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第四章细胞质膜第一节细胞质膜的结构模型细胞质膜（plasmamembrane）又称细胞膜（ccllmembrane），围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成；细胞内膜指围绕各种细胞器的膜；两者统称为生物膜。一、生物膜的结构模型“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型单位膜模型生物膜的流动镶嵌模型:脂筏模型（1）生物膜的流动镶嵌模型：主要强调膜的流动性及膜蛋白的不对称性。该模型得到广泛接受。二、目前对生物膜结构的认识①磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分。它以疏水性尾部相对，亲水性头部朝向水相，在水相中自发形成封闭的膜系统；②蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，膜蛋白决定生物膜功能；③生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。三、细胞质膜的组成成分及特点1．膜脂膜脂是生物膜的基本组成成分种类：磷脂、糖脂和胆固醇2．脂质体根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。应用：①研究细胞膜生物学性质；②脂质体中裹入DNA可用于基因转移；③临床治疗中，脂质体作为药物载体。3．膜蛋白种类（1）外在（外周）膜蛋白：水溶性蛋白，靠离子键或其他弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。（2）内在（整合）膜蛋白：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋结构域，与膜脂共价结合紧密，需用去垢剂使质膜崩解后才可分离。用去垢剂分离（3）脂质锚定蛋白通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。去垢剂：是一端亲水一端疏水的两性小分子；是分离与研究膜蛋白的常用试剂。分为离子型去垢剂（如SDS）和非离子型去垢剂（如Tritonx-100），前者对蛋白质作用剧烈，使蛋白变性，因而常用非离子型去垢剂获得有生物活性的蛋白质。第二节生物膜基本特征与功能一、膜的流动性二、膜的不对称性一、膜的流动性（1）膜脂的流动性：膜脂的四种热运动方式：①沿膜平面的侧向运动，是最基本的运动方式；②脂分子围绕轴心的自旋运动；③脂分子尾部的摆动；④双层脂分子之间的翻转运动。膜脂流动的流动性主要指脂分子的侧向运动，其影响因素有：①脂肪酸链的不饱和度增加，膜的流动性增加；②卵磷脂／鞘磷脂的比值增大，膜的流动性增加；③脂肪酸链的长度增加，膜的流动性降低；④在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用，胆固醇还可增加膜的机械稳定性。（2）膜蛋白的流动性：荧光抗体标记实验表明，膜蛋白的运动是自发的热运动，不需细胞代谢产物的参加，也不需要提供能量；可出现成斑以及成帽现象；它受温度、细胞骨架以及膜脂分子等多个因素的影响。（3）光脱色恢复技术：是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一，其原理是根据荧光恢复的速度推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。二、膜的不对称性（1）细胞质膜各部分的名称：与细胞外环境接触的膜面称细胞外表面（extrocytoplasmicsurface，ES），与细胞基质接触的膜面称原生质表面（protoplasmicsurface，PS）；样品经冰冻断裂处理后，细胞质膜可从脂双层中央断开，产生细胞外小页断裂面（extrocytoplasmicface，EF）以及原生质小页断裂面（protoplasmicface，PF）。（2）膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖基侧链仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础。（3）膜蛋白不对称性：膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。三、细胞质膜的基本功能①形成相对稳定的内环境；②选择性物质运输并伴随能量传递；③提供细胞识别位点，完成信号跨膜传递；④进行酶促反应；⑤介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；⑥形成细胞表面特化结构；⑦膜蛋白与疾病发生与靶向治疗相关。第五章物质的跨膜运输第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输。跨膜运输的三种途径：①被动运输；②主动运输；③胞吞作用与胞吐作用。一、脂双层的不透性和膜转运蛋白活细胞内外离子浓度不同，胞外[Na+]高，胞内[K+]高。浓度差的调控机制：①膜转运蛋白的活性；②质膜脂双层的疏水性特征。生物膜上存在两种类型的膜转运蛋白：跨膜转运小的有机分子和带电荷的无机分子。（1）载体蛋白：又称通透酶，生物膜上普遍存在的跨膜蛋白。能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导跨膜被动运输或主动运输。跨膜转运特点：①特异性；②可饱和性；③转运速率类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线；④pH依赖；⑤可被底物类似物抑制；⑥与酶不同，载体蛋白可以改变反应过程的平衡点。（2）通道蛋白：特点①形成具有多次跨膜的通道，不需要与溶质分子结合，只介导被动运输；②绝大多数通道对离子的大小和所带电荷具有选择性，转运速率较高；③没有饱和值；④离子通道是门控的，适宜的信号刺激使通道处于开和关两种构象。类型有：电压门通道、配体门通道、压力激活通道。二、被动运输（passivetransport）跨膜转运方向：高浓度侧一低浓度侧。动力来自：膜两侧的物质浓度差（不消耗能量）。（1）简单扩散：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子以热运动的方式通过细胞质膜。特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助。（2）协助扩散（facilitateddiffusion）：各种极性分子和无机离子，如糖、氨基、核苷酸等，在特异的膜转运蛋白”协助”下进行的跨膜转运方式。特征：①相比简单扩散转运速率高；②转运速率同物质浓度成非线性关系；③具有特异性，即一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。