細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸ppt培訓(xùn)講義課件

1、細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸優(yōu)選細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)膜: 包括細(xì)胞質(zhì)膜(plasma membrane)、內(nèi)膜(internal membrane)， 習(xí)慣上把細(xì)胞所有膜結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為生物膜(biomembrane)。 細(xì)胞的生物膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的功能細(xì)胞膜是多功能的結(jié)構(gòu)體系，圖示它的主要功能: 細(xì)胞膜的功能 1. 界膜和區(qū)室化(delineation and compartmentalization) 劃定了細(xì)胞的邊界，并在胞內(nèi)劃分了許多以膜包被的區(qū)室。2. 調(diào)節(jié)運(yùn)輸(regulation of transport) 膜為兩側(cè)的分子交換提供了一個(gè)屏障，一方面可以讓某些物質(zhì)自由通透，另一方面又作為某些

2、物質(zhì)出入細(xì)胞的障礙。3. 功能區(qū)室化 通過(guò)形成膜結(jié)合細(xì)胞器，使細(xì)胞內(nèi)的功能區(qū)室化。例如細(xì)胞質(zhì)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等膜結(jié)合細(xì)胞器的基本功能是參與蛋白質(zhì)的合成、加工和運(yùn)輸；而溶酶體的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶體。4. 信號(hào)的檢測(cè)與傳遞(detection and transmission of signals) 細(xì)胞質(zhì)膜中具有各種不同的受體，能夠識(shí)別并結(jié)合特異的配體，進(jìn)行信號(hào)的傳遞。5. 參與細(xì)胞間的相互作用(intercellular interaction) 在多細(xì)胞的生物中， 細(xì)胞通過(guò)質(zhì)膜（包括膜中的一些蛋白）進(jìn)行細(xì)胞間的多種相互作用，包括細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著、細(xì)胞連接等。 6

3、. 能量轉(zhuǎn)換(energy transduction) 細(xì)胞膜的另一個(gè)重要功能是參與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換。例如葉綠體利用類囊體膜上的結(jié)合蛋白進(jìn)行光能的捕獲和轉(zhuǎn)換，最后將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存在碳水化合物中。3.2 紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)紅細(xì)胞(red blood cell， erythrocyte)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的細(xì)胞，特別是成熟的紅細(xì)胞沒有細(xì)胞器，質(zhì)膜是它的惟一結(jié)構(gòu)，并且易于提純和分離，是研究膜結(jié)構(gòu)的最好材料。紅細(xì)胞的生物學(xué)紅細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu) 成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀(下圖)，直徑為7.58.3m，厚度1.7m， 體積8.3m3，表面積為14.5m2，表面積與體積的比值較大，有利于細(xì)胞變形、氣體交換和

4、攜帶。 電子顯微鏡下的紅細(xì)胞紅細(xì)胞的功能紅細(xì)胞的主要功能是將肺吸進(jìn)的氧運(yùn)送到身體的其他組織，并帶走呼出的CO2。肌體內(nèi)紅細(xì)胞的運(yùn)輸作用 保證了生命活動(dòng)的高度有序性。 第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用載體蛋白對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程具有類似于酶與底物作用的動(dòng)力學(xué)曲線、可被類似物競(jìng)爭(zhēng)性抑制、具有競(jìng)爭(zhēng)性抑制等酶的特性。配體門控通道(ligand gated channel)短桿菌肽A離子載體作用機(jī)制或者形成雙分子層(bilayers)， 把疏水的尾部夾在頭部的中間， 或形成脂質(zhì)體( liposome)。 1925年，荷蘭的兩位科學(xué)家E.將人工脂質(zhì)體放入低滲溶液中，這樣， 乳過(guò)氧化物酶就能進(jìn)入脂質(zhì)

5、體進(jìn)行內(nèi)側(cè)蛋白質(zhì)標(biāo)記。優(yōu)選細(xì)胞質(zhì)膜與跨膜運(yùn)輸(a)去垢劑分子，具有極性和非極性端;(b)去垢劑包裹在膜蛋白的疏水區(qū)，極性區(qū)朝向外側(cè)，使蛋白質(zhì)成為水溶性，從而與膜分離。coli具有兩層膜，ABC運(yùn)輸?shù)鞍孜挥诩?xì)菌的內(nèi)膜。促進(jìn)擴(kuò)散是指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)， 如氨基酸、糖和金屬離子等借助細(xì)胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學(xué)濃度梯度， 不消耗ATP進(jìn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)輸方式。a) 由單亞基膜蛋白形成的通道;(b)由多亞基蛋白形成的通道所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個(gè)親水末端(極性端)和一個(gè)疏水末端(非極性端)。協(xié)同運(yùn)輸又稱偶聯(lián)運(yùn)輸， 它不直接消耗ATP，但要依

6、賴離子泵建立的電化學(xué)梯度， 所以又將離子泵稱為初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸(primary active)， 將協(xié)同運(yùn)輸稱為次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸(secondary active)。這類通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變， 從而將門打開。在膜重建法中,首先要分離純化膜蛋白,然后將分離純化的蛋白質(zhì)同磷脂混合,構(gòu)建人工脂質(zhì)體，然后檢測(cè)脂質(zhì)體的運(yùn)輸能力。Na+ /K+泵工作的結(jié)果，使細(xì)胞內(nèi)的Na+濃度比細(xì)胞外低1030倍，而細(xì)胞內(nèi)的K+濃度比細(xì)胞外高1030倍。膜對(duì)某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個(gè)條件之一(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過(guò)脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過(guò)的跨膜孔道

7、。促進(jìn)擴(kuò)散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度向低濃度進(jìn)行。紅細(xì)胞血影將紅細(xì)胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細(xì)胞內(nèi)部，使紅細(xì)胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細(xì)胞中惟一一種非膜蛋白)，此時(shí)的紅細(xì)胞就變成了沒有內(nèi)容物的空殼，由于紅細(xì)胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當(dāng)紅細(xì)胞的內(nèi)容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(lái)，此時(shí)的紅細(xì)胞被稱為血影(ghost)。紅細(xì)胞血影及封閉、未封閉小泡的形成紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究 關(guān)于膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的早期研究 Charles Overton的研究工作 18世紀(jì)90年代，Overton 用植物的根毛作實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)很容易進(jìn)入細(xì)胞，而水溶性的物質(zhì)卻不能。

8、實(shí)際上他發(fā)現(xiàn)了親脂性(lipophilic)物質(zhì)與細(xì)胞的關(guān)系。根據(jù)這一研究結(jié)果，Overton認(rèn)為在細(xì)胞的外被中有脂的存在， 他還進(jìn)一步推測(cè)，細(xì)胞的外被中很可能有膽固醇和卵磷脂的存在， 這種推測(cè)后來(lái)被證明是完全正確的。 Irving Langmuir的研究工作 將紅細(xì)胞的脂提取后鋪展在Langmuir 水盤(Langmuir Trough)的水面上，研究了脂的展層行為，提出脂單層(lipid monolayer)的設(shè)想。脂單層概念是20世紀(jì)初膜結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，導(dǎo)致了脂雙層的發(fā)現(xiàn)。Langmuir 水盤中展現(xiàn)單脂層由于過(guò)氧化物酶的分子較大而不能透過(guò)細(xì)胞膜,這樣可以用于標(biāo)記膜外表面的蛋白,包括外周

