細(xì)胞膜生物學(xué)特性和物質(zhì)穿膜運(yùn)輸

1、(Cell Membrane and Transmembrane Transport)細(xì)胞膜生物學(xué)特性和物質(zhì)穿膜運(yùn)輸概述 第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成與生物學(xué)特性第二節(jié) 小分子物質(zhì)和離子的穿膜運(yùn)輸?shù)谌?jié) 大分子和顆粒物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸?shù)谒墓?jié) 細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)第五節(jié) 細(xì)胞膜異常與疾病內(nèi)容概 述一、基本概念細(xì)胞膜 (cell membrane) 是包圍在細(xì)胞質(zhì)表面的一層薄膜，又稱質(zhì)膜（plasma membrane）。 二、細(xì)胞膜的最基本功能1.為細(xì)胞的生命活動提供了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境2.物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)3.信號傳遞、細(xì)胞識別等第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成與生物學(xué)特性一、細(xì)胞膜是由脂類和蛋白質(zhì)構(gòu)成的生 物大分子體系 （一）

2、膜脂構(gòu)成細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)骨架（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結(jié) 合，決定細(xì)胞膜的功能（一）膜脂構(gòu)成細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)骨架 細(xì)胞膜上的脂類稱為膜脂（membrane lipid） 主要有三種類型： 磷脂（phospholipid） 膽固醇（cholesterol） 糖脂(glycolipid) 磷脂甘油磷脂鞘磷脂 磷脂酰膽堿（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰絲氨酸 (PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂 膜脂分子中都含有磷酸基團(tuán)，被稱為磷脂，約 占膜脂的50%以上。甘油磷脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)甘油磷脂以甘油為骨架，甘油分子的1、2位羥基分別與脂肪酸形成酯鍵，3位羥基與磷酸形成酯鍵。 甘油磷脂的磷酸基團(tuán)可分別與膽堿、乙

3、醇胺、絲氨酸或肌醇結(jié)合。這些親水的小基團(tuán)在分子的末端與帶負(fù)電的磷酸基團(tuán)一起形成高度水溶性的結(jié)構(gòu)域，極性很強(qiáng)，被稱為頭部基團(tuán)（head group）或親水頭。 脂肪酸鏈?zhǔn)鞘杷?，無極性，稱疏水尾。由于磷脂分子具有親水頭和疏水尾，被稱為兩親性分子（amphipathic molecule）或兼性分子。鞘磷脂極性頭部基團(tuán)（親水）非極性尾部基團(tuán)（疏水）鞘磷脂不以甘油為骨架的磷脂，以鞘氨醇代替甘油，長鏈的不飽和脂肪酸結(jié)合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一個羥基與膽堿磷酸結(jié)合，另一個游離羥基可與相鄰脂分子的極性頭部、水分子或膜蛋白形成氫鍵。質(zhì)膜中的主要磷脂分子2. 膽固醇 分布：膽固醇散布在磷脂分子之間 結(jié)構(gòu)

4、：極性頭為羥基團(tuán)，緊靠磷脂的極性頭部；非極性疏水結(jié)構(gòu)為固醇環(huán)和烴鏈，固醇環(huán)固定在磷脂分子鄰近頭部的烴鏈上，疏水的烴鏈尾部埋在脂雙層的中央。 3. 糖脂 糖脂由脂類和寡糖構(gòu)成 ，動物細(xì)胞膜的糖脂幾乎都是鞘氨醇的衍生物，結(jié)構(gòu)似鞘磷脂，稱為鞘糖脂 。膜脂可能的存在形式： 形成球狀分子團(tuán)（micelle） 形成雙分子層（bilayer）（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結(jié)合 細(xì)胞膜的不同特性和功能是由與細(xì)胞膜相結(jié)合的膜蛋白決定。 在不同細(xì)胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異，膜的功能越復(fù)雜, 其中的蛋白質(zhì)含量越多。 根據(jù)膜蛋白與脂雙層結(jié)合的方式不同，膜蛋白可分為三種基本類型： 內(nèi)在蛋白（intrinsic

