高级生物化学课件.ppt

《高级生物化学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高级生物化学课件.ppt（197页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、高级生物化学-4 ppt课件,第四章 生物膜的结构与功能,前言,第一节 生物膜的化学组成,第二节生物膜的基本结构,第三节物质的跨膜运输,第四节信号的过膜转导,第四章 生物膜的结构与功能,近代生物学发展中具有重要意义的成就之一，就是认识到细胞主要是由膜系统组成的多分子动态体系。任何细胞都有一层薄膜（厚度约为47nm）将其内含物与环境分开，这层膜称为细胞膜或质膜或外膜。,真核细胞还有许多内膜系统，它们组成具有各种特定生理功能的亚细胞结构，包括细胞核、线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体、过氧化物酶体等，在植物细胞中还有进行光合作用的叶绿体等。原核细胞（如细菌）的细胞壁内有细胞质膜，某些细菌的质膜还可向

2、细胞内延伸成内陷结构，称为中体或者质膜体，它们可以完成真核细胞器的部分功能。,比细胞更小的枝原体，直径仅为0.331.0m，只有一层质膜包裹着细胞质。病毒颗粒的外周也有一层蛋白和类脂组成的外壳膜，有些病毒的外壳膜的类脂也是双分子层的典型生物膜结构。所有这些细胞中的膜系统虽然功能不同，但其基本的结构原则却是十分相似的。,细胞的外膜和内膜系统称为“生物膜”。生物膜结构是细胞结构的基本形式，它对细胞内很多生物大分子的有序反应和整个细胞的“区域化”都提供了必需的结构基础，从而使各个细胞器和亚细胞结构既各自具有恒定、动态的内环境，又相互联系、相互制约，从而使整个细胞活动有条不紊、协调一致地进行。生物膜具

3、有多种功能。与生命科学中许多基本问题都有密切关系，如细胞起源、物质转运、能量转换、细胞识别、细胞免疫、激素作用、神经传导、药物作用、细胞分化、以及肿瘤的发生等。,生物膜的研究不仅具有十分重要的理论意义，而且在工农业及医学实践中也有广阔的应用前景。在工业上生物膜的基本原理为工程技术仿生学提供了原型，例如生物膜的选择透性功能一旦模拟成功，将大大提高污水处理、海水淡化以及回收有用工业副产品的效率。在农业方面，从生物膜结构与功能的角度来研究农作物的抗寒、抗旱、耐盐、抗病等机理，这方面的研究成果将为农业增产带来显著成效。,第一节 生物膜的化学组成,化学分析表明，所有生物膜几乎都是蛋白质（包括酶）和脂类（

4、主要是磷脂）两大类物质组成，此外还有糖（糖蛋白和糖脂）、水和金属离子等。生物膜中的水分约占1520%左右。生物膜的组分，尤其是蛋白质和脂类的比例随膜种类的不同而表现出很大的差异，蛋白质和脂类含量的变化和膜功能的多样性有密切的关系。,一般说来，功能复杂和多样的膜，蛋白质所占的比例大，且种类多；相反，功能越简单特化的膜，蛋白质的含量和种类越少。例如，神经髓鞘膜主要起绝缘作用，只含有3种蛋白质，约占18%，而脂类则占79%，另外3%是糖，而线粒体内膜和细菌质膜功能复杂，含有电子传递系统和磷酸化酶系统，共有约60种蛋白质，占75%，脂类只占25%。,生物膜中的脂质有磷脂、胆固醇和糖脂等，但以磷脂为主要

5、组分。磷脂磷脂是构成生物膜的主要脂质。磷脂主要是以甘油为骨架，在甘油分子的第1，2位碳原子的羟基上以酯键分别连接两个脂肪酸链，第3位碳原子与磷酸成酯，即形成磷脂酸。,一、膜脂,1膜脂的种类,磷脂酸再与胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等结合为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇等。除甘油磷酸酯外，生物膜中还含有鞘磷脂组分。磷脂分子是“两性”分子，磷脂分子的两性特征决定了它们在生物膜中呈双分子层排列的结构特征（称脂质双层）及其与各种蛋白质相结合的特性。磷脂分子中脂肪酸碳链的长短及其不饱和程度则与生物膜的流动性有着密切的关系。,动物细胞中的胆固醇含量比植物细胞高，质膜中的胆固醇含量比细胞内膜

6、高。胆固醇也是“两性”分子，胆固醇的两性特点可能对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用。在相变温度以上时，胆固醇阻扰磷脂分子脂酰链的旋转异构化运动，在相变温度以下时，胆固醇的存在又会阻止磷脂分子脂酰链的有序排列，从而防止向凝胶态的转化，保持了膜的流动性，降低了相变温度。,胆固醇,糖脂在膜上的分布是不对称的，仅分布在细胞外侧的单分子层，暴露在膜的外表面，带糖基的极性端朝向膜外表的水相，而非极性的脂部分则分布在膜的疏水区。除磷脂、胆固醇和糖脂外，在叶绿体膜和嗜盐菌膜上还发现有含硫的脂质。,糖脂,一般说来，脂质分子在膜两侧的分布是不对称的。例如，人红细胞膜的外层含磷脂酰胆碱和鞘磷脂较多，内层则含磷

