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第四章细胞膜与物质的穿膜运输细胞膜（cellmembrane）是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane），维持细胞特有的内环境。除质膜外，细胞内还有各种膜性细胞器，如内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种膜泡等称为细胞内的膜系统。质膜和细胞内膜系统总称为生物膜（biomembrane）。电子显微镜下，生物膜呈“两暗夹一明”的形态结构，又称为单位膜（unitmembrane）。第一节细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜的化学组成(一)膜脂构成细胞膜的结构骨架细胞膜上的脂类称为膜脂（membranelipid),它是细胞膜的基本组成成分，形成膜的基本骨架。主要有三种类型：磷脂(phospholipid)；胆固醇(cholesterol)；糖脂(glycolipid)1.磷脂磷脂分子：分子中含有磷酸基团，占膜脂的50%以上。分子末端亲水基团和磷酸基团共同形成了亲水的头部，脂肪酸链是疏水的无极性称疏水尾。为双亲性分子或兼性分子。（1）甘油磷脂的化学结构磷酸基团可分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合，形成亲水的头部。两条长短不一的脂肪酸链构成疏水的尾部，通常为14～24个碳原子组成，一条烃链不含双键（饱和链），另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键（不饱和链），形成一个约30°角的弯曲。(2).鞘磷脂的化学结构非极性尾部基团（疏水）；极性头部基团（亲水）鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上，分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合。鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇及1-磷酸鞘氨醇参与各种细胞活动，如细胞分化、凋亡和增殖等。2.胆固醇结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为固醇环和烃链。定位：分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。3.糖脂定位：均位于质膜非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面。组成：由脂类和寡糖构成。细菌和植物细胞的糖脂几乎都是甘油磷脂的衍生物；动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物。结构：双亲性分子，极性头由一个或几个糖残基构成，疏水尾部为脂肪酸链或鞘氨醇衍生的烃链。功能：作为某些分子的受体，与细胞识别及信号转导相关。⑴半乳糖脑苷脂是一种最简单的糖脂，头部极性基团仅有一个半乳糖，是髓鞘中的主要糖脂。(2).神经节苷脂极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外，还含有一个或几个唾液酸残基，神经细胞膜中含量丰富。膜脂可能的存在形式：1).形成球状分子团（micelle），把尾部包藏在里面。2).形成双分子层（bilayer），把疏水的尾部夹在头部的中间，其游离端往往能自动闭合，形成自我封闭的脂质体（liposome）。脂双层的特点：A.构成分隔两个水溶液环境的屏障，保障细胞内环境的稳定。B.自然状态下是粘滞的二维流体，影响特殊膜蛋白的活性，与膜的许多重要功能有关。C.受到损伤时能自动封闭。脂质体的应用：A.用于膜功能的研究。B.作为DNA或体内药物的运载体，用于基因转移或治疗某些遗传性代谢病。(二)膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合1.生物膜的特定功能主要由蛋白质完成载体蛋白—胞内外的物质运输连接蛋白—细胞间的相互作用受体蛋白—信号转导各种酶类—相关的代谢反应2.膜蛋白含量膜蛋白约占膜含量的40%～50%。在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异，有的含量不到25%，有的达到75%。膜的功能越复杂,其中的蛋白质含量越多。3.膜蛋白的基本类型根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，膜蛋白可分为三种基本类型：膜内在蛋白（intrinsicprotein）膜外在蛋白（extrinsicprotein）脂锚定蛋白（lipidanchoredprotein）⑴膜内在蛋白（整合膜蛋白）占膜蛋白总量的70～80%。主体部分多以α螺旋构象穿过脂双层，又称穿膜蛋白（transmembraneprotein），可单次跨膜、多次跨膜或多亚基跨膜。穿膜蛋白与膜结合紧密，需用去垢剂处理才能分离。⑵膜外在蛋白占膜蛋白总量的20～30%。位于脂双层的内、外表面，通过非共价键间接与膜结合，又称外周蛋白（peripheralprotein）。外周蛋白与膜结合较弱，较易从膜上分离。⑶脂锚定蛋白位于膜的两侧，通过共价键与脂双层内的脂分子结合，又称脂连接蛋白（lipid-linkedprotein）。脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合：A、B、C.穿膜蛋白，以一次或多次穿膜的α螺旋和β筒形式；D.位于胞质侧，通过暴露于蛋白质表面的α螺旋的疏水面与胞质面脂单层相互作用而与膜结合；E.位于胞质侧的脂锚定蛋白，以共价键直接与胞质面脂单层中的脂肪酸链结合。F.位于质膜外表面的脂锚定蛋白GPI；G、H.膜外在蛋白，与内在蛋白亲水区以非共价键相互作用间接与膜结合(三)膜糖类覆盖细胞膜表面含量：细胞膜中含有的糖类称为膜糖类，约占细胞膜重量的2％～10％。形成方式：功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用。1.细胞外被（cellcoat）大多数真核细胞膜外表面富含糖类的周缘区，也称糖萼。2.细胞外被中的糖类与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链。被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。二、细胞膜的生物学特性(一)膜的不对称性膜中各种成分在脂双分子层中的分布不均一，分布的不对称性导致膜功能的不对称性和方向性，与细胞膜的功能有密切关系。1.膜脂的不对称性磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异。糖脂的分布为绝对不对称，糖脂仅分布于脂双层的非胞质面。不同膜性细胞器中脂类组成成分不同。2.膜蛋白的不对称性膜蛋白分布是绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。膜蛋白在脂双层内、外两层中分布的数量不同。穿膜蛋白穿越脂双层有一定的方向性，两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列顺序不同。3.