細胞生物學 物質的跨膜運輸學習資料

細胞生物學：質膜物質運輸概述物質的跨膜運輸細胞生物學：質膜物質運輸概述3.5.1質膜物質運輸概述細胞質膜不僅僅作為物質出入細胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過的能力（圖3-45）。換句話說，細胞質膜必須具有選擇性地進行物質跨膜運輸、調節(jié)細胞內外物質和離子的平衡及滲透壓平衡的能力。圖3-45物質的跨膜運輸■物質運輸的范疇細胞進行的物質運輸有三種不同的范疇：●細胞運輸（cellulartransport）這種運輸主要是細胞與環(huán)境間的物質交換；●胞內運輸（intracellulartransport）是真核生物細胞內膜結合細胞器與細胞內環(huán)境進行的物質交換；●轉細胞運輸（transcellulartransport）這種運輸是物質穿越細胞的運輸?！瞿み\輸機制：被動運輸與主動運輸●被動運輸與主動運輸的差異有三個主要的差異（圖3-46）：起始條件不同、運輸方式不同、產生的結果不同。請從起始條件、運輸方式、產生的結果等三個方面對主動運輸和被動運輸進行比較圖3-46被動運輸和主動運輸●物質輸入細胞的四種方式溶質分子可通過四種不同的方式跨膜運輸到細胞內（圖3-47）。圖3-47物質跨膜運輸的四種基本機制圖中用較大號字母表示溶液的高濃度。（a）通過脂雙層的簡單擴散；（b）通過膜整合蛋白形成的水性通道進行的被動運輸；（c）通過同膜蛋白的結合進行的幫助擴散，也同（a）和（b）一樣，只能從高濃度向低濃度運輸；（d）通過載體介導的主動運輸，這種載體主要是酶，能夠催化物質從低濃度向高濃度運輸。■膜運輸蛋白（membranetransportprotein）無論是被動還是主動運輸，都有膜蛋白的參與，這些蛋白被稱為膜運輸蛋白?！衲み\輸蛋白的鑒定目前有兩種鑒定方法（圖3-48），一種是親和標記法（affinitylabeling），另一種是膜重建（membranereconstitution）。醫(yī)學教育網圖3-48鑒定膜運輸蛋白的兩種方法上：親和標記法，在此法中常常用到特異的運輸系統(tǒng)的抑制劑。下：膜重建法?！鲭x子載體在膜運輸蛋白功能研究中的應用人們對自然狀態(tài)下的膜運輸特性的認識主要來自離子載體（ionophore）的應用?！穸虠U菌肽A（gramicidinA）是一種形成通道的離子載體，它具有疏水的側鏈，兩個分子在一起形成跨膜的通道。它能夠有選擇地將單價陽離子順電化學梯度通過膜（圖3-49），可被短桿菌肽A離子通道運輸的陽離子有∶H+〉NH4+〉K+〉Na+〉Li+。圖3-49短桿菌肽A離子載體作用機制●纈氨霉素（valinomycin）是一種由12個氨基酸組成的環(huán)形小肽。將纈氨霉素插入脂質體后，通過環(huán)的疏水面與脂雙層相連，極性的內部能精確地固定K+.它在一側結合K+，然后向內側移動通過脂雙層，在另一側將K+釋放到細胞內（圖3-50）。圖3-50離子運載的離子載體的作用機制從上面介紹的兩個離子載體的例子可以得到兩個基本結論：①膜運輸蛋白具有選擇性；②膜運輸蛋白通過兩種機制進行物質運輸，一是形成水性通道，二是同被運輸的物質結合，以可動的形式穿膜，即可動載體（mobilecarrier）的運輸膜的不對稱性（membraneasymmetry）。膜的不對稱性（membraneasymmetry）細胞質膜的不對稱性是指細胞質膜脂雙層中各種成分不是均勻分布的，包括種類和數量的不均勻?！霾粚ΨQ性的表現膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對稱性主要是指這些成分分布的不對稱以及這些分子在方向上的不對稱?！衲ぶ牟粚ΨQ性膜脂的不對稱性表現在脂雙層中分布的各類脂的比例不同，各種細胞的膜脂不對稱性差異很大（圖3-29）。圖3-29膜脂的不對稱分布●膜蛋白的不對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，這是膜蛋白不對稱性的主要因素。膜蛋白的不對稱性包括外周蛋白分布的不對稱以及整合蛋白內外兩側氨基酸殘基數目的不對稱（圖3-30）。圖3-30紅細胞血型糖蛋白A在質膜中不對稱分布●膜糖的不對稱膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，無論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（圖3-31、3-32）。圖3-31磷脂與糖脂分布的不對稱性圖3-32膜糖分布的不對稱性■不對稱性的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導致了膜功能的不對稱性和方向性。保證了生命活動的高度有序性。膜結構不對稱性的意義是什么？■不對稱性的研究方法研究膜結構不對稱性的方法有很多種，其中最重要的就是冰凍斷裂技術，此外還有同位素標記法、酶水解法等。