細胞質(zhì)膜與跨膜運輸

1、3. 細胞質(zhì)膜與跨膜運輸3.1 概述3.1.1 細胞的膜結(jié)構(gòu)3.1.2 細胞膜的功能3.2 紅細胞膜結(jié)構(gòu)3.2.1 紅細胞的生物學(xué)3.2.2 紅細胞膜結(jié)構(gòu)的研究3.2.3 紅細胞質(zhì)膜3.3 質(zhì)膜的化學(xué)組成3.3.1 膜脂3.3.2 膜的碳水化合物3.3.3 膜蛋白3.4 膜的分子結(jié)構(gòu)及特點3.4.1 結(jié)構(gòu)模型3.4.2 膜的不對稱性3.4.3 膜的流動性3.5 物質(zhì)的跨膜運輸3.5.1 質(zhì)膜物質(zhì)運輸概述3.5.2 被動運輸3.5.3 主動運輸3.5.4 主動與被動運輸、動物與植物主動運輸?shù)谋容^3. 細胞質(zhì)膜與跨膜運輸3.1 概述細胞質(zhì)膜(plasma membrane)是指包圍在細胞表面的一層

2、極薄的膜(圖3-1)，基本作用是保持細胞內(nèi)微環(huán)境的相對穩(wěn)定， 并參與同外界環(huán)境進行物質(zhì)交換、能量和信息傳遞。另外， 細胞質(zhì)膜在細胞的生存、生長、分裂、 分化中起重要作用。真核生物除了具有細胞表面膜外，還有胞質(zhì)膜(cytoplasmic membrane，圖3-2)。圖3-1 細胞質(zhì)膜模式圖圖3-2 細胞內(nèi)主要的胞質(zhì)膜3.1.1 細胞的膜結(jié)構(gòu) 膜(membrane)是細胞的重要結(jié)構(gòu)， 包括細胞質(zhì)膜(plasma membrane)、內(nèi)膜(internal membrane)， 習(xí)慣上把細胞所有膜結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為生物膜(biomembrane，圖3-3)。圖3-3 細胞的生物膜結(jié)構(gòu)請比較質(zhì)膜、內(nèi)膜和生物

3、膜在概念上的異同3.1.2 細胞膜的功能細胞膜是多功能的結(jié)構(gòu)體系，圖3-4勾畫出它的主要功能:圖3-4 細胞膜的功能 界膜和區(qū)室化(delineation and compartmentalization) 細胞膜最重要的作用就是勾劃了細胞的邊界，并且在細胞質(zhì)中劃分了許多以膜包被的區(qū)室。如何理解細胞膜作為界膜對細胞生命活動所起的作用? 調(diào)節(jié)運輸(regulation of transport) 膜為兩側(cè)的分子交換提供了一個屏障，一方面可以讓某些物質(zhì)"自由通透"，另一方面又作為某些物質(zhì)出入細胞的障礙。 功能區(qū)室化 細胞膜的另一個重要的功能就是通過形成膜結(jié)合細胞器，使細胞內(nèi)的功

4、能區(qū)室化。例如細胞質(zhì)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等膜結(jié)合細胞器的基本功能是參與蛋白質(zhì)的合成、加工和運輸；而溶酶體的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶體。 信號的檢測與傳遞(detection and transmission of signals) 細胞質(zhì)膜中具有各種不同的受體，能夠識別并結(jié)合特異的配體，進行信號的傳遞。 參與細胞間的相互作用(intercellular interaction) 在多細胞的生物中， 細胞通過質(zhì)膜（包括膜中的一些蛋白）進行細胞間的多種相互作用，包括細胞識別、細胞粘著、細胞連接等。 能量轉(zhuǎn)換(energy transduction) 細胞膜的另一個重要功能是參與細

5、胞的能量轉(zhuǎn)換。例如葉綠體利用類囊體膜上的結(jié)合蛋白進行光能的捕獲和轉(zhuǎn)換，最后將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在碳水化合物中。簡述細胞膜結(jié)構(gòu)的基本功能及對細胞生命活動的影響3.2 紅細胞膜結(jié)構(gòu)紅細胞(red blood cell， erythrocyte)是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞，特別是成熟的紅細胞沒有細胞器，質(zhì)膜是它的惟一結(jié)構(gòu)，并且易于提純和分離，是研究膜結(jié)構(gòu)的最好材料。 3.2.1 紅細胞的生物學(xué) 紅細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀(圖3-5)，直徑為7.58.3m，厚度1.7m， 體積8.3m3，表面積為14.5m2，表面積與體積的比值較大，有利于細胞變形、氣體交換和攜帶。圖3-

6、5電子顯微鏡下的紅細胞有人說紅細胞是研究膜結(jié)構(gòu)的最好材料，你能說說理由嗎?  紅細胞的功能紅細胞的主要功能是將肺吸進的氧運送到身體的其他組織，并帶走呼出的CO2(圖3-6)。圖3-6 肌體內(nèi)紅細胞的運輸作用紅細胞如何進行O2和CO2的運輸作用?  紅細胞血影將紅細胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細胞內(nèi)部，使紅細胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細胞中惟一一種非膜蛋白)，此時的紅細胞就變成了沒有內(nèi)容物的空殼，由于紅細胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當(dāng)紅細胞的內(nèi)容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(圖3-7)，此時的紅細胞被稱為血影(ghost)。圖3-7 紅細胞

