细胞生物学之笔记--第4章细胞膜与物质的穿膜运输

第四章细胞膜与物质的穿膜运输第一节细胞膜的化学组成与生物特性一、细胞膜的化学组成细胞膜上的脂类=膜脂（membranelipid），约占膜成分的50%，主要有磷脂（phospholipid）、胆固醇（cholesterol）、和糖脂（glycolipid）（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架1．磷脂是膜脂的主要成分甘油磷酸的共同特征：以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别于脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸基团形成酯键。磷酸基团结合胆碱/乙醇胺/丝氨酸/肌醇。脂肪酸链长短不一，通常14~24个碳原子，一条脂肪酸链不含双键，另一条含有一个或几个双键，形成30°弯曲。鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，鞘氨醇的氨基结合长链的不饱和脂肪酸，分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇、1-磷酸鞘氨醇参与各种细胞活动。神经酰胺是第二信使；1-磷酸鞘氨醇在细胞外通过G蛋白偶联受体起作用，在细胞内与靶蛋白作用2．胆固醇能够稳定细胞膜和调节膜的流动性胆固醇为两性极性分子。极性头部为连接于固醇环（甾环）上的羟基，靠近相邻的磷脂分子。固醇环疏水，富有刚性，固定在磷脂分子临近头部的烃链上，对林芝的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用。尾部为疏水性烃链。埋在磷脂的疏水尾部中。胆固醇分子调节膜的流动性和加强膜的稳定性。没有胆固醇，细胞膜会解体。PS.不同生物膜有各自特殊的脂类组成。哺乳动物细胞膜上富含胆固醇和糖脂，线粒体膜内富含心磷脂；大肠杆菌质膜则不含胆固醇。3．糖脂主要位于质膜的非胞质面糖脂含量占膜脂总量5%以下，遍布原核、真核细胞表面细菌和植物的糖脂均是甘油磷脂衍生物，一般是磷脂酰胆碱PC衍生来动物糖脂都是鞘氨醇衍生物，称为鞘糖脂，糖基取代磷脂酰胆碱，成为极性头部已发现40多种糖脂，区别在于极性头部不同，由1至几个糖残基构成最简单的糖脂是脑苷脂，极性头部只是一个半乳糖/葡萄糖残基最复杂的糖脂是神经节苷脂，极性头部有七个糖残基；在神经细胞膜中最丰富，占总膜脂5%~10%脂质体（lipidsome）可以作运载体（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合又称含量作用力特点膜内在蛋白穿膜蛋白70%~80%范德华力α-螺旋构象/β-筒孔蛋白膜外在蛋白外周蛋白20%~30%非共价键水溶性脂锚定蛋白脂连接的蛋白共价键运动性增大1.内在膜蛋白又称跨膜蛋白，占膜蛋白总量70%~80%；分单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜三种类型跨膜区域20~30个疏水氨基酸残基，通常N端在细胞外侧内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合区域，作用方式：①疏水氨基酸形成α-螺旋，跨膜并与脂双层脂肪酸链通过范德华力相互作用②某些α-螺旋外侧非极性，内侧是极性链，形成特异性畸形分子的跨膜通道多数跨膜区域是α-螺旋，也有以β-折叠片多次穿膜形成筒状结构，称β-筒，如孔蛋白(porin)2.外在膜蛋白又称外周蛋白，占膜蛋白总量20%~30%；完全在脂双层之外，胞质侧或胞外侧，通过非共价键附着膜脂或膜蛋白胞质侧的外周蛋白形成纤维网络，为膜提供机械支持，也连接整合蛋白，如红细胞的血影蛋白和锚蛋白外周蛋白为水溶性蛋白，与膜结合较弱，改变溶液离子浓度或pH，可分离它们而不破坏膜结构3.脂锚定蛋白①一种位于膜的两侧，蛋白质直接以共价键结合于脂类分子；此种锚定方式与细胞恶变有关②还有糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)，通过蛋白质C端与磷脂酰肌醇连接的糖链共价结合脂锚定蛋白在膜上运动性增大（侧向运动），有利于结合更多蛋白，有利于更快地与胞外蛋白结合、反应GPI-锚定蛋白分布极广，100种以上，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等4.