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1、第二篇第二篇 细胞的结构与功能细胞的结构与功能第四章第四章 细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜与物质的跨膜运输 细胞膜细胞膜(cell membrane)又称质膜又称质膜(plasma membrane)，是包围在细胞质，是包围在细胞质表面的一层薄膜。表面的一层薄膜。细胞内还有丰富的膜结构，形成了细胞内还有丰富的膜结构，形成了细胞内各种膜性细胞器，称为细胞的内细胞内各种膜性细胞器，称为细胞的内膜系统膜系统。细胞膜细胞膜细胞质细胞质 通常将质膜和细胞内膜系统总称为生通常将质膜和细胞内膜系统总称为生物膜物膜(biomembrane)。电镜下电镜下生物膜呈现生物膜呈现“两暗一明两暗一明”又被称为单位膜又被
2、称为单位膜(unit membrane)(unit membrane)第一节第一节 细胞膜的化学组成与分子结构细胞膜的化学组成与分子结构 主要由脂类、蛋白质和糖类组成。膜中主要由脂类、蛋白质和糖类组成。膜中还含有少量水、无机盐和金属离子等。还含有少量水、无机盐和金属离子等。一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架 细胞膜上的脂类称为膜脂细胞膜上的脂类称为膜脂(membrane lipid)，它是细胞膜的基本组成成分，约，它是细胞膜的基本组成成分，约占膜成分的占膜成分的50。主要有三种：磷脂、胆固醇和糖脂，主要有三种：磷脂、胆固醇和糖脂
3、，其中以磷脂含量为最多。其中以磷脂含量为最多。膜脂：膜脂：生物膜上的脂类统称膜脂（生物膜上的脂类统称膜脂（50%50%）。）。脂脂 类类油脂：油脂：类脂：类脂：油（液），脂肪（固油（液），脂肪（固 ）磷磷 脂脂糖糖 脂脂甾甾 类类(类类脂脂)膜膜 脂脂磷脂磷脂 phospholipid糖脂糖脂 glycolipid胆固醇胆固醇 cholesterolCH OHCH2OHCH2OH+甘油甘油R1COOHR2 COOHR3COOH脂肪酸脂肪酸R1CCCH2OR2CCCHOR3CCCH2O油脂油脂1、磷脂构成膜脂的基本成分、磷脂构成膜脂的基本成分 可分为两类：可分为两类：甘油磷脂：甘油磷脂：磷脂酰胆
4、碱磷脂酰胆碱(卵磷脂卵磷脂)、磷脂酰乙、磷脂酰乙 醇胺醇胺(脑磷脂脑磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇 鞘磷脂鞘磷脂 RCCCH2ORCCCHORCCCH2O油脂油脂磷脂酸磷脂酸RCCCH2ORCCCHORCOCH2O磷酸甘油酯磷酸甘油酯 甘油磷脂（甘油，两条脂肪酸链，磷酸与含甘油磷脂（甘油，两条脂肪酸链，磷酸与含氮有机物结合）。氮有机物结合）。2HPOHOO-ON脂脂肪肪酸酸脂脂 肪肪 酸酸脂脂 肪肪 酸酸磷酸甘油酯磷酸甘油酯极极性性头头部部基基团团（亲亲水水）非非极极性性尾尾部部基基团团（疏疏水水）CH CHCH2OOPOOOON COCO甘油甘油磷磷 酸酸磷酸化醇磷
5、酸化醇双亲性分子双亲性分子（兼性分子）（兼性分子）CH3POCH2CH2NCH CHCH2OOCOOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸CH3CH3磷磷脂脂酰酰胆胆碱碱（卵卵磷磷脂脂）OCH CHCH2OC磷磷脂脂酰酰乙乙醇醇胺胺（脑脑磷磷脂脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸OPOCH2HCCOOHNH2OCOCH CHCH2OOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸磷磷脂脂酰酰丝丝氨氨酸酸O鞘磷脂鞘磷脂:以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上肪酸结合在鞘氨醇的氨基上。在神经元细胞膜中含量较多。在神经元细胞膜中含量较多。（一个鞘氨
6、醇骨架，一条脂肪酸链，一个（一个鞘氨醇骨架，一条脂肪酸链，一个磷酰胆碱，无甘油）磷酰胆碱，无甘油）CH3（CH2）12CHCHCHCHCH2OHOHNH2鞘氨醇（鞘氨醇（2-氨基氨基-4-十八碳烯十八碳烯-1，3-二醇）二醇）CH3（CH2）12CHCHCHCHCH2OOHNHCORP胆碱胆碱神经鞘磷脂神经鞘磷脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘鞘磷磷脂脂 鞘磷脂及其代谢产鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇物神经酰胺、鞘氨醇等，参与细胞增殖、等，参与细胞增殖、分化和凋亡等各种细分化和凋亡等各种细胞活动。胞活动。POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O
