第三章細(xì)胞膜與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)谌录?xì)胞膜與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)

第二節(jié)生物膜基本特征與功能一、膜的流動性二、膜的不對稱性三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能

第三節(jié)膜骨架

第四節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、被動運(yùn)輸二、主動運(yùn)輸三、胞吞與胞吐作用第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型1.

E.Overton1895推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型2.

E.Gorter&F.Grendel1925推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。J.Danielli&H.Davson1935提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型

3.J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型4.

S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動鑲嵌模型”。第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型1.具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中具有自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)的性質(zhì)。2.蛋白分子以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面，蛋白的類型，蛋白分布的不對稱性及其與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜具有各自的特性與功能。3.生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液。第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)（一）膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。1、磷脂大多數(shù)膜脂都含有磷酸基團(tuán)，這種脂稱為磷脂(phospholipid)，是細(xì)胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。磷脂又分為兩大類：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸膽堿(卵磷脂)、磷脂酸肌醇等。磷脂酰絲氨酸卵磷脂鞘磷脂磷脂酰乙醇胺1、甘油磷脂（1）甘油磷脂甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembrane（2）鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，原核和植物細(xì)胞膜中不含。（3）磷脂特征a.一般有一個(gè)極性頭（磷酸和堿基）和兩個(gè)非極性的尾（脂肪酸鏈）；b.脂肪酸碳鏈為偶數(shù)；c.含有飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。類型：分為甘油磷脂和鞘磷脂。親水的頭部疏水尾部二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)（一）膜脂2、糖脂存在于原核和真核細(xì)胞的質(zhì)膜上，其含量約占膜脂總量的5％以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，結(jié)構(gòu)與磷脂相似，由一個(gè)或多個(gè)糖殘基代替磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，它只有一個(gè)半乳糖殘基作為極性頭部；變化最多、最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂。葡糖腦苷脂1.半乳糖腦苷脂，2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂，3.唾液酸

A型：膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。B型：末端是半乳糖，Gal。O型：末端沒有這兩種糖基。AB型：末端同時(shí)具有這兩種糖基

二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)（一）膜脂3、膽固醇只存在于真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。它是一種雙性分子。功能是提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)脂雙層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)（一）膜脂4、膜脂的運(yùn)動方式(1)沿膜平面的側(cè)向擴(kuò)散(lateraldiffusion)(2)脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動(rotation)。(3)脂分子尾部的擺動(flexion)(4)雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(flip-flop)（一）膜脂5.脂質(zhì)體脂質(zhì)體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。脂質(zhì)體的類型。脂質(zhì)體的應(yīng)用二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)脂質(zhì)體的類型(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán)；(b)球形脂質(zhì)體；(c)平面脂質(zhì)體膜；(d）用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖脂質(zhì)體的應(yīng)用研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)；脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移；在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體（二）膜蛋白基本類型內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式去垢劑(detergent)二、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)外在(周邊)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins)；水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜內(nèi)表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價(jià)結(jié)合，易分離。內(nèi)在（整合）膜蛋白(intrinsic/integralmembraneproteins)。

水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結(jié)合緊密,需用去垢劑使膜崩解后才可分離。

脂質(zhì)錨定蛋白（lipid-anchoredproteins)

通過磷脂或脂肪酸錨定，共價(jià)結(jié)合?；绢愋屯庵艿鞍卓侩x子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度、提高溫度就可以從膜上分離下來。一個(gè)蛋白可以由多個(gè)亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。外周蛋白脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。脂錨定蛋白整合蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins），兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域?yàn)?至多個(gè)疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100整合蛋白膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價(jià)結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強(qiáng)膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價(jià)結(jié)合。內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合方式內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合方式①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。

離子型去垢劑(SDS)

非離子型去垢劑（TritonX-100）

去垢劑第二節(jié)生物膜基本特征與功能流動鑲嵌模型突出了膜的流動性和不對稱性，認(rèn)為細(xì)胞膜由流動的脂雙層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。

