细胞生物学 物质的跨膜运输学习资料

细胞生物学：质膜物质运输概述物质的跨膜运输细胞生物学：质膜物质运输概述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（cellulartransport）这种运输主要是细胞与环境间的物质交换；●胞内运输（intracellulartransport）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（transcellulartransport）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（membranetransportprotein）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。●膜运输蛋白的鉴定目前有两种鉴定方法（图3-48），一种是亲和标记法（affinitylabeling），另一种是膜重建（membranereconstitution）。医学教育网图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（gramicidinA）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：①膜运输蛋白具有选择性；②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（mobilecarrier）的运输膜的不对称性（membraneasymmetry）。膜的不对称性（membraneasymmetry）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（freezefracture）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）。医学教育网图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（radioactivelabelingprocedure）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结构模型结构模型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（Lamellastructuremodel）1935年JamesDaniellie和HughDavson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（unitmembranemodel）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（"railroadtrack"），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（fluidmosaicmodel）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。医学教育网图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蛋白(membraneprotein)。蛋白(membraneprotein)膜蛋白（membraneprotein）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（integralprotein）又称内在蛋白（intrinsicprotein），跨膜蛋白（transmembraneprotein），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（peripheralprotein）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-linkedprotein），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）。医学教育网图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TritonX-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膜的碳水化合物膜的碳水化合物膜中的碳水化合物约占膜重量的1～10%，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）。医学教育网●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。图3-18血型抗原膜脂(membranelipids)膜脂(membranelipids)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-膜脂（membranelipids）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？■膜脂的主要类型医学教育网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