7、鞘鞘磷磷脂脂POCH2HCCOOHNH2OCOCH CHCH2OOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸磷磷脂脂酰酰丝丝氨氨酸酸OCH CHCH2OC磷磷脂脂酰酰乙乙醇醇胺胺（脑脑磷磷脂脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸OCH3POCH2CH2NCH CHCH2OOCOOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸CH3CH3磷磷脂脂酰酰胆胆碱碱（卵卵磷磷脂脂）OCell membrane-Structure极性头部极性头部平平面面甾甾环环结结构构非非极极性性尾尾部部2、胆固醇能稳定膜和调节膜的流动性、胆固醇能稳定膜和调节膜的流动性 3、糖脂主要位于质膜的非胞质面、糖脂主要位于质膜的非胞
8、质面 细菌和植物细胞细菌和植物细胞-糖脂均是甘油磷糖脂均是甘油磷脂的衍生物。脂的衍生物。动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物称为鞘糖脂：的衍生物称为鞘糖脂：鞘鞘胺胺醇醇糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘鞘磷磷脂脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘鞘磷磷脂脂糖糖(Gal)半半乳乳糖糖苷苷脂脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘鞘磷磷脂脂糖糖 脂脂 分分 子子糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal
9、)最简单的糖脂是脑苷脂，其极性头部最简单的糖脂是脑苷脂，其极性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基。较复杂仅有一个半乳糖或葡萄糖残基。较复杂的糖脂是神经节苷脂，其极性头部可含的糖脂是神经节苷脂，其极性头部可含多达多达7个糖残基。个糖残基。所有细胞中，糖脂均位于质膜非胞质所有细胞中，糖脂均位于质膜非胞质面，糖基暴露于细胞表面。面，糖基暴露于细胞表面。当这些两亲性分子被水环境包围时，这当这些两亲性分子被水环境包围时，这样可能存在两种形式：样可能存在两种形式：形成球状的分子团形成球状的分子团(micelk)，把尾部包，把尾部包藏在里面；藏在里面；形成双分子层形成双分子层，其游离端往往能自动闭，其游离端往往
10、能自动闭合，形成自我封闭的脂质体合，形成自我封闭的脂质体。水水水水水水磷脂分子团磷脂分子团磷脂双层磷脂双层磷脂脂质体磷脂脂质体 脂质体可用于膜功能脂质体可用于膜功能的研究；脂质体也可以的研究；脂质体也可以作为体内药物或作为体内药物或DNA的的运输载体。运输载体。（二）膜蛋白执行细胞膜的多种重要（二）膜蛋白执行细胞膜的多种重要功能功能 细胞膜的许多重要功能主要是由膜中细胞膜的许多重要功能主要是由膜中存在的蛋白质完成（转运蛋白存在的蛋白质完成（转运蛋白、酶、连、酶、连接蛋白接蛋白、受体蛋白）、受体蛋白）。根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，膜蛋白可分为三种基本类型：
11、膜蛋白可分为三种基本类型：内在膜蛋白内在膜蛋白(intrinsic membrane protein)或或整整 合膜蛋白合膜蛋白(integral membrane protein)外在膜蛋白外在膜蛋白(extrinsic membrane protein)脂锚定蛋白脂锚定蛋白(1ipid anchored protein)1、内在膜蛋白（整合膜蛋白）、内在膜蛋白（整合膜蛋白）又称跨膜蛋白又称跨膜蛋白(transmembrane protein)占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的70%80。也是两。也是两亲性分子。亲性分子。分为单次跨膜、多次跨膜和多亚基跨分为单次跨膜、多次跨膜和多亚基跨膜蛋白三种类
12、型。膜蛋白三种类型。1.1.单次跨膜：单次跨膜：单条单条a-a-螺旋贯穿脂质双层。螺旋贯穿脂质双层。脂脂质质双双层层非胞质面非胞质面胞质面胞质面122.2.多次跨膜：多次跨膜：数条数条a-a-螺旋几次折返穿越脂质双层。螺旋几次折返穿越脂质双层。3.多亚基跨膜蛋白多亚基跨膜蛋白：内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位具体作用方式如下：的主要部位具体作用方式如下：(1)-螺旋螺旋 外部通过范德华力与脂双层分外部通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用子脂肪酸链相互作用，这样就把蛋白质封，这样就把蛋白质封闭在膜的脂闭在膜的脂“壁壁”中。中。(2)某些某些-螺旋内侧
