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1、精品_精品资料_第四章细胞膜与物质的穿膜运输细胞膜（ cell membrane）是包围在细胞质表面的一层薄膜,又称质膜（plasma membrane）,维护细胞特有的内环境.除质膜外,细胞内仍有各种膜性细胞器,如内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种膜泡等称为细胞内的膜系统. 质膜和细胞内膜系统总称为生物膜（ biomembrane）.电子显微镜下, 生物膜呈 “两暗夹一明”的形状结构,又称为单位膜（unit membrane）.第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜的化学组成一 膜脂构成细胞膜的结构骨架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,形
2、成膜的基本骨架.主要有三种类型：磷脂phospholipid .胆固醇 cholesterol .糖脂 glycolipid1. 磷脂磷脂分子： 分子中含有磷酸基团, 占膜脂的 50%以上. 分子末端亲水基团和磷酸基团共同形成了亲水的头部,脂肪酸链是疏水的无极性称疏水尾.为双亲性分子或兼性分子.（ 1）甘油磷脂的化学结构磷酸基团可分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合,形成亲水的头部.两条长短不一的脂肪酸链构成疏水的尾部,通常为14 24 个碳原子组成,一条烃链不含双键（饱和链）,另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键（不饱和链）,形成一个约30角的弯曲.2.鞘磷脂的化学结构非极性尾部基团（疏水）
3、 .极性头部基团（亲水）鞘磷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,分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合.鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、 鞘氨醇及 1-磷酸鞘氨醇参加各种细胞活动,如细胞分化、凋亡和增殖等.2. 胆固醇结构：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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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心.功能：调剂膜的流淌性,增强膜的稳固性.3. 糖脂定位：均位于质膜非胞质面单层,糖基暴露于细胞表面.组成：由脂类和寡糖构成.
4、细菌和植物细胞的糖脂几乎都是甘油磷脂的衍生物.动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物.结构：双亲性分子,极性头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.功能：作为某些分子的受体,与细胞识别及信号转导相关. 半乳糖脑苷脂是一种最简洁的糖脂,头部极性基团仅有一个半乳糖,是髓鞘中的主要糖脂.2.神经节苷脂极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外,仍含有一个或几个唾液酸残基,神经细胞膜中含量丰富.膜脂可能的存在形式：1). 形成球状分子团（micelle）,把尾部包藏在里面.2). 形成双分子层（ bilayer）,把疏水的尾部夹在头部的中间,其游离端往往能自动闭合,形成自我封闭的脂质体（
5、 liposome）.脂双层的特点：A. 构成分隔两个水溶液环境的屏障,保证细胞内环境的稳固.B. 自然状态下是粘滞的二维流体,影响特别膜蛋白的活性,与膜的很多重要功能有关.C. 受到损耗时能自动封闭.脂质体的应用：A. 用于膜功能的讨论.B. 作为 DNA 或体内药物的运载体,用于基因转移或治疗某些遗传性代谢病.二 膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合1. 生物膜的特定功能主要由蛋白质完成载体蛋白胞内外的物质运输连接蛋白细胞间的相互作用受体蛋白信号转导各种酶类相关的代谢反应2. 膜蛋白含量膜蛋白约占膜含量的40%50%.在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异,有的含量不到25%,有的达到 75
