第四章细胞质膜
学习要点
第一节 第一细胞质膜的结构模型
一、生物膜的结构模型 1.生物膜模型的发展历程
① Danielli和Davson提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治结构模型。 ② 1959年Robertson提出单位膜模型
③ Singer和Nicolson于1974年提出流体镶嵌模型，主要强调生物膜的流动性、膜蛋白分布的不对称性。随后的液晶态模型及板块镶嵌模型对流体镶嵌模型进行了补充、完善。 ④1988年Simon提出脂筏模型。 2．对生物膜结构的归纳总结
① 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子形成可运动的磷脂双层。 ② 可运动的蛋白质以非对称方式镶嵌在磷脂双层中或结合于表面。 ③ 生物膜可以看作是在磷脂双层中镶嵌蛋白质的二维溶液。 二、膜脂 （一）成分
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇 （二）膜脂的运动方式
① 沿膜平面的侧向运动，是膜脂运动的基本方式。 ② 脂分子围绕轴心的自旋运动。 ③ 脂分子尾部的摆动。
④ 双层脂分子间的翻转运动。 （三）脂质体
脂质体是根据磷脂分子可以在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上，即形成极性端向外而非极性端向内的脂分子团。脂质体可以用不同的膜脂来制备，还可以嵌入不同的膜蛋白，因此脂质体是研究膜蛋白与膜脂及其生物学性质的极好材料，在临床治疗中有很好的前景。 三、膜蛋白
（一）膜蛋白的类型
① 外在膜蛋白：为水溶性蛋白，依靠离子键或其他弱键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合。
② 内在膜蛋白：与膜结合比较紧密，占整个膜蛋白的70%—80%。
③ 脂锚定膜蛋白：通过与之共价相连的脂分子插入脂双层，从而锚定在细胞质膜上。 （二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式
内在膜蛋白与膜脂结合的主要方式有以下几种。
① 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层的疏水核心的相互作用。 ② 带正电的膜蛋白跨膜结构域与带负电的磷脂极性分子结合。 ③ 有些膜蛋白通过共价结合脂肪酸分子，插入到脂双层中。 ④ 少数蛋白与糖脂共价结合。
内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式如下。
① 膜蛋白跨膜结构域形成a螺旋与脂双层相互作用。 ② 某些双性的a螺旋形成特异的极性分子跨膜通道与脂双层相互作用。
③ 膜蛋白跨膜结构域形成B折叠，反向平行的B折叠形成非特异性的跨膜通道与脂双
层相互作用。 （三）去垢剂
去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂，可分为离子型去垢剂和非离子型去垢剂。离子型去垢剂对蛋白质作用剧烈，引起蛋白质变性，因此在纯化膜蛋白时，一般选择效果温和的非离子型去垢剂。
第二节 生物膜基本特征与功能
一 膜的流动性
（一） 膜脂的流动性
膜脂的流动性主要是指脂分子的侧向运动，它在很大程度上由脂分子本身的性质决定，是生长细胞完成多种生理功能所必需的。
影响膜脂流动性的因素主要有以下几个方面。 ① 脂肪酸链的长度。长链脂肪酸相变温度高，膜的流动性降低。 ② 脂肪酸链的饱和度。脂肪酸链所含双键越多，膜的流动性越大。 ③ 温度。各种膜脂具备不同的相变温度。 ④ 胆固醇含量。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性发挥双重调节作用。 （二） 膜蛋白的流动性
膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向运动），不需要代谢产物的参加，也不需要提供能量。膜蛋白的流动性是相对的。膜蛋白分布是非对称的，有一定的方向性和区域性，甚至有的蛋白是不流动的。细胞膜骨架限制了某些蛋白质的流动。 （三） 荧光漂白恢复技术
荧光漂白技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验之一。
膜蛋白或者膜脂被荧光素标记,再用激光照射某一区域，被照射区的荧光因为淬灭而变弱。由于膜的流动性，淬灭区域亮度会逐渐增加，最后与周围亮度相等。荧光恢复的速率间接反映出膜蛋白或者膜脂扩散的速率。 二 膜的不对称性
（一）膜脂的不对称性
膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂只分布于细胞膜的外表面。
（二）膜蛋白的不对称性
每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和区域性。糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。膜蛋白的不对称性是生物膜执行复杂的,时空调控有序的各种生理活动的保证。 三 细胞质膜的基本功能
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与代谢底物的排出。 ③提供细胞识别位点，并完成细胞膜、内外的信号跨膜传导。 ④为多种酶供结合位点，是酶促反映高校而有序的进行。 ⑤介导细胞与细胞，细胞与基质之间的连接。 ⑥参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