9、蛋白和整合蛋白的外部分。動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)娜齻€(gè)差異:或者形成雙分子層(bilayers)， 把疏水的尾部夾在頭部的中間， 或形成脂質(zhì)體( liposome)。能夠逆濃度梯度或電化學(xué)梯度將物質(zhì)輸入、輸出細(xì)胞和細(xì)胞器。紅細(xì)胞膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、錨定蛋白、帶3蛋白、帶4.意義: Na+/K+ 泵具有三個(gè)重要作用， 一是維持了細(xì)胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的滲透作用;二是在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)Na+離子濃度梯度的同時(shí)，為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸泵提供了驅(qū)動(dòng)力;三是Na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，這種酶也

10、是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量大而不通過(guò)細(xì)胞膜，所以磷脂酶只能附著在膜泡的外表面，能夠被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根據(jù)它原來(lái)的狀態(tài)，確定在紅細(xì)胞膜脂中的定向。參與細(xì)胞間的相互作用(intercellular interaction) 在多細(xì)胞的生物中， 細(xì)胞通過(guò)質(zhì)膜（包括膜中的一些蛋白）進(jìn)行細(xì)胞間的多種相互作用，包括細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著、細(xì)胞連接等。但它們大多是與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起的，Ca2+則存在于細(xì)胞器中。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn):逆梯度運(yùn)輸;依賴于膜運(yùn)輸?shù)鞍?需要代謝能，并對(duì)代謝毒性敏感;具有選擇性和特異性。細(xì)菌細(xì)胞中葡萄糖的磷酸化運(yùn)輸過(guò)程是:首先將供體磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)的酶I(

11、EI)，然后將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給HPr蛋白，起始步驟對(duì)于各種糖的運(yùn)輸都是相同的。 運(yùn)輸機(jī)制: 類似于Na+/K+ ATPase。但與酶不同的是: 載體蛋白不對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)分子作任何共價(jià)修飾。膜脂的主要功能是構(gòu)成膜的基本骨架，此外還有其他一些重要功能它們都是從自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移動(dòng)。Ca2+ 泵的工作原理類似于Na+/K+ ATPase。膜對(duì)某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個(gè)條件之一(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過(guò)脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過(guò)的跨膜孔道。 紅細(xì)胞膜蛋白的組成 具有高度的選擇性: 如運(yùn)輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\(yùn)輸，但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似的糖類運(yùn)輸。Na+ /K+泵工作的

12、結(jié)果，使細(xì)胞內(nèi)的Na+濃度比細(xì)胞外低1030倍，而細(xì)胞內(nèi)的K+濃度比細(xì)胞外高1030倍。極性(帶電性)通道的形成動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)娜齻€(gè)差異:一般而言，脂占50%，蛋白質(zhì)占40%，碳水化合物約占110%。紅細(xì)胞膜脂雙層概念的提出1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel分離純化了紅細(xì)胞，從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進(jìn)行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積， Gorter和Grendel發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測(cè)的面積同實(shí)際測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比約為1.82.21，為了解釋這一結(jié)果，他們提出紅細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層(lipid bil

13、ayer)的概念。紅細(xì)胞質(zhì)膜紅細(xì)胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環(huán)中，紅細(xì)胞要穿過(guò)小于自身直徑一半的微小通道(脾竇)、在脾臟內(nèi)要經(jīng)受氧少、低pH值等不利環(huán)境的考驗(yàn)、在心臟內(nèi)又要受到瓣膜渦流沖擊。不難想像，紅細(xì)胞在這樣長(zhǎng)而艱險(xiǎn)的運(yùn)輸途徑中保持結(jié)構(gòu)的完好，它的質(zhì)膜起了重要作用，可以推測(cè)，紅細(xì)胞的質(zhì)膜一定有非常特別的結(jié)構(gòu)，僅僅是雙脂層可能難以解釋。紅細(xì)胞膜骨架紅細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)有一種特殊的結(jié)構(gòu)，是由膜蛋白和纖維蛋白組成的網(wǎng)架，它參與維持細(xì)胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。紅細(xì)胞膜骨架結(jié)構(gòu) 紅細(xì)胞膜蛋白的組成分離紅細(xì)胞膜后可用陰離子去垢劑溶解膜蛋白，并通過(guò)SDS和

14、聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)分離膜蛋白。通過(guò)單向SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，發(fā)現(xiàn)大約有15種主要的蛋白帶， 相對(duì)分子質(zhì)量為15kDa到250kDa。 人紅細(xì)胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分部 (A)是考馬斯藍(lán)染色的膠;(B)表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。幾種主要的紅細(xì)胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60% 以上): 血影蛋白(spectrin) 血型糖蛋白A(glycophorin A) 帶3蛋白(band 3 protein) 肌動(dòng)蛋白(actin) 錨定蛋白(ankyrin) 帶4.1蛋白(band 4.1 protein) 內(nèi)收蛋白(adducin) 紅細(xì)

15、胞膜骨架的形成紅細(xì)胞膜骨架的結(jié)構(gòu)如圖所示。 紅細(xì)胞膜骨架的結(jié)構(gòu) 紅細(xì)胞膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、錨定蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白等。紅細(xì)胞膜骨架的網(wǎng)狀支架的形成及與膜的結(jié)合過(guò)程大致分為三步 首先是血影蛋白與4.1蛋白、肌動(dòng)蛋白的相互作用 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用 第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用3.3 質(zhì)膜的化學(xué)組成脂和蛋白質(zhì)是膜的主要成分， 同時(shí)還有少量的糖類。構(gòu)成膜的蛋白質(zhì)與脂的比例依據(jù)膜的類型(如質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜)、細(xì)胞類型(肌細(xì)胞、肝細(xì)胞)、生物類型(動(dòng)物、植物和原核生物)的不同而不同(表3.1)。一般而言，脂占50%，蛋白質(zhì)占40%，

16、碳水化合物約占110%。干重的百分比(%) 膜蛋白質(zhì)脂碳水化合物質(zhì)膜紅細(xì)胞49438神經(jīng)鞘18793肝細(xì)胞543610核膜66322高爾基體642610內(nèi)質(zhì)網(wǎng)622710線粒體外膜5545痕跡量?jī)?nèi)膜7822-葉綠體7030-不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量 膜脂(membrane lipids) 所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個(gè)親水末端(極性端)和一個(gè)疏水末端(非極性端)。這種性質(zhì)使生物膜具有屏障作用，大多數(shù)水溶性物質(zhì)不能自由通過(guò)，只允許親脂性物質(zhì)通過(guò)。膜脂的主要類型膜脂是生物膜的基本組成成分， 約占膜的50%， 主要有三大類:磷脂、糖脂、膽固醇。

17、磷脂(phospholipids)含有磷酸基團(tuán)的脂稱為磷脂，是細(xì)胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。它有一個(gè)極性的頭部和一個(gè)疏水的尾部磷脂酰乙醇胺的分子結(jié)構(gòu) 膽固醇(cholesterol)細(xì)胞膜上另一類脂是固醇類的膽固醇， 膽固醇存在于真核細(xì)胞膜中。動(dòng)物細(xì)胞膜膽固醇的含量較高，有的占膜脂的50%，大多數(shù)植物細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜中沒有膽固醇，酵母細(xì)胞膜中是麥角固醇。 膽固醇的結(jié)構(gòu) 膽固醇的分子較其他膜脂要小， 雙親媒性也較低。膽固醇的親水頭部朝向膜的外側(cè),疏水的尾部埋在脂雙層的中央。膽固醇在脂雙層中的位置 膜脂的特性和功能 不同類型的膜含有不同類型的膜脂，使這些膜具有不同的特性脂人的紅細(xì)胞人的髓鞘牛