6、%.膜的功能越复杂 , 其中的蛋白质含量越多.3. 膜蛋白的基本类型依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：膜内在蛋白（intrinsicprotein） 膜外在蛋白（ extrinsicprotein ）脂锚定蛋白（ lipid anchored protein ） 膜内在蛋白（整合膜蛋白） 占膜蛋白总量的 70 80%.主体部分多以螺旋构象穿过脂双层,又称穿膜蛋白（transmembrane protein）,可单次跨膜、多次跨膜或多亚基跨膜.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_穿膜蛋白与膜结合紧密,需用去垢剂处理才能分别.膜外在蛋白占膜蛋白总量的 20 3
7、0%.位于脂双层的内、外表面,通过非共价键间接与膜结合,又称外周蛋白（peripheral protein）.外周蛋白与膜结合较弱,较易从膜上分别.脂锚定蛋白位于膜的两侧,通过共价键与脂双层内的脂分子结合,又称脂连接蛋白（lipid-linked protein ）.脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合：A、 B、C. 穿膜蛋白,以一次或多次穿膜的螺旋和 筒形式.D. 位于胞质侧,通过暴露于蛋白质表面的螺旋的疏水面与胞质面脂单层相互作用而与膜结合.E. 位于胞质侧的脂锚定蛋白,以共价键直接与胞质面脂单层中的脂肪酸链结合.F. 位于质膜外表面的脂锚定蛋白GPI .G 、H. 膜外在蛋白,与内在
8、蛋白亲水区以非共价键相互作用间接与膜结合三 膜糖类掩盖细胞膜表面含量：细胞膜中含有的糖类称为膜糖类,约占细胞膜重量的2 10.形成方式：功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定,参加细胞识别及与四周环境的相互作用.1. 细胞外被（ cell coat）大多数真核细胞膜外表面富含糖类的周缘区,也称糖萼.2. 细胞外被中的糖类与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链.被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链.二、细胞膜的生物学特性一 膜的不对称性膜中各种成分在脂双分子层中的分布不均一,分布的不对称性导致膜功能的不对称性和方向性,与细胞膜的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_功能有亲密关
9、系.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.糖脂的分布为肯定不对称,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.2. 膜蛋白的不对称性膜蛋白分布是肯定不对称,各种膜蛋白在质膜中都有肯定的位置.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肯定的方向性,两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列次序不同.3. 膜糖的不对称性糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面.内膜系统中,寡糖侧链分布于膜腔的内侧面.二 膜的流淌性是指膜脂的流淌性和膜蛋白的运动性.膜是动态的结构, 细胞膜的各种重要功能活动都与其流淌性亲密相关.1. 脂双层为液晶态二维
10、流体生理条件下,膜脂分子既有固体分子排列的有序性,又具有液体的流淌性,是居于晶态和液态之间的液晶态.温度的转变使膜可以在液晶态和晶态之间转换,这种膜脂状态的转变称为相变.发生相变的临界温度称为膜的相变温度.液晶态的膜处于流淌状态,与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动.2. 膜脂分子的运动方式 侧向扩散 翻转运动 旋转运动 弯曲运动 伸缩和振荡运动3. 影响膜脂流淌性的因素脂双层中不饱和脂肪酸越多,膜脂流淌性越大.脂肪酸链越短,膜脂流淌性越大.胆固醇分子：相变温度以上,限制膜的流淌性,稳固质膜.相变温度以下,防止脂肪酸链相互凝结,干扰晶态形成.卵磷酸 / 鞘磷脂：比值越大,膜脂流淌性越大.
11、脂双层中嵌入的蛋白质越多,膜脂流淌性越小.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淌性产生肯定的影响.4. 膜蛋白的运动性侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散. 旋转运动：膜蛋白能环绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动.三、细胞膜的分子结构模型一 片层结构模型（ lamella structure model） 1935 年,由 J. Danielli & H. Davson 提出.细胞膜是蛋白质磷脂蛋白质的三层夹板样结构.二 单位膜模型 unit membrane model1959 年,由 J. D. Robertson 提出.说明白各种生物膜在形状