⑦某些酶蛋白的异常与疾病直接相关，可以作为疾病治疗的药物靶点。
第三节 膜骨架
— 膜骨架
膜骨架是细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构。他参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 二 红细胞的生物学特性
当红细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白，留下一个保持原形的空壳，这种结构称为红细胞影，又称为血影。成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。 三 红细胞质膜蛋白及膜骨架
红细胞质膜蛋白主要包括血影蛋白，锚蛋白，带3蛋白，带4·1蛋白，肌动蛋白，血型糖蛋白。膜支架蛋白包括血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白，带4·1蛋白。
血影蛋白是膜骨架的主要成分，由α，β亚基构成二聚体，在维持膜的形态以及固定其他膜蛋白位置方面发挥作用。
肌动蛋白是膜骨架的主要组成，肌动蛋白纤维上有许多与血影蛋白结合的位点。 血型蛋白不参与维持红细胞形态，与带4·1蛋白结合，促使膜骨架与膜蛋白相连。 带3蛋白是整合膜蛋白，具有阴离子转运功能。
緢定蛋白含有两个功能性结构区域，一方面连接血影蛋白，一方面连接带3蛋白。 带4·1蛋白是膜骨架成分，促使血影蛋白和肌动蛋白结合。
习题解答
1 生物膜的基本结构特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系? 答 （1）生物膜的基本结构特征
①极性头部和非极性尾部的磷脂的分子在水中具有自发形成封闭的膜系统的性质，以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分。 ②以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白的分布不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。 ③可看成是蛋白质在双层分子中的二堆溶液。 （2）生物膜的基本特性与生理功能的关系
各种不同的膜蛋白与膜脂分子的协同作用不仅为细胞的生命活动提供了稳定的内环境，而且还行使着物质转运，信号传递，细胞识别等多种复杂的功能。流动性和不对称性是生物膜的基本特性，也是完成其生理功能的重要保证。 2 何谓内在膜蛋白？它以什么方式与磷脂相结合?
答（1）内在膜蛋白又称整合膜蛋白，是指与膜结合紧密很难分离出来的膜蛋白，多数为跨膜蛋白，也有些插入脂双层中。 （2）内在膜蛋白与膜脂结合的方式
①疏水性相互作用。膜蛋白的跨膜结构域通过范德华力等与脂双分子层的疏水核心相互作用，跨膜结构域是与磷脂结合的主要部位。这些结构域主要有α螺旋，β折叠片结构。α螺旋的外侧是非极性连，内测是极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。反向平行的β折叠片相互作用形成非特异性的跨膜通道，可允许小分子自由通过。 ②离子键作用。磷脂极性头部是带负电荷的，它可以直接与带正电荷的氨基酸残基相互作用，而通过以Ca 2+，Mg 2+等离子为中介，与带负荷的氨基酸残基间接作用。 ③共价结合。某些膜蛋白氨基酸残基与脂肪酸分子或糖脂共价结合。 3 从生物膜结构模型的演化，谈谈人们对生物膜的认识过程。 答 最开始人们通过测定膜脂单层分子在水面的铺展面积，发现它为细胞表面积得2倍，由此认识到质膜是由双层脂分子构成的。 随后，人们又发现质膜的表面张力比油—水界面的张力低得多，由此推出质膜中含有蛋白质
成分并提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治模型。
1959年，J.D.Roberson发明了三明治模型，提出了单位膜模型，并推断所有的生物膜都是由“蛋白质-脂质-蛋白质”的单位膜构成。 在此基础上，人们又认识到生物膜的流动性及膜蛋白分布的不对称性，提出了生物膜的流动镶嵌模型。还有对流动镶嵌模型完善和补充的“液晶态模型”和“板块镶嵌模型”。最近有人又提出“脂筏模型”，即胆固醇在生物膜上富集而形成的有序脂相，如同“脂”一样载着各种蛋白质。
4. 红细胞膜骨架的基本结构与功能是什么？ 答 （1）红细胞膜骨架的基本结构 红细胞膜骨架是在红细胞膜的内侧，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架结构。红细胞膜内存在的蛋白质主要包含血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白、血型糖蛋白。膜支架蛋白包含血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白。
血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络，带4.1蛋白和血型糖蛋白相互作用，锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用。 （2）红细胞膜骨架的功能
