3. 细胞质膜与跨膜运输.doc

3. 细胞质膜与跨膜运输3.1 概述3.1.1 细胞的膜结构3.1.2 细胞膜的功能3.2 红细胞膜结构3.2.1 红细胞的生物学3.2.2 红细胞膜结构的研究3.2.3 红细胞质膜3.3 质膜的化学组成3.3.1 膜脂3.3.2 膜的碳水化合物3.3.3 膜蛋白3.4 膜的分子结构及特点3.4.1 结构模型3.4.2 膜的不对称性3.4.3 膜的流动性3.5 物质的跨膜运输3.5.1 质膜物质运输概述3.5.2 被动运输3.5.3 主动运输3.5.4 主动与被动运输、动物与植物主动运输的比较3. 细胞质膜与跨膜运输3.1 概述细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜(图3-1)，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定， 并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、 分化中起重要作用。真核生物除了具有细胞表面膜外，还有胞质膜(cytoplasmic membrane，图3-2)。图3-1 细胞质膜模式图图3-2 细胞内主要的胞质膜3.1.1 细胞的膜结构 膜(membrane)是细胞的重要结构， 包括细胞质膜(plasma membrane)、内膜(internal membrane)， 习惯上把细胞所有膜结构统称为生物膜(biomembrane，图3-3)。图3-3 细胞的生物膜结构请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同3.1.2 细胞膜的功能细胞膜是多功能的结构体系，图3-4勾画出它的主要功能:图3-4 细胞膜的功能 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用? 调节运输(regulation of transport) 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质自由通透，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体。 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，进行信号的传递。 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。简述细胞膜结构的基本功能及对细胞生命活动的影响3.2 红细胞膜结构红细胞(red blood cell， erythrocyte)是结构最简单的细胞，特别是成熟的红细胞没有细胞器，质膜是它的惟一结构，并且易于提纯和分离，是研究膜结构的最好材料。3.2.1 红细胞的生物学 红细胞的形态结构成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状(图3-5)，直径为7.58.3m，厚度1.7m， 体积8.3m3，表面积为14.5m2，表面积与体积的比值较大，有利于细胞变形、气体交换和携带。图3-5电子显微镜下的红细胞有人说红细胞是研究膜结构的最好材料，你能说说理由吗? 红细胞的功能红细胞的主要功能是将肺吸进的氧运送到身体的其他组织，并带走呼出的CO2(图3-6)。图3-6 肌体内红细胞的运输作用红细胞如何进行O2和CO2的运输作用? 红细胞血影将红细胞分离后放入低渗溶液中，水很快渗入到细胞内部，使红细胞膨胀、破裂，从而释放出血红蛋白(是红细胞中惟一一种非膜蛋白)，此时的红细胞就变成了没有内容物的空壳，由于红细胞膜具有很大的变形性、柔韧性和可塑性，当红细胞的内容物渗漏之后，它的膜可以重新封闭起来(图3-7)，此时的红细胞被称为血影(ghost)。图3-7 红细胞血影及封闭、未封闭小泡的形成3.2.2 红细胞膜结构的研究 关于膜的化学组成和结构的早期研究 Charles Overton的研究工作 18世纪90年代，Overton 用植物的根毛作实验，发现脂溶性物质很容易进入细胞，而水溶性的物质却不能。实际上他发现了亲脂性(lipophilic)物质与细胞的关系。根据这一研究结果，Overton认为在细胞的外被中有脂的存在， 他还进一步推测，细胞的外被中很可能有胆固醇和卵磷脂的存在， 这种推测后来被证明是完全正确的。 Irving Langmuir的研究工作 将红细胞的脂提取后铺展在Langmuir 水盘(Langmuir Trough)的水面上(图3-8)，研究了脂的展层行为，提出脂单层(lipid monolayer)的设想。脂单层概念是20世纪初膜结构研究的基础，导致了脂双层的发现。Irving Langmuir如何通过实验提出脂单层的设想？这一设想对膜结果的研究有何意义？图3-8 Langmuir 水盘中展现单脂层 红细胞膜脂双层概念的提出 1925年两位荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积， Gorter和Grendel发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比约为1.82.21，为了解释这一结果，他们提出红细胞膜的基本结构是脂双层(lipid bilayer)的概念。3.2.3 红细胞质膜(plasma membrane of the red blood cell)红细胞的寿命约为120天，在生存期中大约行程500，000米。在血液循环中，红细胞要穿过小于自身直径一半的微小通道(脾窦)、在脾脏内要经受氧少、低pH值等不利环境的考验、在心脏内又要受到瓣膜涡流冲击。不难想像，红细胞在这样长而艰险的运输途径中保持结构的完好，它的质膜起了重要作用，可以推测，红细胞的质膜一定有非常特别的结构，仅仅是双脂层可能难以解释。 红细胞膜骨架(the erythrocyte membrane skeleton)研究发现红细胞质膜的内侧有一种特殊的结构，是由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。