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第四章细胞膜 2 细胞膜在细胞生活中具有重要的作用 因为细胞和它环境发生的一切联系和反应 都必须通过膜 如细胞外的物质进入细胞或细胞内的物质排出细胞 以及激素 药物对细胞的作用 信号转换 细胞识别与免疫等 都是关系到膜的功能问题 膜允许一定物质穿过的性能称为膜的通透性 表示物质通透性的量度称为通透系数 单位为cm s 物质的跨膜运输 细胞膜对物质的通透性最显著的特点是它的选择性 即有选择性地允许或阻止一些物质通过细胞膜 选择性通透对物质进出细胞起着调节作用 维持了膜内外离子浓度差和膜电位 保证了膜内外渗透压平衡 这对于保持细胞内环境的相对稳定及各种生命活动的正常进行 有极其重要作用 细胞膜的物质运输活动可分为两大类型 一种是小分子和离子的穿膜运输 另一种是大分子和颗粒物质的膜泡 跨膜 运输 小分子和离子的穿膜运输又分为 被动运输 简单扩散易化扩散 通道蛋白介导或载体蛋白介导主动运输 ATP 驱动泵 Na K 泵 Ca2 泵偶联 协同 运输 同向转移和异向转移 被动运输 是指通过自由扩散或协易化扩散 实现物质顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向的跨膜转运 运动的动力来自物质的浓度梯度 不需要由细胞提供代谢能量 参与被动运输的膜运输蛋白主要有两大类 通道蛋白和载体蛋白 它们统称为转运蛋白 载体蛋白 carrierprotein 又称做载体 carrier 通透酶 permease 或转运器 transporter 能够与特定溶质结合 通过自身构象的变化 将与它结合的溶质转移到膜的另一侧 载体蛋白有的需要能量驱动 如 各类ATP驱动的离子泵 有的则不需要能量 以自由扩散的方式运输物质 通道蛋白 channelprotein 与所转运物质的结合较弱 它能形成亲水的通道 当通道打开时能允许特定的溶质通过 所有通道蛋白均以自由扩散 被动运输 的方式运输溶质 顺化学梯度的被动运输和逆电化学梯度进行的主动运输 需要代谢能的输入 不带电荷的小分子能直接通过脂双层 但是带电荷的分子只能通过通道蛋白或载体蛋白才能表现明显的运送速率 被动运输通过单纯扩散 又可通过协助扩散而自发产生 主动运输 简单扩散 通道蛋白介导 载体蛋白介导 被转运的分子 浓度梯度 载体蛋白 通道蛋白 脂双层 物质从高浓度向低浓度的穿膜运动 不需要消耗细胞本身的代谢能 也不需要专一的膜蛋白分子协助 简单扩散是一种最简单的运输方式 只要物质在膜两侧保持一定的浓度差 即可发生这种运输 也叫自由扩散 freediffusing 特点是 沿浓度梯度 或电化学梯度 扩散 不需要提供能量 没有膜蛋白的协助 某种物质对膜的通透性 P 可以根据它在油和水中的分配系数 K 及其扩散系数 D 来计算 P KD t t为膜的厚度 简单扩散 疏水分子 小的不带电荷的极性分子 大的不带电荷的极性分子 离子 人工脂双层对不同种类分子的相对通透性 合成的脂双层 脂溶性物质如苯 醇 甾类激素 以及O2 CO2 2等就是借助于浓度梯度 从高浓度一侧直接穿过脂质双层向低浓度一侧进行扩散 在进行扩散时 所需要的能量来自高浓度物质本身所包含的势能 符合物理学上单纯扩散规律 尿素甘油 各种分子通过人工脂双层的通透系数 高通透性 低通透性 不同物质透过人工脂双层的能力 水分子不溶于脂 并具有极性 理应不能自由通过质膜 但实际却很容易通过膜 原因是膜上有小孔 称为水通道蛋白 aquaporins 膜蛋白的亲水基团嵌在小孔表面 因此水可以通过质膜自由进出细胞 水分子通过水通道的移动方向由膜两侧的渗透压决定 从低的一侧向高的一侧移动 