膜骨架复合体与质膜蛋白的相互作用实现红细胞质膜的刚性与韧性，维持红细胞的形态。 自测题
一、名词翻译并解释
1. liposome 2. membrane cytoskeleton 3.blood ghost 4. detergent 5. patching 二、填空题
1. 细胞膜的基本特征是____、_____。
2. 跨膜结构域含较多氨基酸残基的内在膜蛋白的二级结构为____，它也可能是多数跨膜蛋白的共同特征。
3. 膜蛋白的功能有_____、______、_____、______、______，以及与骨架和胞外基质的连接。
4. 常用来分离研究膜蛋白、使细胞膜崩解的试剂是_____。 5．与人红细胞表面ABO血型相关的膜脂是______。
6．影响膜脂流动性的因素有_____、_____、_____、_____。 7．膜脂的不对称性指_____，膜蛋白的不对称性指_____。
8．在荧光标记的细胞中，随着时间的延长，已经均匀分布的荧光会重新排列，聚集在细胞的某一个部位称为______，聚集在细胞的一端称为______。
9．与细胞外环境接触的膜面积称为_____，与细胞基质接触的面积称为______，冷冻蚀刻技术制样中产生的面称为_____和_____。
10．细胞表面的特化结构包括_____、_____、_____、______和______。 三、单项选择题
1．膜脂的主要成分包括（ ） ①磷脂②糖脂③胆固醇④糖蛋白
A．① B. ② C. ①②③ D. ①②③④ 2．膜脂分子有四种运动方式，其中生物学意义最重要的是（）
A侧向运动 B脂分子围绕轴心的自旋运动 C脂分子尾部的摆动 D 反转运动
3．与细胞质基质接触的膜面称为质膜的（） A ES B PS C EF D PF
4．成熟的哺乳动物的红细胞所没有的结构为（）
A 膜骨架 B 细胞质和细胞核 C 内膜系统和细胞核 D 血影蛋白 5．膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要通过（）
A 血影蛋白 B 带3蛋白 C 锚蛋白 D 肌动蛋白 四、判断题
1．膜周围蛋白与生物膜结合比内在膜蛋白更紧密。 （） 2．SDS是例子型去垢剂，可以用于膜蛋白的纯化。 （） 3．胆固醇对膜的流动性发挥双重调节作用。 （）
4．血影蛋白是膜骨架的主要成分，为非膜内在蛋白，在维持膜的形态以及固定其他膜蛋白位置方面发挥作用。 （）
5．糖脂普遍存在于原核和真核细胞的细胞质膜上，人的红细胞表面含有ABO血型糖脂。（） 五、问答题
1．试设计至少两个实验证明膜蛋白的流动性。 2．叙述细胞膜的主要功能。 3．论述膜蛋白的主要功能。 自测题答案
一、名词解释并翻译 1． Liposome（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趋势而
制备的人工膜，脂质体中可以裹入不同的药物或酶等具有特殊功能的生物大分子。 2． Membrane cytoskeleton（膜骨架）：膜骨架是细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成
的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
3． Blood ghost(血影)：当红细胞经过低渗处理后质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其
他可溶性蛋白，而红细胞依然保持原来的形状和大小，这种结构称为血影。 4． Detergent（去垢剂）：去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性分子，是分离与研究膜蛋
白的常用试剂，包含离子型去垢剂和非离子型去垢剂。 5． Patching（成斑现象）：当荧光抗体标记细胞的时间达到一定长度时，已经均匀分布在细
胞表面的标记荧光会重新分布，聚集在细胞表面的某些部位，即成斑现象。 二、填空题
1．流动性 不对称性 2．A螺旋
3．运输 识别 酶活性 细胞连接 信号转导 4．去垢剂 5．糖脂
6．脂肪酸链的长度 脂肪酸的饱和度 温度 胆固醇含量 7．同一种膜脂分子在膜的脂双层中成不均匀分布 每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性
8．成斑现象 成帽现象
9．细胞外表面 原生质表面 细胞外小页断裂面 原生质小页断裂面 10．膜骨架 鞭毛 纤毛 微绒毛 细胞的变形足 三、单项选择题 1．C 2．A 3．B 4．C
5．C
四、判断题 1．× 2．× 3．√ 4．√ 5．√
五、问答题
1．荧光抗体免疫标记实验
用抗鼠细胞膜蛋白的荧光抗体（显绿色荧光）和抗人细胞膜蛋白的荧光抗体（显红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒处理使两种细胞融合，10min后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40min后已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域，如加上不同的滤光片则可观察到红色荧光或绿色荧光都均匀的分布在融合细胞表面。此实验清楚地显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动。 光脱色荧光恢复技术