图3-9 红细胞膜骨架结构 红细胞膜蛋白的组成分离红细胞膜后可用阴离子去垢剂溶解膜蛋白，并通过SDS和聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)分离膜蛋白。通过单向SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，发现大约有15种主要的蛋白带， 相对分子质量为15kDa到250kDa(图3-10)。图3-10 人红细胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分部(A)是考马斯蓝染色的胶;(B)表示凝胶上主要蛋白质的位置。几种主要的红细胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、带3蛋白约占膜蛋白的60% 以上): 血影蛋白(spectrin) 血型糖蛋白A(glycophorin A) 带3蛋白(band 3 protein) 肌动蛋白(actin) 锚定蛋白(ankyrin) 带4.1蛋白(band 4.1 protein) 内收蛋白(adducin) 红细胞膜骨架的形成红细胞膜骨架的结构如图3-11所示。图3-11 红细胞膜骨架的结构红细胞膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白等。红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步： 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用 第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用请简述红细胞膜骨架的装配过程3.3 质膜的化学组成脂和蛋白质是膜的主要成分， 同时还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜、高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物和原核生物)的不同而不同(表3.1)。一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占1-10%。表3-1 不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比(%) 膜蛋白质脂碳水化合物质膜红细胞49438神经鞘18793肝细胞543610核膜66322高尔基体642610内质网622710线粒体外膜5545痕迹量内膜7822-叶绿体7030-3.3.1 膜脂(membrane lipids)所有的膜脂都具有双亲媒性(amphipathic)，即这些分子都有一个亲水末端(极性端)和一个疏水末端(非极性端)。这种性质使生物膜具有屏障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只允许亲脂性物质通过。有人说膜脂的功能仅作为膜的骨架，并作为非脂溶性物质进入细胞的障碍，你认为此说有何不妥？ 膜脂的主要类型膜脂是生物膜的基本组成成分， 约占膜的50%， 主要有三大类:磷脂、糖脂、胆固醇。 磷脂(phospholipids) 含有磷酸基团的脂称为磷脂，是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部和一个疏水的尾部(图3-12)。图3-12 磷脂酰乙醇胺的分子结构 胆固醇(cholesterol) 细胞膜上另一类脂是固醇类的胆固醇(图3-13)， 胆固醇存在于真核细胞膜中。动物细胞膜胆固醇的含量较高，有的占膜脂的50%，大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇，酵母细胞膜中是麦角固醇。图3-13 胆固醇的结构胆固醇的分子较其他膜脂要小， 双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央(图3-14)。图3-14 胆固醇在脂双层中的位置 膜脂的特性和功能 不同类型的膜含有不同类型的膜脂，使这些膜具有不同的特性(表3-2)。表3-2 某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数)脂人的红细胞人的髓鞘牛心脏线粒体E.coli磷脂酸(PA)1.50.500磷脂酰胆碱(PC)1910390磷脂酰乙醇胺(PE)18202765磷脂酰甘油(PG)00018磷脂酰丝氨酸(PS)8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600胆固醇222630 膜脂都是两性物质， 都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾， 大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。当这些兼性分子被水环境包围时， 它们就聚集起来， 将疏水的尾部埋在里面， 亲水的头部露在外面与水接触。可能有两种形式: 形成球状的分子团(micelles)， 把尾部包在里面；或者形成双分子层(bilayers)， 把疏水的尾部夹在头部的中间， 或形成脂质体( liposome)(图3-15)。图3-15 脂在水中的行为 膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架，此外还有其他一些重要功能(表3-30)。