5、 protein）或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein） 脂錨定蛋白（lipid anchored protein） 1.膜內(nèi)在蛋白 又稱穿膜蛋白（transmembrane protein） 占膜蛋白總量的7080，是兩親性分子 大多數(shù)穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋構(gòu)象，也有的 穿膜蛋白以-折疊片層（-pleated sheet）構(gòu)象穿膜 分單次穿膜、多次穿膜和多亞基穿膜蛋白三種類型-螺旋構(gòu)象穿膜蛋白-折疊構(gòu)象穿膜蛋白2.膜外在蛋白又稱周邊蛋白（peripheral protein）占膜蛋白總量的20%30%是一類與細(xì)胞膜結(jié)合比較松散的不插入脂雙層的蛋白質(zhì)，分布在質(zhì)膜的胞質(zhì)側(cè)或

6、胞外側(cè)周邊蛋白與膜之間通常有一種動態(tài)關(guān)系，根據(jù)功能的需要募集到膜上或者從膜上釋放出去。膜外在蛋白3.脂錨定蛋白 又稱脂連接蛋白（lipid-linked protein）脂錨定蛋白以共價鍵與脂雙層內(nèi)的脂分子結(jié)合 脂錨定蛋白以兩種方式與脂類分子共價結(jié)合胞質(zhì)側(cè)的蛋白 糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI ）與磷脂酰肌醇相連的寡糖鏈結(jié)合共價鍵質(zhì)膜外表面的蛋白與脂雙層中的碳?xì)滏溄Y(jié)合 共價鍵胞質(zhì)側(cè)的蛋白 膜蛋白在膜中的幾種結(jié)合方式（三）膜糖類覆蓋細(xì)胞膜表面細(xì)胞膜中含有一定量的糖類，由于種屬和細(xì)胞類型不同，糖類約占質(zhì)膜重量的210。 糖蛋白糖脂共價鍵共價鍵糖類+膜蛋白膜糖類糖類+膜脂二、細(xì)胞膜的生物學(xué)特性是不對

7、稱性和流動性（一）膜的不對稱性決定膜功能的方向性 膜的不對稱性（membrane asymmetry）是指細(xì)胞膜中各種成分的分布是不均勻的，包括種類和數(shù)量上都有很大差異，這與細(xì)胞膜的功能有密切關(guān)系。人紅細(xì)胞膜中幾種膜脂的不對稱分布1. 膜脂的不對稱性 2. 膜蛋白的不對稱性 膜蛋白分布是絕對不對稱的，各種膜蛋白在質(zhì)膜 中都有一定的位置。 穿膜蛋白穿越脂雙層都有一定的方向性。 （二）膜的流動性是膜功能活動的保證脂雙層為液晶態(tài)二維流體 由于溫度的變化導(dǎo)致膜狀態(tài)的改變稱為“相變”（phase transition）。在相變溫度以上，膜處于流動的液晶態(tài)。 膜的流動性是膜功能活動的保證。 2. 膜脂分子

8、的運(yùn)動方式 （1）側(cè)向擴(kuò)散（lateral diffusion） （2）翻轉(zhuǎn)運(yùn)動（flip-flop） （3）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（rotation） （4）彎曲運(yùn)動（flexion） 3. 影響膜脂流動性的因素 （1）脂雙分子層中含不飽和脂肪酸越多，膜的相變溫度越低，其流動性也越大 （2）脂肪酸鏈短的相變溫度低，流動性大（3）膽固醇的雙重調(diào)節(jié)作用 （4）卵磷脂與鞘磷脂的比值低，其流動性也降低（5）膜蛋白的影響 4. 膜蛋白的運(yùn)動性 分布在膜脂二維流體中的膜蛋白也有發(fā)生分子運(yùn)動的特性，其主要運(yùn)動方式是側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。小鼠人細(xì)胞融合過程中膜蛋白的側(cè)向擴(kuò)散示意圖 三、細(xì)胞膜存在多種分子結(jié)構(gòu)模型（一）片層結(jié)