直到两侧渗透压完全平衡 水通道 借助于载体蛋白进出细胞的运输方式 有些物质尽管在膜两侧存在浓度差 但还必须借助细胞膜上的运输蛋白的帮助才能通过细胞膜 凡是借助于跨膜蛋白并顺浓度梯度进行物质运输而不消耗代谢能的方式称为协助扩散 大多数代谢所需的物质 尤其是不溶于脂类的物质 如糖 氨基酸 金属离子等都以这种方式进行运输 其运输特点是 比自由扩散转运速率高 存在最大转运速率 在一定限度内 运输速率同物质浓度成正比 如超过一定限度 浓度再增加 运输也不再增加 这是因为膜上载体蛋白的结合位点已达饱和 有特异性 即与特定溶质结合 根据运输蛋白性质不同又可分为通道蛋白协助扩散和载体蛋白协助扩散 易化 帮助 扩散 载体蛋白是膜上与特定物质运输有关的跨膜蛋白或镶嵌蛋白 当它与被运输的物质结合时 构象发生变化 把被装运物质从膜的一侧移至膜的另一侧 载体与溶质分离后 又恢复到原有的构象 载体蛋白 载体蛋白以两种构象存在 A 溶质的结合点露在脂的外侧 B 相同的结合点露在膜的另一侧 这两种构象的变化是随即的 可逆的 如果在膜外侧的溶质浓度高 则A结合溶质转为B构象 携带溶质进入细胞 反之 如果膜内的浓度高 则B结合溶质转向A 将溶质输出细胞 载体蛋白为内在蛋白 当一端与溶质特异性结合后 形成结合复合体 而引起载体蛋白的构象变化 载体和被运输物质的复合物发生180度的旋转 从而把物质运输到膜的另一侧 这种运输要求载体分子的直径要与膜的厚度大致相符 被运输的物质一旦在膜的一侧与一个小的载体分子结合上 则载体分子可横移至的膜另一侧 在将被运输物质时放出去成为穿梭式运输 载体运输的三种方式 移动 旋转 构型变化 人红细胞有葡萄糖的载体蛋白 由内外四个亚基组成复合体 当葡萄糖分子与外侧两个亚基结合时 引起它的构象变化 就将葡萄糖甩入膜的中部 而后与内侧的两个亚基结合 通过构象变化 再将葡萄糖甩入细胞内 红细胞膜上约有5万个葡萄糖载体 其最大传送速度每秒180个葡萄糖分子 协助扩散的速率仅在一定范围内同物质的浓度成正比 细胞膜上特定载体蛋白的数量是相对恒定 当所有载体蛋白的结合部位都被占据 载体处于饱和状态时 运输速率达到最大值 通道蛋白 channelprotein 是衡跨质膜的亲水性通道 允许适当大小的离子顺浓度梯度通过 故又称离子通道 有两种 1 处于开放状态的通道如钾泄漏通道 允许钾离子不断外流 2 闸门通道 gatedchannel 仅在特定刺激下才打开 而且是瞬时 几毫秒的时间 的开放和关闭 Na K Ca2 等是极性很强的水化离子 很难直接穿过细胞膜的脂双层 但离子的穿膜转运速率很高 可以在数毫秒内完成 靠膜上其它转运系统运转 则不能如此快速 因此就推测膜上存在着运送离子的特异通路 门 通道 通道蛋白 离子通道具有两个显著特征 第一个特征是具有离子选择性 离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度选择性 且转运速率高 是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上 离子的净通量取决于电化学梯度 第二个特征是离子通道是门控的 即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节 并通过通道开关应答于适当的信号 门通道对离子通过有高度选择性 其选择性由通道大小和离子半径决定 例如 1nmK 1nm Na 0 7nm Ca2 2nm 只有K 通过 门 开关的转换是由于通道蛋白的构象变化 控制 影响门的开关各有其特定的条件 这首先取决于离子直经的大小 其次取决于离子本身所携带的能量能否挤过这个通道 一旦允许通过 它最大转运速度可达到106个离子 秒 