细胞质膜与跨膜运输ppt培训讲义课件

1、细胞质膜与跨膜运输优选细胞质膜与跨膜运输细胞的膜结构膜: 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)。 细胞的生物膜结构细胞膜的功能细胞膜是多功能的结构体系，图示它的主要功能: 细胞膜的功能 1. 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 划定了细胞的边界，并在胞内划分了许多以膜包被的区室。2. 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

2、物质出入细胞的障碍。3. 功能区室化 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。4. 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。5. 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。 6

3、. 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。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。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(下图)，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

4、携带。 电子显微镜下的红细胞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。肌体内红细胞的运输作用 保证了生命活动的高度有序性。 第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。配体门控通道(ligand gated channel)短杆菌肽A离子载体作用机制或者形成双分子层(bilayers)， 把疏水的尾部夹在头部的中间， 或形成脂质体( liposome)。 1925年，荷兰的两位科学家E.将人工脂质体放入低渗溶液中，这样， 乳过氧化物酶就能进入脂质

5、体进行内侧蛋白质标记。优选细胞质膜与跨膜运输(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。coli具有两层膜，ABC运输蛋白位于细菌的内膜。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。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)。协同运输又称偶联运输， 它不直接消耗ATP，但要依

6、赖离子泵建立的电化学梯度， 所以又将离子泵称为初级主动运输(primary active)， 将协同运输称为次级主动运输(secondary active)。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。在膜重建法中,首先要分离纯化膜蛋白,然后将分离纯化的蛋白质同磷脂混合,构建人工脂质体，然后检测脂质体的运输能力。Na+ /K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低1030倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高1030倍。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

7、。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。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，此时的红细胞被称为血影(ghost)。红细胞血影及封闭、未封闭小泡的形成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。

8、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，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。Langmuir 水盘中展现单脂层由于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,包括外周

9、蛋白和整合蛋白的外部分。动运输与主动运输的三个差异: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)。能够逆浓度梯度或电化学梯度将物质输入、输出细胞和细胞器。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.意义: Na+/K+ 泵具有三个重要作用， 一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用;二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也

10、是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。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。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。主动运输的特点: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。细菌细胞中葡萄糖的磷酸化运输过程是:首先将供体磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基团转移到细胞质的酶I(

11、EI)，然后将磷酸基团转移给HPr蛋白，起始步骤对于各种糖的运输都是相同的。 运输机制: 类似于Na+/K+ ATPase。但与酶不同的是: 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。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它们都是从自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移动。Ca2+ 泵的工作原理类似于Na+/K+ ATPase。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。 红细胞膜蛋白的组成 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。Na+ /K+泵工作的

12、结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低1030倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高1030倍。极性(带电性)通道的形成动运输与主动运输的三个差异:一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占110%。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 bil

13、ayer)的概念。红细胞质膜红细胞的寿命约为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。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

14、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。 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

15、胞膜骨架的形成红细胞膜骨架的结构如图所示。 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%，

16、碳水化合物约占110%。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-不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量 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。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。

17、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， 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。 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。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脂人的红细胞人的髓鞘牛

18、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某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数) 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

19、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)。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表: 某些膜脂的功能 膜的碳水化合物约占膜

20、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。 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。 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

21、较O连接普遍。糖与多肽连接的两种方式 膜糖的功能 膜糖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)。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

22、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。血型抗原膜蛋白(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。1. 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。 整合蛋白 2.外周蛋白(peripheral protein)又称附着

23、蛋白(proteinattached)。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 外周蛋白 3. 脂锚定蛋白(lipidanchored)又称脂连接蛋白(lipidlinked 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。 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，表)。 膜蛋白的某些功能 表: 某些膜蛋白及其功能功能蛋白

24、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 X100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

25、垢剂膜蛋白复合物， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀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。 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

26、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,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。质膜的片层结构模型 单位膜模型(unit membrane model)1959年，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

27、，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。 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。这一模型强调了膜的流动性和不对称性，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。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。 具有双层膜结构的只是革蓝氏阴性菌，如大肠杆菌。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

28、蛋白。 大肠杆菌的双层质膜 细菌质膜中的孔蛋白 红细胞膜骨架的形成短杆菌肽 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。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):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。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；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。参与细胞间的相互作用(intercellular interact

29、ion) 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。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。然后调整溶液中的Mg2+离子浓度，改变红细胞小泡的状态。放射性标记法(radioactive labeling procedure)Na+ /K+ ATPase由两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成。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Gre

30、ndel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. 在革蓝氏阴性菌的外膜上有丰富的孔蛋白。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 片层结构模型(Lamella structure model) 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。coli具有两层膜，ABC运输蛋白位于细菌的内膜。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的膜蛋白。 Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的结构、作用原理物质跨膜运输的四种基本机制但是扩散和渗透是两个不同的概念。嗜盐的