首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，是被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性，漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围荧光强度相等。这种方法不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。 2．细胞膜作为细胞的内外边界，其主要功能如下。 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与代谢产物的排除，其中伴随着能量的传递。 ③ 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递。 ④ 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序的进行。 ⑤ 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接。 ⑤ 参与形成具有不同功能的细胞变化的特化结构。
3．该题是一道综合性题目，许多知识点贯穿在随后的章节之中，主要从以下六个方面来展开论述：参与物质运输、参与细胞识别、参与酶活性的调控、参与细胞连接、参与信号转导、参与与细胞骨架以及胞外机制链接。
第五章 物质的跨膜运输
学习要点
第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白
除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子能够以简单扩散的方式直接通过脂双层外，脂双层对大多数分子是高度不通透的，需要特殊的膜转运蛋白的参与。
活细胞内外的离子浓度是明显不同的。内外浓度的差别主要有两种机制调控：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性，二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。 （一）载体蛋白及其功能
载体蛋白为多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导物质跨膜转运。
载体蛋白既可介导被动运输，也可介导逆浓度梯度或者电化学梯度的主动运输。载体蛋白又称通透酶（permease）,具有酶的部分特征。 （二）通道蛋白及其功能
通道蛋白形成跨膜的例子选择性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。通道蛋白只能介导顺浓度梯（或电化学梯度）的被动运输。对离子的选择性依赖于离子通道的直径和形状。
离子通道具有三个显著的特征：可以高效转运离子、没有饱和值、并非连续性开放而是门控的。
根据激活信号的不同，离子通道可分为电压门通道、配体门通道（分胞内配体和胞外配体）、应力激活通道。 二、被动运输和主动运输 (一) 被动运输
被动运输是通过简单扩散和协助扩散实现物质由高浓度向低浓度的转运，转运的动力来自物质的浓度梯度，无需提供代谢能量。
小分子的热运动时分子以简单运输的方式顺浓度梯度从一侧进入另一侧，不需要能量，也不需要膜转运蛋白的协助。不同小分子通透系数不同，转运速率差别较大。 协助扩散是顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量。但在协助扩中，特意的膜蛋白“协助”物质转运使其转运速率增加，转运特异性增强。 协助扩散具有如下特征：比简单扩散转运速率高很多，存在最大转运速率，不同分子转运系数不同，不同载体蛋白具有对准运物质的偏好性。
水分子不带电荷但是具有极性，可以通过简单扩散进入细胞膜，但对于特殊的组织来说，水分子通过水孔的快速跨膜转运是非常重要的。水孔蛋白是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织细胞中，提供水分子快速跨膜的通道。由四个亚基组成四聚体，每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔。水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道。 （二）主动运输
主动运输是由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度（或电化学梯度）进行跨膜转运的方式。主动运输具有如下特点：逆浓度梯度（或电化学梯度）运输，需要能量，需要载体蛋白（构象可变），具有选择性和特异性。
根据所需要能量来源的不同，主动运输可分为以下三种类型。
① ATP直接供能。直接利用水解ATP提供的能量，这种主动运输又称初级主动运输。 ② 简介提供能量（耦连转运蛋白）。介导各种分子和离子的跨膜运动，包含同向转运
蛋白和反向转运蛋白，能同时转运两种不同的溶质，这种主动运输又称协同转运。 ③ 光能驱动。光驱动泵主要在细菌细胞中发现，对溶质的主动运输与光能的输入相耦
连。
第一节 离子泵和协同转运 一、P-型离子泵