13、形成了特异性极性分螺旋内侧形成了特异性极性分子的跨膜通道。子的跨膜通道。2、外在蛋白、外在蛋白 又称外周蛋白又称外周蛋白(peripheral protein)占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的2030，完全位于，完全位于脂双层之外，分布在胞质侧或胞外侧。脂双层之外，分布在胞质侧或胞外侧。一般通过非共价键一般通过非共价键(如弱的静电作用如弱的静电作用)附着在脂类分子头部极性区或跨膜蛋白亲附着在脂类分子头部极性区或跨膜蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合水区的一侧，间接与膜结合。1.1.单次穿膜：单次穿膜：脂脂质质双双层层非胞质面非胞质面胞质面胞质面122.2.多次穿膜：多次穿膜：外周蛋白：外周蛋白：附在膜
14、的内外表面，非共价地结合附在膜的内外表面，非共价地结合在内在膜（镶嵌）蛋白上。在内在膜（镶嵌）蛋白上。跨膜跨膜蛋白蛋白 例如，红细胞的双凹外形即为外周蛋白例如，红细胞的双凹外形即为外周蛋白（血影蛋白和锚蛋白）维持。（血影蛋白和锚蛋白）维持。外周蛋白一般用一些温和的方法，如改外周蛋白一般用一些温和的方法，如改变溶液的离子强度或变溶液的离子强度或pH，即可将它们从膜，即可将它们从膜上分离下来，而不需破坏膜的基本结构。上分离下来，而不需破坏膜的基本结构。3、脂锚定蛋白、脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白又称脂连接蛋白(1ipid-linked protein)这类膜蛋白位于膜的两侧，很像外周这类膜蛋白位于膜
15、的两侧，很像外周蛋白，但与其不同的是脂锚定蛋白以共蛋白，但与其不同的是脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合。价键与脂双层内的脂分子结合。脂锚定蛋白以两种方式通过共价键结脂锚定蛋白以两种方式通过共价键结合于脂类分子合于脂类分子:一种位于质膜胞质一侧，直接通过与一种位于质膜胞质一侧，直接通过与脂双层中的碳氢链形成共价键而被锚定在脂双层中的碳氢链形成共价键而被锚定在脂双层上。脂双层上。另一种方式是位于质膜外表面的蛋白另一种方式是位于质膜外表面的蛋白质，通过与脂双层外层中磷脂酰肌醇分子质，通过与脂双层外层中磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合而锚定到质膜相连的寡糖链共价结合而锚定到质膜 脂脂质质双双
16、层层非胞质面非胞质面胞质面胞质面12脂锚定蛋白脂锚定蛋白1：不穿越脂质双层的全部，而不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结与胞质侧单层脂质的烃链结合。合。脂锚定蛋白脂锚定蛋白2：与脂双层外层中磷脂酰肌醇分与脂双层外层中磷脂酰肌醇分 子相连的寡糖链共价结合而锚子相连的寡糖链共价结合而锚 定到质膜定到质膜(GPI)第二种又称为糖基磷脂酰肌醇锚定第二种又称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白蛋白(GPI)。这种锚定形式与跨膜蛋白这种锚定形式与跨膜蛋白相比，在理论上有许多优点。相比，在理论上有许多优点。运动性增大，有利于结合更多的蛋白运动性增大，有利于结合更多的蛋白质，有利于和其他细胞或有生理功能的质，
17、有利于和其他细胞或有生理功能的胞外分子更快地结合和反应。胞外分子更快地结合和反应。要分离内在膜蛋白必须使用能破坏疏要分离内在膜蛋白必须使用能破坏疏水作用并能瓦解脂双层的试剂，一般常使水作用并能瓦解脂双层的试剂，一般常使用去垢剂。用去垢剂。十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠(SDS)为常用的离子型为常用的离子型去垢剂，可把跨膜蛋白与磷脂分开。去垢剂，可把跨膜蛋白与磷脂分开。Triton X一一100是非离子去垢剂，也可是非离子去垢剂，也可使细胞膜崩解，也用于去除细胞内膜系统，使细胞膜崩解，也用于去除细胞内膜系统，以便对细胞骨架和其他蛋白质进行研究。以便对细胞骨架和其他蛋白质进行研究。细胞内细胞内膜糖类
18、膜糖类糖类糖类+膜脂膜脂共价键共价键糖糖 脂脂糖类糖类+膜蛋白膜蛋白糖蛋白糖蛋白共价键共价键脂脂双双层层膜膜蛋蛋白白细细胞胞衣衣 糖类约占质膜重量的糖类约占质膜重量的210。（三）膜糖类覆盖细胞膜表面（三）膜糖类覆盖细胞膜表面 二、细胞膜的特性二、细胞膜的特性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 膜的不对称性膜的不对称性-是指细胞膜中各种成是指细胞膜中各种成分种类和数量的分布是不均匀的，这与细分种类和数量的分布是不均匀的，这与细胞膜的功能有密切关系。胞膜的功能有密切关系。第一：脂质双分子层中，各层所含的磷脂第一：脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。