由于细胞内外特定的物质 配体 与特异的通道蛋白 受体 结合 引起门通道蛋白的一种成分发生构象变化 结果门被打开 这类通道称为配体门通道 即闸门的开 关是受化学物质调节 例如谷氨酸与相应的门通道结合使Na Ca2 离子通过 而氨基丁酸与相应的门通道结合则使Cl 离子通过膜 再如 神经递质 乙酰胆碱作用于配体门离子通道 激活了通道的离子选择性 构象变化 门打开 Na Ca2 离子通过膜 由于这种门控的配体为神经递质 因此也称为递质门通道 配体门控离子通道 门通道由5个跨膜蛋白亚单位构成 亚单位结合形成一水孔横过脂双层 孔由5个跨膜的 螺旋为衬里 由每个亚单位提供一个带负电荷的氨基酸侧链在孔的一端 这样只有带正电荷的离子 Na K 能通过 当通道处于关闭构象时 其孔由门的疏水氨基酸侧链关闭 当乙酰胆碱结合时 通道蛋白构象变化 此时 这些侧链移动分开 门开放 允许Na K 离子通过膜 离子在细胞内外的浓度差别很大 如 细胞内外K 浓度比约为20 1 细胞内外Na 浓度之比约为1 10 这么大差异K 仍能由胞外进入细胞内 而Na 则由细胞内透到胞外 上述这些明显的浓度差异的形成和维持 不能用被动运输的机制来解释 经过多年的研究认为 细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力 也就是说 在这种运输中 细胞膜不仅起被动的屏障作用 而且还有主动运输的作用 主动运输和协助扩散一样需要有载体蛋白参加 不同的是还需要消耗代谢能 细胞膜的这种利用代谢能来驱动物质的逆浓度梯度方向的运输 称为主动运输 主动运输 P型离子泵 钠钾离子泵目前 从各方面的资料证明Na K 泵实质上就是Na K ATP酶 是膜中的内在蛋白 它可以逆浓度梯度把细胞内Na 泵出细胞外 同时又把细胞外的K 泵入细胞内 建立细胞的电化学梯度 ATP酶由2个亚单位构成 大亚单位为跨膜的催化亚单位 分子量为120KD 小的亚单位为糖蛋白 分子量为55KD 功能不太明确 在催化亚单位的细胞质侧有Na 和ATP结合部位 外侧面有K 和乌本苷 Na K 泵抑制剂 的结合部位 它可反复进行磷酸化和去磷酸化 由此逆浓度梯度将Na 排除细胞外 将K 泵入细胞内 ATP驱动泵 1 2在膜内侧Na 与酶结合 激活了ATP酶活性 使ATP酶分解 高能磷酸根与酶结合 3 引起酶构象变化 于是与Na 结合的部位转向膜外侧 这种磷酸化酶对Na 的亲合力低 对K 的亲合力高 因而在膜外侧释放Na 4 而与K 结合 K 与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化 磷酸根很快解离 结果酶的构象又恢复原状 5 6于是与K 结合的部位转向内侧 这种去磷酸化的构象与Na 的亲合力高 与K 亲合力低 使K 在膜内被释放 而又与Na 结合 如此反复进行 构型变化每秒钟可进行1000次左右 应用乌本苷以及抑制生物氧化的药物都能抑制Na 泵 乌本苷的作用是由于它能与Na K ATP酶结合 影响K 与ATP酶特异结合点结合 使Na 泵失去作用 生物氧化剂如氰化物使ATP供应中断 Na 泵失去能源以致停止工作 细胞内约有1 3的ATP是用来供Na 泵活动 维持细胞内 外的离子梯度 这种状态的维持有很重要的生理意义 a 形成跨膜电势 维持胞内高K 胞外高Na 由于K 由内向外泄露建立跨膜电势 对电压门通道 神经冲动起传递作用 b 维持渗透压 细胞内生物大分子物质水解 产生电离 带负电荷 从而吸引胞外Na 进入 细胞内Na 升高后 使水分进入细胞 由此引起细胞的膨胀 然后再通过Na K 泵 泵出Na 维持渗透压 c 可以协助其它物质运输 在真核细胞的细胞质中Ca2 浓度极低 10 7mol