7、脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺较多。这种不对称分布会导致膜内外两层电荷数量、流动性等的差异。膜脂的不对称分布与膜蛋白的定向分布及其功能都有密切的关系。天然生物膜脂质在两层之间的翻转运动是非常缓慢的，因此，脂质在内质网合成时，这种不对称性分布看来就已经形成，而且通过不断地调节控制来维持其不对称性。,2膜脂的不对称分布,如前所述，脂质分子是两性分子，它们在水溶液中的溶解度是很有限的（包括磷脂分子）。以磷脂为例，当磷脂加入水中后，由于疏水部分表面积大，只有极少的分子以单体形式游离存在。绝大部分倾向于在水空气界面上形成单分子层，其“极性头”与水接触，而“疏水尾”伸向空气一侧。如果加入较多量的磷脂分子，使水空

8、气界面达到饱和，磷脂分子就以“微团”或者“双层微囊”形式存在。,3脂质的多形性,这两种形式都使磷脂分子的“极性头”与水相接触，而“疏水尾”则通过疏水作用力和范德华力的作用，尽可能地靠近，将水从邻近部位排除。磷脂分子在水溶液中究竟以微团形式存在还是以双层微囊形式存在，则取决于磷脂的组成。大多数天然磷脂分子倾向于后一种形式，因为这样更有利于分子的堆积，而只含有一条脂酰链的溶血磷脂、游离脂肪酸和去污剂则更容易形成微团结构，因为从整个分子看，它们的疏水表面积仅占较小的比例。,在一定条件下，磷脂分子还可以形成六角形相（H）结构，微团和六角形相结构均称为非脂双层结构。磷脂酰胆碱、鞘磷脂等一般都形成稳定的脂

9、质双层结构，而不饱和脂肪酸链的磷脂酰乙醇胺、单葡萄糖甘油二酯及单半乳糖甘油二酯则容易形成六角形相结构。心磷脂也容易形成六角形相，尤其是在Ca2+诱发的条件下。磷脂酰丝氨酸与磷脂酰甘油在中性与低温时，以脂质双层结构存在，在酸性与高温时则可转变为六角形相结构。,生物膜在一般条件下都呈双层结构，在某些生理条件下（如细胞的内吞、外排，细胞融合，脂质分子的翻转运动，蛋白质跨膜运送等）均可能出现非脂双层结构，但迄今为止还不能十分肯定，还需要进一步的研究和证明。,二、膜蛋白,细胞中大约有20%25%左右的蛋白质是与膜结构相连系的。膜蛋白根据其与膜脂的相互作用方式及其在膜中排列部位的不同，粗略的可分为两在类：

10、外周蛋白和内在蛋白。,1外周蛋白,外周蛋白分布于膜的外表面，它们通过静电作用或范德华力与膜的外表结合。经过温和的处理，如改变介质的离子强度或pH值，或加入螯合剂等可把外周蛋白分离下来。从膜上分离下来和外周蛋白呈水溶性，不再聚合，与脂类不再形成膜结构，表现了一般水溶性蛋白质的特征。此类蛋白质约占膜蛋白的2030%，在红细胞膜中约占50%左右。,2内在蛋白,内在蛋白质有的全部埋于脂质双层的疏水区，有的部分嵌在脂质双层中，有的横跨全膜。它们主要以疏水效应（或称疏水作用力）与膜脂相结合，只有使用比较剧烈的条件，如加入表面活性剂、有机溶剂，或使用超声波才能将其从膜上溶解下来。它们的特征是水不溶性，分离下

11、来之后，一旦去掉表面活性剂或有机溶剂，又能聚合成水不溶性，或与脂类形成膜结构。内在蛋白质约占膜蛋白的7080%左右。,内在蛋白质的氨基酸组分中，一般非极性氨基酸的比例高，其分子大都成为“双型”分子的特点，即极性氨基酸与非极性氨基酸在肽链中形成不对称分布。其非极性氨基酸部分与脂类的疏水区相互作用使蛋白质固着在膜中。内在蛋白质与脂质双层疏水区相接触的部分中，由于水分子的排除，多肽分子本身形成氢键的趋向大大增加，因此它们往往以螺旋或折叠形式存在，尤其以前者更为普遍。,三、糖类,生物膜中含有一定量的糖类，主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。在细胞的质膜和内膜系统中都有分布，在细胞的质膜表面约占质膜总量的21

12、0%左右。糖类在膜上的分布也是不对称的，质膜和内膜系统的糖蛋白和糖脂中的寡糖都全部分布在非细胞质的一侧。,膜表面的糖残基形成一层多糖蛋白质复合物，可称为细胞外壳。分布于细胞内膜系统的糖类面向膜系的内腔。在生物膜中组成寡糖的单糖主要有：半乳糖、甘露糖、岩澡糖、半乳糖胺、葡萄糖胺、葡萄糖和唾液酸。糖蛋白可能与大多数细胞的表面行为有关，细胞与周围环境的相互作用都涉及到糖蛋白，例如糖蛋白与细胞的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别以及细胞癌变都有密切的关系。,在糖蛋白中，糖与肽链以三种不同的糖苷键相连接：以N-糖苷键与天冬酰胺的酰胺基结合；以O-糖苷键与丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸残基的羟基结合；