表3-3 某些膜脂的功能脂存在的膜功能主要磷脂磷脂酰胆碱存在于大多数膜中形成脂双层磷脂酰乙醇胺存在于大多数膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰丝氨基存在于大多数膜中溶性物质的自由扩散次要磷脂心磷脂线粒体内膜激活染色体磷脂酰肌醇(PI)存在于大多数膜作为三磷酸肌醇的供体鞘脂大多数哺乳动物细胞，特别是神经细胞屏障作用，激活某些酶糖脂叶绿体类囊体的膜的主要脂类屏障作用胆固醇大多数动物细胞膜大多数动物细胞膜膜的流动性3.3.2膜的碳水化合物(membrane carbohydrates)膜中的碳水化合物约占膜重量的110%，糖含量的多少依细胞的不同而不同。细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。 膜糖的种类自然界存在的单糖及其衍生物有200多种， 但存在于膜的糖类只有其中的9种， 而在动物细胞膜上的主要是7种(图3-16)。 图3-16 细胞膜中常见的七种糖类 膜糖的存在方式真核细胞质膜中的糖类是通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-连接和N-连接(图3-17)。 O-连接:是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连，O-连接糖链较短， 约含4个糖基。 N-连接: 是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。图3-17 糖与多肽连接的两种方式 膜糖的功能膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，它们可以提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。同时膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样，膜蛋白中的糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。另外，糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位。 ABO血型决定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一种糖脂， 其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用(图3-18)。人的血型是A型、B型、AB型还是O型，是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。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血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。糖脂如何决定血型的？图3-18 血型抗原3.3.3 膜蛋白(membrane protein) 由膜脂构成膜的基本结构， 但是生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。功能越复杂的膜，其上的蛋白质种类越多。 膜蛋白的分类 据膜蛋白与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。整合蛋白(integral protein)又称内在蛋白(intrinsic protein)， 跨膜蛋白(transmembrane protein)， 部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧(图3-19)。 图3-19 整合蛋白 外周蛋白(peripheral protein)又称附着蛋白(protein-attached)。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部， 或整合蛋白亲水区的一侧， 间接与膜结合(图3-20)。 图3-20 外周蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合(图3-21)。 图3-21 脂锚定蛋白 膜蛋白的功能 胞质膜有着许多重要的生物学功能，这些功能大多数是由膜蛋白来执行的(图3-22，表3-4)。 图3-22 膜蛋白的某些功能表3-4 某些膜蛋白及其功能 功能蛋白示例作用方式运输蛋白Na泵主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞 连接蛋白整合素将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连 受体蛋白血小板生长因子(PDGF)受体同细胞外的PDGF结合、在细胞质内产生信号， 引起细胞的生长与分裂 酶腺苷酸环化酶在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生 膜蛋白的研究方法 膜蛋白的分离 十二烷基磺酸钠(SDS)和Triton X-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白？ 去垢剂的作用机理 去垢剂是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的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用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， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀(图3-23)。 图3-23 去垢剂在膜蛋白分离中的作用 (a)去垢剂分子，具有极性和非极性端;(b)去垢剂包裹在膜蛋白的疏水区，极性区朝向外侧，使蛋白质成为水溶性，从而与膜分离。 膜蛋白在膜中位置测定 请设计一种方法检测跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外侧，哪一部分位于膜的内侧? 3.4 膜的分子结构及特点虽然细胞质膜是包裹在细胞最外层的界膜，但由于细胞的新陈代谢活动必须同细胞外进行物质交换，这就要求细胞质膜具有特殊的结构，以保证生命活动的正常进行。