一、膜的流動性

二、膜的不對稱性

三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能

一、膜的流動性膜的流動性概念是指膜內(nèi)部的脂和蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動性。膜是一種動態(tài)的結(jié)構(gòu)，具有膜脂的流動性(fluidity)和膜蛋白的運(yùn)動性(mobility)。膜的流動性不僅是膜的基本特性之一，也是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的必要條件。膜的流動性主要是由膜脂雙層的狀態(tài)變化引起的。膜脂由于成分不同而各有其不同的相變溫度。

一些基本的實(shí)驗(yàn)途徑。

一、膜的流動性（一）膜脂的流動性1、膜脂分子的運(yùn)動(1)側(cè)向擴(kuò)散、(2)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、(3)擺動運(yùn)動、(4)伸縮震蕩、(5)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動、(6)旋轉(zhuǎn)異構(gòu)一、膜的流動性（一）膜脂的流動性2、影響膜脂流動性的因素(1)膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性、還有加強(qiáng)細(xì)胞膜穩(wěn)定性的作用。(2)脂肪酸鏈的飽和度。(3)脂肪酸鏈的鏈長。(4)卵磷脂/鞘磷脂。(5)其他因素：膜蛋白和膜脂的結(jié)合方式、溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。一、膜的流動性（二）膜蛋白的流動性主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動方式。旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動。可用熒光標(biāo)記技術(shù)和光脫色恢復(fù)技術(shù)檢測膜蛋白的流動性。膜蛋白在脂雙層二維溶液中的運(yùn)動是自發(fā)的熱運(yùn)動，降低溫度，膜蛋白擴(kuò)散速率降低，但不需要細(xì)胞代謝產(chǎn)物參加，也不需提供能量。

幾種運(yùn)動形式：①隨機(jī)移動。②走向移動。③局部擴(kuò)散。

限制膜蛋白(內(nèi)在蛋白)分子運(yùn)動的因素：A被膜骨架固定B在Motorprotein的牽引下定向運(yùn)動C其運(yùn)動受其它膜蛋白的限制或影響D被膜骨架(或其它膜結(jié)構(gòu))限制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動E其運(yùn)動受細(xì)胞外基質(zhì)限制一、膜的流動性（三）實(shí)驗(yàn)途徑1、細(xì)胞融合2、成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping)3、光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)FRAP1、細(xì)胞融合2、成斑現(xiàn)象或成帽現(xiàn)象如果小鼠細(xì)胞質(zhì)膜中的抗體蛋白不能自由的進(jìn)行側(cè)向擴(kuò)散的話，斑和帽都是不能形成的。3、光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)FRAP

FRAP:fluorescencerecoveryafterphotobleaching不僅能夠證明膜的流動性，同時(shí)也能測量膜蛋白擴(kuò)散的速率。脫色恢復(fù)技術(shù)是研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。細(xì)胞膜蛋白的標(biāo)記方法有很多種?？梢杂梅翘禺愋缘娜玖?如異硫氰酸熒光素(fluoresceinisothiocyanate，F(xiàn)ITC)將細(xì)胞膜蛋白全部進(jìn)行標(biāo)記。也可用特異性的探針，如熒光抗體，標(biāo)記特異的膜蛋白。根據(jù)熒光恢復(fù)的速度，可推算膜脂的擴(kuò)散速度為每秒鐘為幾個(gè)微米。3、光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)FRAP不足之處：第一，它只能檢測膜蛋白的群體移動，而不能觀察單個(gè)蛋白的移動。其次,它不能證明膜蛋白在移動時(shí)是否受局部條件的限制。