7、血影及封閉、未封閉小泡的形成  3.2.2 紅細胞膜結(jié)構(gòu)的研究 關(guān)于膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的早期研究 Charles Overton的研究工作 18世紀(jì)90年代，Overton 用植物的根毛作實驗，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)很容易進入細胞，而水溶性的物質(zhì)卻不能。實際上他發(fā)現(xiàn)了親脂性(lipophilic)物質(zhì)與細胞的關(guān)系。根據(jù)這一研究結(jié)果，Overton認(rèn)為在細胞的外被中有脂的存在， 他還進一步推測，細胞的外被中很可能有膽固醇和卵磷脂的存在， 這種推測后來被證明是完全正確的。 Irving Langmuir的研究工作 將紅細胞的脂提取后鋪展在Langmuir 水盤(Langmuir Tro

8、ugh)的水面上(圖3-8)，研究了脂的展層行為，提出脂單層(lipid monolayer)的設(shè)想。脂單層概念是20世紀(jì)初膜結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，導(dǎo)致了脂雙層的發(fā)現(xiàn)。Irving Langmuir如何通過實驗提出脂單層的設(shè)想？這一設(shè)想對膜結(jié)果的研究有何意義？圖3-8 Langmuir 水盤中展現(xiàn)單脂層  紅細胞膜脂雙層概念的提出 1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel分離純化了紅細胞，從一定數(shù)量的紅細胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積， Gorter和Grendel發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測的面積同實際測量

9、的紅細胞的表面積之比約為1.82.21，為了解釋這一結(jié)果，他們提出紅細胞膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層(lipid bilayer)的概念。  3.2.3 紅細胞質(zhì)膜(plasma membrane of the red blood cell)紅細胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環(huán)中，紅細胞要穿過小于自身直徑一半的微小通道(脾竇)、在脾臟內(nèi)要經(jīng)受氧少、低pH值等不利環(huán)境的考驗、在心臟內(nèi)又要受到瓣膜渦流沖擊。不難想像，紅細胞在這樣長而艱險的運輸途徑中保持結(jié)構(gòu)的完好，它的質(zhì)膜起了重要作用，可以推測，紅細胞的質(zhì)膜一定有非常特別的結(jié)構(gòu)，僅僅是雙脂層可能難以解

10、釋。  紅細胞膜骨架(the erythrocyte membrane skeleton)研究發(fā)現(xiàn)紅細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)有一種特殊的結(jié)構(gòu)，是由膜蛋白和纖維蛋白組成的網(wǎng)架，它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。圖3-9 紅細胞膜骨架結(jié)構(gòu)  紅細胞膜蛋白的組成分離紅細胞膜后可用陰離子去垢劑溶解膜蛋白，并通過SDS和聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)分離膜蛋白。通過單向SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，發(fā)現(xiàn)大約有15種主要的蛋白帶， 相對分子質(zhì)量為15kDa到250kDa(圖3-10)。圖3-10 人紅細胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分部(A)是考馬斯藍染色的膠;(B)表示

11、凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。幾種主要的紅細胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60% 以上): 血影蛋白(spectrin) 血型糖蛋白A(glycophorin A) 帶3蛋白(band 3 protein) 肌動蛋白(actin) 錨定蛋白(ankyrin) 帶4.1蛋白(band 4.1 protein) 內(nèi)收蛋白(adducin)  紅細胞膜骨架的形成紅細胞膜骨架的結(jié)構(gòu)如圖3-11所示。圖3-11 紅細胞膜骨架的結(jié)構(gòu)紅細胞膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌動蛋白、錨定蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白等。紅細胞膜骨架的網(wǎng)狀支架的形成及與膜的結(jié)合過程大致分為三

12、步： 首先是血影蛋白與4.1蛋白、肌動蛋白的相互作用 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用 第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用請簡述紅細胞膜骨架的裝配過程  3.3 質(zhì)膜的化學(xué)組成脂和蛋白質(zhì)是膜的主要成分， 同時還有少量的糖類。構(gòu)成膜的蛋白質(zhì)與脂的比例依據(jù)膜的類型(如質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜)、細胞類型(肌細胞、肝細胞)、生物類型(動物、植物和原核生物)的不同而不同(表3.1)。一般而言，脂占50%，蛋白質(zhì)占40%，碳水化合物約占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(%) 膜蛋白質(zhì)脂碳水化合物質(zhì)膜紅細胞49438神經(jīng)鞘18793肝細

13、胞543610核膜66322高爾基體642610內(nèi)質(zhì)網(wǎng)622710線粒體外膜5545痕跡量內(nèi)膜7822-葉綠體7030-  3.3.1 膜脂(membrane lipids)所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個親水末端(極性端)和一個疏水末端(非極性端)。這種性質(zhì)使生物膜具有屏障作用，大多數(shù)水溶性物質(zhì)不能自由通過，只允許親脂性物質(zhì)通過。有人說膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質(zhì)進入細胞的障礙，你認(rèn)為此說有何不妥？  膜脂的主要類型膜脂是生物膜的基本組成成分， 約占膜的50%， 主要有三大類:磷脂、糖脂、膽固醇。 磷脂(ph

