细胞质膜与穿膜运输 细胞生物学 第三章

细胞质膜与穿膜运输思维导图：概述（1.细胞膜是细胞膜结构的总称，它包括细胞外层的膜和存在于细胞质中的膜。）红细胞与细胞膜结构的研究等等

细胞质膜与穿膜运输

• 概述
  • 细胞的膜结构
    • 1.细胞膜是细胞膜结构的总称，它包括细胞外层的膜和存在于细胞质中的膜。
    • 2.质膜是指包围在细胞表面的一层极薄的模，主要有膜质和膜蛋白组成。
    • 3.真核生物除了具有细胞表面膜外，还含有内膜。内膜包括细胞核膜、内质网膜、高尔基体膜等。
  • 细胞膜的功能
    • 1.界膜和区室化
      • 这种界膜不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，它使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质与能量代谢。细胞内空间的区室化不仅扩大了膜的表面积，还是细胞的生命活动更加高效和有序。
    • 2.调节运输
      • 膜对物质的运输具有选择性，有些物质在细胞内的浓度很高，有些物质只能沿浓度梯度进入细胞，这需要通过特殊的运输机制来调节。
    • 3.功能定位与组织化
      • 细胞膜通过形成膜性细胞器，是细胞的功能定位在一定的细胞结构并组成相互协作的系统。
    • 4.信号的检测与传递
      • 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体进行信号传递，引起细胞内的反应。
    • 5.参与细胞间的相互作用
      • 在多细胞的生物中，细胞通过质膜进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞黏着、细胞连接等。
    • 能量转换
      • 参与细胞的能量转换。例如，叶绿体利用内囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在糖类中。
• 红细胞与细胞膜结构的研究
  • 红细胞的生物学特性
    • 红细胞的形态结构
      • 成熟的红细胞呈双面凹陷或单面凹陷的盘状，直径7.5~8.3nm，厚度1.7nm，体积8.3um3，表面积145um2，表面积与体积的比值较大，有利于细胞变形、气体交换和携带。
    • 红细胞的功能
      • 红细胞对氧气和二氧化碳的运输与膜的性质有关。
    • 红细胞血影
      • 当红细胞的内容物渗漏之后，它的质膜可以重新封闭起来，此时的红细胞被称为血影。
  • 红细胞膜结构的研究
    • 膜脂的发现及脂单层概念的提出
      • 脂单层概念是20世纪初膜结构研究的基础，导致了脂双层的发现。
    • 细胞质膜结构的基础--脂双层
  • 红细胞质膜的相关蛋白质
    • 红细胞皮质骨架
      • 红细胞内侧有一种特殊的结构，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架。
    • 红细胞膜蛋白的组成
      • 血影蛋白
        • 是红细胞皮质骨架的主要成分，约占膜提取蛋白的30%。血影蛋白属红细胞的膜下蛋白，这种蛋白是一种长的、可伸缩的纤维蛋白。
      • 血型糖蛋白A
        • 又称涎糖蛋白，富含唾液酸。血型糖蛋白是第一个被测定氨基酸序列的的蛋白质。
      • 带3蛋白
        • 是由两个相同的亚基组成的二聚体，每条亚基含929个氨基酸；它是一种糖蛋白，在质膜中穿越12~14次，因此是多次穿膜蛋白。
      • 肌动蛋白
        • 又称带5蛋白，是细胞骨架的主要成分，肌动蛋白纤维上有多个与血影蛋白结合的位点，通过与血影蛋白游离端相连，参与皮质骨架结构的形成。
      • 锚蛋白
        • 锚蛋白是一种比较大的细胞内连接蛋白，这样锚蛋白借助于带3蛋白将血影蛋白连接到细胞质膜上，也将骨架固定到质膜上。
      • 带4.1蛋白
        • 有两个亚基组成的球形蛋白，它在皮质骨架中的作用是通过与血影蛋白结合，促使血影蛋白与肌动蛋白结合。
      • 内收蛋白
        • 内收蛋白可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并通过Ca2+和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性，从而影响红细胞的形态。
• 膜的化学组成
  • 膜脂
    • 膜脂的主要类型
      • 磷脂
        • 含量较多，头部亲水，尾部疏水。
      • 鞘脂
        • 在膜中含量较少
      • 胆固醇