●冰凍斷裂（freezefracture）法冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對稱，也是膜的脂雙層結構的直接證據的來源（圖3-33）。醫(yī)學教育網圖3-33冰凍斷裂技術顯示的脂雙層及膜蛋白分布的不對稱性●放射性標記法（radioactivelabelingprocedure）實驗中首先要分離細胞膜，然后用乳過氧化物酶進行膜蛋白標記。過氧化物酶的分子較大而不能透過細胞膜，這樣可以用于標記膜外表面的蛋白，標記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進行鑒定。圖3-34放射性標記法測定膜蛋白分布的不對稱性在酶法標記測定膜蛋白的定向實驗中若是要標記膜內側的蛋白，該如何處理？●脂酶處理法既可以用胰蛋白酶處理法研究膜蛋白的定位，也可以用磷脂酶處理法來研究膜脂在脂雙層中的定位（圖3-35）。圖3-35用脂酶處理法研究膜脂分布的不對稱性結構模型結構模型膜的分子結構及特點雖然細胞質膜是包裹在細胞最外層的界膜，但由于細胞的新陳代謝活動必須同細胞外進行物質交換，這就要求細胞質膜具有特殊的結構，以保證生命活動的正常進行。結構模型●1890年，E.Overton發(fā)現了脂溶性物質容易透過細胞，提出了脂肪柵的膜結構設想。●1925年，荷蘭的兩位科學家E.Gorter和F.Grendel根據對紅細胞的研究，提出細胞的外面有一個雙脂分子層結構。■片層結構模型（Lamellastructuremodel）1935年JamesDaniellie和HughDavson提出"雙分子片層"結構模型（圖3-24），該模型是第一次用分子術語描述的結構，并將膜結構同所觀察到的生物學理化性質聯(lián)系起來，對后來的研究有很大的啟發(fā)。圖3-24質膜的片層結構模型■單位膜模型（unitmembranemodel）1959年，J.D.Robertson利用電子顯微鏡技術對各種膜結構進行了詳細研究，在電子顯微鏡下發(fā)現細胞膜是類似鐵軌結構（"railroadtrack"），兩條暗線被一條明亮的帶隔開，顯示暗——明——暗的三層，總厚度為7.5nm，中間層為3.5nm，內外兩層各為2nm.并推測：暗層是蛋白質，透明層是脂，并建議將這種結構稱為單位膜（圖3-25）。圖3-25質膜的單位膜模型■流動鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）1972年Singer和Nicolson總結了當時有關膜結構模型及各種研究的新成就，提出了流動鑲嵌模型（圖3-26）。這一模型強調了膜的流動由性和不對稱性，較好地體現細胞的功能特點，被廣泛接受，也得到許多實驗的支持。圖3-26質膜的流動鑲嵌模型■大腸桿菌細胞質膜●流動鑲嵌模型同樣適合原核生物。醫(yī)學教育網圖3-27大腸桿菌的雙層質膜●具有雙層膜結構的只是革藍氏陰性菌，如大腸桿菌（圖3-27）。對于革藍氏陽性菌，如鏈球菌、葡萄球菌等只有單層膜結構。●在革藍氏陰性菌的外膜上有豐富的孔蛋白蛋白(membraneprotein)。蛋白(membraneprotein)膜蛋白（membraneprotein）由膜脂構成膜的基本結構，但是生物膜的特定功能主要是由蛋白質決定的。功能越復雜的膜，其上的蛋白質種類越多?！瞿さ鞍椎姆诸悡さ鞍着c膜脂的關系分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。整合蛋白（integralprotein）又稱內在蛋白（intrinsicprotein），跨膜蛋白（transmembraneprotein），部分或全部鑲嵌在細胞膜中或內外兩側（圖3-19）。圖3-19整合蛋白外周蛋白（peripheralprotein）又稱附著蛋白（protein-attached）。這種蛋白完全外露在脂雙層的內外兩側，主要是通過非共價鍵附著在脂的極性頭部，或整合蛋白親水區(qū)的一側，間接與膜結合（圖3-20）。圖3-20外周蛋白脂錨定蛋白（lipid-anchored）又稱脂連接蛋白（lipid-linkedprotein），通過共價鍵的方式同脂分子結合，位于脂雙層的外側。同脂的結合有兩種方式，一種是蛋白質直接結合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結合，而是通過一個糖分子間接同脂結合（圖3-21）。醫(yī)學教育網圖3-21脂錨定蛋白■膜蛋白的功能胞質膜有著許多重要的生物學功能，這些功能大多數是由膜蛋白來執(zhí)行的（圖3-22，表3-4）。圖3-22膜蛋白的某些功能表3-4某些膜蛋白及其功能功能蛋白示例作用方式運輸蛋白Na＋泵主動將Na+泵出細胞，K+泵入細胞連接蛋白整合素將細胞內肌動蛋白與細胞外基質蛋白相連受體蛋白血小板生長因子（PDGF）受體同細胞外的PDGF結合、在細胞質內產生信號，引起細胞的生長與分裂酶腺苷酸環(huán)化酶在細胞外信號作用下，導致細胞內cAMP產生■膜蛋白的研究方法●膜蛋白的分離十二烷基磺酸鈉（SDS）和TritonX-100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氫鏈。