细胞膜与物质穿膜运输

医学细胞生物学第四章细胞膜与物质穿模运输思维导图，包括细胞膜化学组成与生物学特性、小分子物质和离子的穿模运输、大分子和颗粒物质的穿膜运输等内容。

细胞膜与物质穿膜运输

• 细胞膜化学组成与生物学特性
  • 细胞膜化学组成
    • 膜脂
      • 构成细胞膜的结构骨架
      • 磷脂
        • 具有亲水头和疏水尾，被称为两亲性分子或兼性分子
        • 甘油磷脂
          • 主要在内质网合成
          • 磷脂酰胆碱PC（卵磷脂）
          • 磷脂酰乙醇胺PE（脑磷脂）
          • 膦酸酰丝氨酸PS
          • 磷酸酰肌醇PI
            • 位于质膜内层，含量很少，但在细胞信息转导中起重要作用
        • 鞘磷脂
          • 在膜中含量较少，以鞘氨醇为骨架，其氨基结合长链不饱和脂肪酸（疏水尾部），末端的羟基结合磷酸胆碱（亲水头部）
      • 胆固醇cholesterol
        • 结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为固醇环和烃链。
        • 定位：分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。
        • 功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。
      • 糖脂
        • 最简单的糖脂：脑苷脂
        • 复杂的糖脂：神经节苷脂
        • 组成：由脂类和寡糖构成。
        • 结构：双亲性分子，极性头部由一个或几个糖残基构成，疏水尾部为脂肪酸链或鞘氨醇衍生的烃链。
        • 定位：均位于质膜非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面
        • 功能：作为细胞表面受体，参与细胞识别黏附及信号转导
        • 糖残基数量、种类及位置的不同决定了糖脂分子的多样性。
    • 膜蛋白
      • 内在膜蛋白（整合膜蛋白、穿膜蛋白）
        • Ø又称穿膜蛋白 （transmembrane protein），占膜蛋白总量的70%～80%； Ø有单次穿膜、多次穿膜及多亚基穿膜蛋白； Ø穿膜区由20-30个疏水性氨基酸组成，胞外区和胞质区则由亲水性氨基酸构成； Ø穿膜区多为α螺旋构象，也有的以β折叠片层穿膜，形成筒状结构； Ø穿膜蛋白与膜结合紧密，需用去垢剂处理才能分离。
      • 外在膜蛋白
        • Ø又称外周蛋白（peripheral protein），占膜蛋白总量的20%～30%； Ø位于脂双层的内、外表面，通过非共价键附着在膜脂分子的极性头部或穿膜蛋白的亲水区； Ø 水溶性蛋白，与膜结合较弱，较易从膜上分离； Ø红细胞的血影蛋白、锚蛋白属于外在膜蛋白，作用是维持红细胞的外形，增强红细胞膜的抗压性。
      • 脂锚定蛋白
        • 以N端共价结合于脂肪酸链：位于质膜胞质一侧，多为细胞信号转导蛋白，例如Src, Ras，G蛋白等 ； 以C端共价结合于磷脂酰肌醇的寡糖链 (GPI-linked) ：位于质膜外表面，包括多种水解酶、免疫球蛋白、黏附分子、膜受体等。
    • 膜糖类
      • 功能：1.保护细胞； 2.保水； 3.参与细胞识别及与周围环境的相互作用
      • 低聚糖+膜脂→（共价键）糖脂（约占7%）
      • 低聚糖或多聚糖+膜蛋白→（共价键）糖蛋白（约占93%）
        • 糖蛋白上的糖基化主要发生在天冬酰胺（N-连接），其次是在丝氨酸和苏氨酸(O-连接)的残基上
  • 细胞膜生物学特性
    • 膜的不对称性(asymmetry)
      • 1. 膜脂的不对称性 磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异 糖脂的分布为绝对不对称，糖脂仅分布于脂双层的非胞质面 不同膜性细胞器中脂类组成成分不同，因此具有不同的特性与功能。
      • 2. 膜蛋白的不对称性 膜蛋白分布是绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置 膜蛋白在脂双层内、外两层中分布的数量不同 穿膜蛋白穿越脂双层有一定的方向性，两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列顺序不同
      • 3. 膜糖的不对称性 糖脂、糖蛋白的寡糖链只分布于膜的非胞质面，即质膜的外表面和内膜系统膜腔的内侧面。