所有的P-型离子泵都有两个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的β亚基，发挥调控作用。在离子转运中，至少一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化，形成磷酸化中间体，因此成为P-型离子泵。 （一）钠钾泵
钠钾泵（Na+-K+泵，Na+-K+pump）实际就是Na+- K+ ATP酶，是由2个α亚基、2个β亚基
+
组成的四聚体，分布于动物细胞的质膜上。α亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP活性、Na结
+
合位点。K结合位点。β亚基是具有组织特异性的糖蛋白，不直接参与离子的跨膜转运，但帮助新合成的α亚基进行折叠。 1． 工作原理
+
① 在膜内侧，3个Na与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP水解，酶自身被磷酸化。
② 酶构象发生改变，与Na结合的部位转向膜外侧。
+++
③ 相胞外释放3个Na并泵进2个K,K与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化。 ④酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向内侧。 ⑤向胞内释放K+，并重新与Na+结合。 2.生理作用
①有利于神经冲动的传播。
②维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积。
++++
③抵消了细胞内外的Na、K扩散，维持低Na高K的细胞内环境，维持细胞的静息电位，为协同运输提供驱动力。
++
④胞外高浓度的Na代表大量的能量积累，用于维持紧急情况下Na驱动的其他运输。 （二）钙泵与其他P-型离子泵
2+2+
钙泵（Ca pump）又称为Ca-ATP酶，分布在质膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体和
2+-7-1-3-1
液泡）膜上，维持细胞内较低的Ca浓度（胞内浓度10mol?l，胞外浓度10 mol?l）。
2+2+
钙泵的工作原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP，泵出2个Ca，将Ca输出细胞或泵入内质网腔中储存起来。 二、V-型质子泵和F-型质子泵
V-型质子泵位于溶酶体膜、动物细胞胞内体、植物液泡膜上，由许多亚基构成。V-型质子泵是利用ATP水解产生能量，逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器，以维持质膜的中性和细胞器内的酸性。转运H+时不产生磷酸化中间体。
F-型质子泵是由许多亚基构成的管状结构，位于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。H+顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成相偶联，因此F-型质子泵又称为H+-ATP合成酶。 三、ABC超家族
ABC超家族含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布于从细菌到人类的各种生物体中。每种ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基团具有特异性。所有ABC转运蛋白共有的核心结构域为：2个跨膜结构域（T）,形成运输分子的跨膜通道并决定每个ABC蛋白底物的特异性；2个胞质侧ATP结合域（A），成员之间的序列有30%~40%是同源的。 四、协同转运
++
协同转运是由Na-K泵（或H+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，又叫做偶联运输。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧的离子浓度梯度（或
+
电化学梯度）。动物细胞常常利用膜两侧的Na梯度，植物细胞和细菌常利用H+梯度。
协同转运又可分为同向转运和反向转运。同向转运的物质运输方向和离子转移方向相
+
同，如小肠细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收伴随着Na的进入某些细菌中乳糖的吸收伴随着H+的进入。反向运输的物质运输方向和离子转移方向相反，物质跨膜运动的方向与例子转移的
+
方向相反，如动物细胞常通过Na∕H+反向转运的方式来转运H+，以调节细胞内的pH值。 五、离子跨膜转运与膜电位
静息电位是指细胞在静息状态下的膜电位。动作电位是指在外界刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位。静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值，这种现象称为极化。
第三节 胞吞作用与胞吐作用
一、胞饮作用与吞噬作用
胞吞作用是通过细胞质膜内陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），将外界物质裹进并输入细胞的过程。根据形成的胞吞泡的大小和胞吞物质，胞吞作用可分为胞饮作用（pinocytosis）和吞噬作用（phagocytosis）。
+
胞饮作用与吞噬作用的区别如下表所示：
