朱龍坤基礎醫學院細胞生物學與遺傳學系第四章

細胞膜與物質穿膜運輸概述

第一節細胞膜的化學組成與生物學特性

第二節小分子物質和離子的穿膜運輸

第三節大分子和顆粒物質的穿膜運輸第四節細胞表面特化結構第五節細胞膜異常與疾病內容概述一、基本概念細胞膜(cellmembrane)是包圍在細胞質表面的一層薄膜，又稱質膜（plasmamembrane）。

二、細胞膜的最基本功能1.為細胞的生命活動提供了穩定的內部微環境2.物質轉運3.信號傳遞、細胞識別等第一節細胞膜的化學組成與生物學特性一、細胞膜是由脂類和蛋白質構成的生物大分子體系

（一）膜脂構成細胞膜的結構骨架（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結合，決定細胞膜的功能（一）膜脂構成細胞膜的結構骨架

細胞膜上的脂類稱為膜脂（membranelipid）主要有三種類型：磷脂（phospholipid）膽固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid)

磷脂甘油磷脂鞘磷脂

磷脂酰膽堿（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰絲氨酸(PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂膜脂分子中都含有磷酸基團，被稱為磷脂，約占膜脂的50%以上。（以鞘氨醇代替甘油）甘油磷脂的化學結構甘油磷脂以甘油為骨架，甘油分子的1、2位羥基分別與脂肪酸形成酯鍵，3位羥基與磷酸形成酯鍵。膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇

甘油磷脂的磷酸基團可分別與膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇結合。這些親水的小基團在分子的末端與帶負電的磷酸基團一起形成高度水溶性的結構域，極性很強，被稱為頭部基團（headgroup）或親水頭。

脂肪酸鏈是疏水的，無極性，稱疏水尾。由于磷脂分子具有親水頭和疏水尾，被稱為兩親性分子（amphipathicmolecule）或兼性分子。鞘磷脂極性頭部基團（親水）非極性尾部基團（疏水）鞘磷脂不以甘油為骨架的磷脂，以鞘氨醇代替甘油，長鏈的不飽和脂肪酸結合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一個羥基與膽堿磷酸結合，另一個游離羥基可與相鄰脂分子的極性頭部、水分子或膜蛋白形成氫鍵。質膜中的主要磷脂分子2.膽固醇

分布：膽固醇散布在磷脂分子之間對調節膜的流動性、加強膜的穩定性具有重要作用。

結構：極性頭為羥基團，緊靠磷脂的極性頭部；非極性疏水結構為固醇環和烴鏈，固醇環固定在磷脂分子鄰近頭部的烴鏈上，疏水的烴鏈尾部埋在脂雙層的中央。3.糖脂糖脂由脂類和寡糖構成，動物細胞膜的糖脂幾乎都是鞘氨醇的衍生物，結構似鞘磷脂，稱為鞘糖脂。膜脂位于質膜非胞質面，糖基暴露于細胞表面，可作為細胞表面的受體，與于細胞表面受體、與細胞識別、黏附及信號轉導有關。膜脂可能的存在形式：形成球狀分子團（micelle）形成雙分子層（bilayer）（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結合

細胞膜的不同特性和功能是由與細胞膜相結合的膜蛋白決定。在不同細胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異，膜的功能越復雜,其中的蛋白質含量越多。

根據膜蛋白與脂雙層結合的方式不同，膜蛋白可分為三種基本類型：內在蛋白（intrinsicprotein）或整合蛋白外在蛋白（extrinsicprotein）又稱周邊蛋白脂錨定蛋白（lipidanchoredprotein）

1.膜內在蛋白又稱穿膜蛋白（transmembraneprotein）占膜蛋白總量的70％～80％，是兩親性分子大多數穿膜蛋白穿膜域都是α-螺旋構象，也有的穿膜蛋白以β-折疊片層（β-pleatedsheet）構象穿膜分單次穿膜、多次穿膜和多亞基穿膜蛋白三種類型α-螺旋構象穿膜蛋白β-折疊構象穿膜蛋白2.膜外在蛋白又稱周邊蛋白（peripheralprotein）占膜蛋白總量的20%～30%是一類與細胞膜結合比較松散的不插入脂雙層的蛋白質，分布在質膜的胞質側或胞外側周邊蛋白與膜之間通常有一種動態關系，根據功能的需要募集到膜上或者從膜上釋放出去。膜外在蛋白3.脂錨定蛋白又稱脂連接蛋白（lipid-linkedprotein）脂錨定蛋白以共價鍵與脂雙層內的脂分子結合脂錨定蛋白以兩種方式與脂類分子共價結合胞質側的蛋白糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI）與磷脂酰肌醇相連的寡糖鏈結合共價鍵質膜外表面的蛋白與脂雙層中的碳氫鏈結合