3.4.1 结构模型 1890年，E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞，提出了脂肪栅的膜结构设想。 1925年，荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。 片层结构模型(Lamella structure model)1935年James Daniellie和Hugh Davson提出双分子片层结构模型（图3-24），该模型是第一次用分子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。图3-24 质膜的片层结构模型 单位膜模型(unit membrane model)1959年，J.D.Robertson利用电子显微镜技术对各种膜结构进行了详细研究，在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构(railroad track)，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗明暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜（图3-25）。图3-25 质膜的单位膜模型 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)1972年Singer和Nicolson总结了当时有关膜结构模型及各种研究的新成就，提出了流动镶嵌模型（图3-26）。 这一模型强调了膜的流动由性和不对称性，较好地体现细胞的功能特点，被广泛接受，也得到许多实验的支持。 图3-26 质膜的流动镶嵌模型 大肠杆菌细胞质膜 流动镶嵌模型同样适合原核生物。 图3-27 大肠杆菌的双层质膜 具有双层膜结构的只是革蓝氏阴性菌，如大肠杆菌（图3-27）。对于革蓝氏阳性菌，如链球菌、葡萄球菌等只有单层膜结构。 在革蓝氏阴性菌的外膜上有丰富的孔蛋白。孔蛋白只存在于双层膜的外膜中，为什么？图3-28 细菌质膜中的孔蛋白3.4.2 膜的不对称性(membrane asymmetry)细胞质膜的不对称性是指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。 不对称性的表现膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不对称性主要是指这些成分分布的不对称以及这些分子在方向上的不对称。 膜脂的不对称性 膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同， 各种细胞的膜脂不对称性差异很大（图3-29）。图3-29 膜脂的不对称分布 膜蛋白的不对称 每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称（图3-30）。图3-30 红细胞血型糖蛋白A在质膜中不对称分布 膜糖的不对称 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（图3-31、3-32）。 图3-31 磷脂与糖脂分布的不对称性 图3-32 膜糖分布的不对称性 不对称性的意义膜脂、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。膜结构不对称性的意义是什么？ 不对称性的研究方法研究膜结构不对称性的方法有很多种，其中最重要的就是冰冻断裂技术，此外还有同位素标记法、酶水解法等。 冰冻断裂(freeze fracture)法 冰冻断裂法不仅可用于研究膜组份分布的不对称，也是膜的脂双层结构的直接证据的来源（图3-33）。图3-33 冰冻断裂技术显示的脂双层及膜蛋白分布的不对称性 放射性标记法(radioactive labeling procedure) 实验中首先要分离细胞膜，然后用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。过氧化物酶的分子较大而不能透过细胞膜，这样可以用于标记膜外表面的蛋白，标记后，分离膜蛋白，电泳分离和放射自显影进行鉴定。图3-34 放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性在酶法标记测定膜蛋白的定向实验中若是要标记膜内侧的蛋白，该如何处理？ 脂酶处理法 既可以用胰蛋白酶处理法研究膜蛋白的定位，也可以用磷脂酶处理法来研究膜脂在脂双层中的定位（图3-35）。图3-35 用脂酶处理法研究膜脂分布的不对称性请说明用磷脂酶处理法研究红细胞膜脂在脂双层中定位的原理3.4.3 膜的流动性(membrane fluidity)膜的流动性是指构成膜的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流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。 流动性的表现形式 膜脂的运动方式脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有四种。 侧向扩散(lateral diffusion)； 旋转运动(rotation)； 伸缩运动（flex）； 翻转扩散(transverse diffusion)， 又称为翻转(flip-flop)。图3-36 图示膜脂的几种主要流动方式 膜蛋白的运动 由于膜蛋白的相对分子质量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。主要有以下几种运动形式（图3-37）: 随机移动 有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。 定向移动 有些蛋白比较特别，在膜中作定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头部移向尾部。 