第四章 细胞膜与物质的跨膜运输

这是一篇关于第四章 细胞膜与物质的跨膜运输的思维导图，主要内容有第一节细胞膜的化学组成与分子结构、第二节小分子物质的跨膜运输、第三节大分子和颗粒物质的跨膜运输等。

第四章 细胞膜与物质的跨膜运输

• 第一节 细胞膜的化学组成与分子结构
  • 膜脂
    • 一个亲水末端(极性端)和一具疏水端(非极性端)
    • 胆固醇占50%
      • 对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰性，所以胆固醇对调节膜的流动性，加强膜的稳定性有重要作用
    • 磷脂占50%
    • 鞘脂含量很少
    • 特性和功能
      • 在水溶液中能够自动形成微球或双分子层结构
        • 起主要作用的是疏水键
      • 脂双层的厚度为六纳米
      • 膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架
    • 脂质体
      • 人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊
      • 作为生物膜的研究模型
      • 作为生物大分子，如DNA分子和药物的载体
  • 膜糖
    • 位置：细胞质膜上所有膜糖都位于质模的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面
    • 种类：动物细胞质膜上(七种) D-葡萄糖，D-半乳糖，D-甘露糖，L-岩藻糖，N-乙酰-D-半乳糖酸，N－乙酰葡萄糖胺，唾液酸
    • 存在方式 通过共价键同质膜或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。 真核生物细胞膜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，内膜中的糖蛋白极少
    • 功能
      • 提高膜的稳定性，增强膜蛋白对膜外基质中的蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠，维持正确的三维构型
      • 参与细胞的信号识别，细胞的黏着
      • 糖蛋白中糖基还帮助新合成的蛋白质进行正确的运输和定位
    • ABO血型决定子，即ABO血型抗原，它是一种糖脂
      • 寡糖部分具有决定抗原特异性的作用
      • A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNac)
      • B血型的人红细胞脂膜寡糖链的末端是半乳糖(Gal)
      • O 血型则没有这两种糖基
      • AB血型的人在末端同时具有这两种糖基
  • 膜蛋白
    • 分类
      • 内在(整合)膜蛋白 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜紧密联接，需用去垢剂使膜崩解后才可分离
      • 外在(外周)膜蛋白 水溶性蛋白。靠离子键或其他弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离
      • 脂质锚定蛋白 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合
    • 分离
      • 去垢剂作用机理
        • 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端的碳氢链
        • 与膜蛋白作用时 非极性端同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
        • 使膜蛋白在水中溶解，变性，沉淀
      • 去垢剂的类型
        • 离子型
          • 十二烷基磺酸钠(SDS)
            • 使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离
            • 破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性
            • 不宜用于分离有功能的膜蛋白
        • 非离子型
        • Triton X-100
          • 温和性去垢剂
          • 使膜脂溶解又不使蛋白变性
          • 可分离到有生物功能的膜蛋白
  • 细胞膜的特性
    • 不对称性
      • 细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀
      • 脂膜
      • 膜蛋白
      • 膜糖
      • 意义
        • 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
          • 膜不仅内外侧功能不同，不同区域的功能也不同
          • 细胞的识别，运动，物质运输，信号传导都具有方向性
    • 流动性
      • 构成膜的脂和蛋白质分子的运动性
      • 不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件
      • 生理意义
        • 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件
        • 酶的活性与流动性有极大的关系，流动性大，活性高
        • 如果没有流动性 细胞外的营养物质无法进入细胞内，合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡 能量转换是不可能的
        • 与信息传递有着极大的关系
        • 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系
      • 表现
        • 膜脂运动方式
          • 脂的流动是造成膜流动性的主要因素
          • 侧向扩散
          • 旋转扩散
          • 伸缩运动
          • 翻转扩散
            • 少见模式
        • 膜蛋白运动
          • 随机移动
          • 定向移动
          • 局部扩散
      • 研究方法
        • 人，鼠细胞融合实验
        • 免疫球蛋白与单克隆抗