18、心臟線粒體E.coli磷脂酸(PA)1.50.500磷脂酰膽堿(PC)1910390磷脂酰乙醇胺(PE)18202765磷脂酰甘油(PG)00018磷脂酰絲氨酸(PS)8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600膽固醇222630某些生物膜膜脂的組成(脂總重量百分?jǐn)?shù)) 膜脂都是兩性物質(zhì)， 都具有親水的極性頭和疏水的非極性的尾， 大多數(shù)磷脂和糖脂在水溶液中能夠自動(dòng)形成雙分子層結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些兼性分子被水環(huán)境包圍時(shí)， 它們就聚集起來(lái)， 將疏水的尾部埋在里面， 親水的頭部露在外面與水接觸。可能有兩種形式: 形成球狀的分子團(tuán)(micelles)， 把尾部包在里面；或者

19、形成雙分子層(bilayers)， 把疏水的尾部夾在頭部的中間， 或形成脂質(zhì)體( liposome)。脂在水中的行為 膜脂的主要功能是構(gòu)成膜的基本骨架，此外還有其他一些重要功能脂存在的膜功能主要磷脂磷脂酰膽堿存在于大多數(shù)膜中形成脂雙層磷脂酰乙醇胺存在于大多數(shù)膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰絲氨基存在于大多數(shù)膜中溶性物質(zhì)的自由擴(kuò)散次要磷脂心磷脂線粒體內(nèi)膜激活染色體磷脂酰肌醇(PI)存在于大多數(shù)膜作為三磷酸肌醇的供體鞘脂大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞，特別是神經(jīng)細(xì)胞屏障作用，激活某些酶糖脂葉綠體類囊體的膜的主要脂類屏障作用膽固醇大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜膜的流動(dòng)性表: 某些膜脂的功能 膜的碳水化合物約占膜

20、重量的110%，糖含量的多少依細(xì)胞的不同而不同。細(xì)胞質(zhì)膜上所有的膜糖都位于質(zhì)膜的外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖則位于內(nèi)表面。 膜糖的種類 自然界存在的單糖及其衍生物有200多種， 但存在于膜的糖類只有其中的9種， 而在動(dòng)物細(xì)胞膜上的主要是7種。 細(xì)胞膜中常見的七種糖類 膜糖的存在方式真核細(xì)胞質(zhì)膜中的糖類是通過(guò)共價(jià)鍵同膜脂或膜蛋白相連，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于細(xì)胞質(zhì)膜上。糖同氨基酸的連接主要有兩種形式，即O連接和N連接。 O連接:是糖鏈與肽鏈中的絲氨酸或蘇氨酸殘基相連，O連接糖鏈較短， 約含4個(gè)糖基。 N連接: 是糖鏈與肽鏈中天冬酰胺殘基相連，N連接的糖鏈一般有10個(gè)以上的糖基。另外，N連接的方式

21、較O連接普遍。糖與多肽連接的兩種方式 膜糖的功能 膜糖可以提高膜的穩(wěn)定性，增強(qiáng)膜蛋白對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進(jìn)行正確的折疊和維持正確的三維構(gòu)型。同時(shí)膜糖也參與細(xì)胞的信號(hào)識(shí)別、細(xì)胞的粘著。如同某些糖脂一樣，膜蛋白中的糖基是細(xì)菌和病毒感染時(shí)的識(shí)別和結(jié)合位點(diǎn)。另外，糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質(zhì)進(jìn)行正確的運(yùn)輸和定位。 ABO血型決定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一種糖脂， 其寡糖部分具有決定抗原特異性的作用(圖)。人的血型是A型、B型、AB型還是O型，是由紅細(xì)胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。A血型的人紅細(xì)胞膜脂寡糖鏈的末端是N乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的

22、人紅細(xì)胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖(Gal)，O型則沒有這兩種糖基，而AB型的人則在末端同時(shí)具有這兩種糖。血型抗原膜蛋白(membrane protein)由膜脂構(gòu)成膜的基本結(jié)構(gòu)， 但是生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)決定的。功能越復(fù)雜的膜，其上的蛋白質(zhì)種類越多。膜蛋白的分類 據(jù)膜蛋白與膜脂的關(guān)系分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。1. 整合蛋白(integral protein)又稱內(nèi)在蛋白(intrinsic protein)， 跨膜蛋白(transmembrane protein)， 部分或全部鑲嵌在細(xì)胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)。 整合蛋白 2.外周蛋白(peripheral protein)又稱附著

23、蛋白(proteinattached)。這種蛋白完全外露在脂雙層的內(nèi)外兩側(cè)，主要是通過(guò)非共價(jià)鍵附著在脂的極性頭部， 或整合蛋白親水區(qū)的一側(cè)， 間接與膜結(jié)合。 圖 外周蛋白 3. 脂錨定蛋白(lipidanchored)又稱脂連接蛋白(lipidlinked protein)，通過(guò)共價(jià)鍵的方式同脂分子結(jié)合，位于脂雙層的外側(cè)。同脂的結(jié)合有兩種方式，一種是蛋白質(zhì)直接結(jié)合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結(jié)合，而是通過(guò)一個(gè)糖分子間接同脂結(jié)合。 脂錨定蛋白 膜蛋白的功能胞質(zhì)膜有著許多重要的生物學(xué)功能，這些功能大多數(shù)是由膜蛋白來(lái)執(zhí)行的(圖，表)。 膜蛋白的某些功能 表: 某些膜蛋白及其功能功能蛋白

24、示例作用方式運(yùn)輸?shù)鞍譔a泵主動(dòng)將Na+泵出細(xì)胞，K+泵入細(xì)胞 連接蛋白整合素將細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白相連 受體蛋白血小板生長(zhǎng)因子(PDGF)受體同細(xì)胞外的PDGF結(jié)合、在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)， 引起細(xì)胞的生長(zhǎng)與分裂 酶腺苷酸環(huán)化酶在細(xì)胞外信號(hào)作用下，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生 膜蛋白的研究方法 膜蛋白的分離 十二烷基磺酸鈉(SDS)和Triton X100都是去垢劑，哪一種可用于分離有生物功能的膜蛋白？ 去垢劑的作用機(jī)理 去垢劑是一端親水一端疏水的雙親媒性分子， 它們具有極性端和非極性的碳?xì)滏湣．?dāng)它們與膜蛋白作用時(shí)，可以用非極性端同蛋白質(zhì)的疏水區(qū)作用，取代膜脂，極性端指向水中， 形成溶于水的去