12、结构上的共同特点,把膜的分子结构同膜的电镜图像联系起来.细胞膜在电镜下出现可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_“两暗夹明”的单位膜结构.三 流淌镶嵌模型（ fluid mosaic model）1972 年由 Singer和 Nilson 提出,较好的说明白生物膜的功能特点,为普遍接受的膜结构模型.脂双层构成膜的连贯主体,它具有晶体分子排列的有序性,又具有液体的流淌性.膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子 层结合.强调了膜的流淌性和膜蛋白的不对称性.（四）脂筏结构模型定义：脂质双分子层不是一个完全匀称的二维流体,内部存在富含胆固醇和鞘脂以及特定种类膜蛋白组成的微区称为脂筏.特点：脂筏
13、区域比膜的其他部分厚,更有秩序且较少流淌.其四周是流淌性较高的液态区.脂筏供应一个有利于蛋白质形成有效构象的变构环境.功能：参加信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等,脂筏功能的紊乱涉及多种疾病的发生.其次节 小分子物质和离子的穿膜运输一、 物质简洁扩散依靠于膜的通透挑选性1. 膜的挑选通透性易于通过膜的物质：脂溶性物质;不带电荷小分子物质不易通过膜的物质：带电荷物质;大分子物质2. 简洁扩散（ simple diffusion ）特点溶质分子通过质膜进行自由扩散,不需要膜转运蛋白帮助,也称被动扩散passive diffusion .转运是由高浓度向低浓度方向进行,所需要的能量来自
14、高浓度本身所包含的势能,不需要细胞供应能量. 条件溶质在膜两侧保持肯定的浓度差. 溶质必需能透过膜.二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输膜运输蛋白定义膜运输蛋白（ membrane transport protein ）是指细胞膜上负责转运不能通过简洁扩散穿膜的物质的蛋白质.如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白.膜运输蛋白类型载体蛋白 （ carrier protein）与特定溶质分子结合, 通过构象转变进行物质转运,既介导被动运输又介导主动运输.通道蛋白（ channel protein）在膜上形成亲水孔道,贯穿脂双层,介导特定离子转运,仅介导被动运输.可编
15、辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_被动运输和主动运输被动运输（ passive transport ）：通过简洁扩散或易化扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运.转运的动力来自物质的浓度梯度,不需要消耗细胞的代谢能.主动运输（ active transport）：载体蛋白介导、利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运.一 易化扩散 facilitated diffusion1. 定义在特异性的载体蛋白介导下,一些非脂溶性（或亲水性）的物质顺电化学梯度的跨膜转运.不消耗细胞的代谢能,属于被动运输2. 特点1). 具有挑选性、特异性2). 转运速率远高于简洁扩散3). 具有饱和
16、性,存在最大转运速度二 主动运输载体蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式.与某种释放能量的过程相偶联,能量来源包括ATP 水解、光吸取、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等.可分两种类型：ATP 直接供应能量（ ATP 驱动泵）. ATP 间接供应能量.1. ATP 驱动泵特点：1） .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分子或离子从低浓度向高浓度转运,所以常称之为“泵”.2.具有专一性 ,如钠钾泵、氢泵、钙泵等.类型 :P-型离子泵 :驱动阳离子跨膜转运,如钠钾泵.V- 型质子泵