L 而细胞外Ca2 浓度却高得多 约 10 3mol L 细胞内外的Ca2 梯度部分是由细胞膜上的Ca2 泵维持的 Ca2 泵主动将Ca2 转运到细胞外 Ca2 泵又称Ca2 ATP酶 它主要存在于细胞质膜和内质网上 它将Ca2 输出细胞或泵入内质网腔中贮藏起来 以维持细胞内低浓度的Ca2 而在肌细胞中 Ca2 泵主要存在于肌浆网膜上 对调节肌细胞的收缩与舒张十分重要 P型离子泵 钙泵 Ca2 泵是由大约1000个氨基酸残基组成的跨膜蛋白 与Na K 泵的 亚基同源 钙调节蛋白与之结合调节Ca2 的活性 Ca2 泵也与ATP的水解相耦联 每消耗一个ATP分子转运出 个Ca2 并可逆向运输一个Mg2 离子 运输的机制与Na K 泵类似 此外 当细胞对外部信号产生反应时 Ca2 可顺浓度梯度流入细胞 使细胞质中Ca2 浓度增高 这对于跨膜信息传递具有十分重要意义 Na K 泵和Ca2 泵均属P型离子泵 P 是磷酸化的意思 指在泵的周期中ATP的水解导致磷酸基团转移到运输蛋白 泵 的一个氨基酸上 它依次引起该运输蛋白的构象变化 由于这种构象变化 被运输的两种离子与蛋白亲和性的改变将离子运输到膜内 外 动物细胞对葡萄糖和氨基酸的主动运输不直接需要ATP水解的能 而是由于Na 泵排出Na 所产生的电位梯度的作用使另一物质进入细胞 这种运输过程被认为在膜上由钠泵和载体蛋白共同协作来完成的 因此称这种运输为协同运输 也称作耦 偶 联运输 协同运输 载体蛋白有两个结合位点 可分别与Na 糖 氨基酸等 结合 钠泵需要ATP提供能量 不断将Na 泵出细胞外 造成细胞外的Na 高于细胞内 由此产生了电位梯度 Na 与糖分别与载体蛋白 的不同位点结合 借电位梯度的力量使Na 与糖相伴进入膜内侧 再与载体蛋白脱离 Na 可被钠泵排出细胞外 载体蛋白又恢复原样反复工作 由于钠与糖相伴运输 这种载体蛋白被称为协同运输器 也称为偶联运输器 一般认为小肠上皮细胞吸收葡萄糖 果糖 甘露糖 半乳糖以及各种氨基酸 是通过这种途径逆着浓度梯 度向细胞内运输的 因为发现在这种过程进行时 周围介质中需有高浓度的Na 否则葡萄糖和氨基酸的运输就不能进行 协同运输有同向转移和异向转移 动物细胞协同运输的离子通常是Na 葡萄糖进入小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞是通过同向转移系统 但是 Na 也能驱动异向转移系统 如在动物细胞膜上有Na H 交换载体 进行异向转移 即伴随Na 进入细胞而将H 输出细胞 来调节细胞内的pH值 综上所述 主动运输都需要能量 同样也需要膜上的特异载体 所需能量可直接来自离子浓度或电子转移 膜上的载体都与蛋白质有关 因为只有蛋白质才有结构上的特异性和结构上的可变性 细胞运用各种不同的方式通过不同的体系在不同的条件下完成小分子物质的跨膜运输 细胞对于大分子和颗粒物质是不能渗透的 可是细胞确能整批转运这些物质 对不能通透细胞膜的大分子物质 如蛋白质 细菌 病毒及颗粒等物质进行跨膜运输的一种方式 细胞在转运大分子物质的过程中 都要由膜包围形成囊泡 因此称为膜泡运输 这种运输方式常常可同时转运一种或一种以上数量不等的大分子和颗粒物质 因此也被称为批量运输 由于细胞与外界进行物质交换的膜泡运输同细胞膜的活动密切相关 因此又可分为胞吞作用 内吞作用 和胞吐作用 外排作用 大分子物质的膜泡运输 首先将要被运进细胞内的物质吸附在细胞表面 随后 此处细胞膜内陷形成小囊泡 然后两个质膜的非胞质面单层互相黏附 把物质包在里面 最后小囊泡脱离细胞膜进入细胞内部 如果包在囊泡内的物质为固态物 此囊泡称为吞噬体 其过程为吞噬作用 若包在囊泡内的物质为液态物质 则囊泡称为胞饮体或胞饮泡 