25、垢劑膜蛋白復(fù)合物， 從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀去垢劑在膜蛋白分離中的作用 (a)去垢劑分子，具有極性和非極性端;(b)去垢劑包裹在膜蛋白的疏水區(qū)，極性區(qū)朝向外側(cè)，使蛋白質(zhì)成為水溶性，從而與膜分離。 膜蛋白在膜中位置測(cè)定 請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種方法檢測(cè)跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外側(cè)，哪一部分位于膜的內(nèi)側(cè)? 3.4 膜的分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)雖然細(xì)胞質(zhì)膜是包裹在細(xì)胞最外層的界膜，但由于細(xì)胞的新陳代謝活動(dòng)必須同細(xì)胞外進(jìn)行物質(zhì)交換，這就要求細(xì)胞質(zhì)膜具有特殊的結(jié)構(gòu)，以保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。 結(jié)構(gòu)模型 1890年，E.Overton發(fā)現(xiàn)了脂溶性物質(zhì)容易透過(guò)細(xì)胞，提出了脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想。 1925年，荷蘭的兩位科學(xué)

26、家E.Gorter和F.Grendel根據(jù)對(duì)紅細(xì)胞的研究，提出細(xì)胞的外面有一個(gè)雙脂分子層結(jié)構(gòu)。 片層結(jié)構(gòu)模型(Lamella structure model)1935年James Daniellie和Hugh Davson提出雙分子片層結(jié)構(gòu)模型,該模型是第一次用分子術(shù)語(yǔ)描述的結(jié)構(gòu)，并將膜結(jié)構(gòu)同所觀察到的生物學(xué)理化性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)后來(lái)的研究有很大的啟發(fā)。質(zhì)膜的片層結(jié)構(gòu)模型 單位膜模型(unit membrane model)1959年，利用電子顯微鏡技術(shù)對(duì)各種膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜是類似鐵軌結(jié)構(gòu)(railroad track)，兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗明暗的三層

27、，總厚度為7.5nm，中間層為3.5nm，內(nèi)外兩層各為2nm。并推測(cè):暗層是蛋白質(zhì)，透明層是脂，并建議將這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜。 質(zhì)膜的單位膜模型 流動(dòng)鑲嵌模型(fluid mosaic model)1972年Singer和Nicolson總結(jié)了當(dāng)時(shí)有關(guān)膜結(jié)構(gòu)模型及各種研究的新成就，提出了流動(dòng)鑲嵌模型。這一模型強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)性和不對(duì)稱性，較好地體現(xiàn)細(xì)胞的功能特點(diǎn)，被廣泛接受，也得到許多實(shí)驗(yàn)的支持。質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型 大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜 流動(dòng)鑲嵌模型同樣適合原核生物。 具有雙層膜結(jié)構(gòu)的只是革藍(lán)氏陰性菌，如大腸桿菌。對(duì)于革藍(lán)氏陽(yáng)性菌，如鏈球菌、葡萄球菌等只有單層膜結(jié)構(gòu)。 在革藍(lán)氏陰性菌的外膜上有豐富的孔

28、蛋白。 大腸桿菌的雙層質(zhì)膜 細(xì)菌質(zhì)膜中的孔蛋白 紅細(xì)胞膜骨架的形成短桿菌肽 A(gramicidin A)是一種形成通道的離子載體，它具有疏水的側(cè)鏈， 兩個(gè)分子在一起形成跨膜的通道。幾種主要的紅細(xì)胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60% 以上):人紅細(xì)胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分部 (A)是考馬斯藍(lán)染色的膠;(B)表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。例如細(xì)胞質(zhì)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等膜結(jié)合細(xì)胞器的基本功能是參與蛋白質(zhì)的合成、加工和運(yùn)輸；細(xì)胞質(zhì)膜不僅僅作為物質(zhì)出入細(xì)胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過(guò)的能力。參與細(xì)胞間的相互作用(intercellular interact

29、ion) 在多細(xì)胞的生物中， 細(xì)胞通過(guò)質(zhì)膜（包括膜中的一些蛋白）進(jìn)行細(xì)胞間的多種相互作用，包括細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著、細(xì)胞連接等。研究膜結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術(shù)，此外還有同位素標(biāo)記法、酶水解法等。然后調(diào)整溶液中的Mg2+離子濃度，改變紅細(xì)胞小泡的狀態(tài)。放射性標(biāo)記法(radioactive labeling procedure)Na+ /K+ ATPase由兩個(gè)大亞基(亞基)和兩個(gè)小亞基(亞基)組成。Grendel分離純化了紅細(xì)胞，從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進(jìn)行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積， Gorter和Gre

30、ndel發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測(cè)的面積同實(shí)際測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比約為1. 在革藍(lán)氏陰性菌的外膜上有豐富的孔蛋白。同細(xì)胞外的PDGF結(jié)合、在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)， 引起細(xì)胞的生長(zhǎng)與分裂 片層結(jié)構(gòu)模型(Lamella structure model) 具有飽和性: 當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達(dá)到一定程度時(shí)，促進(jìn)擴(kuò)散的速度不再提高。coli具有兩層膜，ABC運(yùn)輸?shù)鞍孜挥诩?xì)菌的內(nèi)膜。需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過(guò)自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸?shù)哪さ鞍住?Na+/K+泵(Na+/K+ pump， Na+/K+ ATPase)的結(jié)構(gòu)、作用原理物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)乃姆N基本機(jī)制但是擴(kuò)散和滲透是兩個(gè)不同的概念。嗜鹽的

31、厭氧菌halobacterium halobium 的細(xì)胞質(zhì)膜上能被光線激活的蛋白質(zhì)，稱為細(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin)。Q:孔蛋白只存在于雙層膜的外膜中，為什么？由于孔蛋白的孔徑大，所以只能存在于外膜，而不能存在于內(nèi)膜。內(nèi)膜有界膜的作用，如果有孔蛋白，則失去界膜的功能。膜的不對(duì)稱性(membrane asymmetry)細(xì)胞質(zhì)膜脂雙層中各種成分的種類和數(shù)量呈現(xiàn)不均勻分布。 不對(duì)稱性的表現(xiàn)膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對(duì)稱性主要是指這些成分分布的不對(duì)稱以及這些分子在方向上的不對(duì)稱。 膜脂的不對(duì)稱性 膜脂的不對(duì)稱性表現(xiàn)在脂雙層中分布的各類脂的比例不同， 各種細(xì)胞的膜脂不對(duì)

32、稱性差異很大。 膜脂的不對(duì)稱分布 膜蛋白的不對(duì)稱 每種膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，與其功能相適應(yīng)，這是膜蛋白不對(duì)稱性的主要因素。膜蛋白的不對(duì)稱性包括外周蛋白分布的不對(duì)稱以及整合蛋白內(nèi)外兩側(cè)氨基酸殘基數(shù)目的不對(duì)稱。 紅細(xì)胞血型糖蛋白A在質(zhì)膜中不對(duì)稱分布 膜糖的不對(duì)稱 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，無(wú)論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面。 磷脂與糖脂分布的不對(duì)稱性膜糖分布的不對(duì)稱性 不對(duì)稱性的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對(duì)稱性導(dǎo)致了膜功能的不對(duì)稱性和方向性。保證了生命活動(dòng)的高度有序性。膜脂在膜中的分布是不對(duì)稱的，雖然這種不對(duì)稱性的生物學(xué)作用還了解得很少，但已經(jīng)取得了不少進(jìn)展。如糖脂是位