思考：膜的流動性有何生物學(xué)意義？1、細(xì)胞質(zhì)膜適宜的流動性是生物膜正常功能的必要條件。2、酶活性與流動性有極大的關(guān)系，流動性大活性高。3、如果沒有膜的流動性，細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)無法進(jìn)入，細(xì)胞內(nèi)合成的胞外物質(zhì)及細(xì)胞廢物也不能運(yùn)到細(xì)胞外，這樣細(xì)胞就要停止新陳代謝而死亡。4、膜流動性與信息傳遞有著極大的關(guān)系。5、如果沒有流動性，能量轉(zhuǎn)換是不可能的。6、膜的流動性與發(fā)育和衰老過程都有相當(dāng)大的關(guān)系。二、膜的不對稱性質(zhì)膜的內(nèi)外兩層的組分和功能有明顯的差異，稱為膜的不對稱性。膜脂、膜蛋白和復(fù)合糖在膜上均呈不對稱分布，導(dǎo)致膜功能的不對稱性和方向性，即膜內(nèi)外兩層的流動性不同，使物質(zhì)傳遞有一定方向，信號的接受和傳遞也有一定方向等。二、膜的不對稱性ES，質(zhì)膜的細(xì)胞外表面；PS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面；EF，質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁斷裂面；PFs，原生質(zhì)小頁斷裂面。二、膜的不對稱性(一)膜脂的不對稱性Asymmetryofmembranelipids脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質(zhì)膜的內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域——脂筏。磷脂分子不對稱分布的生物學(xué)意義還不清楚，有人推測可能與膜蛋白的不對稱分布有關(guān)。二、膜的不對稱性(二)膜蛋白的流動性Asymmetryofmembraneproteins膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在時(shí)才能發(fā)揮其功能。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)，這是膜蛋白不對稱性的主要因素。二、膜的不對稱性(三)復(fù)合糖的不對稱性無論在任何情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面，這些成分可能是細(xì)胞表面受體，并且與細(xì)胞的抗原性有關(guān)。膜的不對稱性有何生物學(xué)意義？膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導(dǎo)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。膜脂在膜中的分布是不對稱的，雖然這種不對稱性的生物學(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。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?。三、?xì)胞質(zhì)膜的基本功能1.主要功能：為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境;選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞;提供細(xì)胞識別位點(diǎn),并完成細(xì)胞內(nèi)外信息跨膜傳遞;為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn),使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行;介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接;質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。如何理解細(xì)胞膜作為界膜對細(xì)胞生命活動所起的作用?(1)調(diào)節(jié)運(yùn)輸(regulationoftransport)(2)功能區(qū)室化：細(xì)胞膜的另一個(gè)重要的功能就是通過形成膜結(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。(3)信號的檢測與傳遞(detectionandtransmissionofsignals)(4)參與細(xì)胞間的相互作用(intercellularinteraction)(5)能量轉(zhuǎn)換(energytransduction)第三節(jié)膜骨架膜骨架指質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(meshwork)，它參與維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。膜骨架位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2mm厚的溶膠層。成熟的動物血紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核、細(xì)胞器和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。

第三節(jié)膜骨架經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體跨膜12次。血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，功能尚不明確，與MN血型有關(guān)，與帶4.1蛋白相連。第四節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。

第四節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸MembraneTransportProteins第四節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、被動運(yùn)輸（一）簡單擴(kuò)散（二）水通道（三）協(xié)助擴(kuò)散二、主動運(yùn)輸（一）簡述（二）離子泵（三）協(xié)同運(yùn)輸三、胞吞與胞吐作用（一）吞噬作用（二）胞飲作用（三）外排作用一、被動運(yùn)輸概念：被動運(yùn)輸（passivetransport）是通過簡單擴(kuò)散或協(xié)助擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：運(yùn)輸方向；跨膜動力；能量消耗；膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。類型：簡單擴(kuò)散（simplediffusion）水通道協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）（一）簡單擴(kuò)散(simplediffusion)1.概念：又稱為自由擴(kuò)散（freediffusion），是疏水小分子或小的不帶電荷的極性分子，不需要能量也不需要膜蛋白參與的跨膜運(yùn)輸方式。2.特點(diǎn)：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。某種物質(zhì)對膜的通透性（P）可以根據(jù)它在水和油中的分配系數(shù)（K）及擴(kuò)散系數(shù)（D）來計(jì)算：P=KD/t（t為膜的厚度）