膜糖的不对称性糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面。内膜系统中，寡糖侧链分布于膜腔的内侧面。(二)膜的流动性是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。膜是动态的结构，细胞膜的各种重要功能活动都与其流动性密切相关。1.脂双层为液晶态二维流体生理条件下，膜脂分子既有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，是居于晶态和液态之间的液晶态。温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转换，这种膜脂状态的改变称为相变。发生相变的临界温度称为膜的相变温度。液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动。2.膜脂分子的运动方式⑴侧向扩散⑵翻转运动⑶旋转运动⑷弯曲运动⑸伸缩和振荡运动3.影响膜脂流动性的因素脂双层中不饱和脂肪酸越多，膜脂流动性越大。脂肪酸链越短，膜脂流动性越大。胆固醇分子：相变温度以上，限制膜的流动性，稳定质膜；相变温度以下，防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成。卵磷酸/鞘磷脂：比值越大，膜脂流动性越大。脂双层中嵌入的蛋白质越多，膜脂流动性越小。膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度及金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。4.膜蛋白的运动性侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散。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。三、细胞膜的分子结构模型(一)片层结构模型（lamellastructuremodel）1935年，由J.Danielli&H.Davson提出。细胞膜是蛋白质－磷脂－蛋白质的三层夹板样结构。(二)单位膜模型(unitmembranemodel)1959年，由J.D.Robertson提出。表明了各种生物膜在形态结构上的共同特点，把膜的分子结构同膜的电镜图像联系起来。细胞膜在电镜下呈现“两暗夹—明”的单位膜结构。(三)流动镶嵌模型（fluidmosaicmodel）1972年由Singer和Nilson提出，较好地解释了生物膜的功能特点，为普遍接受的膜结构模型。脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合。强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性。（四）脂筏结构模型定义：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，内部存在富含胆固醇和鞘脂以及特定种类膜蛋白组成的微区称为脂筏。特点：脂筏区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。其周围是流动性较高的液态区。脂筏提供一个有利于蛋白质形成有效构象的变构环境。功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等，脂筏功能的紊乱涉及多种疾病的发生。第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性1.膜的选择通透性易于通过膜的物质：脂溶性物质;不带电荷小分子物质不易通过膜的物质：带电荷物质;大分子物质2.简单扩散（simplediffusion）⑴特点溶质分子通过质膜进行自由扩散，不需要膜转运蛋白协助，也称被动扩散(passivediffusion)。转运是由高浓度向低浓度方向进行，所需要的能量来自高浓度本身所包含的势能，不需要细胞提供能量。⑵条件溶质在膜两侧保持一定的浓度差；溶质必须能透过膜。二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输膜运输蛋白定义膜运输蛋白（membranetransportprotein）是指细胞膜上负责转运不能通过简单扩散穿膜的物质的蛋白质。如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。膜运输蛋白类型载体蛋白（carrierprotein）与特定溶质分子结合，通过构象改变进行物质转运，既介导被动运输又介导主动运输。通道蛋白（channelprotein）在膜上形成亲水孔道，贯穿脂双层，介导特定离子转运，仅介导被动运输。被动运输和主动运输被动运输（passivetransport）：通过简单扩散或易化扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要消耗细胞的代谢能。主动运输（activetransport）：载体蛋白介导、利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运。(一)易化扩散(facilitateddiffusion)1.定义在特异性的载体蛋白介导下，一些非脂溶性（或亲水性）的物质顺电化学梯度的跨膜转运。不消耗细胞的代谢能，属于被动运输2.特点1).具有选择性、特异性2).转运速率远高于简单扩散3).具有饱和性，存在最大转运速度(二)主动运输载体蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。与某种释放能量的过程相偶联，能量来源包括ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等。可分两种类型：ATP直接提供能量（ATP驱动泵）；ATP间接提供能量。1.ATP驱动泵特点：1）.属穿膜蛋白，在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为“泵”。2).具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。类型:P-型离子泵:驱动阳离子跨膜转运，如钠钾泵。V-型质子泵:需ATP供能，对H+的转运。F-型质子泵:合成ATP，在能量转换中起重要作用，如线粒体ATP酶。ABC转运体:参与糖、氨基酸及小分子物质的运输。如图：A.P-型离子泵B.V-型质子泵C.F-型质子泵D.ABC转运体（1）Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）结构组成由2个α亚基（大亚基）和2个β亚基（小亚基）组成。α亚基是一个多次穿膜的膜整合蛋白，具有ATP酶活性，β亚基具有组织特异性，功能不清楚。功能水解一个ATP分子，可向细胞外输出3个Na+，转入2个K+。维持渗透压平衡、保持细胞容积恒定、产生和维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力。为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度。（2）Ca2+泵存在部位：主要存在于肌浆网上。原理：工作过程与Na+-K+泵相似，通过磷酸化和去磷酸化过程使构象改变，结合与释放Ca2+。功能：使钙离子浓度在胞质中保持低水平；参与控制细胞的许多重要活动，如细胞分泌、神经递质释放、跨膜信息转导等。2.协同运输⑴特点由Na+-K+泵（或H+泵