17、 :需 ATP 供能,对 H+ 的转运.F-型质子泵 :合成 ATP ,在能量转换中起重要作用,如线粒体ATP 酶.ABC 转运体 :参加糖、氨基酸及小分子物质的运输.如图： A. P-型离子泵B. V- 型质子泵C. F-型质子泵D. ABC 转运体（ 1） Na+-K+ 泵（ Na+-K+-ATP酶） 结构组成由 2 个 亚基（大亚基）和 2 个 亚基（小亚基）组成. 亚基是一个多次穿膜的膜整合蛋白,具有ATP 酶活性, 亚基具有组织特异性,功能不清晰.功能水解一个 ATP 分子,可向细胞外输出3 个 Na+ ,转入 2 个 K+.维护渗透压平稳、保持细胞容积恒定、产生和维护膜电位、为某些
18、物质的吸取供应驱动力.为蛋白质合成及代谢活动供应必要的离子浓度.（ 2） Ca2+泵可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_存在部位：主要存在于肌浆网上.原理：工作过程与Na+-K+ 泵相像,通过磷酸化和去磷酸化过程使构象转变,结合与释放Ca2+.功能：使钙离子浓度在胞质中保持低水平.参加掌握细胞的很多重要活动,如细胞分泌、神经递质释放、跨膜信息转导等.2. 协同运输 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）维护这种离子电化学浓度. 类
19、型共运输（ symport）：物质运输方向与离子转移方相同,如：小肠细胞对葡萄糖的吸取相伴Na+ 的进入.对向运输 （ antiport ）：物质运输方向与离子转移的方向相反,如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运 H+ 以调剂细胞内的 pH 值.举例： 小肠上皮细胞顶端质膜中的Na+/ 葡萄糖协同运输蛋白, 运输 2 个 Na+ 的同时转运 1 个葡萄糖分子, 使胞质内产生高葡萄糖浓度.质膜基底面和侧面的葡萄糖易化扩散运输蛋白,转运葡萄糖离开细胞,形成葡萄糖的定向转运. Na+-K+ 泵将回流到细胞质中的Na+ 转运出细胞,维护Na+ 穿膜浓度梯度.3. 主动运输的特点 逆电化
20、学梯度运输.需要能量.主动运输所需的能量来源主要有：通过水解ATP 获得能量.离子浓度梯度都由载体蛋白介导.（三）离子通道高效转运各种离子1.离子通道的特点介导被动运输：对离子有高度挑选性.转运速率高.不连续开放,受“闸门”掌握.门控通道的类型：配体门控通道（ligand-gated channe）l .电压门控通道（ voltage-gated channe）l .应力激活通道 配体门控通道（ stress-activated channe）l离子通道型受体与胞外特定配体结合后构象转变,“闸门”打开,答应某种离子快速跨膜转运.如乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道.（ 2）电压门控通道跨膜电位的
21、转变诱发通道蛋白构象变化,使通道开放,离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜.通道开放时间只有几毫秒,立即快速自发关闭.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. 应力激活通道通道蛋白受应力作用, 引起构象转变而开启 “闸门”,离子通过亲水通道进入细胞,引起膜电位变化, 产生电信号.如内耳毛细胞感受声波震惊.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_（四）水通道介导水的快速转运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：目前发觉哺乳动物水通道蛋白家族已有11 个成员（ AQP0 AQP10）.AQP1 、 2、4
22、、5、6、0：专一性通透水分子.AQP3 、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子. AQP8：功能尚不明确3 水通道蛋白的结构水通道在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体,每个亚 基即一个 AQP1 分子 的中心存在一个只答应水分子通过的中心孔,孔的直径约 0.28nm,稍大于水分子直径.4. 水通道对水分子的挑选机制（ 1）AQP1 中心孔通道的直径（ 0.28nm）的限制.（ 2）AQP1 中心孔通道内溶质结合位点的掌握.5. 水通道的特点（ 1）连续开放的膜通道蛋白.（ 2）转运速度快：一个AQP1 通道蛋白每秒钟可答应3 109 个 水分子通过.（ 3）水分子移动方向
