膜的化学组成和分子结构
膜的化学组成(chemical composition)
主要由蛋白质、脂类、糖类组成，此外还有水、无机盐、金属离子等。
功能越复杂的膜，其蛋白质所占比例越大。
膜脂(membrane lipids)
细胞膜上的脂类，是细胞的基本组成成分，形成膜的基本骨架。
包括磷脂、胆固醇和糖脂，以磷脂为主。
磷脂(phosphatide)
主要的磷脂：磷酸甘油脂(phospholipid)和鞘磷脂(sphingolipids)。最简单的磷酸甘油脂是磷脂酸。
主要有PC(磷脂酰胆碱)、PE(磷脂酰乙醇胺)、PS(磷脂酰丝胺酸)、SM(鞘磷脂)。这种具有亲水性头部和疏水性尾部的分子称为双亲媒性分子(兼性分子)。
脂双层在水环境中存在的三种形式:单分子团、双分子层、脂质体。
胆固醇(cholesterol)
极性羟基-固醇环-非极性脂肪酸链，极性头部，非极性尾部，双亲媒性分子。
胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用,可阻止磷脂凝集成晶体结构，对膜脂的物理状态具有调节作用。
膜蛋白(Membrane proteins)
跨膜蛋白(transmembrane protein):又称膜内在蛋白、镶嵌蛋白,具有受体、载体、酶的作用。
膜周边蛋白(peripheral protein):又称膜外在蛋白,具有支架、收缩、调节作用。
膜锚定蛋白(lipid-anchored protein):又称脂连接蛋白。
膜的分子结构(molecular structure)
液态镶嵌模型(fluid mosaic model)
·S.J.Singer and G.Nicolson(1972)
脂双层构成膜的连贯主体,它既具有固体分子排列的有序性,又具有液体的流动性。
膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层镶嵌结合。强调了膜的流动性和膜蛋白与脂类分子间的镶嵌关系。
·该模型优点:强调了膜的流动性以及球形蛋白质与脂双分子层的镶嵌关系,可以解释许多膜中所发生的现象。
·该模型缺点:没有说明具有流动性的细胞膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性,忽视了蛋白质分子对膜流动性的控制作用。
."晶格镶嵌模型"和”“板块镶嵌模型"对其补充。
脂筏模型(lipid raft model)
·模型认为生物膜上胆固醇形成的有序脂相如同脂筏一样载着执行某些特定功能的膜蛋白。脂筏是细胞膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域,其中聚集一些特定种类的膜蛋白,大小约70nm,是一种动态结构,位于细胞膜的外侧。
膜的主要理化特性(Physicochemical property)
流动性(fluidity)
1.膜脂的流动性(Fluidity of membrane lipid)
液晶态的膜处于流动状态,与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动。
2.膜蛋白的运动性(motility of membrane protein)
(1)侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散
(2)旋转扩散：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动
细胞膜与物质的跨膜运输
穿膜运输(transmembrane transport)
是小分子物质和离子穿过细胞膜的运输方式。
被动运输(passive transport)
顺浓度梯度穿膜扩散
不消耗细胞代谢能
依据是否需要膜运输蛋白的协助分为
简单扩散(simple diffusion)
不需要消耗细胞代谢能
不依靠膜运输蛋白
顺浓度梯度运输小分子物质
特点：顺浓度梯度运输
不消耗细胞的代谢能
不依靠膜运输蛋白(直接穿过膜的脂双层)
离子通道扩散(ionic channel diffusion)
Na⁺、K⁺、Ca²⁺等极性很强的水化离子
借助膜上的离子通道由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。
离子通道为膜上的跨膜蛋白。包括三类
电压闸门通道(voltage-gated channel)
这类通道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改变,从而将”门"打开。
配体闸门通道(ligand-gated channel)
这类通道在细胞内外的特定配体与其表面受体结合时,引起门通道蛋白发生构象变化,结果使”门”打开。
机械闸门通道(mechanical-gated channel)
这类通道在细胞内外的机械压力发生改变时,引起门通道蛋白发生构象变化,结果使”门"打开。
易化扩散(facilitated diffusion)
一些非脂溶性的物质,需要借助细胞膜上的载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式。
特点：
①顺浓度梯度运输
②不消耗细胞的代谢能
③依靠膜载体蛋白协助
葡萄糖、氨基酸、核苷酸等物质的运输,需载体蛋白的介导。
例:葡萄糖载体蛋白介导红细膜上葡萄糖的被动转运。
水通道扩散
水是一种极性小分子,不溶于脂,但穿膜速度很快。
1992年转运水的特异性通道蛋白被发现,Aquaporin1,目前已发现13种水通道蛋白。
用AQPs代表水通道。AQPs没有门控性、饱和性和膜电位依赖性。
有些AOPs除作为水的特殊通道外,还转运其它物质,如氧基酸、糖等。
主动运输(active transport)