        • 动物细胞质膜中的胆固醇含量较高；酵母细胞膜中是麦角固醇；大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇。
        • 胆固醇分子分为三部分
          • 羟基团组成的极性头部
            • 头部亲水，朝向膜的外侧。
          • 非极性的类固醇环结构
          • 一个非极性的碳氢尾部
            • 尾部疏水，埋在脂双层的中央。
    • 膜脂的特性
      • 都是两性物质，都具有亲水的极性头和疏水的非极性尾，大多数糖脂和磷脂在水溶液中都能够自动形成双分子层结构。
      • 脂类能够在水溶液中自我装配成脂双层的球状结构，这种结构称为脂质体。
    • 膜脂的功能
      • 1.构成膜的基本骨架，去除膜脂则使膜解体。
      • 2.是膜蛋白的溶剂，一些蛋白质通过疏水端与膜脂作用，使蛋白质镶嵌在膜上，行使特殊的功能。
      • 3.膜脂为某些膜蛋白维持构象、表现活性提供环境。
      • 4.膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。
  • 膜糖
    • 膜糖的种类
      • 自然界存在着单糖及其衍生物有200多种，但存在于膜的糖类只有9种，而在动物细胞质膜上的主要有7种。
    • 膜糖的存在方式
      • 真核细胞质膜中的糖类通过共价键同膜脂和膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。
      • 真核生物细胞上的蛋白质几乎都是糖蛋白，糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。
    • 膜糖的作用
      • 1.提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。
      • 2.参与细胞的信号识别、细胞的黏着。
  • 膜蛋白
    • 膜蛋白的分类
      • 整合蛋白
        • 部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用结合在膜上
      • 外周蛋白
        • 这类蛋白质完全露在脂双层的内侧或外侧。
      • 脂锚定蛋白
        • 通过共价键的方式与脂分子结合，位于脂双层的外侧。
    • 膜蛋白的功能
      • 1.有些是运输蛋白，转运特殊的分子和离子进出细胞；
      • 2.有些是酶，催化与酶相关的代谢反应；
      • 3.有些是连接蛋白，起连接作用；
      • 4.有些是受体，起信号接收和转导作用。
    • 去垢剂分离膜蛋白
      • 去垢剂是一种一端亲水，一端疏水的双亲媒性分子，它们具有极性端和非极性的碳氢链，当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端与蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀。
    • 用人工脂质体研究膜蛋白的功能
      • 首先用去垢剂溶解膜蛋白，然后进行蛋白质的分离纯化，再将分离纯化的膜蛋白与适当的磷脂混合，并用透析法除掉去垢剂，就可形成脂质体小泡。
• 物质的穿膜运输
  • 质膜物质运输概述
    • 物质运输的范畴
      • 细胞运输
        • 这种运输主要是细胞与环境间的物质交换，包括细胞对营养物质的吸收、原材料的摄取、代谢废物的排除及产物的分泌。
        • 细胞运输主要通过细胞质膜的运输，又称为膜运输。
      • 胞内运输
        • 胞内运输主要通过细胞内的膜泡进行的运输。这是真核生物细胞内膜性细胞器与细胞内环境进行的物质交换。
      • 转细胞运输
        • 这种运输不仅仅是物质进出细胞，而是从细胞的一侧进入，从另一侧出去，实际上是穿越细胞的运输。
    • 膜运输的类型：被动运输和主动运输
      • 被动运输
        • 将溶解的分子依靠扩散从高浓度区流向低浓度区，不消耗ATP。
        • 帮助运输的蛋白：膜蛋白
          • 通道蛋白
            • 不需要与被运输的分子结合，只是提供一个亲水的通道。
          • 载体蛋白
            • 需要与背运输的分子结合，然后帮助被运输的分子通过膜
      • 主动运输
        • 需要消耗ATP，将物质从低浓度区运向高浓度区。
    • 离子载体
      • 通道形成离子载体
      • 离子运载离子载体
      • 从中的得到的结论
        • 1.膜转运蛋白具有选择性