19、种类有明显不同。细胞膜细胞膜非胞质侧：非胞质侧：磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱.鞘磷脂。鞘磷脂。胞质侧：胞质侧：磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸氨酸1、膜脂的不对称性、膜脂的不对称性第二：糖脂全部分布在非胞质侧的单层第二：糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂质分子中。脂质分子中。带负电荷的磷脂酰丝氨酸主要在胞带负电荷的磷脂酰丝氨酸主要在胞质侧，细胞膜内侧负电荷大于外侧。质侧，细胞膜内侧负电荷大于外侧。膜脂不对称性还表现在不同膜性细胞器中膜脂不对称性还表现在不同膜性细胞器中脂类成分组成不同：脂类成分组成不同：第一第一.膜蛋白分布是绝对不对称的各种膜蛋白分布是绝对不对称的各种膜蛋白在质膜中都有一定
20、的位置。膜蛋白在质膜中都有一定的位置。第二第二.糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。非胞质侧。第三第三.膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。对称。2、膜蛋白的不对称性、膜蛋白的不对称性 膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功能的不对称性能的不对称性冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术:3、膜糖的不对称性、膜糖的不对称性 细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面于质膜外表面(非胞质面非胞质面)；而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔的内侧面的
21、内侧面(非胞质面非胞质面)。膜组分分布不对称性具有重要的生物膜组分分布不对称性具有重要的生物学意义：学意义：膜结构上的不对称性保证了膜功能的膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能，保方向性，使膜两侧具有不同的功能，保证了生命活动的高度有序性。证了生命活动的高度有序性。（二）膜流动性是膜功能活动的保证（二）膜流动性是膜功能活动的保证 流动性主要是指膜脂的流动性和膜流动性主要是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。蛋白的运动性。1、膜脂双分子层是二维流体、膜脂双分子层是二维流体 即具有液晶态结构。它的组分既有固体即具有液晶态结构。它的组分既有固体所具有的分子排列的有序性，又具有液
22、体所具有的分子排列的有序性，又具有液体的流动性。的流动性。相变温度相变温度：当温度下降到某一点时，它可：当温度下降到某一点时，它可以从流动的液晶态转变为晶态；温度上升以从流动的液晶态转变为晶态；温度上升时又可以熔融为液晶态。时又可以熔融为液晶态。（1 1）侧向扩散运动）侧向扩散运动:相邻分子互换相邻分子互换位置速率达位置速率达10107 7次次/秒秒,一个脂质分子移一个脂质分子移动距离达动距离达10104 4nm/20nm/20秒。秒。（2）翻转翻转（3）旋转旋转（4）伸缩和伸缩和振荡运动振荡运动 2、膜脂分子能进行多种运动、膜脂分子能进行多种运动 (5)烃链的旋转异构运动烃链的旋转异构运动：
23、细胞膜脂类的脂肪酸烃链可以绕细胞膜脂类的脂肪酸烃链可以绕CC自由旋转而产生旋转异构体。自由旋转而产生旋转异构体。在低温条件下，烃链呈全反式构象在低温条件下，烃链呈全反式构象（伸展）（伸展），相对流动性较低；随着温度，相对流动性较低；随着温度升高，歪扭构象逐渐增多，烃链流动性增升高，歪扭构象逐渐增多，烃链流动性增高。高。(1)(1)脂肪酸链的饱和程度脂肪酸链的饱和程度 (2)脂肪酸链的长度脂肪酸链的长度3、多种因素影响膜脂的流动性、多种因素影响膜脂的流动性(3)(3)胆固醇的胆固醇的的双重调节作用：的双重调节作用：当温度在相变温度以上时，由于胆固当温度在相变温度以上时，由于胆固醇分子的固醇环与磷
24、脂分子的烃链部分醇分子的固醇环与磷脂分子的烃链部分相结合限制了膜的流动性，起到稳定质相结合限制了膜的流动性，起到稳定质膜的作用。膜的作用。当温度在相变温度以下时。由于胆固当温度在相变温度以下时。由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成。态形成。4.4.卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂的比例鞘磷脂的比例 卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂则相反，变温度较低；鞘磷脂则相反，5.膜蛋白的影响膜蛋白的影响 嵌入的蛋白越多，界面脂就越多，膜嵌入的蛋白越多，界面
25、脂就越多，膜脂的流动性越小。脂的流动性越小。（2）旋转运动）旋转运动 1970 1970年，年，EdidinEdidin等人运用细胞融合技术等人运用细胞融合技术和荧光免疫技术，证实了膜蛋白的流动性。和荧光免疫技术，证实了膜蛋白的流动性。4、膜蛋白的运动性、膜蛋白的运动性（1）侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由）侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散。漂浮和在膜表面扩散。小鼠小鼠细胞细胞标记人膜蛋白抗标记人膜蛋白抗体体+人膜蛋白（抗人膜蛋白（抗原）原）异核细胞异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素荧光素B抗人膜蛋白抗体抗人膜蛋白抗体+荧光素荧光素A标记小鼠膜蛋白抗标记小鼠膜蛋