通过消耗细胞代谢能,逆浓度梯度运输物质的过程。
离子泵：由ATP直接提供能量。
是膜上的一种能将离子逆浓度梯度转运的载体蛋白,实质是一种ATP酶。
离子泵具有载体和酶的两重作用
种类:
钠钾泵
钙泵(Ca²⁺-ATP酶)
质子泵:P-型质子泵、V–型质子泵、H⁺-ATP酶
大亚基:跨膜蛋白,具有ATP酶活性,是催化亚单位。
在细胞质侧有Na⁺和ATP结合的部位，
外侧有K+和乌本苷结合的部位。
伴随运输(cotransport)：由ATP间接提供能量。
是一类靠细胞代谢能间接提供能量完成的主动运输方式。
物质跨膜运输所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度,而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。
物质逆浓度梯度跨膜运输需同时伴有离子的顺浓度梯度运输,故名伴随运输。
膜泡运输(transport by vesicle formation)
通过膜包裹被转运物形成膜囊泡进行物质转运的方式。
是大分子和颗粒物质的运输方式，均需消耗代谢能。
胞吞作用(endocytosis)：是指细胞膜局部发生内陷,
将外来大分子或颗粒物质包裹成小囊泡,
最终脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。
吞噬作用(phagocytosis)
吞噬作用形成的囊泡较大,称为吞噬体(phagosome)。
胞饮作用(pinocytosis)
胞饮作用形成的囊泡较小,称为胞饮小体或胞饮小泡(pinocytic vesicle)。
受体介导的内吞作用(receptor mediated endocytosis)
胞吐作用(exocytosis)
是细胞以小泡方式向外界环境排除物质的过程。
这是一种与胞吞作用方向相反的外排过程。
运输物质:细胞分泌产生的激素、酶类及未消化的残渣等。
膜转运系统异常与疾病
膜转运蛋白结构、功能异常或缺损,会引起相应物质转运缺陷,而导致膜转运系统异常疾病。
膜转运蛋白基因突变或表达异常是引起遗传性膜转运异常疾病的原因。
肾性糖尿病：属遗传性膜转运异常疾病。发病机制:基因突变导致肾小管上皮细胞膜转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷,肾近曲小管对葡萄糖的再吸能力下降,从而引起糖尿,发生肾性糖尿病。
囊性纤维化：属遗传性膜离子通道异常疾病。临床表现:呼吸系统主要表现为反复支气管感染和气道阻塞症状。发病机制：患者的上皮细胞氯离子通道调节有缺陷;呼吸道黏膜上皮的水、电解质跨膜转运有障碍。
家族性高胆固醇血症：是由19号染色体上相应基因突变使细胞膜上的低密度脂蛋白(LDL)受体缺陷引起的遗传性疾病。临床表现:动脉粥样硬化、黄瘤。发病机制:LDLR基因突变→LDL受体缺陷→失去对HMG-CoA还原酶合成的抑制作用→胆固醇合成不受抑制,胆固醇酯也不能形成→游离胆固醇过多→高胆固醇血病。LDL受体缺陷包括了数量减少、转运不良、亲和力下降、处理乏能等。
载体蛋白
是镶嵌于膜上的一类运输蛋白,
可以与特定分子结合,通过构象的改变来进行物质运输,
载体与载运物分离后,又恢复原有构象。
通道蛋白
是细胞膜中一类贯穿整层的镶嵌蛋白,
能在膜上形成开放的亲水通道,
允许一定大小和携带电荷的溶质顺浓度梯度直接通过。
目前发现通道蛋白50余种,绝大多数都形成有选择性开关的跨膜通道,
几乎都与离子转运有关,故称离子通道(ion channel)。
LDL受体介导的LDL胞吞过程
特点:吸收速度快,具有选择性浓缩作用。
运输物质:已发现25种受体参与不同大分子的胞吞作用,
如胰岛素、某些病毒、低密度脂蛋白(LDL)和转铁蛋白等。
以Na⁺–K⁺泵(Na⁺-K+ pump)为例说明离子泵的作用机制。
作用过程
是通过ATP水解供能驱动泵构型改变来完成的。
每水解一分子ATP所释放的能量可泵出3个Na+,泵入2个K+。
应用乌本苷能抑制Na⁺-K⁺泵。
载体蛋白介导的易化扩散具有以下主要特征:
①高度特异性;②饱和现象;③可抑制性。
离子通道蛋白介导的离子转运的主要特征:
①转运速度很快;
②高度的选择性;
③都是被动运输。
门通道(gated chanels):是一类不持续开放的,受"闸门"控制的通道。
特定的刺激可引起这类通道短时间开放使溶质通过,所以形象地称之为“门通道”。
决定扩散速度的因素:
①浓度梯度;
②通过物质的分子大小;
③通过物质在脂质中的相对溶解度。
人工膜对各类物质的通透率:
①脂溶性越高通透性越大,水溶性越高通透性越小;
②非极性分子比极性分子容易透过,极性不带电荷小分子,如H₂O等
可以透过人工脂双层,但速度较慢;
③小分子比大分子容易透过;分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难
透过;
④人工膜对带电荷的物质,如各类离子是高度不通透的。
能直接穿过脂双层的物质主要有:
①一些气体和脂溶性物质
如:O₂、CO₂、乙醚、氯仿、甾类激素等。
②不带电荷的极性小分子物质
如:H₂O、尿素、甘油等,但速度较慢。
名称 跨膜蛋白 膜周边蛋白
含量 70%~80% 20%~30%
分布 镶嵌于膜脂双分子层中 主要分布于膜内侧
解离方法 去垢剂 改变溶液的离子强度或PH值及加入金属鳌合剂等
功能 受体、载体、酶等作用 起机械支持、收缩、调节催化等作用
细胞膜(cell membrane)：构成细胞外层界膜的单位膜，又称质膜。
细胞内膜(intracellular membrane) ： 核膜和构成各种细胞器的膜。
生物膜(Biomembrane)：细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。