23、完全由膜两侧的渗透压差打算.第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输一、胞吞作用（ endocytosis）一吞噬作用（ phagocytosis）二胞饮作用（ pinocytosis）三 受体介导的胞吞作用二、胞吐作用（ exocytosis） 小泡运输 vesicular transport:定义：大分子和颗粒物质被运输时并不穿过细胞膜,物质进出是由膜包围,形成囊泡,通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程.发生位点：质膜及胞内各种膜性细胞器之间的物质运输.作用：促进细胞内外物质交换、信息沟通等.一、胞吞作用定义：指质膜内陷,包围细胞外物质形成胞吞泡,脱离质膜进入细胞内的转运过程,又称入胞作用
24、或内吞作用.类型：依据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同：吞噬作用.胞饮作用.受体介导的胞吞作用.一 吞噬作用细胞分布：具有吞噬功能的细胞.中性粒细胞.单核细胞.巨噬细胞功能：在机体防备系统中发挥重要作用.二 胞饮作用定义：细胞质膜内陷,非特异性摄入溶质或液体的过程,形成的小囊泡称胞饮体或胞饮泡.细胞分布：常见于巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管内皮细胞、小肠上皮细胞等.三 受体介导的胞吞作用定义：细胞通过受体的介导摄取细胞外特异性蛋白质或其他化合物的过程.为细胞供应了高效、挑选性的摄取细胞外大分子物质的方式.特点：具有挑选性和高效性.1. 有被小窝和阿有被小泡的形成可编辑资料 - -
25、 - 欢迎下载精品_精品资料_有被小窝（ coated pit）：是质膜上受体集中的特定区域,此区域质膜向内凹陷,内表面掩盖一层由网格蛋白和连接蛋白组成的毛刺状电子致密物.有被小泡（ coated vesicle）：细胞外溶质（配体）同有被小窝处的受体结合形成配体-受体复合物,网格蛋白集合在有被小窝的胞质侧,有被小窝形成后进一步内陷,与质膜断离后形成有被小泡进入细胞.网格蛋白（ clathrin）组成及装配：网格蛋白由3 条重链和 3 条轻链组成三腿蛋白复合物,36 个三腿蛋白复合物聚合成六角形或五角形的篮网状结构,掩盖于有被小窝（或有被小泡）的细胞质侧表面.功能：网格蛋白具有牵拉质膜内陷形成
26、有被小泡的作用.连接蛋白（ adaptin）介于网格蛋白与配体 -受体复合物之间,参加包被的形成并起连接作用.具有特异性的结合不同种类受体的作用.2. 无被小泡形成并与内体融合2.受体介导的 LDL 胞吞作用LDL ： LDL颗粒的分子结构为中心含有大约1500 个酯化的胆固醇分子,其外包围着 800 个磷脂分子和500 个游离的胆固醇分子, 载脂蛋白 ApoB100 将酯化胆固醇、磷脂、游离胆固醇组装成球形颗粒.LDL 受体：由 839 个氨基酸残基构成的单次穿膜糖蛋白.二、胞吐作用细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜,与质膜融合后将物质排出细胞外的过程称为胞吐作用, 也称为外排作用或出胞作
27、用.胞吐作用分为两种类型： 连续性分泌（ constitutive secretion）.受调分泌（ regulated secretion）一 连续性分泌定义：连续性分泌途径指分泌蛋白在粗面内质网合成后,转运至高尔基复合体修饰、浓缩、分选、装入分泌可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_膜泡,立即被运输到细胞膜,与质膜融合,将分泌物排出的过程.分布：普遍存在于全部的动物细胞中二 受调分泌定义：调剂性分泌途径是指细胞分泌蛋白合成后被储存于分泌囊泡内,只有当细胞接受到细胞外信号的刺激, 才能启动胞吐过程,将分泌物释放到细胞外.分布：存在于分泌激素、酶、神经递质的特化细胞中.第四节 细胞膜
28、反常与疾病一、载体蛋白反常与疾病1. 胱氨酸尿症由于转运胱氨酸及二氨基氨基酸（赖氨酸、精氨酸及鸟氨酸）的载体蛋白缺陷,原尿中四种氨基酸重吸取发生障碍.尿中高浓度胱氨酸析出成结晶,形成尿路结石,引起肾损耗.2. 肾性糖尿由于患者肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷,引起葡萄糖重吸取障碍,显现血糖正常情形的肾性糖尿.二、离子通道缺陷与疾病囊性纤维化：是一种常见的遗传性离子通道反常疾病.相关基因：引起 CF 的相关基因囊性纤维跨膜转导调剂子（CFTR）定位于染色体 7q31.病因： CFTR 是位于细胞质膜上一个受cAMP 调剂的氯离子通道. CFTR 反常导致细胞向外转运Cl削减,分泌的黏液水化不足粘度增大,造成纤毛摇摆困难,不能向外排除分泌物而易于引发细菌感染.临床症状：慢性咳嗽、大量粘痰及反复发作的难治性肺部感染.长期慢性腹泻、吸取不良综合征、生长发育迟缓等.家族性高胆固醇血症编码 LDL 受体的基因突变引起常染色体显性遗传病.LDL 受体反常主要包括：受体缺乏和受体结构反常.由于细胞不能摄取LDL 颗粒,引起血液中胆固醇浓度上升并在血液中沉积,患者会过早的发生动脉粥样硬化和冠心病 .可编辑资料 - - - 欢迎下载