26、白抗体体+小鼠膜蛋白（抗小鼠膜蛋白（抗原）原）人细胞人细胞孵育（孵育（370C,40分钟）分钟）诱导融合诱导融合膜蛋白膜蛋白(抗原）抗原）膜的流动性具有十分重要的生理意义：膜的流动性具有十分重要的生理意义：如物质运输、细胞识别、信息转导等功如物质运输、细胞识别、信息转导等功能都与膜的流动性有密切关系。能都与膜的流动性有密切关系。三、细胞膜的分子结构模型三、细胞膜的分子结构模型 1890年，苏黎世大学的年，苏黎世大学的Ernest 0verton,推测细胞的表面有类脂层；推测细胞的表面有类脂层；1925年年EGorter和和FGrendel研究研究血影，第一次提出了脂双分子层是细胞膜血影，第一次
27、提出了脂双分子层是细胞膜基本结构的概念。基本结构的概念。（一）片层结构模型（一）片层结构模型 1935年，年，James Danielli和和Hugh Davson提出提出“片层结构模型片层结构模型”：细胞膜是由两层磷脂分子构成，内外细胞膜是由两层磷脂分子构成，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质成蛋白质-磷脂一蛋白质三层夹板式结构磷脂一蛋白质三层夹板式结构。脂双层脂双层蛋白质蛋白质 认为质膜上有穿过脂双层的孔，小孔由蛋认为质膜上有穿过脂双层的孔，小孔由蛋白质分子围成，其内表面具有亲水基团，允白质分子围成，其内表面具有亲水基团，允许水分子通过。许
28、水分子通过。蛋白质：单层肽链蛋白质：单层肽链 折叠结构折叠结构（二）单位膜模型（二）单位膜模型“两暗一明两暗一明”细胞膜细胞膜细胞质细胞质脂双层脂双层 20世纪世纪60年代以后，一些新技术的发明年代以后，一些新技术的发明和应用，如应用冰冻蚀刻技术显示膜中有和应用，如应用冰冻蚀刻技术显示膜中有蛋白质颗粒存在；蛋白质颗粒存在；应用红外光谱、旋光色散等技术证明膜应用红外光谱、旋光色散等技术证明膜蛋白主要不是蛋白主要不是片层结构，而是片层结构，而是螺旋的螺旋的球形结构。球形结构。S.Jonathan Singer 和和Garth Nicolson在在1972年提出年提出流动镶嵌模型。流动镶嵌模型。（三
29、）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型1.膜中脂双层构成膜的连贯主体，它膜中脂双层构成膜的连贯主体，它既具有晶体分子排列的有序性，又具既具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性有液体的流动性。脂质双分子层脂质双分子层极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部偏振光条件下的液晶偏振光条件下的液晶 2.膜中蛋白质分子以不同形式与脂双膜中蛋白质分子以不同形式与脂双层分子结合层分子结合。外周蛋白外周蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白 流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性，流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地解释了生物膜的功能特点，它是目前被较好地解释了生物膜的功能特点，它是目前被普遍接受的膜结构模型普遍接受的膜结构
30、模型 3.3.糖类分布在膜的外表面（糖蛋白、糖糖类分布在膜的外表面（糖蛋白、糖脂）。脂）。不足：质膜在变化过程中怎样保持膜不足：质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性，忽视了膜的各部的相对完整性和稳定性，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等。分流动性的不均匀性等。1975年提出了一种年提出了一种“晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型”。1977年，和又提出了年，和又提出了“板块镶嵌模型板块镶嵌模型”。（四）脂筏模型（四）脂筏模型 近来发现膜质双层内含有由特殊脂质近来发现膜质双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区：和蛋白质组成的微区：富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种