        • 光脱色荧光恢复技术
          • 证明膜的流动性，测量膜蛋白扩散的速率
      • 影响因素
        • 温度
        • 膜脂的结构和组成
          • 脂肪酸链的长度
          • 脂肪酸链的不饱和度
          • 胆固醇的调节作用
          • 卵磷脂和鞘磷脂的比值
        • 膜蛋白
          • 限制膜蛋白侧向扩散的四种方法
            • 细胞质膜下的骨架结构与膜整合蛋白结合
            • 细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合
            • 膜蛋白与另一细胞的膜蛋白相互作用
            • 膜中其他不动蛋白
  • 分子结构模型
    • 片层结构模型
      • E.Gorter F.Grendel 1935
      • 推测细胞膜由双层脂分子组成
    • 单位膜模型
      • J.D.Roberstson 1959
      • 超薄切片技术
      • 暗－明－暗 7.5nm
      • 双层脂分子 3.5nm 内外表面蛋白质 2nm
    • 液态镶嵌模型
      • 脂质双层为主体，有晶体有序性又有流动性
      • 内在，外在蛋白 流动性
    • 脂筏模型
      • 富含胆固醇和鞘磷脂的区域
      • 载有蛋白质
• 第二节 小分子物质的跨膜运输
  • 膜的选择性通透和简单扩散
    • 小分子
      • 离子
        • 阳离子 Na+,K+,Mg+,Ca+,H+
        • 阴离子Cl+
      • 非极性小分子
        • O2
      • 极性小分子
        • 二氧化碳，乙醇，尿素，类固醇激素
      • 其他
        • 甘油，葡萄糖，氨基酸
    • 细胞膜是选择性半透膜，对离子选择性通透。产生了细胞内外电位差，用以传导电信号
    • 运转方式
      • 易化扩散
        • 也称促进扩散(被动转运)
          • 特点
            • 转运速率快
            • 转运速率同物质浓度呈非线性关系
            • 特异性
            • 饱和性
          • 载体
            • 离子载体
            • 通道蛋白
            • 载体蛋白
      • 简单扩散(被动扩散)
        • 影响因素
          • 分子量越小
          • 脂溶性越强
          • 非极性比极性分子过脂双层膜速率越快
        • 特点
          • 沿浓度梯度扩散，由高到低
          • 不需要能量
          • 不需要膜蛋白协助
      • 主动运输
        • 由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度的由浓度低的一侧向浓度高的一侧跨膜转运方式
        • 特点
          • 逆浓度梯度或者逆化学化学梯度运输
          • 需要能量(由ATP直接供能)或与释放能量的过程耦联(协同运输)
          • 都有载体蛋白
        • 主要运输方式
          • ATP驱动泵(直接供能)
            • P型离子泵
              • Na+-K+泵 ATP直接供能
                • 对向运输
                • Na+ 逆电化学梯度运出细胞
                • K+运进细胞
                • 动力是自身ATP水解功能
                  • Na+-K+-ATP酶
                • 3 Na+ 2 K+
              • 钙泵 ATP直接供能(Ca+-ATP酶)
                • 通常细胞内钙离子浓度10∨-7 M 显著低于细胞外钙离子浓度，以及内质网内钙离子浓度
                • 位置
                  • 质膜
                  • 内质网膜
                • 1ATP→泵出2Ca+
                • 例如
                  • 肌质网上的钙离子泵
                    • 肌细胞膜去极化后，引起肌质网上钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网
            • V型质子泵
              • 质子泵 ATP直接供能
                • 存在位置
                  • 溶酶体膜上
                • 作用方式
                  • 从胞质中主动将H+输入溶酶体
            • F型质子泵
              • 质子泵 ATP直接供能
                • 存在于线粒体内膜上
                • H+-ATP合成酶
            • ABC转运体
              • ATP结合区
                • 线粒体上
          • 协同运输(间接供能)
            • 共运输(同向运输)
              • 离子梯度驱动的主动运转，小肠对葡萄糖的吸收
            • 对向运输
              • 离子梯度驱动的主动运转
                • Na+-H+交换载体
                • Cl--HCO3-交换载体
                • 例如
                  • 红细胞膜bandⅢ蛋白 Na+ 和 HCO3-的进入，伴随着Cl-和H+的外流
  • 膜转运蛋白介导的跨膜运输
    • 膜转运蛋白
      • 小分子跨膜转运的载体或通道
      • 载体蛋白
        • 被动转运
          • 顺浓度梯度或电化学梯度
        • 主动运输
          • 逆浓度梯度或电化学梯度
        • 随着被转运分子的浓度的增加，转运速率先增加后不变 载体蛋白有限