其过程为胞饮作用 有些胞饮体体积很小 直径只有70nm左右 电镜才能看到 称为微胞饮体或微胞饮泡 胞饮作用是体内许多细胞运输大分子溶液或微小颗粒的一种方式 胞吞作用 吞噬作用 胞饮作用 受体介导的吞噬作用 细胞内吞较大的固体颗粒物质 如细菌 细胞碎片等 称为吞噬作用 phagocytosis 吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式 在后生动物中亦存在吞噬现象 如 在哺乳动物中 中性粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力 以保护机体免受异物侵害 吞噬作用 一个白细胞吞噬一个细菌 被吞的细菌正在分裂中 白细胞正在伸出伪足将细菌包起来 巨噬细胞正在吞噬红细胞 箭头所示伪足的边缘 正像伸出衣领那样吞噬红细胞 细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质 这种内吞作用称为胞饮作用 pinocytosis 胞饮作用存在于白细胞 肾细胞 小肠上皮细胞 肝巨噬细胞和植物细胞 胞饮作用 大部分动物细胞通过受体介导的内吞作用 使一些特定的大分子进入细胞 发生在细胞膜的特定区域进行的 这个区域称为有被小窝 特定大分子与聚集于有被小窝的细胞表面受体蛋白互补结合 形成大分子复合物 然后有被小窝凹陷 从质膜上脱落成为有被小泡 进入细胞内 这一过程的速度很快 能使细胞大量摄入特定的大分子 又避免了吸入大量的细胞外液体 其效率比一般的胞饮作用约大1000倍 在这个过程中 所形成的囊泡是一类特殊结构的小泡 其外表面有毛刺状结构的衣被 称为衣被小泡 因此受体介导的内吞作用又可称为衣被小泡运输 受体介导的胞吞 有被小窝形成后一分钟内即内陷进入细胞中 形成有被小泡 有被小泡在几秒钟之内 即脱去包被 成为无被小泡 无被小泡与细胞内其他小泡融合 成为胞内体 脱落的笼蛋白返回质膜附近重复使用 动物细胞合成细胞膜所需的大部分胆固醇就是通过受体介导的胞吞作用摄入的 由于胆固醇是脂溶性物质 血中胆固醇多以胆固醇复合体形式存在和运输 这个复合体称为低密度脂蛋白 简称LDL 当动物细胞需要胆固醇进行细胞膜合成或合成类固醇激素时 他就产生LDL受体蛋白并插入于质膜内 这些受体蛋白能自发地与有被小窝结合 胞内体 形成LDL复合体 几分钟内便通过笼型蛋白有被小泡的内化作用进入细胞 经脱被作用并与胞内体融合 胞内体上有ATP驱动的质子泵 将H 泵入胞内体腔内 使胞内的pH降低 引起LDL与受体分离 胞内体以出芽的方式形成运载体小囊泡 返回质膜在利用 然后含有LDL的胞内体与溶酶体融合 LDL被溶解 释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用 内吞 去被 融合 受体蛋白的命运根据其类型的不同而异 可分为三种途径 大部分受体返回原来的同一质膜的结构域 有些受体最后进入溶酶体被降解 有的被转到质膜的不同结构域 在血液中 运输胆固醇不仅有LDL 还有高密度脂蛋白 HDL 它有类似的结构 含有不同的蛋白 有不同的生理作用 LDL主要携带胆固醇从肝通过血液到身体细胞 HDL携带胆固醇从身体细胞到肝脏 在肝中通过内吞作用并作为胆汁部分被排除 通过肝促进了血胆固醇的清除 在遗传上具有编码LDL受体蛋白的基因缺陷的个体中 这些个体或是受体缺失 或是有受体存在 但无功能 因而细胞不能从血液中吸收LDL颗粒 致使胆固醇在血液中积累 高水平的血胆固醇可诱发冠状动脉粥样硬化症 导致冠心病以至早年死亡 这种异常 可能涉及LDL受体对LDL结合点的丢失 或是受体对有被小泡结合点的丢失 与内吞作用的顺序相反 某些大分子物质通过形