        • 2.膜转运蛋白通过两种机制进行物质运输，一是形成水性通道，二是与被运输的物质结合，以扩散的方式穿膜，即可移动载体的运输。
    • 参与分子及离子穿膜转运的三类主要膜蛋白
      • 1.ATP动力泵
        • 这种运输与化学反应相偶联，通过水解ATP获得能量驱动小分子或离子逆浓度梯度或电势或电化学梯度运输，所以ATP动力泵介导的是主动运输。
      • 2.通道蛋白
        • 能够将水、特异的离子或亲水的小分子运输通过膜，这种运输是顺浓度梯度或顺电位梯度，是不需要化学能的运输，但需要通道蛋白，因此称为被动运输。
      • 3.转运蛋白
        • （1）单向转运蛋白，仅运输一种类型的分子顺浓度梯度穿过细胞质膜，葡萄糖和氨基酸就是借助于单向转运蛋白进入细胞的。
        • （2）同向转运蛋白，是顺浓度梯度运输，偶联的两个分子朝同一个方向。
        • （3）逆向转运蛋白，是逆浓度运输梯度运输，偶联的两个分子或离子背向而行。
  • 被动运输
    • 扩散与渗透
      • 扩散是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向浓度低的一侧移动的过程。
      • 渗透是指水分子及溶剂通过半透性膜的渗透。
    • 被动运输：简单扩散及限制因素
      • 简单扩散是被动运输的基本方式，不需要膜蛋白的帮助，也不消耗ATP，只靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。
      • 限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性
        • 1.物质的脂溶性越强，越容易通过质膜。
        • 2.分子质量小、脂溶性高的分子才能快速扩散。
        • 3.所有带电荷的分子（离子），不管它多小，都是不能自由扩散的。
    • 被动运输：促进扩散及特点
      • 促进扩散是指非脂溶性物质或亲水性物质借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度，不消耗ATP进入细胞的一种运输方式。
      • 促进扩散与简单扩散相比具有以下一些特点
        • 1.促进扩散需要膜蛋白的帮助，并且扩散速率比简单扩散的速率快。
        • 2.简单扩散的速率与溶质的浓度成正比，而膜蛋白帮助的促进扩散可以达到最大值。
        • 3.在简单扩散中，结构上相似的分子以基本相同的速率通过质膜，而在促进扩散中转运蛋白具有高度的选择性。
        • 4.与简单扩散不同，转运蛋白的促进扩散作用会受到各种抑制。
    • 通道蛋白与促进扩散
      • 1.电位门控通道
        • 这类通道的构型变化依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生变化。
      • 2.配体门控通道
        • 这类通道在其细胞内外的特定配体与膜受体结合时发生反应，引起门控通道蛋白的一种成分发生构型变化。
      • 3.机械门控通道
        • 这种通道的打开与细胞质的扩充有关，并且通道常与细胞骨架相连。
    • 载体蛋白与促进扩散
      • 载体蛋白即参与被动物质运输，也参与主动物质运输。
    • 水孔蛋白通道对水的选择性运输
      • 1.大小的限制：水孔蛋白中最小的孔径是2.8A，水分子只能单个通行，其他的水和离子与质子也就不能通过。
      • 2.静电排斥：水孔蛋白中的精氨酸对带正电的水和分子及水和离子都具有静电排斥性，从而阻止了这些物质通过水孔蛋白。
      • 3.水的偶极子取向：水分子可以通过氢键与水孔中心NPA模体中两个天冬酰胺侧链的部分正电荷结合来重新定向，这种再定向可促进水快速通过水孔通道。
      • 水孔蛋白促进水的高速运输有三个基本的特点
  • 主动运输
    • 主动运输的意义
      • 1.保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必需的营养物质。
      • 2.能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢废物及一些离子排到细胞外，即使这些物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高得多。
      • 3.维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是钾离子、钙离子和氢离子的浓度。
    • 主动运输的特点
      • 1.逆浓度梯度运输；
      • 2.依赖于膜转运蛋白；