        • 生物膜上普遍存在多次跨膜蛋白 可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输
      • 通道蛋白
        • 被动转运
          • 横跨质膜的亲水性通道
          • 允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过
          • 又称为离子通道
          • 特征
            • 选择性
            • 门控的
          • 机制
            • 在膜上特异性刺激控制下，闸门短暂地开放，随即关闭
          • 通道
            • 配体门控通道
              • 信号分子
            • 电压门控通道
              • 跨膜电位变化
            • 应力激活通道
            • 水通道(AQP)
              • 水通过两种机制穿过膜
                • 通过脂双层的扩散
                  • 因为脂双层虽是疏水的，但其中并非没有空间，水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构，从而穿过膜
                • 通过专一的水通道
              • 中央孔径0.28纳米
              • 通道周边的极性氨基酸残基，参与水分子去水合过程
• 第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输
  • 胞吞作用
    • 形式
      • 吞噬
        • 有专门的吞噬细胞完成，大的颗粒，直径＞250nm，最终到达溶酶体被降解
      • 吞饮
        • 摄入液体和小溶质分子进行消化，直径＜150nm
    • 消耗能量，属于细胞膜的主动运输
    • 受体介导的内吞作用 特点
      • 所摄入的大分子在质膜上有特异受体
      • 内吞由大分子配体与其受体的识别，结合而激发
      • 受体配体复合物聚集于质膜的有被小窝内，由有被小泡送至内体
    • 受体介导的胞吞作用
      • 胞内体
        • 是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解
      • 胞吞泡的形成
        • 配体和受体结合→网格蛋白聚集→有被小窝→有被小泡→去被的囊泡和胞内体融合→溶酶体
  • 胞吐作用
    • 结构性途径
      • 分泌蛋白合成后立即包装入高尔基体复合体的分泌囊泡中，然后被迅速带到细胞膜处排出
      • 几乎存在于所有细胞中
    • 调节性途径
      • 细胞分泌的蛋白储存于特定的分泌囊泡中，只有当接受细胞外信号(如激素)时，分泌囊泡才移至细胞膜处，与其融合将分泌物排出
      • 主要存在于特化的分泌细胞中
    • 胞吐作用消耗能量，属于细胞膜的主动运输
    • 功能
      • 补充质膜更新所需的物质
      • 分泌各种分子
  • 是根据物质的运输方向分类的
  • 共同特点 双向，特异，有序，化学修饰
  • 大分子物质运输中的三种有被小泡
    • 网格蛋白
      • 最早发现的衣被小泡
      • 冷冻蚀刻技术
      • 有被小凹和小炮上的外被呈网格样结构，由几种蛋白组成，包括网格蛋白
      • 进化上高度保守
      • 由三条大肽链和三条小肽链形成三足结构，再组装成六边形或五边形的网格样结构
      • 位于转运小泡的表面，提高了小炮的表面张力
      • 例如
        • 受体介导的低密度脂蛋白(LDL)内吞
          • 载脂蛋白是膜LDL受体的配体
          • 胆固醇吸收和降解的主要途径
          • 如果LDL途径紊乱，动脉粥样硬化
    • COPⅠ蛋白
      • 负责回收，转运内质网逃逸蛋白返回内质网
    • COPⅡ蛋白
      • 介导从内质网到高尔基体的物质运输
  • 不同类型受体的胞内分选途径
    • 返回原来的质膜结构域，重新发挥作用
    • 进入溶酶体被消化掉，称为受体下行调节
    • 被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的运转
• 第四节 细胞表面及其特化结构
  • 细胞外被和胞质溶胶
  • 细胞表面的特化结构
    • 微绒毛
      • 细长指状突起
      • 广泛存在于动物细胞表面
      • 直径约0.1μm
      • 扩大了细胞的表面积，有利于同外环境的物质交换，如小肠上的微绒毛
      • 肿瘤细胞对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大,大都带有大量微绒毛
    • 纤毛和鞭毛
      • 细胞表面伸出的条状运动装置
      • 来源于中心粒，由9+2微管构成
      • 有的细胞靠纤毛或鞭毛在液体中穿行
      • 有的细胞不动，摆动纤毛进行物质运输(如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛)
    • 褶皱(和内褶)
      • 褶皱
        • 形态上宽而扁
        • 巨噬细胞表面普遍存在，与吞噬颗粒物质有关
      • 内褶
        • 质膜由细胞表面内陷形成的结构
        • 具有扩大细胞表面的作用
        • 常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞(巨噬细胞)
  • 细胞表面
    • 包围在细胞质外层的一个结构复合体系，是细胞与外界环境物质相互作用，并产生各种复杂功能的部位
    • 以质膜为主体，包括质膜外的细胞外被和质膜内侧的胞质溶胶
    • 细胞之间或细胞与环境相互作用，并产生各种复杂功能的部位
    • 结构
      • 细胞膜，细胞外被，胞质溶胶，细胞连接和细胞表面的特化结构(如鞭毛，纤毛，微绒毛，细胞内褶)
    • 功能
      • 支持保护，细胞识别，细胞粘附，免疫应答，运动迁移，物质转运，信号转导，衰老病变等
• 第五节 细胞膜异常与疾病
  • 载体蛋白异常
    • 胱氨酸尿病
  • 离子通道异常
  • 膜受体异常
    • 家族性高胆固醇血症
    • 重症肌无力
  • 受体介导的LDL内吞 如果LDL途径紊乱，动脉粥样硬化