第四章 细胞膜与物质的运输

3.脂锚定蛋白
• 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein） • 两种方式以共价键与质膜的脂类分子结合 • 一种是直接与质膜的脂质分子碳氢链结合 在胞质侧，如Src和Ras，这种锚定与细胞 恶性转化有关（胞质侧碳氢链+Src/Ras） • 另一种是质膜外表面的蛋白质与外层磷脂 酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合（糖链+ 蛋白质），称糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白， 如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分 子、膜受体和G蛋白等100多种。
（1）膜蛋白运动形式 • 侧向扩散 膜蛋白在同一层漂浮扩散，没有翻转运动 细胞融合实验 用培养的人和小鼠成纤维细胞进行融合， 形成人-小鼠杂交细胞 人荧光（红）标记膜蛋白抗体 人膜蛋 白 小鼠荧光（绿）标记膜蛋白抗体 小鼠 膜蛋白
• 旋转运动 围绕垂直于膜平面的轴旋转 自发的热运动，不需能量
• 变构运动 通道蛋白构形改变，执行相关功能 载体蛋白
第四章 细胞膜与物质的运输
主要内容 ◘ 细胞膜的化学组成与分子结构 ◘ 小分子物质的跨膜运输 ◘ 大分子和颗粒物质的跨膜运输 ◘ 细胞表面及其特化结构 ◘ 细胞膜异常与疾病
第一节 细胞膜的化学组成和分子结构
细胞膜（cell membrane）
• 细胞的界膜，又称质膜（plasma membrane） • 选择性运输物质 • 感受外界信号，传递信息 • 细胞膜与细胞内膜结构相同，统称生物膜 （biological membrane） 单位膜，透射电镜下呈“两暗夹一明” 的三层结构，厚约8nm
磷脂酰乙醇胺
磷脂酰丝氨酸
磷脂酰胆碱
鞘磷脂
磷脂分子
2.胆固醇（cholesterol）
• 散布在磷脂分子之间的中性脂质 • 极性头部为羟基团，紧靠磷脂极性头部 • 非极性疏水结构为甾环和烃链 • 稳定膜，调节膜的流动性 甾环结构使与之相邻的磷脂疏水尾 部的一部分不易活动
3.糖脂（glycolipid）
2.电压门控通道 ( voltage-gated channel )
• 受跨膜电压变化调节的通道
3.应力激活通道（stress-activated channel） • 感应力使构象改变，通道打开，膜电位变 化 • 内耳毛细胞传递声波信号给听觉神经元
细胞膜结构
一、细胞膜的化学组成
• 脂类（lipid） • 蛋白质（protein） 50％ • 糖类（glucide） ％ • 其它：水、无机盐、金属离子 50％ 40～ 1～10 少量
（一）膜脂（membrane lipid）
1.磷脂分子 • 磷脂构成细胞膜的基本成分，占膜的50％多 • 常见磷脂分子：磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、 磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酰肌醇 • 共同结构特征： 磷脂酰碱基 ＋ 甘油 ＋脂肪酸 头部：磷脂酰碱基部分，有极性，亲水 尾部：脂肪酸链，14～24个C，无极性，疏 水 膜脂是两亲性分子，膜上内外两侧是亲水的
1. 内在膜蛋白（intrinsic proteins）
• 又称跨膜蛋白（transmembrane protein），占膜 蛋白70％～80％，全部或部分插入细胞膜内 • 大部分跨膜蛋白以α螺旋单次或多次穿膜，带Ⅲ蛋白 • 少数跨膜蛋白以β- 折叠多次穿膜形成β筒状结构，如 孔蛋白（porin）。
（一）离子通道转运各种离子
• 属被动运输 顺梯度，运输时不与溶质结 合 • 转运速率高 106~108个/秒 • 高度选择性 特异性的通道 • 离子通道的开关受闸门控制
1.配体门控通道 ( ligand-gated channel ) 受配体（激素、药物）控制的通道
乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道
2、单位膜模型(unit membrane model)
