细胞生物学总结
第四章：细胞质膜
第一节、细胞质膜的结构模型与基本成分
生物膜
生物膜结构：
磷脂双分子层是组成生物膜的基本成分，蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双分子层中或结合在其表面，膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者。生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现玩去、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。
膜脂——生物膜基本组成成分
（一）基本成分
1.甘油磷脂：膜脂的基本成分（50%以上）
主要特征：①除心磷脂外，具有一个与磷酸集团相结合的极性头和两个非极性的尾。②脂肪酸碳链为偶数，多数碳链为16/18个碳原子组成。③除饱和脂肪酸外，常含有1~2个双键的不饱和脂肪酸（多为顺式）
2.鞘脂：鞘磷脂（SM）、糖脂
3.固醇：胆固醇及其类似物。特殊的分子结构和强疏水性，自身不能形成脂双层。调节膜的流动性，增加膜的稳定性降低水溶性物质的通透性。
（二）膜脂的四种热运动方式
（1）沿膜平面的侧向运动（基本方式）
（2）脂分子围绕轴心的自旋运动
（3）脂分子尾部的摆动
（4）双层脂分子之间的翻转运动。一般情况下极少发生，发生频率不到脂分子侧向交换频率的10￣10.但在内质网膜上频率很高。
（三）脂质体
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜。应用：研究膜脂和膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料；脂质体中裹入DNA 可有效地将其导入细胞中，常用于转基因实验；在临床医疗中，常作为药物或酶等的载体。
膜蛋白：
（一）膜蛋白的类型
外在（外周）膜蛋白：靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合，易分离。
内在（整合）膜蛋白：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。
脂锚定蛋白：通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。
（二）内在膜蛋白与质膜结合的方式
（1）膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用，这是内在膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本的结合方式。（疏水作用）
（2）跨膜结构域两端懈怠正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用。（离子键作用）
（3）某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与膜双层的结合力。
（三）去垢剂
去垢剂是一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂SDS和非离子型去垢剂Triton-100.
第二节：细胞质膜的基本特征与功能
一、膜的流动性
（一）膜脂的流动性
膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的，一般来说，脂肪酸链越短，不饱和程度越高，脂膜的流动性越大。温度对膜脂的运动有着明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度来维持膜脂的流动性。动物细胞中，胆固醇对膜的流动性也起着重要的双重调节作用。
影响膜脂流动性的因素：
影响膜脂流动性的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等，包括胆固醇：含量增加会降低膜的流动性
脂肪酸链的饱和度：双链越多越不饱和，流动性增加
脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低
卵磷脂/鞘磷脂：比例高则流动性增加，因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂
其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等
（二）膜蛋白的流动性：荧光漂白恢复技术
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
膜的流动性有何生物学意义？
质膜的流动性是保证其正常生理功能的必要前提例如物质跨膜运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与质膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
二、膜的不对称性
（一）细胞质膜各膜面的名称
与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面（ES）、这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶。与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面（PS），这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶。电镜冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂，这样就又产生了质膜的细胞外小叶断裂面（EF）和原生质小叶断裂面（PF）。
（二）膜脂的不对称性
同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的不对称分布是完成其生理
功能的结构基础，磷脂分子不对称分布的原因与其合成的部位有关。
（三）膜蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性，如细胞表面受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的取向传递信号和转运物质。质膜上的糖蛋白或糖脂，其糖残基均分布在质膜的ES面。各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的。膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。
膜的不对称性有何生物学意义？
膜脂、膜蛋白及膜糖的不对称分布导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠着分布不对称的膜蛋白、膜脂来提供。
三、细胞质膜相关的膜骨架
总结：
细胞质膜的基本生理功能
1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。
2.选择性的物质运输，包括代谢底物的输入和代谢产物的排出，其中伴随着能量的传递。
3.提供细胞识别位点，完成细胞内外信息跨膜传递。
4.为多种酶提供结合位点，促使酶反应高效而有序的进行。
5.介导细胞与细胞、细胞与基质间的链接。
6.质膜参与形成具有特殊生理功能的细胞表面特化结构。
7.膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。
细胞质膜的结构模型——三明治模型、单位膜模型、流动镶嵌模型、脂筏模型生物膜的组成成分——膜脂、膜蛋白
细胞膜的基本特征——流动性、不对称性
细胞膜的基本功能——
第五章：物质跨膜运输
第一节：膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
一：脂双层的不透性和膜转运蛋白（略）
细胞内外的离子浓度差异对于细胞的存活和功能至关重要，这种例子浓度差异分布主要由两种机制所调控：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白（membrane transport protein)的活性；二是取决于质膜本身的膜双层所具有的疏水性特征。
