细胞质膜与跨膜运输.docx
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细胞质膜与跨膜运输
3细胞质膜与跨膜运输
3.细胞质膜与跨膜运输
3.1概述
细胞质膜（plasmamembrane）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（cytoplasmicmembrane，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（plasmamembrane）、内膜（internalmembrane），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（delineationandcompartmentalization）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（regulationoftransport）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（detectionandtransmissionofsignals）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（intercellularinteraction）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（energytransduction）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（redbloodcell，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7.5～8.3μm，厚度1.7μm，体积8.3μm3，表面积为14.5μm2，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
●CharlesOverton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。
●IrvingLangmuir的研究工作
将红细胞的脂提取后铺展在Langmuir水盘（LangmuirTrough）的水面上（图3-8），研究了脂的展层行为，提出脂单层（lipidmonolayer）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。
IrvingLangmuir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3-8Langmuir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1.8～2.2∶1，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（lipidbilayer）的概念。
3.2.3红细胞质膜（plasmamembraneoftheredbloodcell）
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（theerythrocytemembraneskeleton）
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（glycophorinA）
●带3蛋白（band3protein）
●肌动蛋白（actin）
●锚定蛋白（ankyrin）
●带4.1蛋白（band4.1protein）
●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
49
43
8
神经鞘
18
79
3
肝细胞
54
36
10
核膜
66
32
2
高尔基体
64
26
10
内质网
62
27
10
线粒体
外膜
55
45
痕迹量
内膜
78
22
-
叶绿体
70
30
-
3.3.1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
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）
1.5
0.5
0
0
磷脂酰胆碱（PC）
19
10
39
0
磷脂酰乙醇胺（PE）
18
20
27
65
磷脂酰甘油（PG）
0
0
0
18
磷脂酰丝氨酸（PS）
8.5
8.5
0.5
0
心磷脂
0
0
22.5
12
鞘磷脂
17.5
8.5
0
0
糖脂
10
26
0
0
胆固醇
22
26
3
0
●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（membranecarbohydrates）
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）。
●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（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）。
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
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（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。
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（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）。
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
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（membranefluidity）
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。
①侧向扩散（lateraldiffusion）；
②旋转运动（rotation）；
③伸缩运动（flex）；
④翻转扩散（transversediffusion），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）:
①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。
②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。
③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.DavidFrye和MichaelEdidin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（fluorescencerecoveryafterphotobleachingFRAP）
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（electronspin-resonancespectrocopy，SER）
最早证明脂双层中脂的流动性实验是本世纪60年代HardenMcConn
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