存在细胞类型 运输物质 胞吞泡大小 摄入机制 胞吞泡形成机制 胞饮作用 几乎所有真核细胞 液态物质 直径小于150nm 连续发生 形成网格蛋白有被小泡，需要网格蛋白、接合素蛋白以及分子开关蛋白ARF的参与 吞噬作用 特化细胞 大颗粒物质 直径一般大于250nm 信号接触发生 需要微丝骨架及其结合蛋白的参与 二、受体介导的胞吞作用 根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。
受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制，既可摄入特定的大分子，同时又避免了吸入大量胞外液体。动物细胞摄取胆固醇，鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白，肝细胞摄取转铁蛋白，胰岛素与靶细胞表面受体结合进入细胞，巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌、衰老细胞的识别和摄入，维生素B12、铁的摄取，这些都是通过受体介导的胞吞作用进行的。
胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，具有酸性环境，是膜泡运输的分选站，主要作用为将胞吞作用的物质运输至溶酶体降解，受体与转运的物质在此分离。 三、胞吐作用
胞吐作用是细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运送出细胞的过程。 1. 组成型胞吐途径
组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）存在于所有真核细胞中，是一个连续发生的过程。组成型胞吐途径主要包括两种功能：一是囊泡膜的蛋白和脂类不断供应质膜的更新；二是囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，成为质膜外周蛋白，细胞基质组分，或者作为营养或信号分子扩散到胞外液。
组成型胞吐途径通过去限定途径（default pathway）完成蛋白质的转运过程。这种模式认为，在粗面内质网上合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在内质网或者高尔基体中，或选择性的进入溶酶体和可调节性分泌泡外，其余蛋白均沿着粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面完成转运和分泌过程。 2. 调节型胞吐途径
调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）又称诱导型分泌，存在于特化分泌细胞中。这些分泌细胞先将分泌物储存在分泌泡中，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并释放内含物。
组成型胞吐途径与调节型胞吐途径的比较如下表所示：
存在区域 作用机制 作用 组成型胞吐途径 所有真核细胞 连续胞吐 质膜更新，提供胞外基质成分，为细胞提供营养和信号 调节型胞吐途径 特化的分泌细胞 先暂时储存，需要信号触发胞吐 分泌激素、黏液或者消化酶 习题解答 1. 比较载体蛋白与通道蛋白的特点。
答 载体蛋白相当于结合在细胞质膜上的酶，有特异性结合位点，可同特异性底物结合，一
种特异性载体只转运一种类型的分子或离子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力曲线；既可被底物类似物竞争性的抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等，因此有人将载体蛋白成为通透酶。与酶不同的是酶不能改变反应平衡点，只能增加达到反应平衡的速率，而载体蛋白可以改变过程的平衡点，加快物质沿自由能减小的方向跨膜运动的速率；此外，载体蛋白对转运的溶质分子不进行任何共价修饰。
通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道，因为这些通道蛋白几乎都与离子的转运有关，所以又称为离子通道。离子通道有两个显著特征：一是具有离子选择性，二是离子通道是门控的。 2. 比较主动运输与被动运输的特点。 答（1）特点
被动运输包括简单扩散和载体介导的协助扩散，运输方向是由高浓度到低浓度，顺浓度梯度。运输的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞代谢提供能量。主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度（由低浓度的一侧向高浓度的一侧）进行跨膜转运的方式，需要与某种释放能量的过程相偶联。 （2）生物学意义
被动运输在不需要能量的情况下，借助浓度梯度，保证了物质的运输。主动运输可以产生并维持膜两侧不同物质特定的浓度，对某些带电荷的离子来说，就形成了膜两侧的电位差，在神经、肌肉等可兴奋的细胞中，主动运输是化学信号和电信号引起的兴奋传递的重要方式。主动运输还能够通过胞吞和胞吐作用完成大分子的运输。
3. 比较P-型离子泵、V-型离子泵、F-型离子泵和ABC超家族。 答 P-型离子泵是载体蛋白利用ATP使自身磷酸化，发生构象的改变来转移质子或其他离子，
2+++
如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca泵、H-KATP酶（位于胃表皮细胞细胞，分泌胃酸）。