三、主动运输（activetransport）特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要细胞提供能量；③都有载体蛋白。主动运输三种类型：①ATP直接提供能量的主动运输，由ATP驱动泵（初级主动运输）（如钠钾泵、钙泵和质子泵）完成；②②ATP间接提供能量的协同转运（次级主动运输），由偶联转运蛋白完成；（包括同向转运蛋白和反向转运蛋白）③③光能驱动的主动运输，由光驱动泵完成。第二节离子泵和协同转运ATP驱动泵（ATP-drivenpump）：是ATP酶，直接利用水解ATP提供能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动。分为4类：P-型离子泵，V-型质子泵，F-型质子泵和ABC超家族。前3种只转运离子，后一种主要转运小分子。一、P-型离子泵只转运离子P-型离子泵（P-classionpump）具有两个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有β调节亚基。α亚基利用ATP水解能，发生磷酸化与去磷酸化，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。1．钠钾泵（Na+-K+pump）所在位置：钠钾泵分布于动物细胞质膜。（1）结构：含有α、β两种亚基，在膜中形成（α2β2）四聚体；α大亚基是多次跨膜的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，β小亚基是糖蛋白。（2）工作模式：①α亚基内表面与Na+结合→ATP水解→α亚基磷酸化→α亚基构象改变→Na+被泵出细胞；②磷酸化的α亚基外表面与K+结合→α亚基去磷酸化→α亚基构象复原→K+被泵入细胞；@Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替发生，循环约1000次／s；④每次循环消耗1分子ATP，泵出3个Na+，泵进2个K+。（3）Na+-K+泵的生物学功能：①维持低Na+高K+的细胞内环境；②维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体态特征；③维持生物膜的跨膜静息电位。（4）细胞避免渗透膨胀的机制：①动物细胞通过泵出离子维持细胞内低浓度溶质，如钠钾泵、钙泵等。②植物细胞依靠细胞壁避免膨胀和破裂。③原生动物通过收缩胞定时排出进入细胞过量的水而避免膨胀。2．钙泵（Ca2+-ATP酶）钙泵分布于所有真核细胞质膜和细胞器膜。与钠钾泵α亚基同源。每消耗一分子ATP，转运两个Ca2+，维持细胞内较低的钙离子浓度。质膜型钙泵可与钙调蛋白结合调节自身活性。3．H+泵植物细胞、真菌和细菌细胞质膜没有Na+-K+泵，代之以H+泵将H+泵出细胞，建立H+电化学梯度，并驱动转运溶质摄入细胞。二、V-型质子泵和F-型质子泵只转运离子（1）V-型质子泵：位于动物细胞溶酶体膜、胞内体，植物、真菌液泡膜上等。利用ATP水解能，将H+逆电化学梯度由细胞质基质泵入细胞器，维持胞质基质中性，细胞器内酸性。（2）F-型质子泵（H+-ATP合成酶）：位于细菌质膜、线粒体内膜、植物内囊体膜上。协助H+顺浓度梯度运动，所释放的能量参与合成ATP，如参与氧化磷酸化和光合磷酸化过程。两者与P-型泵不同：在功能上只转运质子；在转运H+过程中不形成磷酸化中间体。三、ABC超家族转运小分子ABC超家族含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布在从细菌到人类各种生物中。在正常情况下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。四、协同转运协同转运（cotransport）是一类靠间接消耗ATP的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学浓度梯度的是钠钾泵或质子泵。按方向不同分为：（1）共运输：即同向协同运输（symport）：物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。（2）对向运输：即反向协同运输（antiport）：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+／H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的pH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞质膜上的带3蛋白。五、离子的跨膜转运与膜电位物质跨膜转运的结果是产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些带电荷的离子来说，就形成了膜两侧的电位差。第三节胞吞作用与胞吐作用属主动运输。胞吞作用与胞吐作用是真核细胞通过囊泡转运大分子与颗粒性物质（蛋白质、多核苷酸、多糖等）的跨膜运输方式，又称膜泡运输；消耗能量，属主动运输。一、胞吞作用胞吞作用（endocytosis）是通过细胞质膜的内陷形成囊泡，将外界物质裹进囊泡的过程。（1）根据形成胞吞泡的大小和被吞入的物质，分为胞饮作用和吞噬作用两种。胞饮作用吞噬作用细胞类型见于几乎所有真核细胞只有特化的细胞具有摄入物溶液大的颗粒性物质胞吞泡直径大小小于150nm大于250nm摄入过程连续过程，无需信号刺激是一个信号触发过程胞吞泡形成机制需要网格蛋白形成包被、结合素蛋白连接需要微丝及其结合蛋白的参与（2）根据胞吞的物质是否有专一性，分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用过程：被转运的大分子物质（配体）与细胞表面受体结合形成复合物，网格蛋白在胞质面组装促使质膜内陷形成有被小窝，有被小窝脱落形成有被小囊泡并转运至目的地，去除包被后囊泡与胞内体融合，配体进入相应细胞器。受体的去向有三种：①返回原来的质膜区域，循环再利用；②进入溶酶体，被降解；③跨细胞转运至质膜的另一区域，将配体由细胞的一侧摄人，从另一侧排出。优点：可以对大分子物质进行选择性浓缩。二、胞吐作用胞吐作用（exocytosis）将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过质膜转运出细胞的过程。分为组成型胞吐途径和调节型胞吐途径两种。组成型外排途径调节型外排途径细胞类型所有真核细胞特化的分泌细胞分泌方式连续分泌分泌物储存→信号刺激→释放用途质膜更新（膜脂、膜蛋白）、胞外基质组分、营养或信号分子转运含有分泌物（如激素、黏液或消化酶）的分泌泡机制或途径去限定途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面分选信号存在于蛋白本身，由高尔基体TGN上的受体蛋白决定其去向第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输第一节细胞质基质一、概念在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质成分。但离心获得的