13、以S-糖苷键与半胱氨酸中的硫相结合。除上述三类主要组分外，膜中尚含有少量水分和无机离子。膜的水分约为20%，呈结合状态。金属离子与膜蛋白和膜脂的结合有关。,第二节生物膜的基本结构,一、生物膜中分子间的作用力,生物膜的组分是蛋白质、脂类和糖类等，这些组分如何排列和组织起来形成特定的膜结构，膜的主要结构模型及主要理化性质是我们这一节讨论的主要问题,一般认为生物膜中分子间主要有三种类型的力起作用：静电力、疏水力和范德华力,1静电力,静电力是存在于一切极性和带电荷基团之间的吸引和排斥作用。膜两侧的脂质和蛋白质的亲水基团通过静电力的相互吸引可形成稳定的结构。静电力在膜蛋白之间的相互作用中也很重要，膜中疏

14、水区的介电常数较低，它可使蛋白分子的极性部分之间形成强烈的静电力。,2疏水力,疏水力对维持膜结构起着主要的作用。蛋白质分子具有非极性基团的氨基酸侧链和脂质双层的疏水脂肪酸链都有不与水接触或者说避开水的强烈倾向，因而使它们之间存在着一种相互趋近的力，称为疏水作用力。疏水力依赖于水的存在。在生物膜中，脂质的脂肪酸链和蛋白质分子的非极性面出于避开水的原因，排列在膜的内部；而脂质的极性端和蛋白质的极性部分或带电荷的基团则有与水接触的强烈倾向，定位于膜的两个表面，所以疏水力就成为决定膜总体结构的主要因素。,3范德华力,范德华力倾向于使膜中的分子尽可能的彼此靠近。由于这种作用力存在于所有原子对之间，所以它

15、们在膜结构中也是十分重要的，它和疏水力有相互补充的作用。在水相中，影响膜结构稳定的力可能来自两个方面：与膜平面平行作用的力和垂直作用的力。这两方面的力都是由疏水力和亲水力这两种相反作用力的总和形成的。,垂直于膜平面的亲水力主要倾向于把磷脂的极性基团拉向于水相；相反疏水力则倾向于把磷脂分子的碳氢链拉向脂质的中心部分以避开水相。这两种相反的作用力呈动态平衡，因而磷脂分子经常处于不断轻微伸出和缩入膜双分子层的状态中，表现为膜平面的波形振荡运动。,与脂质双层平行方向也有两种相反作用力，一是疏水力和范德华力都使磷脂的脂肪酸链互相靠近并排斥水分子，二是极性端之间的排斥或吸引使磷脂分子彼此分开或靠近。这两种

16、相反作用的结果，使每个组分经常可以彼此互相侧向置换。同样，膜中的兼性蛋白质也是这样，以疏水力和亲水力与脂质分子相互作用。由于脂质双分子层经常处于轻微的收缩扩张的周期运动，因而蛋白质也不断表现出伸出和缩入脂质双分子层的轻微波动。,热能倾向于抵消或减弱上述各种吸引力。当非键合原子之间的范德华力使脂类的末端碳氢链尽可能靠近时，热能会使其末端运动。由于热能随温度上升而增大，因此在一定温度下，脂类末端就由静止的晶态转变为无秩序的流动液体态。电介质在水相中有加强疏水力的倾向，但同时又有减弱静电力的倾向。但另一方面，非极性物质则有减弱疏水力的倾向，但同时又有加强静电力的倾向。,二、生物膜的流动性,膜的流动性

17、也可称之为运动性，包括膜脂和膜蛋白的运动状态。流动性是生物膜结构的主要特征。大量研究结果表明，合适的流动性对生物膜表现其正常功能具有十分重要的作用。例如，能量转换、物质转运、信息传递、细胞分裂、细胞融合、内吞、外排以及激素的作用等都与膜的流动性有密切的关系。,(一)、膜脂的流动性,相变与分相是生物膜结构的一个基本特征。在生理温度下，膜脂双分子层中有相当一部分表现为流体态（液晶态），但另一部分由于各种因素而表现为固体态（结晶态）。因此，从膜平面看，显示出分相现象。当温度降至相变温度时，流动的液晶态可转变为不流动的结晶态，在一定条件下，结晶态也可以转变为液晶态，将液晶态和结晶态的相互转变称之为相变

18、。,1相变与分相,磷脂的相变与其成分和环境条件密切相关。脂肪酰链的不饱和度、链长及极性端的结构都影响相变温度。例如，含不饱和双键的磷脂的相变温度大大低于相应的饱和键磷脂的相变温度；在碳氢链相同的情况下，磷脂酰胆碱相变温度比磷脂酰乙醇胺低；在极性头相同的情况下，随着脂肪酰碳链加长相变温度升高。所以，各种脂质由于组分的不同而具有各自的相变温度。生物膜脂质组成很复杂，其相变温度的范围就很宽，有时可宽达几十度。,2膜脂运动的几种方式,在相变温度以上时，磷脂的运动可归纳为下列几种方式。磷脂烃链围绕CC旋转而导致异构化运动。磷脂分子脂肪酸的CC键具有全反式和偏转两种构型，在低温条件下磷脂主要以全反式构型存