14、ospholipids) 含有磷酸基團的脂稱為磷脂，是細胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。它有一個極性的頭部和一個疏水的尾部(圖3-12)。圖3-12 磷脂酰乙醇胺的分子結(jié)構(gòu) 膽固醇(cholesterol) 細胞膜上另一類脂是固醇類的膽固醇(圖3-13)， 膽固醇存在于真核細胞膜中。動物細胞膜膽固醇的含量較高，有的占膜脂的50%，大多數(shù)植物細胞和細菌細胞質(zhì)膜中沒有膽固醇，酵母細胞膜中是麥角固醇。圖3-13 膽固醇的結(jié)構(gòu)膽固醇的分子較其他膜脂要小， 雙親媒性也較低。膽固醇的親水頭部朝向膜的外側(cè)，疏水的尾部埋在脂雙層的中央(圖3-14)。圖3-14 膽固醇在脂雙層中的位置  膜脂的特性和

15、功能 不同類型的膜含有不同類型的膜脂，使這些膜具有不同的特性(表3-2)。表3-2 某些生物膜膜脂的組成(脂總重量百分?jǐn)?shù))脂人的紅細胞人的髓鞘牛心臟線粒體E.coli磷脂酸(PA)1.50.500磷脂酰膽堿(PC)1910390磷脂酰乙醇胺(PE)18202765磷脂酰甘油(PG)00018磷脂酰絲氨酸(PS)8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600膽固醇222630 膜脂都是兩性物質(zhì)， 都具有親水的極性頭和疏水的非極性的尾， 大多數(shù)磷脂和糖脂在水溶液中能夠自動形成雙分子層結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些兼性分子被水環(huán)境包圍時， 它們就聚集起來， 將疏水的尾部埋在里面，

16、親水的頭部露在外面與水接觸。可能有兩種形式: 形成球狀的分子團(micelles)， 把尾部包在里面；或者形成雙分子層(bilayers)， 把疏水的尾部夾在頭部的中間， 或形成脂質(zhì)體( liposome)(圖3-15)。圖3-15 脂在水中的行為 膜脂的主要功能是構(gòu)成膜的基本骨架，此外還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  磷脂酰膽堿存在于大多數(shù)膜中形成脂雙層磷脂酰乙醇胺存在于大多數(shù)膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰絲氨基存在于大多數(shù)膜中溶性物質(zhì)的自由擴散次要磷脂  心磷脂線粒體內(nèi)膜激活染色體磷脂酰肌醇(PI)

17、存在于大多數(shù)膜作為三磷酸肌醇的供體鞘脂大多數(shù)哺乳動物細胞，特別是神經(jīng)細胞屏障作用，激活某些酶糖脂葉綠體類囊體的膜的主要脂類屏障作用膽固醇大多數(shù)動物細胞膜大多數(shù)動物細胞膜膜的流動性  膜的碳水化合物(membrane carbohydrates)膜中的碳水化合物約占膜重量的110%，糖含量的多少依細胞的不同而不同。細胞質(zhì)膜上所有的膜糖都位于質(zhì)膜的外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖則位于內(nèi)表面。  膜糖的種類自然界存在的單糖及其衍生物有200多種， 但存在于膜的糖類只有其中的9種， 而在動物細胞膜上的主要是7種(圖3-16)。 圖3-16 細胞膜中常見的七種糖類  膜

18、糖的存在方式真核細胞質(zhì)膜中的糖類是通過共價鍵同膜脂或膜蛋白相連，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于細胞質(zhì)膜上。糖同氨基酸的連接主要有兩種形式，即O-連接和N-連接(圖3-17)。 O-連接:是糖鏈與肽鏈中的絲氨酸或蘇氨酸殘基相連，O-連接糖鏈較短， 約含4個糖基。 N-連接: 是糖鏈與肽鏈中天冬酰胺殘基相連，N-連接的糖鏈一般有10個以上的糖基。另外，N連接的方式較O連接普遍。圖3-17 糖與多肽連接的兩種方式  膜糖的功能膜糖在細胞的生命活動中具有重要作用，它們可以提高膜的穩(wěn)定性，增強膜蛋白對細胞外基質(zhì)中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進行正確的折疊和維持正確的三維構(gòu)型。同時膜糖也參與細胞的信號

19、識別、細胞的粘著。如同某些糖脂一樣，膜蛋白中的糖基是細菌和病毒感染時的識別和結(jié)合位點。另外，糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質(zhì)進行正確的運輸和定位。 ABO血型決定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一種糖脂， 其寡糖部分具有決定抗原特異性的作用(圖3-18)。人的血型是A型、B型、AB型還是O型，是由紅細胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。A血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖(Gal)，O型則沒有這兩種糖基，而AB型的人則在末端同時具有這兩種糖。糖脂如何決定血型的？圖3-18 血型抗原  3.

20、3.3 膜蛋白(membrane protein) 由膜脂構(gòu)成膜的基本結(jié)構(gòu)， 但是生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)決定的。功能越復(fù)雜的膜，其上的蛋白質(zhì)種類越多。  膜蛋白的分類 據(jù)膜蛋白與膜脂的關(guān)系分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。整合蛋白(integral protein)又稱內(nèi)在蛋白(intrinsic protein)， 跨膜蛋白(transmembrane protein)， 部分或全部鑲嵌在細胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)(圖3-19)。 圖3-19 整合蛋白 外周蛋白(peripheral protein)又稱附著蛋白(protein-attached)。這種蛋白完全外露在脂雙層的內(nèi)外