膜转运蛋白可分为两类：载体蛋白(carrier protein,transport)和通道蛋白(channel protein)，二者对溶质的转运机制不同，前者与特异的溶质结合后，通过自身构象的改变实现物质的跨膜转运，而后者通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运。
（一）载体蛋白及其功能
载体蛋白：只容许与载体蛋白上结合部位相适合的溶质分子通过，每次转运都伴随着自身构象的改变。
存在于细胞膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质，它能够与特定的溶质分子结合通过一系列构象的改变介导溶质分子的跨膜转运。
作用：介导被动运输和主动运输
特性：具有高度选择性、转运过程有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征、可被底物类似物竞争性抑制，也可被某种抑制剂非竞争性抑制、对PH有依赖性
与酶的差别：载体蛋白对转运的分子不做任何共价性修饰
载体蛋白几乎存在于所有类型的生物膜上，属于多次跨膜蛋白，不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同的载体蛋白。载体蛋白具有与底物特异性结合的位点，具有高度选择性，所以通常只转运一种类型的分子。
（二）通道蛋白及其功能
通道蛋白：根据溶质的大小和电荷辨别，假如通道处于开放状态，足够小和带有适当电荷的分子或离子能通过。
3种类型：离子通道（irn channel）、孔蛋白（porin）以及水孔蛋白（AQP）
离子通道——离子选择性
存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质，其跨膜部分形成亲水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。
特征：离子通道具有极高转运率、离子通道没有饱和值、非连续性（门控）开放。分类：电压门通道（voltage-gated channel）、配体门通道（ligand-gated channel）、应力激活通道（stress-actived channel）
二，被动运输（passive transport）
定义：通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。准运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供能量。（指溶质顺着电化学梯度或者浓度梯度，在膜转运蛋白的协助下的跨膜转运方式。又叫协助扩散facilitated diffusion）
特点：运输方向由高向低，跨膜动力为浓度梯度，不需要能量
类型：简单扩散、协助扩散
简单扩散（simple diffusion）：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单的扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。
特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散②不需要消耗能量③不需要蛋白协助协助扩散（facilitated diffusion）：各种极性分子和无机离子等顺浓度梯度或沿电化学梯度减小方向的跨膜转运，该过程不需要消耗能量，但需要特异的膜蛋白协助物质转运使其转运速率增加，特异性转运增强。
特点：转运速率高；存在最大转运速率Vmax，因此可以用Km值来衡量某种物质的转运速率；Km值反应的特异性；细胞膜上存在转运蛋白，负责无机离子和水溶性有机小分子的跨膜转运。
三、主动运输（active transport）
定义：是由载体蛋白介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式。
特点：逆浓度梯度（电化学梯度）运输；需要能量；需要载体蛋白；有特异性和选择性
类型：ATP驱动泵、协同转运蛋白、光驱动泵
第二节：ATP驱动泵与主动运输
P-型离子泵、V-型离子泵和F-型离子泵、ABC超家族——转运小分子
一：P-型离子泵（P-type ion pumps)是一类由ATP驱动并逆浓度梯度跨膜转运离子的内在膜蛋白。在转运离子的过程中，至少有一个α催化亚基发生磷酸化或去磷酸化反应。在转运离子的过程中，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运，由于在泵周期中利用ATP水解能，形成磷酸化中间体，故名P-型离子泵。特点：有2个独立的α催化亚基、具有ATP结合位点、大多数还具有2个起调节作用的小的β亚基。
类型：钠钾泵、钙泵，其他（如H+-ATP酶）
①钠钾泵
构成：由2个α和2个β亚基组成四聚体
分布：动物细胞的质膜
功能：维持细胞内低Na+高K+的离子环境
工作原理：对离子的转运循环依赖于自磷酸化过程，每个周期转出3个Na+和转入2个K+。
作用：维持细胞膜电位、维持动物细胞渗透平衡、吸收营养
②钙泵
构成：与钠钾泵的α亚基同源，每一泵单位含10个跨膜α螺旋，其中3个螺旋形成了跨越脂双层的中央通道。
分布：所有真核细胞的质膜和某些细胞器膜上
功能：在肌质网内储存Ca2+调节肌细胞的收缩与舒张
钙调蛋白（CaM）的作用：在动物细胞质膜上分布的Ca2+泵，其C端是细胞内CaM的结合位点，当胞内钙离子浓度升高时，钙离子与CaM结合形成激活的Ca2+-CaM复合物并与钙泵结合，进而调节钙泵的活性。内质网型的钙泵没有CaM的结合域。
③H+泵
功能：建立和维持跨膜的H+电化学梯度，并用来驱动转运溶质进入细胞。
分布：植物、细菌和真菌（包括酵母）
典型特征：细菌细胞对糖和氨基酸的摄取主要都是有H+驱动的同乡协同转运完成的；哺乳类胃的泌酸细胞通过H+-K+泵将H+泵出同时将K+泵进细胞。
三：ABC超家族
结构模式：4个“核心”结构域（2个跨膜结构域和2个ATP结合域）
特异性：一种ABC蛋白只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质
细菌透性酶：依赖水解ATP提供能量逆浓度梯度从环境中摄取各种营养物的ABC转运蛋白。
多药抗性转运蛋白（multidrug resistance protein,MDR）
原理：利用水解ATP的能量将药物从细胞内转运到细胞外
功能：通过将药物泵出细胞外从而降低药物浓度
四：协同转运
定义：是一类由钠钾泵（或氢泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。
直接动力：膜两侧离子的电化学梯度
电化学梯度维持：钠钾泵（或氢泵）消耗ATP实现
类型：同向转运（symport）与反向转运（antiport）
主动运输都需要消耗能量，所需能量可直接来自于ATP或离子电化学梯度。
主动运输都需要膜上的特异性载体蛋白，这些载体蛋白不仅具有结构上的特异性（各种特异的结合位点），而且具有结构上的可变性（构想改变影响亲合力的改变）
五：离子跨膜转运与膜电位
电位差：物质跨膜运动产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布，对某些带有电荷的物质，特别是离子来说，就形成了膜两侧的电位差。
膜电位：细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和
静息电位：细胞在惊喜状态下的膜电位
第三节：胞吞作用与胞吐作用
真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等。
在转运过程中，物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输。
需要消耗能量，属于主动运输
可同时转运一种或一种以上数量不等的大分子甚至颗粒性物质，因此也称批量运输。
一：胞吞作用与吞噬作用
胞吞作用：通过细胞质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡，将外界物质裹进并输入细胞的过程。
类型：胞饮作用（细胞吞入液体或极小的颗粒性物质）与吞噬作用（细胞内吞较