31、厌氧菌halobacterium halobium 的细胞质膜上能被光线激活的蛋白质，称为细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)。Q:孔蛋白只存在于双层膜的外膜中，为什么？由于孔蛋白的孔径大，所以只能存在于外膜，而不能存在于内膜。内膜有界膜的作用，如果有孔蛋白，则失去界膜的功能。膜的不对称性(membrane asymmetry)细胞质膜脂双层中各种成分的种类和数量呈现不均匀分布。 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

32、称性差异很大。 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。 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。 磷脂与糖脂分布的不对称性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。膜脂在膜中的分布是不对称的，虽然这种不对称性的生物学作用还了解得很少，但已经取得了不少进展。如糖脂是位

33、于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。磷脂酰丝氨基主要集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜螺旋邻近的赖氨酸、精氨酸结合。磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异， 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是

34、靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供 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。冰冻断裂(freeze fracture)一种制备电子显微镜样品的方法。将组织放在液氮中快速下冷冻，然后用冰刀使样品断裂分割，通过金属复形可进行电镜观察。冰冻断裂技术显示的脂双层及膜蛋白分布的不对称性 胁迫门控通道(stretchgated channel)将人工脂质体放入低渗溶液中，这样， 乳过氧化物酶就能进入脂

35、质体进行内侧蛋白质标记。去垢剂在膜蛋白分离中的作用磷脂与糖脂分布的不对称性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。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):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。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。界

36、膜和区室化(delineation and compartmentalization) 划定了细胞的边界，并在胞内划分了许多以膜包被的区室。主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞红细胞膜骨架的结构如图所示。P型、V型和F型运输泵的结构在细胞质膜的一侧有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个 Ca2+， Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随ATP的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合 Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力低Ca2+离子被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。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

37、不妥? 第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用ABC运输蛋白主要参与运输糖、氨基酸和小肽，运输时需要水解ATP提供能量。 流动镶嵌模型同样适合原核生物。 被动运输: 简单扩散(simple diffusion)及限制因素1蛋白(band 4.同时膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。1.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。研究细胞膜蛋白分布不对称的一种方法。实验中首先要分离

38、细胞膜,然后用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。由于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,包括外周蛋白和整合蛋白的外部分。标记后,分离膜蛋白,电泳分离和放射自显影进行鉴定。若是要标记膜内侧的蛋白,则需将膜置于低离子强度的溶液中以提高膜的通透性,使乳过氧化物酶进入膜泡进行内侧蛋白的标记。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？将人工脂质体放入低渗溶液中，这样， 乳过氧化物酶就能进入脂质体进行内侧蛋白质标记。乳过氧化物酶就能进入脂质体进行内侧蛋白质标记2. 脂酶处理法既可以用胰蛋白酶处理法研究膜蛋白的定位，

39、也可以用磷脂酶处理法来研究膜脂在脂双层中的定位。 用脂酶处理法研究膜脂分布的不对称性 请说明磷脂酶处理法研究红细胞膜脂在脂双层中定位的原理由于红细胞具有血影现象，只要将红细胞置于低离子浓度的溶液中，红细胞就会发生渗漏释放出内含物，得到只有红细胞膜的空壳。然后调整溶液中的Mg2+离子浓度，改变红细胞小泡的状态。若是从溶液中除去Mg2+， 则形成外翻的小泡，若是加入Mg2+则是正常方向的小泡， 然后用脂酶分别处理这两种红细胞膜。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后

40、再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。3.5 物质的跨膜运输 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。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。 物质的跨膜运输 物质运输的范畴 细胞运输(cellular transport) :细胞与环境间的物质交换; 胞内运输(intracellular transport) :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) :物质穿越细胞的运输。这种运输主要是细胞与环境间

41、的物质交换，包括细胞对营养物质的吸收、原材料的摄取和代谢废物的排除及产物的分泌。如细胞从血液中吸收葡萄糖以及细胞质膜上的离子泵将Na+泵出、将K+泵入细胞都属于这种运输范畴。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。包括细胞核、线粒体、叶绿体、溶酶体、过氧化物酶体、高尔基体和内质网等与细胞内的物质交换。这种运输不仅仅是物质进出细胞，而是从细胞的一侧进入，从另一侧出去，实际上是穿越细胞的运输。在多细胞生物中，整个细胞层作为半渗透性的障碍，而不仅仅是细胞质膜。如植物的根部细胞负责吸收水份和矿物盐， 然后将它们运输到其他组织即是这种运输。膜运输机制:被动运输与主动运输 动运输与主动运输

42、的三个差异:起始条件不同、运输方式不同、产生的结果不同。被动运输和主动运输 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)研究细胞膜蛋白分布不对称的一种方法。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。 血影蛋白(spectrin)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。 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。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?1925年两位荷兰科学家E.被动运输(passive transpo

43、rt)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)。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。例如细胞松弛素B是葡萄糖运输蛋白的抑制剂,因此将放射性标记的细胞松弛素加入到细胞液中,就可同膜中葡萄糖运输蛋白结合,然后从膜中分离蛋白,通过放射性分析鉴定膜运输蛋白。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。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也