去垢剂（detergent）离子型去垢剂：SDS十二烷基磺酸钠引起蛋白质变性非离子型去垢剂：TritonX-100对蛋白质比较温和（三）膜糖类覆盖细胞膜表面细胞膜的糖类，占质膜重量2%~10%；①大多以低聚糖或多聚糖共价结合膜蛋白，形成糖蛋白（糖蛋白中的糖基化主要发生在天冬酰胺（N-连接），其次是丝氨酸和苏氨酸（O-连接）残基上）；②或以低聚糖共价结合膜脂，形成糖脂，所有糖链朝向细胞外表面形成低聚糖的单糖类型：甘露糖、岩藻糖、半乳糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸等A.唾液酸残基在糖链末端，形成细胞外表面净负电荷B.寡糖链中的单糖的数量、种类、排列顺序、有无支链等不同，可以出现千变万化的组合形式。Eg.人类ABO血腥抗原的差别就是血型糖蛋白在红细胞质膜外表面寡糖链的组成结构决定。△细胞外被cellcoat=糖萼glycocalyx=与质膜相连的糖类物质功能：①保护细胞抵御各种物理、化学性损伤②建立起水盐平衡③帮助蛋白质膜上定位、固定，防止翻转④参与细胞与外环境的作用，eg识别、粘附、迁移二、细胞膜的生物学特性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性和生命活动的高度有序性1．膜脂的不对称性SM、PC在细胞外侧叫多，PE在细胞内侧较多。2．膜蛋白的不对称性各种膜蛋白在质膜中有特定位置，分布绝对不对称：酶和受体多分布于质膜的外侧面，而腺苷酸环化酶定位内侧面跨膜蛋白有一定方向性：多数N外C内，两端肽链长度、氨基酸种类、活性位点不同3．膜糖的不对称性都向着非胞质面（二）膜的流动性是膜功能活动的保证流动性fluidity主要是指膜脂的流动性+膜蛋白的运动性1．脂双层为液晶态二维流体液晶态（lipid-crystalstate）脂双分子层已有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性。细胞内外的水环境，使膜脂分子不能从脂双层逸出，只能在二维平面交互位置。相变（phasetransition）正常体温下，膜呈液晶态；当温度下降到临界温度(膜的相变温度)，膜脂转为晶态膜的流动性是膜功能活动的保证。2．膜脂分子的运动方式①侧向扩散lateraldiffusion=脂双层的单分子层内，脂分子沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置，每秒约107次。侧向扩散运动时膜脂分子主要的运动方式。。②翻转运动flip-flop从脂双层一层翻转到另一层，需要翻转酶，在内质网发生③旋转运动rotation膜脂分子围绕与膜平面向垂直的轴的自旋运动④弯曲运动flexion膜脂分子的烃链是有韧性、可弯曲的，分子尾部端弯曲、摆动幅度大，而靠近头部弯曲摆动幅度小。⑤此外，还有伸缩、震荡3．影响膜脂流动性的因素①脂肪酸链的饱和程度磷脂分子长的饱和脂肪酸链呈直线型，具有最大的聚集倾向而排列紧密成凝胶状态；不饱和脂肪酸链在双键出形成折曲而呈弯曲状，感染了脂分子间范德华力的相互作用，故排列疏松，从而增加了膜的流动性。∴脂双分子层中含有的不饱和脂肪酸越多，膜的相变温度越低，流动性越大。环境温度降低时，A.细胞通过去饱和酶（desaturases）催化将胆碱去饱和形成双键。B.通过磷脂酶&脂酰转移酶在不同的磷脂分子之间重组脂肪酸链以产生含两个不饱和脂肪酸链的磷脂分子。②脂肪酸链的长短脂肪酸链短的相变温度低，流动性大。短→尾端不易发生相互作用；长→不仅可以在同一分子称内相互作用，而且可以与另一分子层中的长链尾端相互作用③胆固醇的双重调节作用A.当温度在相变温度以上时，由于胆固醇分子的固醇环与磷脂分子靠近极性头部的烃链部分结合，限制了这几个CH2的运动，起到稳定质膜的作用。B.当温度在相变温度以下时，由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态的形成。④卵磷脂与鞘磷脂的比值哺乳动物细胞中，卵磷脂和鞘磷脂的含量约占膜脂的50%，卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂则相反。在细胞衰老过程中，卵磷脂和鞘磷脂的比值下降，流动性也下降。⑤膜蛋白的影响膜蛋白嵌入膜脂疏水区后，是周围的脂类分子不能单独活动而形成界面脂；在含较多内在蛋白的膜中，存在有内在蛋白分割包围的富脂区（lipid-richregion）磷脂分子智能在一个富脂区内自有扩散，而不能扩散到邻近的富脂区此外，膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度等都对膜脂流动性产生一定影响。环境温度高，膜脂流动性大；相变温度内，每下降10℃，膜的粘性增加3倍，膜流动性降低4．膜蛋白的运动性①侧向扩散膜蛋白在膜脂中可以自有漂浮&在膜表面扩散。人鼠杂交细胞表面抗原分布变化可证明。