• 1959年Robertson提出 • 电镜下生物膜呈两暗夹一明的三层结构，称 单位膜 • 磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外 与附着的蛋白质构成暗带，疏水尾部向内构 成明带 • 膜蛋白是单层肽链以β折叠通过静电作用与磷 脂极性端结合
单位膜
4、脂筏模型（lipid rafts model） • 近年发现含胆固醇和鞘磷脂的微区，聚集了 特定的蛋白质 • 这种含特殊脂质和蛋白质的微区较膜其它部 位厚，更有序，较少流动，称脂筏 • 脂筏直径约70～100nm，其上数百个蛋白 质形成小窝（caveolae），它可转运生物活 性分子入细胞，参与信号转导 • 脂筏的特点 一是聚集蛋白质，便于相互作用 二是提供蛋白质变构环境，形成有效的变构
人工脂双层对各种分子的相对通透性
2.简单扩散（simple diffusion） • 物质顺电化学梯度自由穿膜运输方式 • 不需要膜蛋白协助 • 不需要细胞提供能量 • 两类物质可简单扩散 一类是疏水的小分子：氧气、氮气、苯等 另一类是不带电的极性小分子：水、二氧化 碳、乙醇、尿素、甘油等
扩散速度取决于
3.膜糖的不对称性
• 寡糖链连接在质膜的外表面 • 内膜系统的寡糖链连接在膜腔的内侧面 • 糖脂分布在极性上皮细胞的游离面，磷脂 酰胆碱主要是分布在基底面上 • 膜糖、脂类和蛋白质的不对称，保证了膜 两侧的功能不同和方向性
（二）膜的流动性
1. 膜脂的流动 脂双层是一种二维流体，因细胞内外的 水环境阻止膜脂分子自双层中逸出，只能在双 层内运动和交换位置
不同膜性细胞器脂类组成不同
• 质膜 鞘磷脂、磷脂酰胆碱、胆固醇 • 核膜、内质网膜、线粒体外膜 磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌 醇 • 高尔基复合体膜 脂类组成介于内质网与质膜之间 • 线粒体内膜 富含心磷脂
2. 膜蛋白分布的不对称 • 跨膜蛋白的方向性 血型糖蛋白N端在膜的非胞质侧（外） 带Ⅲ蛋白的N端在膜的胞质侧（内） • 酶蛋白的分布不同 膜外表面：Mg2+-ATP酶、5’核苷酸酶、 磷酸二酯酶 膜内表面：腺苷酸环化酶（AC） • 红细胞膜的冰冻断裂技术显示内层膜蛋白颗 粒比外层多1倍（外层为1400个/µm2）
脑苷脂
神经节苷脂
唾液酸残基
膜脂在水中自动形成双层
• 亲水头部露在外面 • 疏水尾部藏在里面 • 形成脂双分子层或 磷脂分子团(脂质体)
（二）膜蛋白（membrane protein）
• 约占50％，线粒体内膜高达75％，神经髓鞘低于25 ％ • 膜蛋白的功能： 转运分子、传递信息、支撑连接、酶活性… • 三类膜蛋白：内在膜蛋白、外在膜蛋白和脂锚定蛋白
• 分子大小 • 脂溶性程度 • 电化学梯度
二、膜转运蛋白介导的跨膜运输
• 两类膜转运蛋白： 一类为载体蛋白（carrier protein），结 合特定溶质，改变构象，跨膜运输 一类为通道蛋白（channel protein）， 形成（开放）通道，让特定溶质穿膜运动 • 被动运输与主动运输 被动运输：通道蛋白及许多载体蛋白介导， 顺浓度梯度，不消耗代谢能 主动运输：特定的载体蛋白介导，逆浓度梯 度，消耗代谢能量
ห้องสมุดไป่ตู้
• 卵磷脂与鞘磷脂的比值 哺乳动物细胞中，卵磷脂与鞘磷脂各为50%， 卵磷脂：不饱和脂肪酸多，相变温度低 鞘磷脂：饱和脂肪酸多，相变温度高，流动性 比值大 流动性 ， 比值小 流动性 • 膜蛋白的影响 膜蛋白嵌入膜脂类分子结合形成界面脂， 降低膜的流动性
• 膜蛋白多 性低
膜微粘度增加
流动
2. 膜蛋白的流动
ABO血型
Glu：葡萄糖 Gal：半乳糖 GalNAc： N-乙酰半乳糖 胺 Fuc：海藻糖
二、细胞膜的特性
（一）膜不对称性（membrane asymmetry） 1. 膜脂分布的不对称 • 内外两层的脂类分子不对称 膜外层：磷脂酰胆碱和鞘磷脂 膜内层：磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰肌醇 • 糖脂 只分布膜外侧和内膜系统的非胞质侧
2）影响膜脂的流动性
• 脂肪酸链的饱和程度 不饱和脂肪酸（双键） 流动性 • 脂肪酸链的长短 链短 相变温度 流动 性 • 胆固醇的双重调节作用 相变温度之上：胆固醇 流动性 稳 定 相变温度之下：胆固醇 干扰烃链相互 凝集 防止膜流动性突然降低