33、于脂雙層的外側(cè)，其作用可能作為細(xì)胞外配體(ligand)的受體。磷脂酰絲氨基主要集中在脂雙層的內(nèi)葉，在生理pH下帶負(fù)電荷，這種帶電性使得它能夠同帶正電的物質(zhì)結(jié)合，如同血型糖蛋白A跨膜螺旋鄰近的賴氨酸、精氨酸結(jié)合。磷脂酰膽堿出現(xiàn)在衰老的淋巴細(xì)胞外表面，作為讓吞噬細(xì)胞吞噬的信號(hào)。磷脂酰膽堿也出現(xiàn)在血小板的外表面，此時(shí)作為血凝固的信號(hào)。磷脂酰肌醇主要集中在內(nèi)葉，它們?cè)趯⒓?xì)胞質(zhì)膜的刺激向細(xì)胞質(zhì)傳遞中起關(guān)鍵作用。膜不僅內(nèi)外兩側(cè)的功能不同， 分布的區(qū)域?qū)δ芤灿杏绊憽Ｔ斐蛇@種功能上的差異， 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不對(duì)稱引起的。細(xì)胞間的識(shí)別、運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、信號(hào)傳遞等都具有方向性。這些方向性的維持就是

34、靠分布不對(duì)稱的膜蛋白、膜脂和膜糖來(lái)提供 不對(duì)稱性的研究方法研究膜結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術(shù)，此外還有同位素標(biāo)記法、酶水解法等。 冰凍斷裂(freeze fracture)法 冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對(duì)稱，也是膜的脂雙層結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)的來(lái)源。冰凍斷裂(freeze fracture)一種制備電子顯微鏡樣品的方法。將組織放在液氮中快速下冷凍，然后用冰刀使樣品斷裂分割，通過(guò)金屬?gòu)?fù)形可進(jìn)行電鏡觀察。冰凍斷裂技術(shù)顯示的脂雙層及膜蛋白分布的不對(duì)稱性 脅迫門控通道(stretchgated channel)將人工脂質(zhì)體放入低滲溶液中，這樣， 乳過(guò)氧化物酶就能進(jìn)入脂

35、質(zhì)體進(jìn)行內(nèi)側(cè)蛋白質(zhì)標(biāo)記。去垢劑在膜蛋白分離中的作用磷脂與糖脂分布的不對(duì)稱性不同類型的膜含有不同類型的膜脂，使這些膜具有不同的特性促進(jìn)擴(kuò)散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度向低濃度進(jìn)行。幾種主要的紅細(xì)胞膜蛋白是(其中血影蛋白、血型糖蛋白、帶3蛋白約占膜蛋白的60% 以上):18世紀(jì)90年代，Overton 用植物的根毛作實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)很容易進(jìn)入細(xì)胞，而水溶性的物質(zhì)卻不能。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，這種酶也是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量大而不通過(guò)細(xì)胞膜，所以磷脂酶只能附著在膜泡的外表面，能夠被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根據(jù)它原來(lái)的狀態(tài)，確定在紅細(xì)胞膜脂中的定向。界

36、膜和區(qū)室化(delineation and compartmentalization) 劃定了細(xì)胞的邊界，并在胞內(nèi)劃分了許多以膜包被的區(qū)室。主動(dòng)將Na+泵出細(xì)胞，K+泵入細(xì)胞紅細(xì)胞膜骨架的結(jié)構(gòu)如圖所示。P型、V型和F型運(yùn)輸泵的結(jié)構(gòu)在細(xì)胞質(zhì)膜的一側(cè)有同 Ca2+結(jié)合的位點(diǎn)，一次可以結(jié)合兩個(gè) Ca2+， Ca2+結(jié)合后使酶激活，并結(jié)合上一分子ATP，伴隨ATP的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵構(gòu)型發(fā)生改變，結(jié)合 Ca2+的一面轉(zhuǎn)到細(xì)胞外側(cè)，由于結(jié)合親和力低Ca2+離子被釋放，此時(shí)酶發(fā)生去磷酸化，構(gòu)型恢復(fù)到原始的靜息狀態(tài)。有人說(shuō)膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的障礙， 你認(rèn)為此說(shuō)有何

37、不妥? 第三是錨定蛋白與血影蛋白、帶3蛋白的相互作用ABC運(yùn)輸?shù)鞍字饕獏⑴c運(yùn)輸糖、氨基酸和小肽，運(yùn)輸時(shí)需要水解ATP提供能量。 流動(dòng)鑲嵌模型同樣適合原核生物。 被動(dòng)運(yùn)輸: 簡(jiǎn)單擴(kuò)散(simple diffusion)及限制因素1蛋白(band 4.同時(shí)膜糖也參與細(xì)胞的信號(hào)識(shí)別、細(xì)胞的粘著。1.放射性標(biāo)記法(radioactive labeling procedure)實(shí)驗(yàn)中首先要分離細(xì)胞膜，然后用乳過(guò)氧化物酶進(jìn)行膜蛋白標(biāo)記。過(guò)氧化物酶的分子較大而不能透過(guò)細(xì)胞膜，這樣可以用于標(biāo)記膜外表面的蛋白，標(biāo)記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進(jìn)行鑒定。研究細(xì)胞膜蛋白分布不對(duì)稱的一種方法。實(shí)驗(yàn)中首先要分離

38、細(xì)胞膜,然后用乳過(guò)氧化物酶進(jìn)行膜蛋白標(biāo)記。由于過(guò)氧化物酶的分子較大而不能透過(guò)細(xì)胞膜,這樣可以用于標(biāo)記膜外表面的蛋白,包括外周蛋白和整合蛋白的外部分。標(biāo)記后,分離膜蛋白,電泳分離和放射自顯影進(jìn)行鑒定。若是要標(biāo)記膜內(nèi)側(cè)的蛋白,則需將膜置于低離子強(qiáng)度的溶液中以提高膜的通透性,使乳過(guò)氧化物酶進(jìn)入膜泡進(jìn)行內(nèi)側(cè)蛋白的標(biāo)記。放射性標(biāo)記法測(cè)定膜蛋白分布的不對(duì)稱性 在酶法標(biāo)記測(cè)定膜蛋白的定向?qū)嶒?yàn)中若是要標(biāo)記膜內(nèi)側(cè)的蛋白，該如何處理？將人工脂質(zhì)體放入低滲溶液中，這樣， 乳過(guò)氧化物酶就能進(jìn)入脂質(zhì)體進(jìn)行內(nèi)側(cè)蛋白質(zhì)標(biāo)記。乳過(guò)氧化物酶就能進(jìn)入脂質(zhì)體進(jìn)行內(nèi)側(cè)蛋白質(zhì)標(biāo)記2. 脂酶處理法既可以用胰蛋白酶處理法研究膜蛋白的定位，

39、也可以用磷脂酶處理法來(lái)研究膜脂在脂雙層中的定位。 用脂酶處理法研究膜脂分布的不對(duì)稱性 請(qǐng)說(shuō)明磷脂酶處理法研究紅細(xì)胞膜脂在脂雙層中定位的原理由于紅細(xì)胞具有血影現(xiàn)象，只要將紅細(xì)胞置于低離子濃度的溶液中，紅細(xì)胞就會(huì)發(fā)生滲漏釋放出內(nèi)含物，得到只有紅細(xì)胞膜的空殼。然后調(diào)整溶液中的Mg2+離子濃度，改變紅細(xì)胞小泡的狀態(tài)。若是從溶液中除去Mg2+， 則形成外翻的小泡，若是加入Mg2+則是正常方向的小泡， 然后用脂酶分別處理這兩種紅細(xì)胞膜。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，這種酶也是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量大而不通過(guò)細(xì)胞膜，所以磷脂酶只能附著在膜泡的外表面，能夠被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后

