(xì)胞質(zhì)泵入肌漿網(wǎng)，肌纖維重新舒張。新舒張。Ca 2+泵的功能泵的功能 （2）V -型質(zhì)子泵（型質(zhì)子泵（V-class proton pump） 主要指存在于真核細(xì)胞的膜性酸性區(qū)室。主

8、要指存在于真核細(xì)胞的膜性酸性區(qū)室。 V-型質(zhì)子泵也是由多個穿膜和胞質(zhì)側(cè)亞基組成，型質(zhì)子泵也是由多個穿膜和胞質(zhì)側(cè)亞基組成， 其作用是利用其作用是利用ATP水解供能，將水解供能，將H+從胞質(zhì)基質(zhì)中從胞質(zhì)基質(zhì)中 逆逆H+電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運。電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運。（3）F-型質(zhì)子泵（型質(zhì)子泵（F-class proton pump）：）： 主要存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體主要存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體膜中，它使膜中，它使H順濃度梯度運動順濃度梯度運動 。（4）ABC轉(zhuǎn)運體（轉(zhuǎn)運體（ABC transports）：）： ABC轉(zhuǎn)運體是一類以轉(zhuǎn)運體是一類以ATP供能的運輸?shù)鞍祝┠艿倪\輸?shù)鞍?，ABC超

9、家族是哺乳類細(xì)胞膜上磷脂、膽固醇、超家族是哺乳類細(xì)胞膜上磷脂、膽固醇、肽、肽、親脂性藥物和其他小分子的運輸?shù)鞍?。親脂性藥物和其他小分子的運輸?shù)鞍住?ABC蛋白的轉(zhuǎn)運翻轉(zhuǎn)酶模型蛋白的轉(zhuǎn)運翻轉(zhuǎn)酶模型 ABC transporterATP-binding cassette transporter它是細(xì)菌膜上利用H+梯度將各種營養(yǎng)物質(zhì)泵運入細(xì)胞的載體蛋白。2個高度疏水結(jié)構(gòu)域運輸通道；另兩個ATP結(jié)合催化結(jié)構(gòu)域。第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞的ABC轉(zhuǎn)運器是多藥抗性蛋白，該基因肝癌患者中過表達(dá)，降低療效。約40%的患者過度表達(dá)。 2. 協(xié)同運輸協(xié)同運輸 協(xié)同運輸（協(xié)同運輸（co-transport）是一類由）是

10、一類由Na+-K+泵泵（或（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。所完成的主動運輸方式。 根據(jù)溶質(zhì)分子運輸方向與順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)移的根據(jù)溶質(zhì)分子運輸方向與順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)移的離子（離子（Na+或或H+）方向的關(guān)系，又可分為共運輸）方向的關(guān)系，又可分為共運輸（symport）與對向運輸（）與對向運輸（antiport）。）。（1）共運輸是兩種溶質(zhì)分子以同一方向的穿膜運輸。共運輸是兩種溶質(zhì)分子以同一方向的穿膜運輸。 小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運葡萄糖入血示意圖小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運葡萄糖入血示意圖 （三）離子通道高效轉(zhuǎn)運各種離子（三）離子通道高效轉(zhuǎn)運各種離子1

11、.離子通道的特點離子通道的特點 通道蛋白介導(dǎo)的是被動運輸，通道是雙向的。通道蛋白介導(dǎo)的是被動運輸，通道是雙向的。 離子通道對被轉(zhuǎn)運離子的大小和所帶電荷都有高離子通道對被轉(zhuǎn)運離子的大小和所帶電荷都有高度的選擇性。度的選擇性。 轉(zhuǎn)運速率高轉(zhuǎn)運速率高 。 多數(shù)離子通道不是持續(xù)開放，離子通道開放受多數(shù)離子通道不是持續(xù)開放，離子通道開放受“閘門閘門”控制控制 。2. 離子通道的類型離子通道的類型 （2）電壓門控通道）電壓門控通道（3）應(yīng)力激活通道）應(yīng)力激活通道（1）配體門控通道）配體門控通道 配體門控通道（配體門控通道（ligand-gated channel）與細(xì)胞）與細(xì)胞外的特定配體（外的特定配體（