局部扩散 有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内扩散。图3-37 蛋白质的几种运动方式膜的流动性的生理意义何在？ 膜流动性的研究方法 人、鼠细胞融合实验1970年，L. David Frye 和Michael Edidin 进行了人、鼠细胞融合实验，令人信服地证明膜蛋白的流动。 图3-38 人-鼠细胞融合实验 淋巴细胞的成斑和成帽反应通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是证明膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。图 3-39 淋巴细胞的成斑和成帽反应 光脱色荧光恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching FRAP)这种方法不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。图3-40 光脱色荧光恢复技术检测膜流动性 电子自旋共振谱技术(electron spin-resonance spectrocopy，SER) 最早证明脂双层中脂的流动性实验是本世纪60年代Harden McConnell和O.Hayes Griffith用电子自旋共振技术获得的。他们先标记非膜脂肪，然后让这种脂分别处于室温和零下65去检测共振谱，同时将标记的脂插入到细胞膜中再检测共振谱。图3-41 电子自旋共振谱技术检测膜脂的移动 影响流动性的因素影响膜流动性的因素主要来自膜本身的组成成分、遗传因子及环境的理化因素(如温度、pH、离子强度、药物等)。 温度(temperature) 温度是影响膜流动性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物质一样，既可以晶态，又可以液态存在，主要是根据温度的变化而定。图3-42 温度对膜运动性影响 膜脂的组成对流动性的影响脂的组成对膜流动性的影响主要在三个方面:脂肪酸链的长度、脂肪酸链的饱和程度、脂双层中胆固醇的含量。 胆固醇的影响真核细胞膜中有大量的胆固醇插在膜磷脂之间， 可以加强膜脂双层的稳定性， 增加膜脂有序性并降低其流动性， 调节膜的机械性能。图3-43 固醇脂对膜流动性的影响 影响膜蛋白运动的因素常见的限制膜蛋白运动的因素有： 细胞质膜下的骨架结构与膜整合蛋白结合限制膜蛋白移动（图3-44）;图3-44 膜骨架对膜流动性的影响 细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合限制列膜蛋白的移动; 膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身的移动; 膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。3.5 物质的跨膜运输3.5.1 质膜物质运输概述细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力(图3-45)。换句话说，细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。图 3-45 物质的跨膜运输 物质运输的范畴细胞进行的物质运输有三种不同的范畴: 细胞运输(cellular transport) 这种运输主要是细胞与环境间的物质交换; 胞内运输(intracellular transport) 是真核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环境进行的物质交换; 转细胞运输(transcellular transport) 这种运输是物质穿越细胞的运输。 膜运输机制:被动运输与主动运输 被动运输与主动运输的差异有三个主要的差异(图3-46):起始条件不同、运输方式不同、产生的结果不同。请从起始条件、运输方式、产生的结果等三个方面对主动运输和被动运输进行比较图3-46 被动运输和主动运输 物质输入细胞的四种方式 溶质分子可通过四种不同的方式跨膜运输到细胞内(图3-47)。图3-47 物质跨膜运输的四种基本机制图中用较大号字母表示溶液的高浓度。(a)通过脂双层的简单扩散；(b)通过膜整合蛋白形成的水性通道进行的被动运输;(c)通过同膜蛋白的结合进行的帮助扩散，也同(a)和(b)一样，只能从高浓度向低浓度运输;(d) 通过载体介导的主动运输，这种载体主要是酶，能够催化物质从低浓度向高浓度运输。 膜运输蛋白(membrane transport protein)无论是被动还是主动运输， 都有膜蛋白的参与， 这些蛋白被称为膜运输蛋白。 膜运输蛋白的鉴定 细胞膜上有很多蛋白，如何鉴定膜运输蛋白? 目前有两种鉴定方法(图3-48)，一种是亲和标记法(affinity labeling)，另一种是膜重建(membrane reconstitution)。图3-48 鉴定膜运输蛋白的两种方法上:亲和标记法，在此法中常常用到特异的运输系统的抑制剂。下:膜重建法。 离子载体在膜运输蛋白功能研究中的应用 人们对自然状态下的膜运输特性的认识主要来自离子载体(ionophore)的应用。 短杆菌肽 A(gramicidin A)是一种形成通道的离子载体，它具有疏水的侧链， 两个分子在一起形成跨膜的通道。它能够有选择地将单价阳离子顺电化学梯度通过膜(图3-49)，可被短杆菌肽 A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。图3-49 短杆菌肽A离子载体作用机制 缬氨霉素(valinomycin)是一种由12个氨基酸组成的环形小肽。将缬氨霉素插入脂质体后，通过环的疏水面与脂双层相连， 极性的内部能精确地固定K+。它在一侧结合K+，然后向内侧移动通过脂双层， 在另一侧将K+释放到细胞内(图3-50)。