40、再根據(jù)它原來(lái)的狀態(tài)，確定在紅細(xì)胞膜脂中的定向。3.5 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸 質(zhì)膜物質(zhì)運(yùn)輸概述 細(xì)胞質(zhì)膜不僅僅作為物質(zhì)出入細(xì)胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過(guò)的能力。換句話說(shuō)，細(xì)胞質(zhì)膜必須具有選擇性地進(jìn)行物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)和離子的平衡及滲透壓平衡的能力。 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸 物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆懂?細(xì)胞運(yùn)輸(cellular transport) :細(xì)胞與環(huán)境間的物質(zhì)交換; 胞內(nèi)運(yùn)輸(intracellular transport) :真核生物細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)合細(xì)胞器與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的物質(zhì)交換; 轉(zhuǎn)細(xì)胞運(yùn)輸(transcellular transport) :物質(zhì)穿越細(xì)胞的運(yùn)輸。這種運(yùn)輸主要是細(xì)胞與環(huán)境間

41、的物質(zhì)交換，包括細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、原材料的攝取和代謝廢物的排除及產(chǎn)物的分泌。如細(xì)胞從血液中吸收葡萄糖以及細(xì)胞質(zhì)膜上的離子泵將Na+泵出、將K+泵入細(xì)胞都屬于這種運(yùn)輸范疇。是真核生物細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)合細(xì)胞器與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的物質(zhì)交換。包括細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體、高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等與細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)交換。這種運(yùn)輸不僅僅是物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，而是從細(xì)胞的一側(cè)進(jìn)入，從另一側(cè)出去，實(shí)際上是穿越細(xì)胞的運(yùn)輸。在多細(xì)胞生物中，整個(gè)細(xì)胞層作為半滲透性的障礙，而不僅僅是細(xì)胞質(zhì)膜。如植物的根部細(xì)胞負(fù)責(zé)吸收水份和礦物鹽， 然后將它們運(yùn)輸?shù)狡渌M織即是這種運(yùn)輸。膜運(yùn)輸機(jī)制:被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸 動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸

42、的三個(gè)差異:起始條件不同、運(yùn)輸方式不同、產(chǎn)生的結(jié)果不同。被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸 流動(dòng)鑲嵌模型(fluid mosaic model)研究細(xì)胞膜蛋白分布不對(duì)稱的一種方法。這類通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變, 從而將“門”打開。 血影蛋白(spectrin)是真核生物細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)合細(xì)胞器與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的物質(zhì)交換。 膜脂的不對(duì)稱性 膜脂的不對(duì)稱性表現(xiàn)在脂雙層中分布的各類脂的比例不同， 各種細(xì)胞的膜脂不對(duì)稱性差異很大。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種方法檢測(cè)跨膜蛋白的哪一部分位于膜的外側(cè)，哪一部分位于膜的內(nèi)側(cè)?1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.被動(dòng)運(yùn)輸(passive transpo

43、rt)所有的膜脂都具有雙親媒性(amphipathic)，即這些分子都有一個(gè)親水末端(極性端)和一個(gè)疏水末端(非極性端)。AQP1是由四個(gè)相同的亞基構(gòu)成，每個(gè)亞基的相對(duì)分子質(zhì)量為28kDa，每個(gè)亞基有六個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，在跨膜結(jié)構(gòu)域2與3、5與6之間有一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是水通過(guò)的通道。例如細(xì)胞松弛素B是葡萄糖運(yùn)輸?shù)鞍椎囊种苿?因此將放射性標(biāo)記的細(xì)胞松弛素加入到細(xì)胞液中,就可同膜中葡萄糖運(yùn)輸?shù)鞍捉Y(jié)合,然后從膜中分離蛋白,通過(guò)放射性分析鑒定膜運(yùn)輸?shù)鞍住Ｑ芯磕そY(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術(shù)，此外還有同位素標(biāo)記法、酶水解法等。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，這種酶也

44、是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量大而不通過(guò)細(xì)胞膜，所以磷脂酶只能附著在膜泡的外表面，能夠被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根據(jù)它原來(lái)的狀態(tài)，確定在紅細(xì)胞膜脂中的定向。(a)通過(guò)脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散；如植物的根部細(xì)胞負(fù)責(zé)吸收水份和礦物鹽， 然后將它們運(yùn)輸?shù)狡渌M織即是這種運(yùn)輸。 流動(dòng)鑲嵌模型(fluid mosaic model)當(dāng)它們與膜蛋白作用時(shí)，可以用非極性端同蛋白質(zhì)的疏水區(qū)作用，取代膜脂，極性端指向水中， 形成溶于水的去垢劑膜蛋白復(fù)合物， 從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀在細(xì)胞質(zhì)膜的一側(cè)有同 Ca2+結(jié)合的位點(diǎn)，一次可以結(jié)合兩個(gè) Ca2+， Ca2+結(jié)合后使酶激活，并結(jié)合上一分子ATP，伴隨AT

45、P的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵構(gòu)型發(fā)生改變，結(jié)合 Ca2+的一面轉(zhuǎn)到細(xì)胞外側(cè)，由于結(jié)合親和力低Ca2+離子被釋放，此時(shí)酶發(fā)生去磷酸化，構(gòu)型恢復(fù)到原始的靜息狀態(tài)。促進(jìn)擴(kuò)散同簡(jiǎn)單擴(kuò)散相比，具有以下一些特點(diǎn)外周蛋白(peripheral protein)又稱附著蛋白(proteinattached)。從起始條件、運(yùn)輸方式、產(chǎn)生的結(jié)果等三個(gè)方面進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^。被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸起始條件細(xì)胞外被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)濃度大大高于細(xì)胞內(nèi)的濃度細(xì)胞外被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)的濃度可能高于、也可能低于細(xì)胞內(nèi)的濃度運(yùn)輸方式通過(guò)擴(kuò)散或運(yùn)輸?shù)鞍仔纬傻耐ǖ肋M(jìn)入細(xì)胞通過(guò)具有酶活性的運(yùn)輸?shù)鞍?泵)，在能量的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)出細(xì)胞產(chǎn)生的結(jié)果

46、最后使細(xì)胞內(nèi)外的濃度達(dá)到平衡最后細(xì)胞內(nèi)外的濃度處于穩(wěn)定，建立了濃度梯度 物質(zhì)輸入細(xì)胞的四種方式溶質(zhì)分子可通過(guò)四種不同的方式跨膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)乃姆N基本機(jī)制 圖中用較大號(hào)字母表示溶液的高濃度。(a)通過(guò)脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散；(b)通過(guò)膜整合蛋白形成的水性通道進(jìn)行的被動(dòng)運(yùn)輸;(c)通過(guò)同膜蛋白的結(jié)合進(jìn)行的幫助擴(kuò)散，也同(a)和(b)一樣，只能從高濃度向低濃度運(yùn)輸;(d) 通過(guò)載體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸，這種載體主要是酶，能夠催化物質(zhì)從低濃度向高濃度運(yùn)輸。 膜運(yùn)輸?shù)鞍?membrane transport protein)參與被動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)輸?shù)哪さ鞍妆环Q為膜運(yùn)輸?shù)鞍住?鑒定膜運(yùn)輸?shù)鞍椎姆椒ㄒ环N是親和標(biāo)記