21、兩側(cè)，主要是通過非共價鍵附著在脂的極性頭部， 或整合蛋白親水區(qū)的一側(cè)， 間接與膜結(jié)合(圖3-20)。 圖3-20 外周蛋白脂錨定蛋白(lipid-anchored)又稱脂連接蛋白(lipid-linked protein)，通過共價鍵的方式同脂分子結(jié)合，位于脂雙層的外側(cè)。同脂的結(jié)合有兩種方式，一種是蛋白質(zhì)直接結(jié)合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結(jié)合，而是通過一個糖分子間接同脂結(jié)合(圖3-21)。 圖3-21 脂錨定蛋白  膜蛋白的功能 胞質(zhì)膜有著許多重要的生物學(xué)功能，這些功能大多數(shù)是由膜蛋白來執(zhí)行的(圖3-22，表3-4)。     圖3-22 膜蛋白的

22、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運輸?shù)鞍譔a泵主動將Na+泵出細胞，K+泵入細胞 連接蛋白整合素將細胞內(nèi)肌動蛋白與細胞外基質(zhì)蛋白相連 受體蛋白血小板生長因子(PDGF)受體同細胞外的PDGF結(jié)合、在細胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生信號， 引起細胞的生長與分裂 酶腺苷酸環(huán)化酶在細胞外信號作用下，導(dǎo)致細胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生  膜蛋白的研究方法 膜蛋白的分離 十二烷基磺酸鈉(SDS)和Triton X-100都是去垢劑，哪一種可用于分離有生物功能的膜蛋白？ 去垢劑的作用機理 去垢劑是一端親水一端疏水的雙親媒性分子， 它們具有極性端和非極性的碳氫鏈。當(dāng)它們與膜蛋白作用時，可以用

23、非極性端同蛋白質(zhì)的疏水區(qū)作用，取代膜脂，極性端指向水中， 形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復(fù)合物， 從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀(圖3-23)。   圖3-23 去垢劑在膜蛋白分離中的作用 (a)去垢劑分子，具有極性和非極性端;(b)去垢劑包裹在膜蛋白的疏水區(qū)，極性區(qū)朝向外側(cè)，使蛋白質(zhì)成為水溶性，從而與膜分離。 膜蛋白在膜中位置測定 請設(shè)計一種方法檢測跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外側(cè)，哪一部分位于膜的內(nèi)側(cè)?   3.4 膜的分子結(jié)構(gòu)及特點雖然細胞質(zhì)膜是包裹在細胞最外層的界膜，但由于細胞的新陳代謝活動必須同細胞外進行物質(zhì)交換，這就要求細胞質(zhì)膜具有特殊的結(jié)構(gòu)，以保證生命

24、活動的正常進行。 3.4.1 結(jié)構(gòu)模型 1890年，E.Overton發(fā)現(xiàn)了脂溶性物質(zhì)容易透過細胞，提出了脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想。 1925年，荷蘭的兩位科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel根據(jù)對紅細胞的研究，提出細胞的外面有一個雙脂分子層結(jié)構(gòu)。  片層結(jié)構(gòu)模型(Lamella structure model)1935年James Daniellie和Hugh Davson提出"雙分子片層"結(jié)構(gòu)模型（圖3-24），該模型是第一次用分子術(shù)語描述的結(jié)構(gòu)，并將膜結(jié)構(gòu)同所觀察到的生物學(xué)理化性質(zhì)聯(lián)系起來，對后來的研究有很大的啟發(fā)。圖3-24 質(zhì)膜的片層結(jié)構(gòu)模型&

25、#160; 單位膜模型(unit membrane model)1959年，利用電子顯微鏡技術(shù)對各種膜結(jié)構(gòu)進行了詳細研究，在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)細胞膜是類似鐵軌結(jié)構(gòu)("railroad track")，兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗明暗的三層，總厚度為7.5nm，中間層為3.5nm，內(nèi)外兩層各為2nm。并推測:暗層是蛋白質(zhì)，透明層是脂，并建議將這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜（圖3-25）。圖3-25 質(zhì)膜的單位膜模型  流動鑲嵌模型(fluid mosaic model)1972年Singer和Nicolson總結(jié)了當(dāng)時有關(guān)膜結(jié)構(gòu)模型及各種研究的新成就，提出了流動鑲嵌模型（圖

26、3-26）。 這一模型強調(diào)了膜的流動由性和不對稱性，較好地體現(xiàn)細胞的功能特點，被廣泛接受，也得到許多實驗的支持。 圖3-26 質(zhì)膜的流動鑲嵌模型  大腸桿菌細胞質(zhì)膜 流動鑲嵌模型同樣適合原核生物。 圖3-27 大腸桿菌的雙層質(zhì)膜 具有雙層膜結(jié)構(gòu)的只是革藍氏陰性菌，如大腸桿菌（圖3-27）。對于革藍氏陽性菌，如鏈球菌、葡萄球菌等只有單層膜結(jié)構(gòu)。 在革藍氏陰性菌的外膜上有豐富的孔蛋白?？椎鞍字淮嬖谟陔p層膜的外膜中，為什么？圖3-28 細菌質(zhì)膜中的孔蛋白  3.4.2 膜的不對稱性(membrane asymmetry)細胞質(zhì)膜的不對稱性是指細胞質(zhì)膜脂雙層中各種成分不是

27、均勻分布的，包括種類和數(shù)量的不均勻。  不對稱性的表現(xiàn)膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對稱性主要是指這些成分分布的不對稱以及這些分子在方向上的不對稱。 膜脂的不對稱性 膜脂的不對稱性表現(xiàn)在脂雙層中分布的各類脂的比例不同， 各種細胞的膜脂不對稱性差異很大（圖3-29）。圖3-29 膜脂的不對稱分布 膜蛋白的不對稱 每種膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，與其功能相適應(yīng)，這是膜蛋白不對稱性的主要因素。膜蛋白的不對稱性包括外周蛋白分布的不對稱以及整合蛋白內(nèi)外兩側(cè)氨基酸殘基數(shù)目的不對稱（圖3-30）。圖3-30 紅細胞血型糖蛋白A在質(zhì)膜中不對稱分布 膜糖的不對稱 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，