共價鍵胞質側的蛋白膜蛋白在膜中的幾種結合方式

（三）膜糖類覆蓋細胞膜表面細胞膜中含有一定量的糖類，由于種屬和細胞類型不同，糖類約占質膜重量的2％～10％。糖蛋白糖脂共價鍵共價鍵糖類+膜蛋白膜糖類糖類+膜脂在大多數真核細胞表面有富含糖類的周緣區，稱細胞外被(cellcoat)或糖萼（glycocalyx),包括膜糖及分泌出來但吸附于細胞表面的糖蛋白與蛋白聚糖中的多糖側鏈。具保護作用，參與細胞的識別、黏附，遷移等。二、細胞膜的生物學特性是不對稱性和流動性（一）膜的不對稱性決定膜功能的方向性

膜的不對稱性（membraneasymmetry）是指細胞膜中各種成分的分布是不均勻的，包括種類和數量上都有很大差異，這與細胞膜的功能有密切關系。人紅細胞膜中幾種膜脂的不對稱分布SM:

鞘磷脂；PC:磷脂酰膽堿；PS:磷脂酰絲氨酸；PE:磷脂酰乙醇胺；PI:磷脂酰肌醇；CL:二磷脂酰甘油1.膜脂的不對稱性

2.膜蛋白的不對稱性膜蛋白分布是絕對不對稱的，各種膜蛋白在質膜中都有一定的位置。穿膜蛋白穿越脂雙層都有一定的方向性。3.膜糖的不對稱（二）膜的流動性是膜功能活動的保證脂雙層為液晶態二維流體由于溫度的變化導致膜狀態的改變稱為“相變”（phasetransition）。在相變溫度以上，膜處于流動的液晶態。膜的流動性是膜功能活動的保證。

2.膜脂分子的運動方式（1）側向擴散（lateraldiffusion）（2）翻轉運動（flip-flop）（3）旋轉運動（rotation）（4）彎曲運動（flexion）Figure10-11bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)3.影響膜脂流動性的因素（1）脂雙分子層中含不飽和脂肪酸越多，膜的相變溫度越低，其流動性也越大（2）脂肪酸鏈短的相變溫度低，流動性大（3）膽固醇的雙重調節作用（4）卵磷脂與鞘磷脂（不飽和程度高）的比值低，其流動性也降低（5）膜蛋白的影響

4.膜蛋白的運動性分布在膜脂二維流體中的膜蛋白也有發生分子運動的特性，其主要運動方式是側向擴散和旋轉運動。小鼠－人細胞融合過程中膜蛋白的側向擴散示意圖三、細胞膜存在多種分子結構模型（一）片層結構模型具有三層夾板式結構特點（二）單位膜模型體現膜形態結構的共

同特點生物膜均呈“兩暗一明”的三層式結構，在橫切面上表現為內外兩層為電子密度高的暗線，中間夾一條電子密度低的明線，內外兩層暗線各厚約2nm，中間的明線厚約3.5nm，膜的總厚度約為7.5nm，這種“兩暗一明”的結構被稱為單位膜（unitmembrane）。因此，他們在片層結構模型基礎上提出了“單位膜模型”（unitmembranemodel）。單位膜模型

（三）流動鑲嵌模型是被普遍接受的模型

“流動鑲嵌模型”（fluidmosaicmodel）認為膜中脂雙層構成膜的連貫主體，它具有晶體分子排列的有序性，又具有液體的流動性。膜中蛋白質分子以不同形式與脂雙分子層結合，有的嵌在脂雙層分子中，有的則附著在脂雙層的表面。流動鑲嵌模型（四）脂筏模型深化了對膜結構和功能的認識