19、在，随着温度升高，偏转构型增多，流动性增大。,磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴左右摆动。从整个分子来看，这种运动还表现出梯度现象。极性部分的运动较快，甘油骨架的运动较慢，脂肪酸烃链部分运动又较快，尤其以“尾部”的运动最快。磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴作旋转运动。磷脂分子在膜内作侧向扩散或侧向移动。磷脂分子在脂质双层中作翻转运动。由于磷脂分子是一种两性分子，作翻转运动时必须通过脂质双层的疏水区，因此与其它运动方式相比，这种运动速度要慢得多。,磷脂分子运动的几种方式,旋转,在相变温度以下，有些运动方式仍可进行，但是速度变慢。影响磷脂流动性的因素很多，诸如：磷脂脂肪酰链的不饱和程度和链长，胆固醇、鞘

20、磷脂的含量，膜蛋白以及温度、pH、离子强度、金属离子等等。,(二)、膜蛋白的运动性,膜蛋白在膜中的平面扩散，主要是由于脂质分子快速运动引起的，但其运动速度较脂质分子低10100倍。但并不是所有的膜蛋白都能在膜平面中进行扩散运动，目前也发现有些膜蛋白和受体等并不随意扩散，而是相对固定在细胞膜表面的一定区域。,1膜蛋白的侧向扩散,细胞的骨架系统对膜蛋白的运动有一定的作用，例如，微丝对膜中蛋白组分有移运作用，这是通过微丝的收缩引起的；而微管则有固定膜蛋白组分的作用，二者正好相反，构成一套控制系统。膜蛋白的侧向扩散对研究膜的装配，对免疫反应、膜融合、感觉传导、细胞分裂和发育以及代谢等都有重要意义。,膜

21、蛋白可以围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。这种运动方式比侧向扩散的速度要慢，但与侧向扩散相似，不同的内在膜蛋白由于本身和微环境的差别，它们的旋转扩散也有很大的差异。膜蛋白在膜中旋转运动的生理意义，可能在酶蛋白和其底物的相互联系，以及蛋白质之间相互作用时调整正确的构象等。,2膜蛋白旋转扩散,(三)、膜流动性的生理意义,生物膜流动性的生理意义在于：膜脂合适的流动性是膜蛋白表现正常功能的必要条件。这是因为膜脂流动性对生物膜的内在蛋白部分嵌入脂质双层的深度有一定影响。当膜脂流动性降低时，嵌入膜蛋白暴露于水相的部分就会增加；相反，如果膜脂流动性增加，嵌入的膜蛋白则更多地深入脂质双层。因此，膜脂流动性的变

22、化会影响膜蛋白的构象与功能。,在生物体内，可以通过细胞代谢、pH、金属离子（Mg2+、Ca2+等）等因素对生物膜进行调控，使其具有合适的流动性从而表现正常功能。如果超出调节范围，生物膜就会发生病变。已经发现很多疾病患者的病变细胞膜或红细胞膜的流动性有异常变化，例如，急性淋巴细胞白血病患者的淋巴细胞膜流动性明显高于正常人。,也有报道，杜兴氏（Duchenne）型进行性肌肉营养不良症患者的红细胞、骨骼肌、肝细胞膜的流动性都比正常要低。-脂蛋白缺乏症和遗传性球形红细胞症患者的红细胞膜流动性也明显低于正常，我国学者也报道，大骨节病患者的红细胞膜和克山病患者心肌线粒体膜的流动性都低于正常。另外，植物的抗

23、冷性也与生物膜的流动性存在着一定的相关性，我国科学工作者报道，玉米或水稻等农作物的抗冷性与其线粒体膜的流动性具有一定的内在联系。,1脂质双层模型,1899年Overton在研究细胞膜的透性时已经提出脂质和胆固醇类物质可能是构成细胞膜的主要组分。1925年荷兰科学家Gorter与Grendel用丙酮抽提了红细胞膜的脂质并铺成单分子层，用Langmuir槽测定了其表面积。同时他们估算了红细胞膜的表面面积。结果发现，前者是后者的两倍，因而提出了膜中脂质分子以双分子排列的模型。,三、生物膜的分子结构模型,后来经多人研究证明，脂质双分子层的概念是正确的，所以迄今为止，双脂层是生物膜结构主体的论点仍然被广

24、泛接受。,2三夹板模型,1935年Danielli和Davson在Gorter与Grendel提出的连续的磷脂双分子层构成生物膜主体的基础上，企图解释蛋白质定位的问题时，提出了这种模型。其要点是：连续的脂质双分子层组成生物膜的主体，两层磷脂分子脂肪酸烃链伸向膜的中心，极性端朝向膜外两侧的水相，蛋白质则以单层形式覆盖于膜的两侧，从而形成“蛋白质-脂质-蛋白质”的三夹板（或“三明治”）式结构。,这个模型曾得到电镜观察和X-射线衍射分析等方面实验结果的支持。,3单位膜模型,这是一种类似于三夹板膜的模型，是1964年由Robertson提出的。与三夹板模型相同之处：膜也有三层结构，是“蛋白质-磷脂-蛋

25、白质”的结构方式。不同之处：蛋白质以单层肽链的厚度，以-折叠形式通过静电作用与磷脂极性端相结合，而且蛋白质在两侧呈不对称性分布。,但是，人们逐渐发现大多数生物膜所含的脂质并不全是连续的，而且大多数蛋白质都需要用比较剧烈的方法（如去污剂、有机溶剂、超声波等）才能从膜上分离下来，这些都是Robertson的单位膜模型难以解释的。,4流体镶嵌模型（液态镶嵌模型）,在生物膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性等研究获得一系列重要成果的基础上，1972年美国的Singer与Nicolson提出了“流体镶嵌”模型。它与以前提出的各种模型的差别在于：一是突出了膜的流动性，二是显示了蛋白质分布的不对称性。它主要把生