44、是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。(a)通过脂双层的简单扩散；如植物的根部细胞负责吸收水份和矿物盐， 然后将它们运输到其他组织即是这种运输。 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)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、沉淀在细胞质膜的一侧有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个 Ca2+， Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随AT

45、P的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合 Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力低Ca2+离子被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。促进扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点外周蛋白(peripheral protein)又称附着蛋白(proteinattached)。从起始条件、运输方式、产生的结果等三个方面进行主动运输和被动运输的比较。被动运输主动运输起始条件细胞外被运输的物质浓度大大高于细胞内的浓度细胞外被运输的物质的浓度可能高于、也可能低于细胞内的浓度运输方式通过扩散或运输蛋白形成的通道进入细胞通过具有酶活性的运输蛋白(泵)，在能量的驱动下进出细胞产生的结果

46、最后使细胞内外的浓度达到平衡最后细胞内外的浓度处于稳定，建立了浓度梯度 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)参与被动和主动运输的膜蛋白被称为膜运输蛋白。 鉴定膜运输蛋白的方法一种是亲和标记

47、法(affinity labeling)，另一种是膜重建(membrane reconstitution)。 鉴定膜运输蛋白的两种方法 膜运输蛋白是膜整合蛋白， 或是大的跨膜分子复合物， 功能是参与被动运输(促进扩散)或主动运输(运输泵)。参与促进扩散的膜运输蛋白虽然没有酶活性， 但是具有酶催化的特点，如可达到最高速率、具有特异性和竞争抑制等，因此，运输蛋白又被称为透性酶(permease)。目前有两种鉴定方法,一种是亲和标记法(affinity labeling),另一种是膜重建(membrane reconstitution)。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

48、重建法。在亲和标记法中,主要是用放射性标记的分子抑制某种物质的运输.这种抑制作用是由抑制剂同膜运输蛋白的结合引起的,然后分离膜蛋白,鉴定同抑制剂结合的膜蛋白。例如细胞松弛素B是葡萄糖运输蛋白的抑制剂,因此将放射性标记的细胞松弛素加入到细胞液中,就可同膜中葡萄糖运输蛋白结合,然后从膜中分离蛋白,通过放射性分析鉴定膜运输蛋白。在膜重建法中,首先要分离纯化膜蛋白,然后将分离纯化的蛋白质同磷脂混合,构建人工脂质体，然后检测脂质体的运输能力。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

49、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349)，可被短杆菌肽 A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。 短杆菌肽A离子载体作用机制 离子载体是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的载体分子。大多数离子载体是细菌产生的抗生素,它们能够杀死某些微生物,其作用机制就是提高了靶细胞膜通透性,使得靶细胞无法维持细胞内离子的正常浓度梯度而死亡,所以离子载体并非是自然状态下存在于膜中的运输蛋白,而是人工用来研究膜运输蛋白的一个概念。根据改变离子通透性的机制不同,将离子载体分为两种类型:通道形成离子载体(cha

50、nnel-forming ionophore)和离子运载的离子载体(ion-carrying ionophore)。 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。 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。

51、 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。 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

52、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。简单扩散和渗透的比较 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(isoosmotic)。 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、

53、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。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: 物质的带电性: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。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

54、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。 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)

55、是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，允许适宜的分子通过。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。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 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?膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架。去除膜脂，则使膜解体。另外膜脂也是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上得以执行特殊的功能。有研究表明，膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境，一般情况下，

56、膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应)。膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。如果去掉脂类， 酶蛋白即失去活性，加上脂类， 又可使活性恢复。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。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)。 电位门控通道(voltagegated 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。含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制 这类通道的构型变化

57、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。在很多情况下, 门通道有其自己的关闭机制, 它能快速地自发关闭。开放往往只有几毫秒时间。在这短暂瞬息时间里,一些离子、代谢物或其它溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。电位-门控通道在神经细胞的信号传导中起主要作用, 电位门控通道也存在于其他的一些细胞,包括肌细胞、卵细胞、原生动物和植物细胞。配体门控通道(ligand gated channel)这类通道在其细胞内或外的特定配体（ligand）与膜受体结合时发生反应, 引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化, 结果使“门”打开。因此这类通道被称为配体门控通道，

58、它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。 胁迫门控通道(stretchgated 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。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。红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图 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的膜蛋白。载体蛋白促进扩散时同样具有高度的特异性，其

59、上有结合点，只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。而且， 一个特定的载体只运输一种类型的化学物质， 甚至一种分子或离子。载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。由载体蛋白进行的被动物质运输， 不需要ATP提供能量。载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是: 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。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

60、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。AQP1水通道蛋白 水通道蛋白(aquaporin)一种水的分子通道。在动物和植物细胞中已经发现有几种不同的水通道蛋白。在动物细胞中已经鉴定了水通道蛋白家族中的六个成员，在植物中发现了具有类似功能的蛋白质。膜的水通道蛋白 AQP1是1988年发现的，开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP)，是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