31、类的膜蛋白。较少流动，被称为定种类的膜蛋白。较少流动，被称为“脂脂筏筏”。脂筏周围则是富含不饱和磷脂的流动脂筏周围则是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。性较高的液态区。外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇及及GPI一锚定蛋白。一锚定蛋白。脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向扩散。平面可进行侧向扩散。两个特点：两个特点：1.许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；用；2.脂筏提供一个有利于蛋白质变构的环境，脂筏提供一个有利于蛋白质变构的环境，形成有效的构象。形成有效的构象。脂筏的功能：脂筏的功能：是参
32、与信号转导、受体介导的内吞作是参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。用以及胆固醇代谢运输等。当前的研究来看，脂筏功能的紊乱已当前的研究来看，脂筏功能的紊乱已涉及涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、肿瘤、动脉粥样硬化、Alzheimer病、疯牛病及肌营养不良等疾病、疯牛病及肌营养不良等疾病病。第二节第二节 小分子跨膜运输小分子跨膜运输小分子运输：小分子运输：简单扩散、离子通道扩散、易化扩简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和主动运输。散和主动运输。大分子和颗粒物质的运输大分子和颗粒物质的运输:通过胞吞和胞吐作用进行。通过胞吞和胞吐作用进行。一、膜的选择性通透和简单扩散一、膜的选择性通透和
33、简单扩散（一）膜的选择性通透（一）膜的选择性通透 分子量越小、脂溶性越强，通过脂双分子量越小、脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。层膜的速率越快。不需要消耗能量和不依靠专一膜不需要消耗能量和不依靠专一膜蛋白分子而使物质顺浓度梯度从膜的蛋白分子而使物质顺浓度梯度从膜的一侧转运到另一侧的运输方式。一侧转运到另一侧的运输方式。必须满足两个条件：一是溶质在膜必须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差二是溶质必两侧保持一定的浓度差二是溶质必须能透过膜。须能透过膜。高浓度低浓度 脂溶性物质脂溶性物质(非极性物质非极性物质):):苯苯.乙醇乙醇.氧氧.氮氮.SD.SD.不带电荷小分子物质不带电荷小分
34、子物质:水水.尿素尿素.二二氧化碳氧化碳适合自由扩散的物质适合自由扩散的物质:不适合自由扩散的物质不适合自由扩散的物质:带电荷物质；带电荷物质；较大的分子如甘油通过较大的分子如甘油通过较慢，葡萄糖则几乎不能通过。较慢，葡萄糖则几乎不能通过。人类肺部内表面。图中的洞穴是肺人类肺部内表面。图中的洞穴是肺气泡，这里是血液交换气体的地方。气泡，这里是血液交换气体的地方。疏水分子疏水分子小，不带电小，不带电的极性分子的极性分子大，不带电大，不带电的极性分子的极性分子离子离子O2，CO2N2，苯，苯H2O 尿素，尿素，甘油甘油葡萄糖葡萄糖蔗糖蔗糖H+，HCO3-Na+，K+,Cl-,Mg2+人工脂双层的相
35、对通透性人工脂双层的相对通透性二、膜转运蛋白介导的跨膜运输二、膜转运蛋白介导的跨膜运输 细胞膜中有特定的膜蛋白称为膜转运细胞膜中有特定的膜蛋白称为膜转运蛋白蛋白(membrane transport protein)。运输各种离子、葡萄糖、氨基酸、核运输各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及许多细胞代谢产物。苷酸及许多细胞代谢产物。所有膜转运蛋白都是跨膜蛋白，它们所有膜转运蛋白都是跨膜蛋白，它们的肽链穿越脂双层，能使被转运的物质的肽链穿越脂双层，能使被转运的物质通过细胞膜。通过细胞膜。通常每种膜转运蛋白只转运一种特定通常每种膜转运蛋白只转运一种特定类型的溶质。类型的溶质。通道蛋白：通道蛋白形成一种
36、水溶性通通道蛋白：通道蛋白形成一种水溶性通道，当通道开放时特定的溶质道，当通道开放时特定的溶质(一般是一般是无机离子无机离子)可经过通道穿越细胞膜。可经过通道穿越细胞膜。载体蛋白：载体蛋白与特定的溶质结载体蛋白：载体蛋白与特定的溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜。合，改变构象使溶质穿越细胞膜。被动运输被动运输(passive transport)膜转运蛋白主要有两类：膜转运蛋白主要有两类：细胞也需要逆电化学梯度转运一些细胞也需要逆电化学梯度转运一些溶质，这时不但需要转运蛋白的参与，溶质，这时不但需要转运蛋白的参与，还需要消耗能量还需要消耗能量(多数是指多数是指ATP)，我们把细胞膜的这种利用代
37、谢产生的我们把细胞膜的这种利用代谢产生的能量来驱动物质的逆浓度梯度的转运称能量来驱动物质的逆浓度梯度的转运称为主动运输为主动运输(active transport)。（一）离子通道高效转运各种离子（一）离子通道高效转运各种离子 各种离子的穿膜速率很高，可在数毫各种离子的穿膜速率很高，可在数毫秒内完成，这种高效率的转运是借助膜上秒内完成，这种高效率的转运是借助膜上的通道蛋白完成的。的通道蛋白完成的。目前已发现的通道蛋白有目前已发现的通道蛋白有100余种，余种，通道蛋白的中心有一个对离子高度亲和的通道蛋白的中心有一个对离子高度亲和的亲水性通道，又称离子通道亲水性通道，又称离子通道(ion chan