12、ligand）結(jié)合后，發(fā)生構(gòu)象改變，）結(jié)合后，發(fā)生構(gòu)象改變，結(jié)果將結(jié)果將“門門”打開，允許某種離子快速穿膜擴(kuò)散。打開，允許某種離子快速穿膜擴(kuò)散。 乙酰膽堿受體（乙酰膽堿受體（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配體門控通道。是典型的配體門控通道。（1）配體門控通道）配體門控通道配體配體高濃度低濃度神經(jīng)肌肉接頭處的閘門通道神經(jīng)肌肉接頭處的閘門通道（2）電壓門控通道：）電壓門控通道： 膜電位的改變是控制電壓門控通道（膜電位的改變是控制電壓門控通道（voltage-gated channel）開放與關(guān)閉的直接因素。）開放與關(guān)閉的直接因素。 電壓門控通道主要存在于神經(jīng)元、

13、肌細(xì)胞及腺上皮電壓門控通道主要存在于神經(jīng)元、肌細(xì)胞及腺上皮細(xì)胞等可興奮細(xì)胞，包括鉀通道、鈣通道、鈉通細(xì)胞等可興奮細(xì)胞，包括鉀通道、鈣通道、鈉通道和氯通道。道和氯通道。 電壓閘門通道電壓閘門通道鈣通道與高血壓 氨氯地平的分子側(cè)鏈帶正電荷，因此可在帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層中緩慢移行，并緩慢地與鈣通道受體結(jié)合與解離 （3）應(yīng)力激活通道：）應(yīng)力激活通道： 應(yīng)力激活通道（應(yīng)力激活通道（stress-activated channel）是通道蛋白感受應(yīng)力而改變構(gòu)象，開啟通是通道蛋白感受應(yīng)力而改變構(gòu)象，開啟通道使道使“門門”打開，離子通過親水通道進(jìn)入打開，離子通過親水通道進(jìn)入細(xì)胞，引起膜電位變化，產(chǎn)生電

14、信號。細(xì)胞，引起膜電位變化，產(chǎn)生電信號。 如內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞頂部的聽毛即具有應(yīng)如內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞頂部的聽毛即具有應(yīng)力激活通道。力激活通道。 （四）水通道介導(dǎo)水的快速轉(zhuǎn)運（四）水通道介導(dǎo)水的快速轉(zhuǎn)運1. 水通道的分類水通道的分類 目前發(fā)現(xiàn)哺乳動物水通道蛋白家族已有目前發(fā)現(xiàn)哺乳動物水通道蛋白家族已有11個個成員（成員（AQP0AQP10） 2. 水通道蛋白的結(jié)構(gòu)水通道蛋白的結(jié)構(gòu) 人們對水通道蛋白家族中人們對水通道蛋白家族中AQP1的結(jié)構(gòu)研的結(jié)構(gòu)研究得比較清楚。究得比較清楚。 Aquaporins的三維結(jié)構(gòu)1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），CHIP28的mRNA能引起

15、非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。水通道水通道2003年，美國科學(xué)家彼得阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。 二、大分子和顆粒物質(zhì)的膜泡轉(zhuǎn)運（一）胞吞作用（二）胞吐作用膜泡轉(zhuǎn)運：大分子及顆粒物質(zhì)并不直接穿過細(xì)胞膜，而是通過一系列膜囊泡形成和融合來完成的轉(zhuǎn)運過程。（一）胞吞作用（一）胞吞作用 胞吞作用的三種類型胞吞作用的三種類型: :細(xì)胞攝取大分子或顆粒物質(zhì)時，首先細(xì)胞攝取大分子或顆粒物質(zhì)時，首先是大分子或顆粒物質(zhì)附著于細(xì)胞表

16、面，是大分子或顆粒物質(zhì)附著于細(xì)胞表面，然后細(xì)胞膜內(nèi)陷，從細(xì)胞膜上分離下然后細(xì)胞膜內(nèi)陷，從細(xì)胞膜上分離下來形成細(xì)胞內(nèi)小泡，其中含有被攝入來形成細(xì)胞內(nèi)小泡，其中含有被攝入的物質(zhì)，此過程稱胞吞作用。的物質(zhì)，此過程稱胞吞作用。1 1、吞飲作用（、吞飲作用（pinocytosis ）2 2、吞噬作用（、吞噬作用（phagocytosis ）3 3、受體介導(dǎo)的胞吞作用、受體介導(dǎo)的胞吞作用 （receptor-mediated endocytosis）細(xì)胞攝取細(xì)胞外液及其中細(xì)胞攝取細(xì)胞外液及其中的可溶性物質(zhì)的過程。的可溶性物質(zhì)的過程。細(xì)胞攝入的顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞攝入的顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等進(jìn)行消化