28、無論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（圖3-31、3-32）。 圖3-31 磷脂與糖脂分布的不對稱性 圖3-32 膜糖分布的不對稱性  不對稱性的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導(dǎo)致了膜功能的不對稱性和方向性。保證了生命活動的高度有序性。膜結(jié)構(gòu)不對稱性的意義是什么？  不對稱性的研究方法研究膜結(jié)構(gòu)不對稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術(shù)，此外還有同位素標(biāo)記法、酶水解法等。 冰凍斷裂(freeze fracture)法 冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對稱，也是膜的脂雙層結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)的來源（圖3-33）。圖3-33 冰凍斷裂技術(shù)顯示的脂雙層及膜

29、蛋白分布的不對稱性 放射性標(biāo)記法(radioactive labeling procedure) 實驗中首先要分離細胞膜，然后用乳過氧化物酶進行膜蛋白標(biāo)記。過氧化物酶的分子較大而不能透過細胞膜，這樣可以用于標(biāo)記膜外表面的蛋白，標(biāo)記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進行鑒定。圖3-34 放射性標(biāo)記法測定膜蛋白分布的不對稱性在酶法標(biāo)記測定膜蛋白的定向?qū)嶒炛腥羰且獦?biāo)記膜內(nèi)側(cè)的蛋白，該如何處理？ 脂酶處理法 既可以用胰蛋白酶處理法研究膜蛋白的定位，也可以用磷脂酶處理法來研究膜脂在脂雙層中的定位（圖3-35）。圖3-35 用脂酶處理法研究膜脂分布的不對稱性請說明用磷脂酶處理法研究紅細胞膜脂在脂雙層中定

30、位的原理  3.4.3 膜的流動性(membrane fluidity)膜的流動性是指構(gòu)成膜的脂和蛋白質(zhì)分子的運動性。膜的流動性不僅是膜的基本特性之一， 也是細胞進行生命活動的必要條件。  流動性的表現(xiàn)形式 膜脂的運動方式脂的流動是造成膜流動性的主要因素，概括起來，膜脂的運動方式主要有四種。 側(cè)向擴散(lateral diffusion)； 旋轉(zhuǎn)運動(rotation)； 伸縮運動（flex）； 翻轉(zhuǎn)擴散(transverse diffusion)， 又稱為翻轉(zhuǎn)(flip-flop)。圖3-36 圖示膜脂的幾種主要流動方式 膜蛋白的運動 由于膜蛋白的相對分子質(zhì)量較

31、大，同時受到細胞骨架的影響，它不可能象膜脂那樣運動。主要有以下幾種運動形式（圖3-37）: 隨機移動 有些蛋白質(zhì)能夠在整個膜上隨機移動。移動的速率比用人工脂雙層測得的要低。 定向移動 有些蛋白比較特別，在膜中作定向移動。例如，有些膜蛋白在膜上可以從細胞的頭部移向尾部。 局部擴散 有些蛋白雖然能夠在膜上自由擴散，但只能在局部范圍內(nèi)擴散。圖3-37 蛋白質(zhì)的幾種運動方式 膜的流動性的生理意義何在？  膜流動性的研究方法 人、鼠細胞融合實驗1970年，L. David Frye 和Michael Edidin 進行了人、鼠細胞融合實驗，令人信服地證明膜蛋白的流動。 圖3-38 人

32、-鼠細胞融合實驗 淋巴細胞的成斑和成帽反應(yīng)通過抗體交聯(lián)膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的現(xiàn)象也是證明膜蛋白在膜平面?zhèn)认驍U散的例子。圖 3-39 淋巴細胞的成斑和成帽反應(yīng) 光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)(fluorescence recovery after photobleaching FRAP)這種方法不僅能夠證明膜的流動性，同時也能測量膜蛋白擴散的速率。圖3-40 光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)檢測膜流動性 電子自旋共振譜技術(shù)(electron spin-resonance spectrocopy，SER) 最早證明脂雙層中脂的流動性實驗是本世紀(jì)60年代Harden McConnel

33、l和O.Hayes Griffith用電子自旋共振技術(shù)獲得的。他們先標(biāo)記非膜脂肪，然后讓這種脂分別處于室溫和零下65去檢測共振譜，同時將標(biāo)記的脂插入到細胞膜中再檢測共振譜。圖3-41 電子自旋共振譜技術(shù)檢測膜脂的移動  影響流動性的因素影響膜流動性的因素主要來自膜本身的組成成分、遺傳因子及環(huán)境的理化因素(如溫度、pH、離子強度、藥物等)。 溫度(temperature) 溫度是影響膜流動性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物質(zhì)一樣，既可以晶態(tài)，又可以液態(tài)存在，主要是根據(jù)溫度的變化而定。圖3-42 溫度對膜運動性影響 膜脂的組成對流動性的影響脂的組成對膜流動性的影響主要在三個