• 烃链长短和饱和程度 链短、含双键 流动性大 • 相变温度 相变： 溶胶（液态） 凝胶（晶态） 链短、含双键 相变温度低 • 相分离（phase separation） 以不同饱和程度磷脂组成的人工膜有多 个相变点，在某相变点时同时存在溶胶和凝 胶状态。
模式图
电镜下细胞膜
3、流动镶嵌模型(fluid mosaic model)
• 1972年Singer和Nicolson提出 • 磷脂双层构成膜的连续主体 • 强调球形蛋白质镶嵌在脂双分子层内 • 膜是一种动态的、不对称的具有流动性特 点的结构
• 1975年Wallach提出晶格镶嵌模型 镶嵌蛋白及周围形成晶态，流动性的脂类呈 小片点状分布（液态），说明了流动性、稳 定性和完整性。 • 1977年Jouin和White提出板块镶嵌模型 • 脂双层中刚性较大的脂类板块独立移动 • 板块之间是流动的脂类区 • 晶格镶嵌模型及板块镶嵌模型和液态镶嵌模 型实际上没有本质的差异，不过是膜流动性 的分子基础进行了补充说明
• 占膜脂分子的5％，由脂类和寡糖构成 • 糖基暴露在细胞外侧 • 细菌和植物细胞的糖脂由甘油酯类衍生来的， 一般为磷脂酰胆碱 • 动物细胞的糖脂是由鞘氨醇衍生来的，称为 鞘磷脂 • 不同类型的糖脂主要区别在于极性头部不同 • 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,存在髓鞘中 • 最复杂的糖脂是神经节苷脂 （ganglioside）,含1个以上唾液酸残基， 存在神经细胞膜上
• 脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬 化、老年痴呆、疯牛病等
第二节 小分子物质的跨膜转运
一、膜的选择通透性和简单扩散 1. 细胞膜是选择性半透膜 • 膜的通透性（permeability）
质膜选择性的允许或阻止一些物质通过的 特性。 • 离子浓度差 细胞膜的选择通透性造成细胞内外的离 子浓度差
2. 外在膜蛋白（extrinsic proteins）
• 也称外周蛋白（peripheral protein），占 20％～30％，位于膜的内外表面，内面较多 • 主要是水溶性蛋白质 • 连接较松散，温和处理就与膜分离 周边蛋白通过离子键、氢键或静电作用 与膜脂分子相互作用 高盐溶液可破坏离子键，不需用去垢剂 如：血影蛋白、锚蛋白。细胞色素C等
1）膜脂分子的运动形式 • 烃链的旋转异构运动（流动性的主要因素） C一C 自由旋转产生旋转异构体 反式构象 歪扭构象 • 侧向扩散（lateral diffusion） 同一单分子层内脂类分子交换位置，107次/秒。 扩散距离为1～2 µm/秒
• 翻转运动（flip-flop） 膜脂分子从一层翻转到另一层，慢而少，但 在内质网膜上频繁，造成膜的不对称性 • 旋转运动（rotation） 膜脂分子垂直于膜平面围绕其纵轴快速转动 • 伸缩振荡运动 膜脂的脂肪酸链沿着与膜平面垂直的长轴进 行伸缩、振荡运动。
• N冲动传至神经末梢，电压闸门Ca2+通道瞬 时开放 • Ca2+内流使突触小泡释放Ach • Ach结合突触后膜受体，使Na+通道开放 • 肌细胞膜Na+内流使电压闸门Na+通道短暂 开放 • 肌细胞膜去极化，肌浆网上Ca2+通道开放 • Ca2+内流，引起肌原纤维收缩
神经肌肉接头处离子通道
乙酰胆碱是五聚体跨膜蛋白（α2βγδ）
膜的流动性与膜功能的完成有着密切的关系
三、细胞膜的分子结构模型 1、片层结构模型(lamella structure model) • 1935年Danielli和Davson提出第一个膜的 分子结构模型 • 双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相 对，亲水端朝向膜的内外表面 • 球形蛋白质附着在脂双层的两侧表面，形成 蛋白质-磷脂-蛋白质三层甲板式结构
（三）膜糖类
• 占质膜重量的2~10% • 糖蛋白和糖脂的糖链位于质膜外侧 • 7种单糖：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳 糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸 • 单糖的数量、种类、排列顺序及其分支不 同组成千差万别的组合形式 • 唾液酸残基常见于糖链的末端，形成真核 细胞表面的负电荷
Cell coat （又称糖萼，glycocalyx）