9、構(gòu)模型具有三層夾板式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）單位膜模型體現(xiàn)膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的共 同特點(diǎn) 生物膜均呈“兩暗一明”的三層式結(jié)構(gòu)，在橫切面上表現(xiàn)為內(nèi)外兩層為電子密度高的暗線，中間夾一條電子密度低的明線，內(nèi)外兩層暗線各厚約2nm，中間的明線厚約，膜的總厚度約為，這種“兩暗一明”的結(jié)構(gòu)被稱為單位膜 （unit membrane）。因此，他們在片層結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上提出了“單位膜模型”（unit membrane model）。單位膜模型 （三）流動鑲嵌模型是被普遍接受的模型 “流動鑲嵌模型”（fluid mosaic model）認(rèn)為膜中脂雙層構(gòu)成膜的連貫主體，它具有晶體分子排列的有序性，又具有液體的流動性。膜中蛋白質(zhì)分子

10、以不同形式與脂雙分子層結(jié)合，有的嵌在脂雙層分子中，有的則附著在脂雙層的表面。 流動鑲嵌模型 （四）脂筏模型深化了對膜結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識 膜質(zhì)雙層內(nèi)含有由特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的微區(qū)（microdomain），微區(qū)中富含膽固醇和鞘脂，其中聚集一些特定種類的膜蛋白。由于鞘脂的脂肪酸尾比較長，因此這一區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較少流動，被稱為脂筏 （lipid rafts）。 脂筏結(jié)構(gòu)模式圖 第二節(jié) 小分子物質(zhì)和離子的穿膜運(yùn)輸一、物質(zhì)簡單擴(kuò)散依賴于膜的通透選擇性人工脂雙層對不同溶質(zhì)的相對通透性 簡單擴(kuò)散（simple diffusion）是小分子物質(zhì) 穿膜運(yùn)輸?shù)淖詈唵蔚姆绞?。須滿足兩個條件：一是溶

11、質(zhì)在膜兩側(cè)保持一定的濃度差；二是溶質(zhì)必須能透過膜。脂溶性物質(zhì)如醇、苯、甾體類激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通過簡單擴(kuò)散方式 。二、膜運(yùn)輸?shù)鞍捉閷?dǎo)物質(zhì)穿膜運(yùn)輸細(xì)胞膜中有特定的膜蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)這些物質(zhì)，這類蛋白質(zhì)稱為膜運(yùn)輸?shù)鞍祝╩embrane transport protein）。 膜運(yùn)輸?shù)鞍字饕袃深悾?載體蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein） （一）易化擴(kuò)散是載體蛋白介導(dǎo)的被動運(yùn)輸 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

12、物質(zhì)濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，這種方式稱為易化擴(kuò)散（facilitated diffusion）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 （二）主動運(yùn)輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運(yùn)輸 主動運(yùn)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)行的穿膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式。 主動運(yùn)輸可分為ATP驅(qū)動泵（由ATP直接提供能量）和協(xié)同運(yùn)輸（ATP間接提供能量）兩種類型。1. ATP驅(qū)動泵 ATP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ATP結(jié)合位點(diǎn)，能夠水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所釋放的能量將被轉(zhuǎn)運(yùn)分子或離子從低濃度向高濃度轉(zhuǎn)運(yùn)，所以常稱之為“泵”。 4種類型ATP

13、驅(qū)動泵模式圖 （1）P-型離子泵（P-class ion pump） Na+-K+泵、Ca2+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。Na+-K+泵 （2）V -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。 V-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ATP水解供能，將H+從胞質(zhì)基質(zhì)中 逆H+電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。（3）F-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)膜和葉綠體膜中，它使H順濃度梯度運(yùn)動 。（4）ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體（ABC transports）： ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體是一類以ATP供能的運(yùn)