目前测定膜蛋白的侧向扩散常采用光致漂白荧光恢复法（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）②旋转运动膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动。速度比侧向扩散慢；不同膜蛋白速度不同，有些膜蛋白无法运动；膜蛋白周围脂质的流动性影响膜蛋白的流动性膜蛋白的运动不需要消耗能量膜的流动性意义重大：物质运输、细胞识别、信息传导等；生物膜的各种功能都是在膜的流动状态下进行的，膜的流动过低，代谢终止三、细胞膜的分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点1935年，JamesDanielli和HughDavson发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面表面张力，推测质膜中有蛋白质；提出“片层结构模型”(蛋白-磷脂-蛋白三层夹板式结构)（二）单位膜模型体现膜形态结构的共同特点1959年，J.D.Robertson电镜观察细胞膜“两暗夹一明”——单位膜单位膜模型：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；能对膜的某些属性进行解释，被普遍采用，但是把膜作为静止的单一结构（三）流动镶嵌模型是被普遍接受的模型1972年，“流动镶嵌模型”Fluidmosaicmodel：磷脂双层构成膜的连续主体，具有晶体的有序性和液体的流动性；球形蛋白质分子以不同形式结合脂双层分子；膜是一种动态的、不对称的具有流动性结构1975年，“晶格镶嵌模型”：膜脂可逆地进行“有序(液态)”和“无序(晶态)”相变，膜蛋白对膜脂的运动具有限制作用，流动性是局部的1977年，“板块镶嵌模型”：流动的脂双层中存在能独立移动脂类板块（四）脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识脂双层中由特殊脂质和蛋白质组成的微区，富含胆固醇和鞘脂类，聚集特定种类膜蛋白；此膜区较厚（鞘脂类脂肪酸链较长），称“脂筏”Lipidrafts，其周围富含不饱和磷脂，流动性较高脂筏的两个特点：许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用；脂筏提供有利于蛋白质变构的环境，形成有效构象脂筏功能：参与信号转导、受体介导内吞作用、胆固醇代谢运输等第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、膜的选择性通透和简单扩散简单扩散(simplediffusion):小分子的热运动使分子以自由扩散的方式由膜一侧扩散到另一侧，条件：溶质在膜两侧有一定浓度差，溶质必须能透过膜脂溶性物质如醇、苯、甾类激素、O2、CO2、NO、H2O通过简单扩散跨膜简单扩散不需要运输蛋白协助，顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向扩散，不消耗能量；也称“被动扩散”passivediffusion二、膜运输蛋白介导的穿膜运输除了水和非极性小分子，绝大多数溶质如各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸等都不能简单扩散穿膜转运特定膜蛋白——膜运输蛋白(跨膜蛋白，每种只转运一种特定类型溶质)膜运输蛋白分两类：①载体蛋白carrierprotein：与特定溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜②通道蛋白channelprotein：形成水溶性通道，贯穿脂双层，通道开放时，特定溶质(无机离子)可穿越脂双层被动运输passivetransport所有通道蛋白和许多载体蛋白，转运溶质分子不消耗能量，消耗顺电化学浓度梯度的势能“主动运输”activetransport逆电化学浓度梯度转运溶质，需要载体蛋白参与，还需要消耗能量ATP；这种利用代谢产生能量的进行逆浓度梯度的转运称为主动运输。能量来源：ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动etc（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输∆易化扩散facilitateddiffusion=帮助扩散=非脂溶性或亲水性小分子，不能简单扩散通过细胞膜，需载体蛋白介导不消耗代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运∆