    • 膜的流动性(fluidity)
      • 脂双层为液晶态二维流体
      • 1）侧向扩散 2）翻转运动 3）旋转运动 4）弯曲运动 5）伸缩、振荡运动
      • 脂双层中不饱和脂肪酸越多，膜脂流动性越大； 脂肪酸链越短，膜脂流动性越大； 胆固醇分子：相变温度以上，限制膜的流动性；相变温度以下，干扰晶态形成，防止膜流动性突然降低； 卵磷酸/鞘磷脂：比值越小，膜脂流动性越小； 脂双层中嵌入的蛋白质越多，膜脂流动性越小； 膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度及金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定影响。
      • 膜脂的流动性
      • 2. 膜蛋白的流动性（荧光漂白恢复技术检测膜蛋白流动性） 侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散 旋转运动：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动
  • 细胞膜分子结构模型
    • 片层结构模型
    • 单位膜模型
      • 局限性：把膜视为静态的单一结构，无法说明膜的动态变化和各种重要的生理功能。
    • 流动镶嵌模型
      • 晶格镶嵌模型 脂蛋白和其周围的脂类分子构成膜的晶态部分（晶格），具有流动性的脂类呈小片的点状分布。
      • 板块镶嵌模型 生物膜是由同时存在的不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。即处于有序结构的“板块”无序结构的“板块” 连续的动态平衡之中。
    • 脂筏模型
• 小分子物质和离子的穿模运输
  • 1. 膜的选择通透性 易于通过膜的物质： 脂溶性、不带电的小分子物质，如：醇、苯、甾类激素以及O2、CO2、N2等； 能通过但速率慢的物质： 不带电的小极性分子，如水、乙醇、尿素等； 完全不能通过的物质： 带电离子、分子量较大的极性分子（葡萄糖、氨基酸等）。
  • 简单扩散：顺浓度梯度，不消耗能量，无需膜蛋白协助穿膜
  • 被动运输：顺浓度/电化学梯度，不消耗能量，但依赖特定膜蛋白协助穿膜。
    • 易化扩散
      • 载体蛋白介导
      • 载体蛋白介导易化扩散的特点： 与被转运溶质分子有特异性结合位点； 与溶质分子的结合是暂时的、可逆的； 通过构象变化将溶质分子转运至膜另一侧； 完成转运后恢复原有构象； 有最大转运速率（饱和现象）； 可被竞争性抑制剂阻断。
        • Km（米氏常数 达0.5Vm）越小表明亲和力与转化效率越高
    • 离子通道
      • 1） 离子通道的特点 介导被动运输，通道是双向的 对离子有高度选择性 转运速率快 不持续开放，受“闸门”控制
      • 2）根据激活信号不同可分为：
        • （1）配体门控通道--乙酰胆碱受体阳离子通道
          • 与胞外特定配体结合后构象改变，“闸门”打开，允许某种离子快速跨膜转运
        • （2）电压门控通道
          • 跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化使通道开放，离子顺浓度梯度快速扩散通过细胞膜。 通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭。 电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等。
            • 包括钾离子、钙离子，钠离子。氯离子通道
        • （3）应力激活通道
          • 通道蛋白感受应力作用而改变构象开启“闸门”，离子通过进入细胞引起膜电位变化，产生电信号。 内耳毛细胞感受声波震动
    • 水通道
      • 1） 定义 细胞膜上由水孔蛋白（aquaporin，AQP）形成的专一性转运水分子的通道 2）分类 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0～AQP10） ØAQP1、2、4、5、6、0：专一性通透水分子 ØAQP3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子 ØAQP8：功能尚不明确
      • 水通道蛋白的结构： 由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体 每个亚基(一个AQP1分子)的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔(直径约0.28nm)