膜質雙層內含有由特殊脂質和蛋白質組成的微區（microdomain），微區中富含膽固醇和鞘脂，其中聚集一些特定種類的膜蛋白。由于鞘脂的脂肪酸尾比較長，因此這一區域比膜的其他部分厚，更有秩序且較少流動，被稱為脂筏（lipidrafts）。脂筏結構模式圖第二節小分子物質和離子的穿膜運輸一、物質簡單擴散依賴于膜的通透選擇性人工脂雙層對不同溶質的相對通透性簡單擴散（simplediffusion）是小分子物質穿膜運輸的最簡單的方式。須滿足兩個條件：一是溶質在膜兩側保持一定的濃度差；二是溶質必須能透過膜。脂溶性物質如醇、苯、甾體類激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通過簡單擴散方式。細胞膜中有特定的膜蛋白負責轉運這些物質，這類蛋白質稱為膜運輸蛋白（membranetransportprotein）。膜運輸蛋白主要有兩類：載體蛋白（carrierprotein）通道蛋白（channelprotein）

二、膜運輸蛋白介導物質穿膜運輸

（一）易化擴散是載體蛋白介導的被動運輸

一些非脂溶性（或親水性）的物質，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及細胞代謝物等，不能以簡單擴散的方式通過細胞膜，但它們可在載體蛋白的介導下，不消耗細胞的代謝能量，順物質濃度梯度或電化學梯度進行轉運，這種方式稱為易化擴散（facilitateddiffusion）或幫助擴散。載體蛋白構象變化介導的易化擴散示意圖（二）主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運輸

主動運輸是載體蛋白介導的物質逆電化學梯度，由低濃度一側向高濃度一側進行的穿膜轉運方式。主動運輸可分為ATP驅動泵（由ATP直接提供能量）和協同運輸（ATP間接提供能量）兩種類型。1.ATP驅動泵

ATP驅動泵都是穿膜蛋白，它們在膜的胞質側具有一個或多個ATP結合位點，能夠水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所釋放的能量將被轉運分子或離子從低濃度向高濃度轉運，所以常稱之為“泵”。4種類型ATP驅動泵模式圖P-型離子泵V-型質子泵F-型質子泵ABC轉運體（1）P-型離子泵（P-classionpump）

Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳類胃腺分泌細胞上的H＋-K＋泵等都屬于此種類型。Na+-K+泵：

Figure11-14MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)（2）V-型質子泵（V-classprotonpump）主要指存在于真核細胞的膜性酸性區室。

V-型質子泵也是由多個穿膜和胞質側亞基組成，其作用是利用ATP水解供能，將H+從胞質基質中逆H+電化學梯度轉運。（3）F-型質子泵（F-classprotonpump）：結構上與V-型質子泵有相關性，但轉運方向相反，主要存在于細菌質膜、線粒體內膜和葉綠體膜中，它使H＋順濃度梯度運動,合成ATP，又稱H+-ATP合成酶。（4）ABC轉運體（ABCtransports）：

ABC轉運體是一類以ATP供能的運輸蛋白，ABC超家族是哺乳類細胞膜上磷脂、膽固醇、肽、親脂性藥物和其他小分子的運輸蛋白。因該家族的每一成員均含有兩個保守的(ATP-binding“cassettes”,

ABC

)

ATP結合域而得名。ABC蛋白的轉運翻轉酶模型多藥抗性運輸蛋白(multidrug-resistance(MDR)transportprotein）

如MDR1轉運脂溶性小分子2.協同運輸協同運輸（co-transport）是一類由Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協同作用，間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。

根據溶質分子運輸方向與順電化學梯度轉移的離子（Na+或H+）方向的關系，又可分為共運輸（symport）與對向運輸（antiport）。（1）共運輸是兩種溶質分子以同一方向的穿膜運輸。

小腸上皮細胞轉運葡萄糖入血示意圖（2）對向運輸：是由同一種膜蛋白將兩種不同的離子或分子分別向膜的相反方向的穿膜運輸過程。如：Na+-H+交換，Cl--HCO3-交換（詳見生理學等課程）（三）離子通道高效轉運各種離子離子通道的特點①通道蛋白介導的是被動運輸，通道是雙向的。②離子通道對被轉運離子的大小和所帶電荷都有高度的選擇性。③轉運速率高。④多數離子通道不是持續開放，離子通道開放受“閘門”控制。2.離子通道的類型（2）電壓門控通道（3）應力激活通道（1）配體門控通道配體門控通道（ligand-gatedchannel）與細胞外的特定配體（ligand）結合后，發生構象改變，結果將“門”打開，允許某種離子快速穿膜擴散。乙酰膽堿受體（acetylcholinereceptor，nAChR）是典型的配體門控