17、的過程。細(xì)胞碎片等進(jìn)行消化的過程。 巨噬細(xì)胞吞噬衰老的紅細(xì)胞巨噬細(xì)胞吞噬衰老的紅細(xì)胞細(xì)胞通過膜上的受體介導(dǎo)攝入特定細(xì)胞通過膜上的受體介導(dǎo)攝入特定的大分子的過程。的大分子的過程。 3 3、受體介導(dǎo)的胞吞作用、受體介導(dǎo)的胞吞作用特點：特點：攝入的大分子即配體在細(xì)胞膜上有攝入的大分子即配體在細(xì)胞膜上有特異的受體；特異的受體；配體與受體識別、結(jié)合后激發(fā)胞吞配體與受體識別、結(jié)合后激發(fā)胞吞作用；作用；受體與配體形成復(fù)合物聚集在細(xì)胞受體與配體形成復(fù)合物聚集在細(xì)胞膜的有被小窩內(nèi)，細(xì)胞膜進(jìn)一步內(nèi)膜的有被小窩內(nèi)，細(xì)胞膜進(jìn)一步內(nèi)陷形成有被小泡。陷形成有被小泡。高膽固醇血癥高膽固醇血癥家族性高膽固醇血癥是常染色體顯性

18、遺傳性疾病 患者本身低密度脂蛋白（LDL）膽固醇數(shù)值異常超高是正常人的46倍 患心血管疾病。 受體介導(dǎo)的胞吞作用受體介導(dǎo)的胞吞作用低密度脂蛋白低密度脂蛋白（LDL）轉(zhuǎn)運膽固轉(zhuǎn)運膽固醇；醇；LDL與細(xì)胞表面的與細(xì)胞表面的LDL受體結(jié)合；受體結(jié)合；細(xì)胞膜內(nèi)陷形成細(xì)胞膜內(nèi)陷形成有被小窩，進(jìn)而有被小窩，進(jìn)而形成有被小泡形成有被小泡；無被小泡與內(nèi)體無被小泡與內(nèi)體融合；融合；有被小窩和有被小泡的形成有被小窩和有被小泡的形成網(wǎng)格蛋白與三腳蛋白復(fù)合體網(wǎng)格蛋白與三腳蛋白復(fù)合體網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格蛋白(clathrin)是一種進(jìn)化上高度保守的蛋白質(zhì)，由分子是一種進(jìn)化上高度保守的蛋白質(zhì)，由分子量為量為190kDa的重鏈和分

19、子量為的重鏈和分子量為35 40kDa的輕鏈組成二聚體的輕鏈組成二聚體, 三個二聚體形成包被的基本結(jié)構(gòu)單位三個二聚體形成包被的基本結(jié)構(gòu)單位-三聯(lián)體骨架三聯(lián)體骨架(triskelion), 稱為三腿蛋白稱為三腿蛋白(three-legged protein) 三腳蛋白復(fù)合體構(gòu)成籃網(wǎng)結(jié)構(gòu)三腳蛋白復(fù)合體構(gòu)成籃網(wǎng)結(jié)構(gòu)受體介導(dǎo)的胞吞作用受體介導(dǎo)的胞吞作用胞內(nèi)體融合，胞胞內(nèi)體融合，胞內(nèi)體的內(nèi)體的低低pH使使LDL與與LDL受體分離；受體分離；LDL受體返回細(xì)受體返回細(xì)胞表面再利用；胞表面再利用；胞內(nèi)體與溶酶體胞內(nèi)體與溶酶體融合，融合，LDL被分被分解，膽固醇釋放。解，膽固醇釋放。細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)LDL顆粒顆粒LDL受體受體有被小窩有被小窩有被小泡有被小泡無被小泡無被小泡胞內(nèi)體胞內(nèi)體受體與大分子顆粒分開受體與大分子顆粒分開胞內(nèi)體部分胞內(nèi)體部分胞內(nèi)體部分胞內(nèi)體部分 初級溶酶體初級溶酶體吞吞噬噬溶溶酶酶體體受體再循環(huán)受體再循環(huán)（二）（二） 胞吐作用胞吐作用 胞吐作用的兩種分泌途徑胞吐作用的兩種分泌途徑: :連續(xù)性、結(jié)構(gòu)性分泌途徑連續(xù)性、結(jié)構(gòu)性分泌途徑（ constitutive secretion ）受調(diào)分泌途徑（受調(diào)分泌途徑（ regulated secretion ）細(xì)胞內(nèi)的一些物質(zhì)被一層膜所包圍，細(xì)胞內(nèi)的一些物質(zhì)被一層膜所包圍，形成