47、法(affinity labeling)，另一種是膜重建(membrane reconstitution)。 鑒定膜運(yùn)輸?shù)鞍椎膬煞N方法 膜運(yùn)輸?shù)鞍资悄ふ系鞍祝?或是大的跨膜分子復(fù)合物， 功能是參與被動(dòng)運(yùn)輸(促進(jìn)擴(kuò)散)或主動(dòng)運(yùn)輸(運(yùn)輸泵)。參與促進(jìn)擴(kuò)散的膜運(yùn)輸?shù)鞍纂m然沒有酶活性， 但是具有酶催化的特點(diǎn)，如可達(dá)到最高速率、具有特異性和競(jìng)爭(zhēng)抑制等，因此，運(yùn)輸?shù)鞍子直环Q為透性酶(permease)。目前有兩種鑒定方法,一種是親和標(biāo)記法(affinity labeling),另一種是膜重建(membrane reconstitution)。上:親和標(biāo)記法,在此法中常常用到特異的運(yùn)輸系統(tǒng)的抑制劑。下:膜

48、重建法。在親和標(biāo)記法中,主要是用放射性標(biāo)記的分子抑制某種物質(zhì)的運(yùn)輸.這種抑制作用是由抑制劑同膜運(yùn)輸?shù)鞍椎慕Y(jié)合引起的,然后分離膜蛋白,鑒定同抑制劑結(jié)合的膜蛋白。例如細(xì)胞松弛素B是葡萄糖運(yùn)輸?shù)鞍椎囊种苿?因此將放射性標(biāo)記的細(xì)胞松弛素加入到細(xì)胞液中,就可同膜中葡萄糖運(yùn)輸?shù)鞍捉Y(jié)合,然后從膜中分離蛋白,通過(guò)放射性分析鑒定膜運(yùn)輸?shù)鞍?。在膜重建法?首先要分離純化膜蛋白,然后將分離純化的蛋白質(zhì)同磷脂混合,構(gòu)建人工脂質(zhì)體，然后檢測(cè)脂質(zhì)體的運(yùn)輸能力。離子載體在膜運(yùn)輸?shù)鞍坠δ苎芯恐械膽?yīng)用 人們對(duì)自然狀態(tài)下的膜運(yùn)輸特性的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自離子載體(ionophore)的應(yīng)用。 短桿菌肽 A(gramicidin A)是一

49、種形成通道的離子載體，它具有疏水的側(cè)鏈， 兩個(gè)分子在一起形成跨膜的通道。它能夠有選擇地將單價(jià)陽(yáng)離子順電化學(xué)梯度通過(guò)膜(圖349)，可被短桿菌肽 A離子通道運(yùn)輸?shù)年?yáng)離子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。 短桿菌肽A離子載體作用機(jī)制 離子載體是一些能夠極大提高膜對(duì)某些離子通透性的載體分子。大多數(shù)離子載體是細(xì)菌產(chǎn)生的抗生素,它們能夠殺死某些微生物,其作用機(jī)制就是提高了靶細(xì)胞膜通透性,使得靶細(xì)胞無(wú)法維持細(xì)胞內(nèi)離子的正常濃度梯度而死亡,所以離子載體并非是自然狀態(tài)下存在于膜中的運(yùn)輸?shù)鞍?而是人工用來(lái)研究膜運(yùn)輸?shù)鞍椎囊粋€(gè)概念。根據(jù)改變離子通透性的機(jī)制不同,將離子載體分為兩種類型:通道形成離子載體(cha

50、nnel-forming ionophore)和離子運(yùn)載的離子載體(ion-carrying ionophore)。 纈氨霉素(valinomycin)是一種由12個(gè)氨基酸組成的環(huán)形小肽。將纈氨霉素插入脂質(zhì)體后，通過(guò)環(huán)的疏水面與脂雙層相連， 極性的內(nèi)部能精確地固定K+。它在一側(cè)結(jié)合K+，然后向內(nèi)側(cè)移動(dòng)通過(guò)脂雙層， 在另一側(cè)將K+釋放到細(xì)胞內(nèi)。 離子運(yùn)載的離子載體的作用機(jī)制 從上面介紹的兩個(gè)離子載體的例子可以得到兩個(gè)基本結(jié)論: 膜運(yùn)輸?shù)鞍拙哂羞x擇性; 膜運(yùn)輸?shù)鞍淄ㄟ^(guò)兩種機(jī)制進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸，一是形成水性通道，二是同被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)結(jié)合，以可動(dòng)的形式穿膜，即可動(dòng)載體(mobile carrier)的運(yùn)輸。

51、 被動(dòng)運(yùn)輸(passive transport)非電解質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散跨過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜必須具備兩個(gè)條件:第一，該物質(zhì)在細(xì)胞外的濃度很高;第二，細(xì)胞質(zhì)膜必須對(duì)這種物質(zhì)具有通透性。膜對(duì)某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個(gè)條件之一(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過(guò)脂雙層，或是(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過(guò)的跨膜孔道。 擴(kuò)散與滲透細(xì)胞質(zhì)膜具有兩個(gè)基本的特性允許小分子物質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜，也可以讓水通過(guò)滲透進(jìn)出細(xì)胞質(zhì)膜。但是擴(kuò)散和滲透是兩個(gè)不同的概念。 擴(kuò)散(diffusion)是指物質(zhì)沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動(dòng)的過(guò)程，通常把這種過(guò)程稱為簡(jiǎn)單擴(kuò)散。 滲透(osmosis)的含義則是指水分子以及溶劑通過(guò)

52、半透性膜的擴(kuò)散。它們都是從自由能高的部位向自由能低的部位置ATP移動(dòng)。簡(jiǎn)單擴(kuò)散和滲透的比較 根據(jù)水與水中溶質(zhì)在膜通透性上的差別，才將膜稱為半透性(semipermeable)。當(dāng)兩種不同濃度的溶液被半透性的膜脂分隔開后，高溶質(zhì)濃度的一側(cè)是高滲的(hypertonic)，而低溶質(zhì)一側(cè)則是低滲的(hypoosmotic)。若兩側(cè)的溶質(zhì)濃度相等，則稱為等滲(isoosmotic)。 被動(dòng)運(yùn)輸: 簡(jiǎn)單擴(kuò)散(simple diffusion)及限制因素簡(jiǎn)單擴(kuò)散是被動(dòng)運(yùn)輸?shù)幕痉绞?，不需要膜蛋白的幫助，也不消耗ATP，而只靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差，通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)輸。簡(jiǎn)單擴(kuò)散的限制因素是物質(zhì)的脂溶性、