34、方面:脂肪酸鏈的長度、脂肪酸鏈的飽和程度、脂雙層中膽固醇的含量。 膽固醇的影響真核細胞膜中有大量的膽固醇插在膜磷脂之間， 可以加強膜脂雙層的穩(wěn)定性， 增加膜脂有序性并降低其流動性， 調(diào)節(jié)膜的機械性能。圖3-43 固醇脂對膜流動性的影響 影響膜蛋白運動的因素常見的限制膜蛋白運動的因素有： 細胞質(zhì)膜下的骨架結(jié)構(gòu)與膜整合蛋白結(jié)合限制膜蛋白移動（圖3-44）;圖3-44 膜骨架對膜流動性的影響 細胞外基質(zhì)中的某些分子與膜整合蛋白結(jié)合限制列膜蛋白的移動; 膜蛋白與另一細胞的膜蛋白作用限制了自身的移動; 膜中其他不動蛋白限制了膜蛋白的移動。  3.5 物質(zhì)的跨膜運輸3.5.1 質(zhì)膜物質(zhì)

35、運輸概述細胞質(zhì)膜不僅僅作為物質(zhì)出入細胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過的能力(圖3-45)。換句話說，細胞質(zhì)膜必須具有選擇性地進行物質(zhì)跨膜運輸、調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外物質(zhì)和離子的平衡及滲透壓平衡的能力。圖 3-45 物質(zhì)的跨膜運輸  物質(zhì)運輸?shù)姆懂牸毎M行的物質(zhì)運輸有三種不同的范疇: 細胞運輸(cellular transport) 這種運輸主要是細胞與環(huán)境間的物質(zhì)交換; 胞內(nèi)運輸(intracellular transport) 是真核生物細胞內(nèi)膜結(jié)合細胞器與細胞內(nèi)環(huán)境進行的物質(zhì)交換; 轉(zhuǎn)細胞運輸(transcellular transport) 這種運輸是物質(zhì)穿越細胞的運輸。 

36、 膜運輸機制:被動運輸與主動運輸 被動運輸與主動運輸?shù)牟町愑腥齻€主要的差異(圖3-46):起始條件不同、運輸方式不同、產(chǎn)生的結(jié)果不同。請從起始條件、運輸方式、產(chǎn)生的結(jié)果等三個方面對主動運輸和被動運輸進行比較圖3-46 被動運輸和主動運輸 物質(zhì)輸入細胞的四種方式 溶質(zhì)分子可通過四種不同的方式跨膜運輸?shù)郊毎麅?nèi)(圖3-47)。圖3-47 物質(zhì)跨膜運輸?shù)乃姆N基本機制圖中用較大號字母表示溶液的高濃度。(a)通過脂雙層的簡單擴散；(b)通過膜整合蛋白形成的水性通道進行的被動運輸;(c)通過同膜蛋白的結(jié)合進行的幫助擴散，也同(a)和(b)一樣，只能從高濃度向低濃度運輸;(d) 通過載體介導(dǎo)的主動運輸，這種載

37、體主要是酶，能夠催化物質(zhì)從低濃度向高濃度運輸。  膜運輸?shù)鞍?membrane transport protein)無論是被動還是主動運輸， 都有膜蛋白的參與， 這些蛋白被稱為膜運輸?shù)鞍住?膜運輸?shù)鞍椎蔫b定 細胞膜上有很多蛋白，如何鑒定膜運輸?shù)鞍? 目前有兩種鑒定方法(圖3-48)，一種是親和標(biāo)記法(affinity labeling)，另一種是膜重建(membrane reconstitution)。圖3-48 鑒定膜運輸?shù)鞍椎膬煞N方法上:親和標(biāo)記法，在此法中常常用到特異的運輸系統(tǒng)的抑制劑。下:膜重建法。  離子載體在膜運輸?shù)鞍坠δ苎芯恐械膽?yīng)用 人們對自然狀態(tài)下的膜運輸特

38、性的認(rèn)識主要來自離子載體(ionophore)的應(yīng)用。 短桿菌肽 A(gramicidin A)是一種形成通道的離子載體，它具有疏水的側(cè)鏈， 兩個分子在一起形成跨膜的通道。它能夠有選擇地將單價陽離子順電化學(xué)梯度通過膜(圖3-49)，可被短桿菌肽 A離子通道運輸?shù)年栯x子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。圖3-49 短桿菌肽A離子載體作用機制 纈氨霉素(valinomycin)是一種由12個氨基酸組成的環(huán)形小肽。將纈氨霉素插入脂質(zhì)體后，通過環(huán)的疏水面與脂雙層相連， 極性的內(nèi)部能精確地固定K+。它在一側(cè)結(jié)合K+，然后向內(nèi)側(cè)移動通過脂雙層， 在另一側(cè)將K+釋放到細胞內(nèi)(圖3-50)。圖3-50 離

39、子運載的離子載體的作用機制從上面介紹的兩個離子載體的例子可以得到兩個基本結(jié)論: 膜運輸?shù)鞍拙哂羞x擇性; 膜運輸?shù)鞍淄ㄟ^兩種機制進行物質(zhì)運輸，一是形成水性通道，二是同被運輸?shù)奈镔|(zhì)結(jié)合，以可動的形式穿膜，即可動載體(mobile carrier)的運輸。   3.5.2 被動運輸(passive transport) 非電解質(zhì)通過擴散跨過細胞質(zhì)膜必須具備兩個條件:第一，該物質(zhì)在細胞外的濃度很高;第二，細胞質(zhì)膜必須對這種物質(zhì)具有通透性。膜對某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個條件之一：(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過的跨膜孔道。  擴散與滲透