26、物膜看成是球型蛋白质和脂质按三维排列的流体。,从膜的横切面观看，膜中的内在蛋白与磷脂的双分子层交替排列，且与磷脂一样，其极性端突出膜表面伸向水相，而非极性端埋藏在膜脂的疏水部分。有些内在蛋白或其聚合体可横穿膜层，两端的极性部分伸向水相，中间的疏水部分与脂质双分子层的脂肪酸链部分呈疏水结合。外周蛋白与膜两侧的极性部分呈离子键结合。流体镶嵌模型主要强调流动的脂质双分子层构成膜的连续主体；蛋白质则无规则地任意流动在脂质的“海洋”中。,5板块模型,迄今为止，液态镶嵌模型虽然得到了比较广泛的支持，但仍然存在着很多局限性。例如，有很多实验结果表明，膜的流动性是不均匀的。由于脂质组成的不同，膜蛋白脂质、膜蛋

27、白膜蛋白的相互作用以及环境因素（如温度、pH、金属离子等）的影响，在一定温度下，有的膜脂处于结晶态，有的膜脂则呈流动的液晶态。即使都处于液晶态，膜中各部分的流动性也不相同。这样，整个膜可视为具有不同流动性的“微区”相间隔的动态结构。,因此，1977年Jain和White提出了“板块模型”。该模型认为：在流动的脂质双层中存在着许多大小不同刚度较大的独立移动的脂质“板块”（有序结构“板块”），板块之间由无序的流动的脂区（无序结构“板块”）所分割。这种无序结构“板块”和有序结构“板块”之间，可能处在一种连续的动态平衡之中。,分布于膜内两半层的“板块”彼此独立，呈不对称性，但也可能有某些“板块”延伸到

28、全部双分子层。板块内的各种组分之间以疏水力相互作用。蛋白质和脂质两者也可能形成另一种不同性质的长距离的有序组织（一般超过几百个分子大小）。因此，膜平面实际上同时存在不同组织结构和性质的许多“板块”，它们的变化主要由“板块”内组分的构象和相互作用的特异性所决定。而膜功能的多样性也可能与“板块”的性质和变化有关。,从上述几种不同的生物膜结构模型可以看出，生物膜结构的问题还远没有解决。一种模型也难以概括不同来源不同功能的生物膜。但下述几条基本原则对所有已知的生物膜结构来说可能都是共同的。磷脂的双分子层；脂质分子的各种运动形式；磷脂双分子层两半层的不对称性；膜蛋白结构、功能、分布及运动的不均一性；外周

29、蛋白主要以离子键与膜脂极性端结合，内在蛋白由于其一级结构和三维结构的不同，以各种方式和不同深度插入或穿过膜脂双分子层；膜蛋白、脂质等不同组分经常处于动态（相变和分相）和代谢周转过程中。,第三节物质的跨膜运输,生物膜的通透性具有高度的选择性，细胞能主动地从环境中摄取所需的营养物质，同时排出代谢废物和产物，使细胞保持动态的恒定，这对维持细胞的生命活动是极为重要的。大量证剧表明，生物界中的许多生命过程都直接或间接与物质的跨膜运输密切相关。诸如神经冲动传导，细胞行为和细胞分化，以及感觉的接受和传导等重要生命过程。因此，了解物质跨膜运输的规律和机理具有重要的意义。,物质的跨膜转运有多种方式。如果只是把一

30、种物质由膜的一侧转运到另一侧，称为单向转运；,如果一种物质的转运与另一种物质相伴随，称为协同转运，其中，方向相同，称为同向协同转运，方向相反，称为反向协同转运。,根据被转运的对象及转运过程是否需要载体和消耗能量，还可再进一步细分出各种跨膜运输方式。下面我们主要介绍一些小分子物质及大分子物质（包括蛋白质）跨膜运输及其相关分子机理的主要观点。,一、小分子物质的跨膜转运,被动运输是物质从高浓度的一侧跨膜转运到低浓度的一侧，即顺浓度梯度的转运过程。这是一个不需要能量的自发性过程。物质的转运速率既依赖于膜两侧的浓度差，又与被转运物质的分子大小、电荷和在脂质双层中的溶解度有关。,(一)、被动运输,1简单扩

31、散,简单扩散是物质依赖于在膜两侧的浓度差，从高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散的过程，不需能量，也不需载体。但不同的分子与离子并非以相同的速率进行过膜扩散。由于膜的基本结构是脂质双层，因此一般说来，疏水性小分子的透过性好，如O2、N2和苯等能较容易地穿越脂质双层。而离子和多数的极性分子透过性较差。,一些物质在脂质双层上的透过率比较,2促进扩散,促进扩散又称易化扩散，与简单扩散有相似之处，它也是物质从高浓度的一侧向低浓度的一侧转运的过程，也不需要提供能量。但不同的是这种转运方式需要特异的转运载体参与。转运载体有移动性载体和通道载体两种类型，它们有的是肽类抗菌素，有的是蛋白质。下面我们介绍几种移动性载