人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。（一）簡單擴(kuò)散(simplediffusion)不同物質(zhì)透過人工脂雙層的能力（二）水通道決定水分出或入細(xì)胞的是細(xì)胞的水勢。水通過兩種機(jī)制穿過膜。通過脂雙層的擴(kuò)散。因?yàn)橹p層雖是疏水的，其中并非沒有空間，水分子可以通過氫鍵在其中形成類似冰的結(jié)構(gòu)，從而穿過膜。通過專一的水通道——水孔蛋白(AQP)。

（二）水通道1988年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。

PeterAgreRoderickMacKinnon

（二）水通道水孔蛋白是一類膜蛋白，相對分子質(zhì)量不大。水通道是水進(jìn)出細(xì)胞的關(guān)鍵，許多生理過程涉及體液的流動。水通道的活性調(diào)節(jié)可能具有以下途徑：通過磷酸化使AQP的活性增強(qiáng)；通過膜跑運(yùn)輸改變膜上AQP的含量，如血管加壓素(抗利尿激素)對腎臟遠(yuǎn)曲小管和集合小管上皮細(xì)胞水通透性調(diào)節(jié)；通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)，促進(jìn)AQP的合成。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白至少有11種。在擬南芥中已發(fā)現(xiàn)35個(gè)這類水通道。（三）協(xié)助擴(kuò)散也稱促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）。特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率；③存在特異性；載體：載體蛋白、通道蛋白。

1.載體蛋白（carrierprotein）及其功能載體蛋白是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子?？梢院吞囟ǖ娜苜|(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的主動和被動跨膜運(yùn)輸。（三）協(xié)助擴(kuò)散圖示載體蛋白通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)被動運(yùn)輸?shù)哪Ｐ拖嗤c(diǎn)：①特異性，有特異的結(jié)合位點(diǎn)；②有飽和動力曲線；③受抑制劑的影響。不同點(diǎn)：①可改變過程的平衡點(diǎn)；②不對溶質(zhì)分子作任何共價(jià)修飾。載體蛋白和酶的異同點(diǎn)：（三）協(xié)助擴(kuò)散2、通道蛋白（channelprotein）是衡跨質(zhì)膜的親水性通道，允許適當(dāng)大小的離子順濃度梯度通過，故又稱離子通道。有些通道長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，稱為門通道（電位門通道、配體門通道、環(huán)核苷酸門通道、機(jī)械門通道）。（三）協(xié)助擴(kuò)散IonChannels----or----（1）配體門通道(ligandgatedchannel)特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起通道構(gòu)象改變，“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿受體；和陰離子通道，如γ－氨基丁酸受體。Ach受體由4種亞單位（α2βγδ）組成。NicotinicacetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptor2、電位門通道(voltagegatedchannel)特點(diǎn)：電位門通道(voltagegatedchannel)是對細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外特異離子濃度發(fā)生變化時(shí)，或?qū)ζ渌碳ひ鹉る娢蛔兓瘯r(shí)，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。Na+、K+、Ca2+電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，由同一個(gè)遠(yuǎn)祖基因演化而來。結(jié)構(gòu)：四聚體，每個(gè)單體跨膜6次。VoltagegatedK+channelK+電位門有四個(gè)亞單位，每個(gè)亞基有6個(gè)跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊(P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道內(nèi)襯，大小允許K+通過。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器。K+channel4thsubunitnotshownIon-channellinkedreceptorsinneurotransmission神經(jīng)肌肉接點(diǎn)由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時(shí)，可使肌細(xì)胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道打開，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。3、環(huán)核苷酸門通道CNG結(jié)構(gòu)與鈉電位門通道相似。細(xì)胞內(nèi)的C末端較長，有環(huán)核苷酸的結(jié)合位點(diǎn)。分布于化學(xué)和光感受器中。如氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道，引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。4、機(jī)械門通道感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。目前比較明確的有兩類機(jī)械門通道，一類對牽拉敏感，為2價(jià)或1價(jià)的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主，幾乎存在于所有的細(xì)胞膜。另一類對剪切力敏感，僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。二、主動運(yùn)輸（一）主動運(yùn)輸概念特點(diǎn)：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；②需要能量；③都有載體蛋白。④具有選擇性和特異性。能量來源：①協(xié)同運(yùn)輸中的離子梯度動力；②ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量；③光驅(qū)動的泵利用光能運(yùn)輸物質(zhì)，見于細(xì)菌。二、主動運(yùn)輸(二)離子泵ionpump某些離子的運(yùn)輸之所以能逆濃度梯度的方向進(jìn)行，是由于依靠了鑲嵌在質(zhì)膜脂質(zhì)雙分子層上的一種內(nèi)在蛋白的分子構(gòu)象變化來實(shí)現(xiàn)的。離子泵本質(zhì)是受外能驅(qū)動的可逆性ATP酶。外能可以是電化學(xué)梯度能、光能等。細(xì)胞內(nèi)離子泵主要有4類：P-型離子泵，V-型質(zhì)子泵，F(xiàn)-型質(zhì)子泵和ABC超家族。前三者只轉(zhuǎn)運(yùn)離子，后一種主要是轉(zhuǎn)運(yùn)小分子。1、P型離子泵即P型ATP酶(P-typeATPases)，是一類催化ATP水解的酶，它將產(chǎn)生的能量用于離子逆濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。1957年JensSkou發(fā)現(xiàn)鈉鉀泵就是存在于細(xì)胞膜上的Na+/K+-ATPase，最終在1997年為他迎來了諾貝爾化學(xué)獎。2000年，日本科學(xué)家ChikashiToyoshima等人終于做出了突破性成果，成功得到了鈣泵在0.26nm高分辨率的三維結(jié)構(gòu)。2007年，丹麥科學(xué)家PoulNissen等人在Nature雜志上首次揭示了鈉鉀泵和質(zhì)子泵的高分辨率結(jié)構(gòu)。P-typeATPases能夠逆物質(zhì)濃度或電化學(xué)梯度以主動運(yùn)輸?shù)姆绞娇缒まD(zhuǎn)運(yùn)離子，從而使細(xì)胞內(nèi)外呈現(xiàn)一定的離子濃度差或電位差，這對于許多生理活動是必需的。(1)鈉鉀泵構(gòu)成：由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATP酶，分布于動物細(xì)胞的質(zhì)膜。工作原理：對離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程，所以叫做P-type離子泵。每個(gè)周期轉(zhuǎn)出３個(gè)鈉離子，２個(gè)鉀離子。Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)Na+-K+ATPPUMP鈉鉀泵的一個(gè)特性是他對離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程.