40、細胞質(zhì)膜具有兩個基本的特性允許小分子物質(zhì)通過擴散穿過細胞質(zhì)膜，也可以讓水通過滲透進出細胞質(zhì)膜。但是擴散和滲透是兩個不同的概念(圖3-51)。 擴散(diffusion)是指物質(zhì)沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程，通常把這種過程稱為簡單擴散。 滲透(osmosis)的含義則是指水分子以及溶劑通過半透性膜的擴散。它們都是從自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移動。圖3-51 簡單擴散和滲透的比較正是根據(jù)水與水中溶質(zhì)在膜通透性上的差別，才將膜稱為半透性(semipermeable)。當(dāng)兩種不同濃度的溶液被半透性的膜脂分隔開后，高溶質(zhì)濃度的一側(cè)是高滲的(hypertonic)，

41、而低溶質(zhì)一側(cè)則是低滲的(hypoosmotic)。若兩側(cè)的溶質(zhì)濃度相等，則稱為等滲(iso-osmotic)。如何根據(jù)細胞的滲透現(xiàn)象解釋植物細胞的質(zhì)壁分離(plasmolysis)?  被動運輸: 簡單擴散(simple diffusion)及限制因素簡單擴散是被動運輸?shù)幕痉绞剑恍枰さ鞍椎膸椭?，也不消耗ATP，而只靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差，通過擴散發(fā)生的物質(zhì)運輸。簡單擴散的限制因素是物質(zhì)的脂溶性、分子大小和帶電性。 脂溶性:脂溶性越強，通過脂雙層膜的速率越快(圖3-52)。圖3-52 溶質(zhì)的脂溶性與通過細胞膜能力的關(guān)系 相對分子質(zhì)量:相對分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴散。

42、根據(jù)實驗結(jié)果，推測質(zhì)膜的通透性孔徑不會大于0.51.0nm，能夠擴散的最小分子是水分子。 物質(zhì)的帶電性: 為什么所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小， 都不能自由擴散?一般說來，氣體分子（如O2、CO2、N2）、小的不帶電的極性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通過質(zhì)膜，大的不帶電的極性分子（如葡萄糖）和各種帶電的極性分子都難以通過質(zhì)膜(圖3-53)。圖3-53 不同分子對人工磷脂雙層的通透性  被動運輸:促進擴散(facilitated diffusion)及特點促進擴散是指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)， 如氨基酸、糖和金屬離子等借助細胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學(xué)濃度梯

43、度， 不消耗ATP進入膜內(nèi)的一種運輸方式。促進擴散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度向低濃度進行。 促進擴散同簡單擴散相比，具有以下一些特點 促進擴散的速度要快幾個數(shù)量級。 具有飽和性: 當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達到一定程度時，促進擴散的速度不再提高(圖3-54)。 具有高度的選擇性: 如運輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\輸，但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似的糖類運輸。 膜運輸?shù)鞍椎倪\輸作用也會受到類似于酶的競爭性抑制，以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用。圖3-54 促進擴散與簡單擴散的動力學(xué)比較  通道蛋白與促進擴散通道蛋白(channel protein)是一類橫跨質(zhì)膜，它們都是通過疏水的氨基酸鏈進行重排

44、，形成水性通道， 允許適宜的分子通過(圖3-55)。通道蛋白具有選擇性，所以在細胞膜中有各種不同的通道蛋白。通道蛋白參與的只是被動運輸， 并且是從高濃度向低濃度運輸，所以不消耗能量。圖3-55 極性(帶電性)通道的形成(a) 由單亞基膜蛋白形成的通道;(b)由多亞基蛋白形成的通道?，F(xiàn)已鑒定過的離子通道蛋白在膜中都有開和關(guān)兩種構(gòu)型相當(dāng)于門，所以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gated channel)(圖3-56)。圖3-56 幾種不同的門控離子通道 電位-門控通道(voltage-gated channels)這類通道的構(gòu)型變化依據(jù)細胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生

45、改變， 從而將"門"打開。含羞草的葉片在觸摸時發(fā)生的葉卷曲就是通過電位-門控通道傳遞信號的(圖3-57)。圖3-57 含羞草展開與收縮受電位-門控通道的控制 配體-門控通道(ligand gated channel)這類通道在其細胞內(nèi)外的特定配體(ligand)與其表面受體結(jié)合時發(fā)生反應(yīng)。 脅迫門控通道(stretch-gated channel)這種通道的打開受一種力的作用，聽覺毛狀細胞的離子通道就是一個極好的例子(圖3-58)。圖3-58聽覺毛狀細胞的機械敏感門通道作用原理  載體蛋白(carrier protein)與促進擴散載體蛋白需要同被運輸?shù)碾x子和分子

46、結(jié)合，然后通過自身的構(gòu)型變化或移動完成物質(zhì)運輸。葡萄糖可通過載體蛋白進行促進擴散。運輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過構(gòu)型的變化進行葡萄糖的運輸(圖3-59)。圖3-59 紅細胞質(zhì)膜載體蛋白促進葡萄糖擴散示意圖  水的被動運輸水是一種特別的物質(zhì)，之所以特別是因為水分子雖然不溶于脂， 并且具有極性， 但也很容易通過膜。 水通道蛋白(aquaporin)大多數(shù)水是直接通過脂雙層進入細胞的，也有些水是通過水通道蛋白進行擴散的。動物和植物細胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種不同的水通道蛋白。水通道蛋白 AQP1是人的紅細胞膜的一種主要蛋白。它能夠讓水自由通過(不必結(jié)合)，但是不允許離子或是其他的小分子(包括蛋白質(zhì))