32、体和通道载体。,移动性离子载体移动性离子载体是一类可溶于脂质双层的疏水性小分子物质，如缬氨霉素、A23187、尼日利亚菌素等。缬氨霉素它是由链霉菌产生的一种抗生素，它对结合K+具有高度的选择性。它与K+形成缬氨霉素 K+复合物，有效的屏蔽了分子内部的亲水基团，而使分子的四周呈疏水性，因此复合体能从膜的一侧运送K+到膜的另一侧。,用已知磷脂组分的人工膜做实验发现，缬氨霉素运送K+的能力与温度有关，如果在磷脂的相变温度以上时，K+的运送速度明显增加，反之，很小。这就说明缬氨霉素是一个移动性离子载体。如果把缬氨霉素加入到含有K+的线粒体制剂中，发现保温介质中的K+进入线粒体，而且同时发现了H+的反向

33、运动，这说明它进行的是反向协同转运。因此，被广泛用于人工膜或生物膜的许多重要功能（如H+转位）的研究中。,“A23187”载体这是另一种移动性离子载体，它的功能是运送Ca2+、Mg2+等二价阳离子，在运送阳离子进入细胞的同时，将2个H+带至细胞外，所以进行的也是反向协同转运。如果把A23187加入到含Ca2+的活细胞培养液中，Ca2+可很快进入细胞质中。因此，在细胞生物学的研究中，被广泛用于增加细胞质的游离Ca2+浓度。,尼日利亚菌素它是一个多环醚羧酸化合物，其主要作用是进行H+与K+的交换。其作用机制类似于缬氨霉素，它通过分子上带负电荷的羧化物与K+相互作用形成尼日利亚菌素K+复合体，进行H

34、+K+交换。,移动性载体运送物质的分子机理可用移动性载体模型来说明。该模型假说认为：运送体通过在膜中的来回穿梭运动,使物质从膜的一侧运至另一侧；运送体结合被运送物质的部位在通过膜平面的旋转运动改变它在膜内的定向，使物质从膜的一侧运至另一侧。,通道载体通道载体是横跨于膜上的多肽或者蛋白质，如短杆菌肽A、ATP/ADP交换体等。短杆菌肽A它属于形成通道的离子载体，可从短芽孢杆菌中分离出来，是由15个氨基酸组成的线形多肽，具有疏水性侧链，由两个单体分子头头相对的二聚体形成一个穿过膜的通道。能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度通过。,据测定，在较大的电化学梯度下，短杆菌肽在一秒钟内每打开一次通道，大约能

35、运送2107个阳离子，这比单纯的移动性载体在相同时间运送的离子要快上千倍。通道载体运送物质的分子机理可用孔道或通道模型来加以说明。该模型认为：载体在膜内有较确定的方向，并且形成一个对被运送物质具有立体构型的亲水性孔道。孔道在识别被运送物质并作出反应时才瞬时打开，让被运送物质通过膜。从孔道的开关来说，又具有闸门作用。,如果当配基结合到一个专一性的细胞表面受体时，引起通道打开，称为“配体闸门通道”。,如果通因膜电位变化而打开，称为“电压闸门通道”。,ATP/ADP交换体真核细胞线粒体是合成ATP的主要场所，而细胞中很多利用ATP的代谢过程主要是在细胞质中。这就需要将线粒体内的ATP跨线粒体内膜转运

36、到细胞质中，这种转运功能是通过分布在线粒体膜上的ATP/ADP交换体进行的。通过呼吸作用形成的跨线粒体膜的膜电位（内负、外正），使ATP/ADP交换体易于向外运送ATP，向内运送ADP。,分离提纯的ATP/ADP交换体是一个分子量为30000的蛋白质，在膜上是以二聚体的形式存在的。生物化学与动力学研究，都支持ATP/ADP交换体作用机理的两态闸门孔道机制假说。认为每一个二聚体只含有一个核苷酸结合位点，当它面向膜外面时，对ADP的亲合力高，而面向膜内侧时，对ATP的亲合力高。核苷酸的结合位点的这两种状态可以通过膜蛋白的构象变化而相互转变，而实现核苷酸的交换。（如图所示）,(二)、主动运输,主动运

37、输是物质从低浓度的一侧跨膜转运到高浓度的一侧，即逆浓度梯度的转运过程。如果被转运物质带有电荷，则物质在跨膜运输时，需要逆两个梯度，一个是浓度梯度，一个是电荷梯度。这二者的总和又称为电化学梯度。主动运输的主要特点是：逆浓度梯度或电化学梯度的转运过程。需要转运载体。转运载体则是膜蛋白。,需要提供能量。例如，红细胞的K+、Na+主动运输的能源主要来自糖酵解产生的ATP，如果加入糖酵解过程的抑制剂（如氟化物），则运送不能进行。肝或肾细胞中的K+、Na+主动运输的能源来自线粒体的氧化磷酸化，如果加入电子传递体的抑制剂氰化物或解偶联剂2,4二硝基酚，则主动运输过程也被抑制。因此，主动运输过程的进行，需要有