图3-50 离子运载的离子载体的作用机制从上面介绍的两个离子载体的例子可以得到两个基本结论: 膜运输蛋白具有选择性; 膜运输蛋白通过两种机制进行物质运输，一是形成水性通道，二是同被运输的物质结合，以可动的形式穿膜，即可动载体(mobile carrier)的运输。 3.5.2 被动运输(passive transport) 非电解质通过扩散跨过细胞质膜必须具备两个条件:第一，该物质在细胞外的浓度很高;第二，细胞质膜必须对这种物质具有通透性。膜对某种溶质具有透性，必须满足两个条件之一：(1)这种物质能够直接穿过脂双层，或是(2)膜中有可允许该溶质通过的跨膜孔道。 扩散与渗透细胞质膜具有两个基本的特性允许小分子物质通过扩散穿过细胞质膜，也可以让水通过渗透进出细胞质膜。但是扩散和渗透是两个不同的概念(图3-51)。 扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。 渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。它们都是从自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移动。图3-51 简单扩散和渗透的比较正是根据水与水中溶质在膜通透性上的差别，才将膜称为半透性(semipermeable)。当两种不同浓度的溶液被半透性的膜脂分隔开后，高溶质浓度的一侧是高渗的(hypertonic)，而低溶质一侧则是低渗的(hypoosmotic)。若两侧的溶质浓度相等，则称为等渗(iso-osmotic)。如何根据细胞的渗透现象解释植物细胞的质壁分离(plasmolysis)? 被动运输: 简单扩散(simple diffusion)及限制因素简单扩散是被动运输的基本方式，不需要膜蛋白的帮助，也不消耗ATP，而只靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。 脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快(图3-52)。图3-52 溶质的脂溶性与通过细胞膜能力的关系 相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于0.51.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。 物质的带电性: 为什么所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能自由扩散?一般说来，气体分子（如O2、CO2、N2）、小的不带电的极性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通过质膜，大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和各种带电的极性分子都难以通过质膜(图3-53)。图3-53 不同分子对人工磷脂双层的通透性 被动运输:促进扩散(facilitated diffusion)及特点促进扩散是指非脂溶性物质或亲水性物质， 如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度， 不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。促进扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。 促进扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点 促进扩散的速度要快几个数量级。 具有饱和性: 当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高(图3-54)。 具有高度的选择性: 如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。 膜运输蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制，以及蛋白质变性剂的抑制作用。图3-54 促进扩散与简单扩散的动力学比较 通道蛋白与促进扩散通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道， 允许适宜的分子通过(图3-55)。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。图3-55 极性(带电性)通道的形成(a) 由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道。现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道(gated channel)(图3-56)。图3-56 几种不同的门控离子通道 电位-门控通道(voltage-gated channels)这类通道的构型变化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。含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位-门控通道传递信号的(图3-57)。图3-57 含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制 配体-门控通道(ligand gated channel)这类通道在其细胞内外的特定配体(ligand)与其表面受体结合时发生反应。 胁迫门控通道(stretch-gated channel)这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子(图3-58)。图3-58听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理 载体蛋白(carrier protein)与促进扩散载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输。