鈉鉀泵的作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；③維持細(xì)胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。(1)鈉鉀泵(2)鈣離子泵作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵出2個(gè)Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協(xié)同運(yùn)輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。鈣泵是一種含10個(gè)跨膜螺旋(M1-10)的內(nèi)在膜蛋白，相對分子質(zhì)量約為110kDa，共含994個(gè)氨基酸殘基。由3個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域組成。其中P結(jié)構(gòu)域含有磷酸化位點(diǎn)Asp351，N結(jié)構(gòu)域(最大，約27kDa)含有ATP結(jié)合位點(diǎn)，A結(jié)構(gòu)域(最小，約16kDa)為驅(qū)動器。(2)鈣離子泵ModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange(2)鈣離子泵(三)質(zhì)子泵質(zhì)子泵主要存在于植物和真菌細(xì)胞質(zhì)膜，相對分子質(zhì)量約為100kDa，跨膜部分為10個(gè)α螺旋。胞質(zhì)部分為A、P和N三個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中N結(jié)構(gòu)域比其他PII型離子泵小。此外，質(zhì)子泵的C末端延伸具有其他PII型離子泵所沒有的自抑制功能。質(zhì)子泵轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子過程中有三個(gè)重要狀態(tài)：E1-ATP、E2-P和E2-P*(1)Ca2+-ATPase，來自兔后腿骨骼肌；(2)Na+/K+-ATPase，來自豬腎；(3)H+-ATPase，來自擬南芥。