      • 3.需要代谢能，并对代谢毒性敏感；
      • 4.具有选择性和特异性。
    • 参与主动运输的ATPase的类型
      • 1.P型泵
        • 此类运输泵是多次穿膜蛋白，运输时不仅需要ATP供能，而且需要将自身磷酸化。
      • 2.ABC转运蛋白
        • 主要是将小分子转运穿过细胞质膜。
      • 3.V型泵
        • 主要是将氢离子转运到细胞器，如溶酶体、触突小泡，以及环境和酵母的液泡，以维持这些细胞器内的酸性环境。需要ATP供能，但不需要磷酸化。
      • 4.F型ATPase
        • 功能是将ADP转化为ATP。
    • P型泵的作用机制
      • 1.Na+/K+泵
        • （1）在静息状态，Na+/K+泵的构型使得Na+结合位点暴露在膜内侧，当细胞内的Na+浓度升高时，3个Na+与该位点结合；
        • （2）由于Na+的结合，激活了ATP酶的活性，使ATP分解，释放ADP；
        • （3）由于a亚基被磷酸化，引起酶发生构型变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3个Na+；
        • （4）膜外的两个K+与a亚基结合；
        • （5）K+与磷酸化的Na+/K+-ATPase结合后，促使酶去磷酸化；
        • （6）去磷酸化后的酶恢复原构型，于是将结合的K+释放到细胞内。
        • Na+/K+-ATPase对Na+/K+的运输过程
      • 2.Ca+泵
        • 存在于真核生物的细胞质膜中，它每水解1个ATP就将2个Ca+从胞质溶胶输出到细胞外。
    • ABC转运蛋白的运输作用
      • 由4个结构域组成：两个穿膜结构域，在细胞质面还有两个ATP结合结构域。
      • 所有的ABC转运蛋白都需要水解ATP供给能量来驱动分子进行单向运输。
    • V型泵与F型泵的作用机制
      • 所有的V型泵都是仅运输氢离子，其作用是使一些生物细胞内的膜泡区室建立酸性环境。
      • F型泵是位于线粒体内膜及叶绿体的类囊体膜上的ATP酶，既可以水解ATP驱动质子由低向高处流，又可以利用质子的电化学梯度合成ATP。
    • 协同转运
      • 又称偶联运输，它不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的离子梯度
      • 将主动运输分为两类：与ATP水解偶联的为直接（初级）主动运输；间接利用ATP的为间接（次级）主动运输。
    • 穿细胞运输
      • 是指某些类型的分子与离子穿过极性细胞的运输。
    • 细菌中的主动运输
      • 1.磷酸化运输
      • 2.细菌视紫红质质子泵
        • 是一种质子泵，在该系统中，H+的运输由光提供能量。
  • 主动运输与被动运输的比较及动物与植物主动运输的比较
    • 主动运输与被动运输的比较
      • 主动运输：能够逆浓度梯度运输，需要消耗能量，并且需要载体蛋白。
      • 被动运输：包括简单扩散和促进扩散，都是顺浓度梯度运输，并且不需要消耗除自由能以外的能量。
    • 动物与植物主动运输的比较
      • 动物细胞质膜上有Na+/K+-ATPase，并通过Na+、K+的运输建立细胞的电化学梯度，但在植物细胞中没有。
      • 在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATPase，它们的作用都一样，保持这些细胞器的酸性。
• 细胞质膜的结构与特点
  • 细胞质膜的结构模型
    • 片层结构模型
      • Davson和Danielli提出“三明治式”模型，即蛋白质-脂质-蛋白质的三层结构。
    • 单位膜模型
      • J.D.Robertson发现细胞膜在电子显微镜下显示暗-明-暗三层结构，暗层是蛋白质，透明层是脂，这种结构称为单位膜。
    • 流动镶嵌模型
      • 特点
        • 1.蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。
        • 2.膜具有一定的流动性，不再是封闭的板块结构，以适应细胞各种功能需要。
    • 大肠杆菌细胞质膜
      • 革兰氏阴性菌，如大肠杆菌的细胞质膜是双层的膜结构；
      • 革兰氏阳性菌，如链球菌、葡萄球菌等只有一层细胞膜结构。
  • 细胞质膜的不对称性
    • 不对称的表现
      • 膜脂分布的不对称性
        • 表现在膜两侧分布的各类脂的含量比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大。