38、两个体系存在。一是参与运输的载体，二是酶或酶系组成的能量传递系统。这二者的偶联才能推动主动运输。,有专一性。例如，有的细胞膜能主动运输某些氨基酸，但不能运送葡萄糖，有的则相反。有饱和动力学特征。例如，葡萄糖进入细胞的速度可随外界浓度的增加而加快，但这种增加有一定的限度，增加到一定浓度时运送体即处于“饱和”状态，即使再增加葡萄糖浓度，其速度不再增加，犹如酶分子被底物饱和一样。,有方向性。例如，细胞为了保持其内、外K+、Na+离子的浓度梯度差以维持其正常的生理活动，主动地向外运送Na+，而向内运送K+。选择性抑制。各种物质的运送有其专一的抑制剂阻遏这种运送。例如，乌本苷专一地抑制K+向外运送，而根

39、皮苷则抑制肾细胞的葡萄糖运送。,1Na+和K+的转运（Na+-K+泵）,无论动物、植物细胞或细菌，细胞内外都存在着离子浓度差。细胞内的K+浓度高而Na+浓度低，细胞外的Na+浓度高而K+浓度低。例如，红细胞内的K+含量比Na+含量高20倍左右，这种明显的离子梯度显然是逆浓度梯度主动运输的结果。执行这一运送功能的体系称为Na+-K+泵，Na+-K+泵就是分布于细胞膜上的 Na+,K+-ATP酶。,Na+,K+-ATP酶是由一个跨膜的催化亚单位(相对分子质量大约为100000)和与其相结合的一个糖蛋白(相对分子质量约为45000)组成。催化亚单位在位于膜内侧表面有Na+和ATP的结合位点，而在膜外

40、侧表面有K+和乌本苷（抑制剂）的结合位点。糖蛋白的功能还不清楚。Na+,K+-ATP酶在膜上可能以四聚体（两个大亚基和两个小亚基）的形式存在。Na+,K+-ATP酶具有依赖于Na+、K+的ATP酶活性，其主动运送Na+,K+的作用正是由水解ATP提供的能量来驱动的。,Na+,K+-ATP酶的作用机理是：在Na+存在下，将ATP末端的磷酸基转移到ATP酶的天冬酰胺残基上，这种与Na+有关的蛋白质磷酸化作用导致酶的构象发生变化，形成一个“开口”向外且对Na+亲合力小而对K+亲合力大的构象，将Na+从细胞内转运到细胞外。然后在K+存在下，ATP酶去磷酸化导致构象变化，再回到原来的“开口”向内的状态，

41、这种构象对K+亲合力小而对Na+亲合力大，从而将K+从细胞外转运到细胞内。这一步反应可被乌本苷抑制。,Na+,K+-ATP酶的作用机理示意图,所以在Na+和K+的主动运输过程中，Na+,K+-ATP酶经历了磷酸化和去磷酸化的变化过程，每经过一次变化过程，可以向膜外泵出3 个Na+，向膜内泵入2个K+。由Na+,K+-ATP酶维持的离子梯度差具有重要的意义。它不仅维持了细胞的膜电位，而且成为可兴奋细胞（如神经、肌细胞等）的活动基础，也调节细胞的体积和驱动某些细胞中的糖和氨基酸的转运。,2Ca2+的运送（Ca2+-泵）,细胞内外以及肌质网、线粒体内与细胞质之间都存在着明显的Ca2+离子浓度差。例如

42、，细胞质中的Ca2+浓度很低，约在10-610-7mol/L，而细胞外的Ca2+浓度却高达10-3mol/L。肌质网和线粒体内的Ca2+浓度也极明显的高于细胞质。这种差异主要是通过存在于细胞膜和细胞内膜系统中的Ca2+运送体系的作用实现的。我们主要介绍肌肉细胞中肌质网膜上的Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）。,肌质网是肌细胞含有的一种特化的内质网膜系统，是一种由许多精细的通道构成的网状结构，是细胞内重要的Ca2+库之一。当肌细胞受到外界剌激（如电剌激产生神经冲动使膜去极化）时，Ca2+由肌质网释放进入细胞质中，引起肌肉收缩。当肌肉松弛时，Ca2+重新被摄入肌质网。可见肌肉的收缩和松弛过程，是Ca

43、2+从肌质网释放和再摄入的主动运送过程。这一过程与Ca2+泵即Ca2+-ATP酶的作用有关。Ca2+-ATP酶是一个跨膜蛋白，在膜上可能以四聚体的形式存在。,肌质网膜上的Ca2+-ATP酶的相对分子质量约为110000，由1015个氨基酸残基组成。Ca2+-ATP酶具有Ca2+激活的ATP酶活性，其主动运送Ca2+的作用正是由水解ATP提供的能量来驱动的。Ca2+-ATP酶的活性受钙调蛋白（CAM或CaM）的调节。钙调蛋白可结合4个Ca2+，它对Ca2+-ATP酶活性的调节作用与细胞质中的Ca2+浓度有关。,当细胞质中的Ca2+浓度极低时,钙调蛋白主要以不与Ca2+结合的非活性状态存在，也不能

44、激活Ca2+-ATP酶,酶对Ca2+的亲合力也很低。如果细胞质中的Ca2+达到10-610-5mol/L时，钙调蛋白与Ca2+形成复合物，该复合物与Ca2+-ATP酶结合，并提高酶与Ca2+的亲合力，酶活性增加67倍，使Ca2+的主动运输大大增强，从而使细胞质中的Ca2+浓度又达到原有的稳态水平。,Ca2+-ATP酶的作用机理与Na+,K+-ATP酶类似。Ca2+-ATP酶有E1和E2两种构象，E1构象对Ca2+有很高的亲合力，可与2个Ca2+结合，与Ca2+结合的结果使酶磷酸化（即将ATP分子上的磷酸基转移到酶分子上）成为E2构象，该构象对Ca2+的亲合力降低而释放Ca2+，从而将Ca2+由