2、V-型質(zhì)子泵和F-型質(zhì)子泵

V-type：位于小泡(vacuole)的膜上，由許多亞基構(gòu)成，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、動物細(xì)胞的內(nèi)吞體、高爾基體的囊泡膜、植物液泡膜上。F-type：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，H＋沿濃度梯度運(yùn)動，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)起來，所以也叫ATP合酶(ATPsynthase)，F(xiàn)是氧化磷酸化或光合磷酸化偶聯(lián)因子(factor)的縮寫。3、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名。都含有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū),通過結(jié)合ATP發(fā)生二聚化，ATP水解后解聚，通過構(gòu)象的改變將與之結(jié)合的底物轉(zhuǎn)移至膜的另一側(cè)。但隨著基因的不斷進(jìn)化，成員之間又產(chǎn)生許多不同點(diǎn)，表現(xiàn)在家族特征的各個(gè)方面。MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。3、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。正常生理?xiàng)l件下，ABC蛋白是細(xì)菌質(zhì)膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是哺乳動物細(xì)胞質(zhì)膜上磷脂、親脂性藥物、膽固醇和其他小分子的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器還與病原體對藥物的抗性有關(guān)。

FourtypesofATP-poweredpumps（三）協(xié)同運(yùn)輸cotransport靠間接提供能量完成主動運(yùn)輸。所需能量來自膜兩側(cè)離子的濃度梯度。動物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。分為：同向協(xié)同（symport）和反向協(xié)同（antiport）。1、同向協(xié)同（symport）如小腸細(xì)胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。某些細(xì)菌對乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）如Na+驅(qū)動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。（三）協(xié)同運(yùn)輸cotransportGlucoseisabsorbedbysymport(四)主動與被動運(yùn)輸?shù)谋容^

性質(zhì)簡單擴(kuò)散

促進(jìn)擴(kuò)散主動運(yùn)輸參與運(yùn)輸?shù)哪こ煞葜鞍椎鞍妆贿\(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)是否需要結(jié)合否(載體蛋白)是是能量來源濃度梯度濃度梯度ATP水解或濃度梯度運(yùn)輸方向順濃度梯度順濃度梯度逆濃度梯度特異性無有有運(yùn)輸?shù)姆肿痈邼舛葧r(shí)的飽和性無有有(四)主動與被動運(yùn)輸?shù)谋容^幾類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的比較（五）物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸和膜電位膜電位：細(xì)胞膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差的總和。靜息電位（restingpotential）：細(xì)胞在靜息狀態(tài)下的膜電位。動作電位（activepotential）：細(xì)胞在刺激作用下的膜電位。極化：在靜息電位狀態(tài)下，質(zhì)膜內(nèi)為負(fù)值，外為正值的現(xiàn)象。去極化：由于離子的跨膜運(yùn)輸使膜的靜息電位減小或者消失。反極化：離子的跨膜運(yùn)輸導(dǎo)致瞬間內(nèi)正外負(fù)的動作電位的現(xiàn)象。超極化：離子的跨膜運(yùn)輸導(dǎo)致靜息電位超過原來的值。三、胞吞作用與胞吐作用真核細(xì)胞通過內(nèi)吞作用(endocytosis)和外排作用(exocytosis)完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。細(xì)胞的內(nèi)吞和外排活動總稱為吞排作用(cytosis)，又稱批量運(yùn)輸(bulktransport)。根據(jù)物質(zhì)的運(yùn)輸方向分為：胞吞作用(endocytosis)與胞吐作用(exocytosis)。

三、胞吞作用與胞吐作用(一)胞吞作用被攝入的物質(zhì)先被細(xì)胞膜逐漸包裹，然后內(nèi)陷形成小泡，再與細(xì)胞膜分離脫落進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，這個(gè)過程稱為胞吞作用。胞飲作用(pinocytosis)、吞噬作用(phagocytosis)、受體介導(dǎo)的胞吞作用(receptor-mediatedendocytosis)

(一)胞吞作用(一)胞吞作用1、胞飲作用細(xì)胞周圍環(huán)境中的液體和小溶質(zhì)分子先吸附在細(xì)胞表面，然后通過該部位細(xì)胞