53、分子大小和帶電性。 脂溶性:脂溶性越強(qiáng)，通過(guò)脂雙層膜的速率越快。溶質(zhì)的脂溶性與通過(guò)細(xì)胞膜能力的關(guān)系 相對(duì)分子質(zhì)量:相對(duì)分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴(kuò)散。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)質(zhì)膜的通透性孔徑不會(huì)大于0.51.0nm，能夠擴(kuò)散的最小分子是水分子。 物質(zhì)的帶電性: 物質(zhì)的帶電性:一般說(shuō)來(lái)，氣體分子（如O2、CO2、N2）、小的不帶電的極性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通過(guò)質(zhì)膜，大的不帶電的極性分子（如葡萄糖）和各種帶電的極性分子都難以通過(guò)質(zhì)膜。不同分子對(duì)人工磷脂雙層的通透性 被動(dòng)運(yùn)輸:促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)及特點(diǎn) 促進(jìn)擴(kuò)散是指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)， 如

54、氨基酸、糖和金屬離子等借助細(xì)胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順電化學(xué)濃度梯度， 不消耗ATP進(jìn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)輸方式。促進(jìn)擴(kuò)散同樣不需要消耗能量，并且也是從高濃度向低濃度進(jìn)行。 促進(jìn)擴(kuò)散同簡(jiǎn)單擴(kuò)散相比，具有以下一些特點(diǎn) 促進(jìn)擴(kuò)散的速度要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 具有飽和性: 當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達(dá)到一定程度時(shí)，促進(jìn)擴(kuò)散的速度不再提高。 具有高度的選擇性: 如運(yùn)輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\(yùn)輸，但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似的糖類運(yùn)輸。 膜運(yùn)輸?shù)鞍椎倪\(yùn)輸作用也會(huì)受到類似于酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制，以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用。圖3-54 促進(jìn)擴(kuò)散與簡(jiǎn)單擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)比較 通道蛋白與促進(jìn)擴(kuò)散 通道蛋白(channel protein)

55、是一類橫跨質(zhì)膜，它們都是通過(guò)疏水的氨基酸鏈進(jìn)行重排，允許適宜的分子通過(guò)。通道蛋白具有選擇性，所以在細(xì)胞膜中有各種不同的通道蛋白。通道蛋白參與的只是被動(dòng)運(yùn)輸， 并且是從高濃度向低濃度運(yùn)輸，所以不消耗能量。極性(帶電性)通道的形成 a) 由單亞基膜蛋白形成的通道;(b)由多亞基蛋白形成的通道 有人說(shuō)膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的障礙， 你認(rèn)為此說(shuō)有何不妥?膜脂的主要功能是構(gòu)成膜的基本骨架。去除膜脂，則使膜解體。另外膜脂也是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過(guò)疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上得以執(zhí)行特殊的功能。有研究表明，膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境，一般情況下，

56、膜脂本身不參與反應(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng))。膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。如果去掉脂類， 酶蛋白即失去活性，加上脂類， 又可使活性恢復(fù)。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團(tuán)存在時(shí)才有功能?，F(xiàn)已鑒定過(guò)的離子通道蛋白在膜中都有開和關(guān)兩種構(gòu)型相當(dāng)于門，所以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gated channel)。 電位門控通道(voltagegated channels)這類通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變， 從而將門打開。含羞草的葉片在觸摸時(shí)發(fā)生的葉卷曲就是通過(guò)電位門控通道傳遞信號(hào)的。含羞草展開與收縮受電位-門控通道的控制 這類通道的構(gòu)型變化

57、依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過(guò)膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變, 從而將“門”打開。在很多情況下, 門通道有其自己的關(guān)閉機(jī)制, 它能快速地自發(fā)關(guān)閉。開放往往只有幾毫秒時(shí)間。在這短暫瞬息時(shí)間里,一些離子、代謝物或其它溶質(zhì)順著濃度梯度自由擴(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜。電位-門控通道在神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)中起主要作用, 電位門控通道也存在于其他的一些細(xì)胞,包括肌細(xì)胞、卵細(xì)胞、原生動(dòng)物和植物細(xì)胞。配體門控通道(ligand gated channel)這類通道在其細(xì)胞內(nèi)或外的特定配體（ligand）與膜受體結(jié)合時(shí)發(fā)生反應(yīng), 引起門通道蛋白的一種成分發(fā)生構(gòu)型變化, 結(jié)果使“門”打開。因此這類通道被稱為配體門控通道，

58、它分為細(xì)胞內(nèi)配體和細(xì)胞外配體兩種類型。 脅迫門控通道(stretchgated channel)這種通道的打開受一種力的作用，聽覺毛狀細(xì)胞的離子通道就是一個(gè)極好的例子。聽覺毛狀細(xì)胞的機(jī)械敏感門通道作用原理 載體蛋白(carrier protein)與促進(jìn)擴(kuò)散載體蛋白需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過(guò)自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸。葡萄糖可通過(guò)載體蛋白進(jìn)行促進(jìn)擴(kuò)散。運(yùn)輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過(guò)構(gòu)型的變化進(jìn)行葡萄糖的運(yùn)輸。紅細(xì)胞質(zhì)膜載體蛋白促進(jìn)葡萄糖擴(kuò)散示意圖 載體蛋白需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過(guò)自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸?shù)哪さ鞍?。載體蛋白促進(jìn)擴(kuò)散時(shí)同樣具有高度的特異性，其

59、上有結(jié)合點(diǎn)，只能與某一種物質(zhì)進(jìn)行暫時(shí)性、可逆的結(jié)合和分離。而且， 一個(gè)特定的載體只運(yùn)輸一種類型的化學(xué)物質(zhì)， 甚至一種分子或離子。載體蛋白既參與被動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸，也參與主動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸。由載體蛋白進(jìn)行的被動(dòng)物質(zhì)運(yùn)輸， 不需要ATP提供能量。載體蛋白對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程具有類似于酶與底物作用的動(dòng)力學(xué)曲線、可被類似物競(jìng)爭(zhēng)性抑制、具有競(jìng)爭(zhēng)性抑制等酶的特性。但與酶不同的是: 載體蛋白不對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)分子作任何共價(jià)修飾。水的被動(dòng)運(yùn)輸水是一種特別的物質(zhì)，之所以特別是因?yàn)樗肿与m然不溶于脂， 并且具有極性， 但也很容易通過(guò)膜。水通道蛋白(aquaporin) 大多數(shù)水是直接通過(guò)脂雙層進(jìn)入細(xì)胞的，也有些水是通過(guò)水通道蛋白進(jìn)行擴(kuò)

60、散的。動(dòng)物和植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種不同的水通道蛋白。水通道蛋白 AQP1是人的紅細(xì)胞膜的一種主要蛋白。它能夠讓水自由通過(guò)(不必結(jié)合)，但是不允許離子或是其他的小分子(包括蛋白質(zhì))通過(guò)。AQP1水通道蛋白 水通道蛋白(aquaporin)一種水的分子通道。在動(dòng)物和植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種不同的水通道蛋白。在動(dòng)物細(xì)胞中已經(jīng)鑒定了水通道蛋白家族中的六個(gè)成員，在植物中發(fā)現(xiàn)了具有類似功能的蛋白質(zhì)。膜的水通道蛋白 AQP1是1988年發(fā)現(xiàn)的，開始將這種蛋白稱為通道形成整合蛋白(CHIP)，是人的紅細(xì)胞膜的一種主要蛋白。它可以使紅細(xì)胞快速膨脹和收縮以適應(yīng)細(xì)胞間滲透性的變化。AQP1蛋白也存在于其他組織的細(xì)胞