      • 筛选机制（1）AQP1中央孔通道的直径（0.28nm）的限制 （2）AQP1中央孔通道内溶质结合位点的控制
      • 水通道的特点 （1）持续开放的膜通道蛋白 （2）转运速度快：一个AQP1通道蛋白每秒钟可允许3×109个水分子通过 （3）水分子移动方向完全由膜两侧的渗透压差决定
  • 主动运输（active transport）：逆电化学梯度，消耗能量并由特定膜蛋白介导的穿膜转运。
    • ATP直接提供能量（ATP驱动泵） ATP间接提供能量（协同运输）
    • 1. ATP驱动泵 属穿膜蛋白，在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运物质从低浓度向高浓度转运，常称之为“泵”。 具有转运专一性。
      • P-型离子泵 水解ATP供能，逆电化学梯度穿膜转运阳离子，如Na+-K+泵、Ca2+泵 、H+-K+ 泵等 。
        • 泵工作过程中，形成磷酸化中间体（天门冬氨酸残基作为磷酸化位点）
        • • （1）Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）
            • 结构组成：由2个独立的大亚基（α亚基）和2个起调节作用的β亚基构成。 α亚基有3个Na+结合位点，2个K+结合位点和1个ATP结合位点。 乌本苷可竞争性结合K+结合位点从而抑制Na+-K+泵。
            • 作用:输出三个钠离子—维持渗透压平衡；转入两个钾离子—维持膜电位
            • 帮助动物细胞对葡萄糖或氨基酸等营养的吸收
          • （2）Ca2+泵
            • • 分布：主要存在于质膜、内质网或肌浆网膜上；
              • 原理：水解ATP供能，通过磷酸化和去磷酸化过程使构象改变，结合和释放Ca2+；
              • 功能：将Ca2+泵出细胞或泵入肌浆网使胞质中Ca2+保持低水平（约为胞外钙离子浓度的万分之一）； 胞质中Ca2+浓度骤然升高促发肌肉收缩、腺体分泌、神经递质释放等重要生理活动。
      • V-型质子泵
        • 分布：主要存在于真核细胞的膜性酸性区室（如溶酶体等）膜上的H+泵； 原理：不形成磷酸化和去磷酸化中间体，将胞质中的H+逆电化学梯度转运到囊泡中； 功能：维持膜性细胞器（如溶酶体）内部的酸性环境以保障其功能。
      • F-型质子泵
        • 分布：主要存在于细菌质膜、线粒体内膜、叶绿体膜上； 原理：H+顺化学梯度运动时所释放的能量促使ADP合成ATP，又称H+-ATP合成酶； 功能：合成ATP。
      • ABC转运体（小分子）
        • 分布：广泛分布于从细菌到人类各种生物体的细胞膜上，因每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette）而得名，成员众多； 原理：通过水解ATP供能，使蛋白构象改变将与之结合的底物逆浓度梯度转移至膜的另一侧； 功能：将细胞内毒素、代谢物、异源物质等泵到细胞外；肿瘤细胞耐药也与之有关。
    • 2.协同运输
      • （1） 特 点 由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。 物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度。 通过Na+-K+泵（或H+泵）维持这种离子电化学梯度。
        • 共运输（symport）：载体蛋白介导的两种溶质分子相同方向的联合转运。物质的逆浓度梯度运输依赖于Na+或H+顺浓度梯度运输，且两者转运方向相同。
          • 如：小肠上皮细胞的Na+-葡萄糖转运体、 Na+-氨基酸转运体，肾小管上皮细胞的Na+- Cl－、Na+-HCO3－转运体，甲状腺上皮细胞的Na+-I－同向转运体等。
• 大分子和颗粒物质的穿膜运输
• 细胞膜异常与疾病
• 脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜蛋白镶嵌或附在脂质双分子层中，糖分子分布于膜外表面。强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性。
  • 但是不能说明具有流动性的质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性，忽视了各部分流动性的不均等性。