葡萄糖可通过载体蛋白进行促进扩散。运输葡萄糖的载体蛋白主要是通过构型的变化进行葡萄糖的运输(图3-59)。图3-59 红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图 水的被动运输水是一种特别的物质，之所以特别是因为水分子虽然不溶于脂， 并且具有极性， 但也很容易通过膜。 水通道蛋白(aquaporin)大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，也有些水是通过水通道蛋白进行扩散的。动物和植物细胞中已经发现几种不同的水通道蛋白。水通道蛋白 AQP1是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它能够让水自由通过(不必结合)，但是不允许离子或是其他的小分子(包括蛋白质)通过(图3-60)。图3-60 AQP1水通道蛋白AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28kDa，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道(图3-61)。图3-61 水孔蛋白的跨膜结构域该蛋白的氨基端与羧基端是完全对称，即1，4、2，5、3，6完全对称。3.5.3 主动运输(active transport)主动运输涉及物质输入和输出细胞和细胞器，并且能够逆浓度梯度或电化学梯度。如何理解被动运输是减少细胞与周围环境的差别，主动运输则是努力创造差别? 主动运输的特点主动运输具有四个基本的特点:逆梯度运输;依赖于膜运输蛋白;需要代谢能，并对代谢毒性敏感;具有选择性和特异性。 建立浓度梯度或电化学梯度 细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度(表3-5)，这些离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。表3-5 典型动物细胞内外离子浓度的比较成份细胞内浓度(mM)细胞外浓度(mM)阳离子Na+5-15145K+1405Mg2+*0.51-2Ca2+*10-71-2阴离子Cl-5-15110固定的阴离子*高0* 表中给出的Ca2+和Mg2+的浓度是游离存在于胞质溶胶中的浓度;Mg2+在细胞中的总浓度为2mM，Ca2+则是1-2mM。但它们大多是与蛋白质结合在一起的，Ca2+则存在于细胞器中。* 指细胞内存在的带负电的有机分子，它们不能通过细胞质膜。 消耗能量 主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同的直接能量来源（表3-7）表3-7 主动运输中能量来源载体蛋白功能能量来源直接能源Na+-K+泵Na+的输出和K+的输入ATP细菌视紫红质H+从细胞中主动输出光能磷酸化运输蛋白细菌对葡萄糖的运输磷酸烯醇式丙酮酸间接能源Na+、葡萄糖泵协同运输蛋白Na+、葡萄糖同时进入细胞Na+离子梯度F1-F0 ATPaseH+质子运输，H+质子梯度驱动 选择性和特异性 不同的运输泵转运不同的离子。 参与主动运输的运输ATPase(transport ATPase)参与主动运输的载体蛋白常被称为泵(pump)，这是因为它们能利用能量做功。由于它们消耗的代谢能多数来自ATP，所以又称它们为某某ATPase。共有四种类型的运输ATPase， 或称运输泵:P型离子泵(P-type ion pump)，或称P型ATPase 。此类运输泵运输时需要磷酸化(P是phosphorylation的缩写)，包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵。V型泵(V-type pump)，或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上( V代表vacuole或vesicle)， 如溶酶体膜中的H+泵， 运输时需要ATP供能， 但不需要磷酸化。F型泵(F-type pump)，或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体膜和叶绿体的膜中， 它们在能量转换中起重要作用， 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子(F即fector的缩写)。图3-62是上述三种运输泵的结构模式图图3-62 P型、V型和F型运输泵的结构ABC运输蛋白(ATP-binding cassettle transportor)， 这是一大类以ATP供能的运输蛋白， 已发现了100多种， 存在范围很广，包括细菌和人。 四种运输ATPase在结构、存在部位和功能上有什么不同? 主动运输的方向根据载体对物质转运的能力和方向分为单向运输(uniports)和偶联运输(coupling transport)两种类型(图3-63)。图3-63 单向、同向和逆向运输的比较 P-型离子运输泵的作用机理P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子的跨膜运输。 Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的结构、作用原理Na+/K+泵是动物细胞中由ATP驱动的将Na+ 输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵，又称Na+泵或Na+/K+交换泵。实际上是一种Na+ /K+ ATPase。 结构: Na+ /K+ ATPase由两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成。亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;在亚基上有Na+