38、nel)。特点特点：通道蛋白介导的是被动运输，通道蛋白在转通道蛋白介导的是被动运输，通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合。运过程中不与溶质分子结合。离子通道有高度的选择性。离子通道有高度的选择性。转运速率高，比载体蛋白所介导的最快转运转运速率高，比载体蛋白所介导的最快转运速率高约速率高约1 000倍。倍。多数离子通道不是持续开放，离子通道开放多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受受“闸门闸门”控制。控制。高浓度高浓度低浓度通道蛋白通道蛋白通道蛋白通道蛋白(非门控性非门控性)通常根据通道门控机制的模式不同和通常根据通道门控机制的模式不同和所通透离子的种类将门控通道大致分为三所通透离子的种类将门
39、控通道大致分为三大类：大类：(1)配体门控通道：配体门控通道：实际上是离子通道型受体，它们与细实际上是离子通道型受体，它们与细胞外的特定配体胞外的特定配体(1igand)结合后，发生构结合后，发生构象改变，结果将象改变，结果将“门门”打开。打开。物质顺浓度梯度经过通道蛋白扩物质顺浓度梯度经过通道蛋白扩散到细胞膜的另一侧。散到细胞膜的另一侧。通道蛋白通道蛋白配体配体高浓度低浓度 乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体(nAChR)是典型的配体门控通是典型的配体门控通道道(图图4一一18)。是五聚体跨膜蛋白。是五聚体跨膜蛋白(2 )M2亚基上的亮氨酸残基伸亚基上的亮氨酸残基伸向孔内形成一个纽扣结构。向孔内形成一
40、个纽扣结构。(2)电压门控通道：电压门控通道：膜两侧跨膜电位的改变是控制电压门膜两侧跨膜电位的改变是控制电压门控通道开放与关闭的直接因素。控通道开放与关闭的直接因素。电压门控通道主要存在于神经元、肌电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。通道、钙通道、钠通道和氯通道。(3)应力激活通道：应力激活通道：是通道蛋白感应力而改变构象，开启是通道蛋白感应力而改变构象，开启通道使通道使“门门”打开离子通过亲水通道进人打开离子通过亲水通道进人细胞，产生电信号。细胞，产生电信号。如内耳毛细胞顶部的听毛细胞。如内耳毛
41、细胞顶部的听毛细胞。（二）载体蛋白介导的易化扩散（二）载体蛋白介导的易化扩散 一些非脂溶性一些非脂溶性(或亲水性或亲水性)的物质，如的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，需在载体蛋白的介导下等，需在载体蛋白的介导下 运输。运输。在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为度进行转运，这种方式称为易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)或或帮助扩散。帮助扩散。与简单扩散相同，二者都被称为被动与简单扩散相同，二者都被称
42、为被动运输。运输。可运输一些亲水性物质和无机离子等。可运输一些亲水性物质和无机离子等。载体蛋白载体蛋白高浓度低浓度高浓度低浓度 一种载体蛋白可特异性的连接和传送一种特定的分子一种载体蛋白可特异性的连接和传送一种特定的分子跨膜，这种运输方式比单纯扩散速率大大增加。跨膜，这种运输方式比单纯扩散速率大大增加。易化扩散的速率在一定限度内同溶质易化扩散的速率在一定限度内同溶质的浓度差成正比，当扩散率达一定水平，的浓度差成正比，当扩散率达一定水平，就不再受溶质浓度的影响。就不再受溶质浓度的影响。与之相比，简单扩散的速率总是与溶与之相比，简单扩散的速率总是与溶质浓度差呈正比质浓度差呈正比。Km 转运分子浓度
43、转运分子浓度载体介导的易化扩散载体介导的易化扩散简单扩散简单扩散转转运运速速率率Vmax1/2Vmax 当所有的结合部位均被溶质分子占据。这时的转当所有的结合部位均被溶质分子占据。这时的转运速率达到最大值运速率达到最大值(Vmax)。（三）载体蛋白介导的主动运输（三）载体蛋白介导的主动运输 主动运输是载体蛋白介导的物质逆浓主动运输是载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度，由低浓度一侧向度梯度或电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的跨膜转运方式。高浓度一侧进行的跨膜转运方式。主动运输需要能选择性结合特定溶质主动运输需要能选择性结合特定溶质分子的载体蛋白，还要消耗代谢能。分子的载体蛋白，还要