47、通過(圖3-60)。圖3-60 AQP1水通道蛋白AQP1是由四個相同的亞基構(gòu)成，每個亞基的相對分子質(zhì)量為28kDa，每個亞基有六個跨膜結(jié)構(gòu)域，在跨膜結(jié)構(gòu)域2與3、5與6之間有一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是水通過的通道(圖3-61)。圖3-61 水孔蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域該蛋白的氨基端與羧基端是完全對稱，即1，4、2，5、3，6完全對稱。  3.5.3 主動運輸(active transport)主動運輸涉及物質(zhì)輸入和輸出細胞和細胞器，并且能夠逆濃度梯度或電化學(xué)梯度。如何理解"被動運輸是減少細胞與周圍環(huán)境的差別，主動運輸則是努力創(chuàng)造差別"?  主動運輸?shù)奶攸c主動運

48、輸具有四個基本的特點:逆梯度運輸;依賴于膜運輸?shù)鞍?需要代謝能，并對代謝毒性敏感;具有選擇性和特異性。 建立濃度梯度或電化學(xué)梯度 細胞靠主動運輸建立和維持各種離子在細胞內(nèi)的不同濃度(表3-5)，這些離子的濃度差異對于細胞的生存和行使功能至關(guān)重要。表3-5 典型動物細胞內(nèi)外離子濃度的比較成份細胞內(nèi)濃度(mM)細胞外濃度(mM)陽離子  Na+5-15145K+1405Mg2+*0.51-2Ca2+*10-71-2陰離子  Cl-5-15110固定的陰離子*高0* 表中給出的Ca2+和Mg2+的濃度是游離存在于胞質(zhì)溶膠中的濃度;Mg2+在細胞中的總濃度為2m

49、M，Ca2+則是1-2mM。但它們大多是與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起的，Ca2+則存在于細胞器中。* 指細胞內(nèi)存在的帶負(fù)電的有機分子，它們不能通過細胞質(zhì)膜。 消耗能量 主動運輸是消耗代謝能的運輸方式，有三種不同的直接能量來源（表3-7）表3-7 主動運輸中能量來源載體蛋白功能能量來源直接能源  Na+-K+泵Na+的輸出和K+的輸入ATP細菌視紫紅質(zhì)H+從細胞中主動輸出光能磷酸化運輸?shù)鞍准毦鷮ζ咸烟堑倪\輸磷酸烯醇式丙酮酸間接能源  Na+、葡萄糖泵協(xié)同運輸?shù)鞍譔a+、葡萄糖同時進入細胞Na+離子梯度F1-F0 ATPaseH+質(zhì)子運輸，H+質(zhì)子梯度驅(qū)動 選擇性和特

50、異性 不同的運輸泵轉(zhuǎn)運不同的離子。  參與主動運輸?shù)倪\輸ATPase(transport ATPase)參與主動運輸?shù)妮d體蛋白常被稱為泵(pump)，這是因為它們能利用能量做功。由于它們消耗的代謝能多數(shù)來自ATP，所以又稱它們?yōu)槟衬矨TPase。共有四種類型的運輸ATPase， 或稱運輸泵:P型離子泵(P-type ion pump)，或稱P型ATPase 。此類運輸泵運輸時需要磷酸化(P是phosphorylation的縮寫)，包括Na+-K+泵、Ca2+離子泵。V型泵(V-type pump)，或稱V型ATPase，主要位于小泡的膜上( V代表vacuole或vesicle)，

51、如溶酶體膜中的H+泵， 運輸時需要ATP供能， 但不需要磷酸化。F型泵(F-type pump)，或稱F型ATPase。這種泵主要存在于細菌質(zhì)膜、線粒體膜和葉綠體的膜中， 它們在能量轉(zhuǎn)換中起重要作用， 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子(F即fector的縮寫)。圖3-62是上述三種運輸泵的結(jié)構(gòu)模式圖圖3-62 P型、V型和F型運輸泵的結(jié)構(gòu)ABC運輸?shù)鞍?ATP-binding cassettle transportor)， 這是一大類以ATP供能的運輸?shù)鞍祝?已發(fā)現(xiàn)了100多種， 存在范圍很廣，包括細菌和人。 四種運輸ATPase在結(jié)構(gòu)、存在部位和功能上有什么不同?  主動運輸?shù)姆较?/p>

52、根據(jù)載體對物質(zhì)轉(zhuǎn)運的能力和方向分為單向運輸(uniports)和偶聯(lián)運輸(coupling transport)兩種類型(圖3-63)。圖3-63 單向、同向和逆向運輸?shù)谋容^  P-型離子運輸泵的作用機理P型泵的主要特點:都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運輸有關(guān)的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離子的跨膜運輸。 Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的結(jié)構(gòu)、作用原理Na+/K+泵是動物細胞中由ATP驅(qū)動的將Na+ 輸出到細胞外同時將K+輸入細胞內(nèi)的運輸泵，又稱Na+泵或Na+/K+交換泵。實際上是一種Na+ /K+ ATPase。 結(jié)構(gòu): Na+ /K+ ATPase由兩個大亞基(亞基)和兩個小亞基(亞基)組成。亞基是跨膜蛋白，在膜的內(nèi)側(cè)有ATP結(jié)合位點;在亞基上有Na+和K+結(jié)合位點(圖3-6