V-型质子泵位于溶酶体膜、动物细胞胞内体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上，由许多亚基构成，利用ATP水解产生能量，但不发生自磷酸化。
F-型质子泵是由许多亚基构成的管状结构，H+顺浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成偶联起来所以又叫做ATP合成酶（ATP synthase）。F是氧化磷酸化或光和磷酸化偶联因子（factor）的缩写。F-型质子泵位于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。
ABC超家族含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布于从细菌到人类的各种生物体中。每种ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基团具有特异性。ABC超家族共有的核心结构域为：2个跨膜结构域（T）,形成运输分子的跨膜通道并决定每个ABC蛋白底物的特异性；2个胞质侧ATP结合域（A），成员之间享有有30%~40%的同源序列。 4.说明Na+-K+泵的工作原理及其生物学意义。 答 （1）Na+-K+泵的工作原理 Na+-K+泵即Na+- K+ ATP酶，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的四聚体。Na+- K+ ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致Na+、 K+ 的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化于是与Na+结合的部位转向膜外侧。这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对 K+的亲和力高，因而在莫外侧释放Na+-，而与K+结合。K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化。酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向内侧，K+ 与酶的亲和力降低，使K+ 在膜内被释放，而又于Na+结合。其总的结果是每一循环消耗1个ATP，转运出3个Na+,转进2个K+ 。 （2）Na+-K+泵的生物学意义
①维持低Na+高K+的细胞内环境。
②维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体态特征。 ③维持细胞膜的跨膜静息电位。
5.比较动物细胞、植物细胞和原生动物细胞应付低渗膨胀的机制。
答 动物细胞通过泵出离子维持细胞内低浓度溶质，如钠钾泵，钙泵等。 植物细胞依靠细胞壁避免膨胀和破裂，从而耐受较大的跨膜渗透差异。 原生动物通过收缩定时排出进入细胞的过量的水而避免膨胀。 6.比较胞饮作用和吞噬作用的异同。 答 胞饮作用和吞噬作用的不同点
①胞吞泡的大小不同。胞饮泡直径一般小于150nm，而吞噬泡直径往往大于250nm ②所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液和分子，而大的颗粒性物质则
主要是通过特殊的吞噬作用摄入的，前者是一个连续发生的过程，后者首先需要被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，因此是一个信号触发过程（triggered process）。
③胞吞泡形成机制不同。胞饮作用需要网格蛋白形成包被、接合素蛋白连接；
吞噬作用需要微丝及其结合蛋白的参与。
胞饮作用和吞噬作用的相同点
①均是细胞完成大分子物质与颗粒性物质运输的方式。 ②均要通过膜的内部并形成胞吞泡。 ③胞吞泡的形成均有蛋白质的参与。
7.比较组成型胞吐途径和调节型胞吐途径的特点及其生物学意义。
答 胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。根据其过程是否连续将其分为组成型胞吐途径和调节型胞吐途径。
组成型胞吐途径是指细胞从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程。新合成的囊泡膜的蛋白和膜类脂不断供应质膜更新，确保细胞分裂前质膜的生化功能，囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。
调节型胞吐途径是指分泌细胞产生的分泌物（如激素、糖液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将其内含物释放出去的过程。调节型胞吐途径存在于特殊机能的细胞中，如已知脑垂体细胞分泌肾上腺皮质激素，胰岛的β细胞分泌胰岛素，胰腺的腺泡细胞分泌胰蛋白酶原，这三种分泌产物均分布在各自细胞的可调节性分泌泡中，只有在相应信号刺激下向细胞外分泌，保证特殊生理功能的可调节性。
自测题
一、名词翻译并解释
1、facilitated diffusion 2、carrier protein 3、channel protein 4、Ca2+ pump 5、receptor mediated endocytosis