當它們與膜蛋白作用時，可以用非極性端同蛋白質的疏水區(qū)作用，取代膜脂，極性端指向水中，形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復合物，從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀（圖3-23）。圖3-23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，使蛋白質成為水溶性，從而與膜分離?！衲さ鞍自谀ぶ形恢脺y定膜的碳水化合物膜的碳水化合物膜中的碳水化合物約占膜重量的1～10%，糖含量的多少依細胞的不同而不同。細胞質膜上所有的膜糖都位于質膜的外表面，內膜系統(tǒng)中的膜糖則位于內表面。■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，而在動物細胞膜上的主要是7種（圖3-16）。圖3-16細胞膜中常見的七種糖類■膜糖的存在方式真核細胞質膜中的糖類是通過共價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胞質膜上。糖同氨基酸的連接主要有兩種形式，即O-連接和N-連接（圖3-17）。醫(yī)學教育網●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個糖基?！馧-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個以上的糖基。另外，N連接的方式較O連接普遍。圖3-17糖與多肽連接的兩種方式■膜糖的功能膜糖在細胞的生命活動中具有重要作用，它們可以提高膜的穩(wěn)定性，增強膜蛋白對細胞外基質中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進行正確的折疊和維持正確的三維構型。同時膜糖也參與細胞的信號識別、細胞的粘著。如同某些糖脂一樣，膜蛋白中的糖基是細菌和病毒感染時的識別和結合位點。另外，糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質進行正確的運輸和定位?！馎BO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3-18）。人的血型是A型、B型、AB型還是O型，是由紅細胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。A血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺（GalNAc），B血型的人紅細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具有這兩種糖。圖3-18血型抗原膜脂(membranelipids)膜脂(membranelipids)質膜的化學組成脂和蛋白質是膜的主要成分，同時還有少量的糖類。構成膜的蛋白質與脂的比例依據膜的類型（如質膜、內質網膜、高爾基體膜）、細胞類型（肌細胞、肝細胞）、生物類型（動物、植物和原核生物）的不同而不同（表3.1）。一般而言，脂占50%，蛋白質占40%，碳水化合物約占1-10%.表3-1不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比（%）膜蛋白質脂碳水化合物質膜紅細胞49438神經鞘18793肝細胞543610核膜66322高爾基體642610內質網622710線粒體外膜5545痕跡量內膜7822-葉綠體7030-膜脂（membranelipids）所有的膜脂都具有雙親媒性（amphipathic），即這些分子都有一個親水末端（極性端）和一個疏水末端（非極性端）。這種性質使生物膜具有屏障作用，大多數水溶性物質不能自由通過，只允許親脂性物質通過。有人說膜脂的功能僅作為膜的骨架，并作為非脂溶性物質進入細胞的障礙，你認為此說有何不妥？■膜脂的主要類型醫(yī)學教育網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?！窳字╬hospholipids）含有磷酸基團的脂稱為磷脂，是細胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。它有一個極性的頭部和一個疏水的尾部（圖3-12）。圖3-12磷脂酰乙醇胺的分子結構●膽固醇（cholesterol）細胞膜上另一類脂是固醇類的膽固醇（圖3-13），膽固醇存在于真核細胞膜中。動物細胞膜膽固醇的含量較高，有的占膜脂的50%，大多數植物細胞和細菌細胞質膜中沒有膽固醇，酵母細胞膜中是麥角固醇。圖3-13膽固醇的結構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，疏水的尾部埋在脂雙層的中央（圖3-14）。圖3-14膽固醇在脂雙層中的位置■膜脂的特性和功能●不同類型