14、輸?shù)鞍?，ABC超家族是哺乳類細(xì)胞膜上磷脂、膽固醇、肽、親脂性藥物和其他小分子的運(yùn)輸?shù)鞍住?ABC蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)翻轉(zhuǎn)酶模型 2. 協(xié)同運(yùn)輸 協(xié)同運(yùn)輸（co-transport）是一類由Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動運(yùn)輸方式。 根據(jù)溶質(zhì)分子運(yùn)輸方向與順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)移的離子（Na+或H+）方向的關(guān)系，又可分為共運(yùn)輸（symport）與對向運(yùn)輸（antiport）。（1）共運(yùn)輸是兩種溶質(zhì)分子以同一方向的穿膜運(yùn)輸。 小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖入血示意圖 （2）對向運(yùn)輸： 是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的穿膜運(yùn)輸過程。 （三）離子通道高效轉(zhuǎn)運(yùn)各種

15、離子離子通道的特點(diǎn) 通道蛋白介導(dǎo)的是被動運(yùn)輸，通道是雙向的。 離子通道對被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小和所帶電荷都有高度的選擇性。 轉(zhuǎn)運(yùn)速率高 。 多數(shù)離子通道不是持續(xù)開放，離子通道開放受“閘門”控制 。2. 離子通道的類型 （2）電壓門控通道（3）應(yīng)力激活通道（1）配體門控通道 配體門控通道（ligand-gated channel）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)果將“門”打開，允許某種離子快速穿膜擴(kuò)散。 乙酰膽堿受體（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配體門控通道。（1）配體門控通道乙酰膽堿受體模式圖 （2）電壓門控通道： 膜電位的改變是控制電

16、壓門控通道（voltage-gated channel）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、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、鈉通道和氯通道。 （3）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，開啟通道使“門”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)生電信號。 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。 （四）水通道介導(dǎo)水的快速轉(zhuǎn)運(yùn)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11個成員（AQP0AQP10） 2. 水通道蛋白的結(jié)構(gòu) 人們對水通道蛋白家族中AQP1的結(jié)構(gòu)研究得比

17、較清楚。 水通道模式圖 3. 水通道對水分子的篩選機(jī)制 AQP1中央孔通道的直徑（）限制了比水分子大的小分子通過。 AQP1中央孔通道內(nèi)溶質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的控制。 第三節(jié) 大分子和顆粒物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸 大分子和顆粒物質(zhì)被運(yùn)輸時并不直接穿過細(xì)胞膜，都是由膜包圍形成囊泡，通過一系列膜囊泡的形成和融合來完成轉(zhuǎn)運(yùn)過程，故稱為小泡運(yùn)輸（vesicular transport）。 一、胞吞是物質(zhì)入胞作用方式 胞吞作用又稱內(nèi)吞作用，它是質(zhì)膜內(nèi)陷，包圍細(xì)胞外物質(zhì)形成胞吞泡，脫離質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。 胞吞作用分為三種類型： 吞噬作用、胞飲作用及受體介導(dǎo)的胞吞。 （一）吞噬作用是吞噬細(xì)胞攝入顆粒物 質(zhì)的過程 （二）胞飲作用是細(xì)胞吞入液體和可溶性 物質(zhì)的過程 吞噬作用胞飲作用（三）受體介導(dǎo)的胞吞提高攝取特定物 質(zhì)的效率 LDL受體介導(dǎo)的LDL胞吞過程有被小窩與有被小泡的形成 二、胞吐是物質(zhì)出胞作用方式 胞吐作用又稱外排作用或出胞作用，指細(xì)胞內(nèi)合成的物質(zhì)通過膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，與質(zhì)膜融合后將物質(zhì)排出細(xì)胞外的過程，與胞吞作用過程相反。 胞吐作用分為連續(xù)性分泌和受調(diào)分泌兩種形式。（一）連續(xù)性分泌是不受調(diào)節(jié)持續(xù)不斷 的細(xì)胞分泌（二）受調(diào)分泌是細(xì)