      • 膜蛋白分布的不对称性
        • 膜蛋白的分布是绝对不对称的，每种膜蛋白在膜内都有特定的排布方向。
    • 不对称的意义
      • 1.膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。
      • 2.膜脂双层不仅内、外两个脂单层的功能不同，不同区域的功能也不相同，造成这种功能上的差异主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。
      • 3.细胞间的识别、运动、物质运输、信号转导等都具有方向性，这些方向性的维持则依赖于膜蛋白、膜脂和膜糖的分布不对称性。
  • 细胞质膜的流动性
    • 膜脂的运动
      • 1.侧向扩散。在同一脂单层内的脂分子经常互相换位，其速度相当快。这种运动始终保持脂分子在质膜中的排布方向，即亲水的基团朝向膜表面，疏水的尾指向膜的内部。
      • 2.旋转运动，即每个脂分子都围绕其长轴做快速旋转。
      • 3.屈伸，即膜脂围绕着与膜平面相垂直的轴进行弯曲摆动。
    • 膜蛋白的运动
      • 1.随机运动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动，移动的速率比用人工脂双层测得的要低。
      • 2.定向移动，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的一端移向另一端。
      • 3.局部移动。有些蛋白质虽然可以在膜上自由移动，但只能局部范围内做旋转移动和侧向移动。
    • 膜流动性的生理意义
      • 1.细胞质膜适宜的流动性是质膜形式功能的必要条件。膜流动性大，有利于酶的侧向扩散和旋转运动，酶活性提高。
      • 2.参与物质运输，如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质则无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就会因停止新陈代谢而死亡。
      • 3.膜流动性与信号转导有着极大关系。细胞质膜上有一些蛋白质可作为信号分子的受体，它可与细胞外的信号分子，然后以某种运动方式，将信号传递到细胞内。
      • 4.膜流动性与细胞周期也有密切的关系。研究证明，在M期，膜流动性最高，而在G1期和S期，膜流动性最低。
      • 5.膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。
    • 膜流动性的研究方法
      • 1.人鼠细胞融合实验
        • 细胞融合，即细胞杂交，是将两种不同类型的细胞结合形成一个杂种细胞的过程。
      • 2.荧光漂白后恢复
        • 不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。
    • 影响膜流动性的因素
      • 1.温度对膜流动性的影响
        • 温度是影响膜流动性最主要的环境因素。构成膜的脂既可以是晶态，又可以是液态存在，主要是根据温度的变化而定。
      • 2.膜脂的结构和组成对膜流动性的影响
        • （1）脂肪酸链的长度对流动性的影响。膜中短链脂肪酸的含量丰富，膜的流动性就高。
        • （2）脂肪酸链的不饱和程度对流动性的影响。如果膜脂中含有丰富的不饱和脂肪酸，膜的流动性就高。原因可能是不饱和双键的存在会降低膜脂分子间排列的有序性，增加了膜的流动性。
        • （3）胆固醇对膜流动性的调节作用。胆固醇可以加强膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性而降低其流动性，调节膜的机械性能。
        • （4）卵磷脂和鞘磷脂的比值对膜流动性的影响。若卵磷脂含量高，则流动性强。而鞘磷脂与之相反。
    • 膜蛋白对膜流动性的影响
      • 膜蛋白与膜脂的结合是功能性的，它必然以某种方式同细胞内、细胞外、细胞与细胞间发生联系，组成特殊的膜区，这样膜蛋白的运动就会受到限制，从而影响了膜的流动性。
    • 脂筏
      • 由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，常常与胆固醇、糖脂形成结构致密的微结构域，即脂筏。
    • 小窝蛋白与胞膜小窝
      • 小窝蛋白是膜整合蛋白，有两个球形的结构域，通过一个疏水的发夹将其结合到细胞质膜的内侧。
      • 由小窝蛋白作用形成的胞膜小窝可看成是细胞质膜内小叶形成的脂筏。胞膜小窝具有重要的细胞功能，包括参与细胞内的膜泡转运、细胞外信号向细胞内传递等。