45、膜的一侧运送到另一侧。E2构象对K+的亲合力增大，可与K+结合，结果使酶去磷酸化成为E1构象，该构象对K+的亲合力降低而释放出K+。所以，Ca2+-ATP酶在运送Ca2+的同时，也转运了K+。,Ca2+-ATP酶的作用机理示意图,3糖和氨基酸的运送,协同运送一些糖或氨基酸的主动运送并不是靠直接水解ATP提供能量，而是依赖于离子梯度形式储存的能量。在动物细胞中形成这种离子梯度的通常是Na+。在小肠和肾细胞中，葡萄糖的运送是伴随Na+一起被送入细胞的，所以这种运送称为协同运送（或协同转运）。,协同转运假说认为，由于膜外Na+浓度高，Na+顺电化学梯度流向膜内，葡萄糖利用Na+梯度提供的能量，通过专

46、一的运送载体，伴随Na+一起进入细胞。Na+梯度越大，葡萄糖进入的速度越快。如果细胞外的Na+浓度明显降低，葡萄糖的运送也就减慢或停止。但是，进入膜内的Na+通过膜上的Na+-K+泵又被运送到膜外，以维持Na+浓度梯度，从而使葡萄糖不断利用离子梯度形式的能量进入细胞。,葡萄糖-Na+协同运输机理示意图,动物细胞质膜中氨基酸的运送，也是通过运送蛋白伴随Na+进行协同运送的。但在细菌中，很多糖与氨基酸的运送是由质子梯度推动的。换言之，在协同运送中，伴随的不是Na+，而是H+。在大肠杆菌中，每运送一个乳糖分子进入细胞，伴随着一个H+的协同运送。在线粒体和较低等的真核细胞膜中也存在着这种协同运送。,基

47、团运送一般来说，物质过膜运送时不需要经过化学修饰，但有些糖在通过细胞膜时需要进行磷酸化反应加入一个磷酸基团，以糖磷酸的形式才能通过膜，称为基团运送。例如，1964年S.Rosman等人在大肠杆菌中发现的磷酸烯醇式丙酮酸转磷酸酶系统（PTS），能利用磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）作为磷酸基团的供体，使糖磷酸化并运送通过细胞膜。可见这种主动运输形式中的能量来自于PEP，而不是ATP。细菌中的脂肪酸、嘌呤和嘧啶等物质的运送也可能是通过基团运送机理进行的。,基团运送机制示意图,二、大分子物质的跨膜转运,大分子物质的跨膜转运与小分子物质的跨膜转运有很大不同。例如，多核苷酸、多糖等大分子物质甚至颗粒物质主要是

48、通过外排作用、内吞作用及包括受体介导的内吞作用等形式运送的。蛋白质的跨膜运送除内吞、外排作用之外，还有跨内质网膜和线粒体膜、叶绿体膜等运送类型。,细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜接触、融合并向外释放被裹入的物质，这个过程称为外排作用。,(一)、外排作用,真核细胞对合成物质的分泌通常是通过外排作用完成的。例如胰岛素的分泌，产生胰岛素的细胞将胰岛素分子堆积在细胞内的囊泡中，然后这种分泌囊泡与质膜融合并打开，从而向细胞外释放胰岛素。细胞质中的Ca2+有促进分泌泡与质膜融合而启动外排的作用。神经等因素引起的细胞分泌，以及血浆中的葡萄糖促进胰岛素的分泌都是通过细胞膜的去极化，使Ca2+进

49、入细胞而引起的。除依赖于胞浆中的Ca2+之外，外排作用也需要ATP供能。,(二)、内吞作用,细胞从外界摄入的大分子物质或者颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围，内陷，其后从质膜上脱落下来而形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程，称为内吞作用。,1吞噬作用凡以大的囊泡形式（常称为液泡）内吞较大的固体颗粒、直径达几微米的复合物、微生物以及细胞碎片等的过程，称为吞噬作用。例如，原生动物摄取细菌和食物颗粒；高等动物免疫系统的巨噬细胞内吞侵入的微生物等。吞噬作用是一个需要能量的主动运输过程，但不具有明显的专一性,2胞饮作用指以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体（微滴直径一般小于1微米）吞入细胞的过程。被吞入的微滴

50、常含有离子或小分子，胞饮作用也不具有明显的专一性。,3受体介导的内吞作用指被吞物（称为配体，它们或者是蛋白质或者是小分子物质）与细胞表面的专一性受体结合，并随即引发细胞膜的内陷，形成囊泡将配体裹入并输入到细胞内的过程。因此，这是一种专一性很强的内吞作用，能使细胞选择性的摄入大量专一性配体，无需像胞饮作用那样摄入体积相当大的细胞外液。,例如，动物细胞摄取胆固醇的过程就是通过受体介导的内吞作用实现的。胆固醇及其酯是以低密度脂蛋白（LDL）的形式运输的，是一种比较大的球形颗粒，直径约为22nm，胆固醇及其酯位于其颗粒的内部，载脂蛋白覆盖于表面。在细胞表面具有特异的LDL受体，它是一种糖蛋白，能特异的