44、消耗代谢能。动物细胞根据主动运输过程中利用动物细胞根据主动运输过程中利用能量的方式不同，主动运输可分为：能量的方式不同，主动运输可分为：ATP直接提供能量直接提供能量(ATP驱动泵驱动泵)，ATP间接提供能量两种主要类型。间接提供能量两种主要类型。1 1、离子泵直接水解、离子泵直接水解ATPATP进行主动运输进行主动运输 1957年后，年后，J.C.Skou发现发现 Na+-K+-ATP酶酶，实际上就是膜上的一种，实际上就是膜上的一种ATP酶酶(ATPase)。它可以利用水解它可以利用水解ATP提供的能量，实提供的能量，实现离子或小分子逆浓度或电化学梯度的现离子或小分子逆浓度或电化学梯度的跨膜
45、运动。跨膜运动。（1）Na+-K+泵泵：为为Na+-K+ATP 酶，具有酶，具有载体和酶的双重作用。载体和酶的双重作用。小亚基小亚基:为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白,其作其作用机制不详。用机制不详。大亚基大亚基：为贯穿膜全层的脂蛋白：为贯穿膜全层的脂蛋白,是该酶是该酶的催化部位。的催化部位。膜外表面有膜外表面有2个高亲和个高亲和K+结合位点，也是乌结合位点，也是乌本苷高亲和结合位点。本苷高亲和结合位点。-亚基的胞质面有亚基的胞质面有3个高亲和个高亲和Na+结合位点，结合位点，可以结合可以结合3个个Na+。细胞质细胞质Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+
46、K+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基ATPADP+Pi钾浓度梯度30倍钠浓度梯度13倍小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基Pi钠结合部位钠结合部位钾结合部位钾结合部位Na+Na+Na+Na+K+Mg+PiPiK+K+K+大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基细胞质细胞质Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+小小亚亚基基
47、大大亚亚基基大大亚亚基基ATPADP+Pi钾浓度梯度30倍钠浓度梯度13倍小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基Pi钠结合部位钠结合部位钾结合部位钾结合部位Na+Na+Na+Na+K+Mg+PiPiK+K+K+大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基小小亚亚基基大大亚亚基基大大亚亚基基 水解一个水解一个ATP分子，可输出分子，可输出3个个Na+，转入转入2个个K+。每秒钟可发生约。每秒钟可发生约1 000次构次构象变化。象变化。当当N+-K+泵抑制剂乌本苷在膜外侧占泵抑制剂乌本苷在膜外侧占据据K+的结合位点后，的结合位点后，Na+-K+-ATP酶活酶活
48、性可被抑制；当抑制生物氧化作用的氰性可被抑制；当抑制生物氧化作用的氰化物使化物使ATP供应中断时，供应中断时，Na+-K+泵失去泵失去能量来源而停止。能量来源而停止。（2）Ca2+泵泵：真核细胞细胞质中含有极低浓度的真核细胞细胞质中含有极低浓度的Ca2+（10-7molL），而细胞外），而细胞外Ca2+浓浓度却高得多（约度却高得多（约10-3molL）。）。Ca2+泵也是泵也是ATP酶，每水解一个酶，每水解一个ATP分子，能逆浓度梯度转运分子，能逆浓度梯度转运2个个Ca2+进入肌进入肌浆网或泵出细胞。浆网或泵出细胞。2、离子浓度驱动的协同运输、离子浓度驱动的协同运输 细胞所建立的各种浓度梯度，
49、如细胞所建立的各种浓度梯度，如Na+、K+和和H+浓度梯度，是储存自由能的一种方浓度梯度，是储存自由能的一种方式。式。协同运输协同运输(cotransport)：是一类由是一类由Na+-K+泵泵(或或H+泵泵)与载体蛋与载体蛋白协同作用，间接消耗白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动所完成的主动运输方式。运输方式。根据溶质运输方向与根据溶质运输方向与Na+顺电化学梯顺电化学梯度转移方向的关系，又可分为同向运输度转移方向的关系，又可分为同向运输(symport)与对向运输与对向运输(antiport)。物质跨膜运动所需要的直接动力来自物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度，而维持
50、这种离膜两侧离子的电化学梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过子电化学梯度则是通过Na+-K+泵泵(或或H+泵泵)消耗消耗ATP所实现的。所实现的。参与葡萄糖同向运输的载体蛋白称为参与葡萄糖同向运输的载体蛋白称为Na+葡萄糖协同转运蛋白葡萄糖协同转运蛋白：它在质膜外表面结合它在质膜外表面结合2个个Na+和和1分子葡分子葡萄糖，当萄糖，当Na+顺浓度梯度进入细胞时，葡顺浓度梯度进入细胞时，葡萄糖就利用萄糖就利用Na+电化学浓度差的势能，与电化学浓度差的势能，与Na+相伴随逆浓度梯度进入细胞相伴随逆浓度梯度进入细胞。进入细胞的进入细胞的Na+被被Na+-K+-ATP酶泵酶泵出细胞外，以保持出细胞外