6、exocytosis 7、clathrin coated pit 8、receptor down-regulation 9、consititutive exocytosis pathway 10、regulated exocytosis pathway 二、填空题
1、被动运输分为 和 两种形式。
2、根据主动运输过程所需要能量来源的不同，主动运输可分为三种基本类型： 、 、 。
3、物质通过细胞质膜的转运主要有三种途径： 、 、 。 4、离子通道分为 、 、 。
5、胞吞作用的两种类型： 、 。
6、胞饮作用形成的小泡称为 ，吞噬作用形成的小泡称为 。 7、胞饮泡的形成需要 的帮助，吞噬泡的形成需要 的帮助。 8、根据胞吞的物质是否有专一性，可将胞吞作用分为 、 。 9、 受体介导的胞吞作用是一种 机制。 10、胞内体的作用是 。
11 被认为是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。 12、胞吐作用的两个途径： 、 。
13、胞吐作用中的 途径确保细胞分裂前质膜的生长。
14、在组成型胞吐途径中，新合成的囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外的三个去向是 、 、 。
15、参与介导膜泡融合的两种融合蛋白是 、 。 三、单项选择题
1、载体蛋白通过（ ）改变来运输物质。
A.通道的大小 B.与转运物质结合力的大小 C.受体 D.构象
2、关于通道蛋白介导的运输，叙述错误的是（ ）。 A.通道蛋白分子不需与转运物质结合
B.绝大多数通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道 C.通道蛋白具备离子的选择性和构象可调控性
D.配体门通道蛋白包括胞外配体门通道和胞内配体门通道 3. 钠钾泵的Na和ATP的结合位点位于（）
A．小亚基上 B.大亚基胞外一侧 C．大亚基胞内一侧 D.分别位于大小亚基上 4. 胞饮小泡形成过程中具有选择性识别功能的是（） A．网格蛋白 B.结合素蛋白 C.dynamin蛋白 5. 在受体介导的胞吞作用中，其大部分受体的命运是（）
A．受体不再循环进入溶酶体消化 B.返回原来的质膜结构域 C. 参与跨细胞的转运 D. 与胞内体融合 6. 小肠上皮细胞是通过( )机制运输吸收葡萄糖。
A. 被动运输 B.协助扩散 C. 同向运输 D.对向运输 7. 钙泵的主要作用是( ) A. 降低细胞中的CaC.帮助Ca2?2??的浓度 B. 提高细胞中的Ca2?的浓度 的浓度
富集到内质网腔 D. 降低线粒体中Ca2?8. 低密度脂蛋白的运输方式是( )
A. 非特异性的胞吞作用 B. 受体介导的胞吞作用 C. 协助运输 D. 组成型胞吐途径 9. 以下关于吞噬作用,叙述错误的是( ) A. 吞噬泡直径一般大于250nm B. 吞噬作用的进行需要触发机制 C．吞噬泡的形成需要微管骨架的参与
D．吞噬泡的形成需要微丝骨架的参与 10. 协同运输所需要的能量属于（ ）
A．耦连转运蛋白提供的能量 B．ATP直接提供能量
C. 光能驱动的能量 D. 间接消耗顺浓度梯度所提供的能量 四、判断题
1. 载体蛋白与溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运，
而通道蛋白不需要与溶质分子结合，所以跨膜运输时不发生构象的改变。 （ ） 2. 协助扩散就是协同运输，是物质从高浓度侧转运到低浓度侧，不需要消耗能量。 （ ） 3. 载体蛋白既可以介导协助扩散，又可以介导主动运输。 （ ） 4. 构成溶质跨膜的电化学梯度净驱动力来自溶质的浓度梯度和跨膜电位差。 （ ） 5. 钠钾泵每消耗1分子的ATP可以泵出3个Na和两个K。 （ ） 6. 钙泵即钙通道蛋白，可以对细胞膜内外Ca???2?进行跨膜转运。 （ ）
7. 质子泵都是逆浓度梯度转运H，转运过程都消耗能量。 （ ） 8.质膜对K的通透性大于Na是静息电位产生的主要原因。 （ ） 9. 所有的胞吞作用都是受体介导的。 （ ） 10. 细胞对大分子物质的运输中，胞饮作用形成的内吞泡需要微丝的参与，而吞 噬作用形成的内吞泡需要网格蛋白的参与。 （ ） 11. 植物细胞、真菌和细菌的质膜上既有钠钾泵，又有H泵。 （ ） 12. 调节型胞吐途径存在特殊机能的细胞中。 （ ） 五、问答题
1. 试述协助扩散与简单扩散的区别。
2. 叙述网格蛋白有被胞饮小泡形成的机理。
3. 为什么说协同转运使间接消耗ATP？两种协同转运有什么不同？
4. 简述受体介导的胞吞作用以及不同类型的受体具有的胞内体分选途径。
???自测题解答
一、名词翻译并解释
1. facilitated diffusion(协助扩散):各种极性分子和无机离子,如糖、氨基酸、核苷酸 以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能 量，但特异的膜蛋白“协助”物质转运使其转运速率增加，转运特异性增强。
2. carrier protein( 载体蛋白)载体蛋白有特异的结合位点，能同特异性底物结合，通过 一系列构象改变介导溶质分子的跨膜运输。 3. channel protein(通道蛋白)：通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨 膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。 4. Ca2? pump(钙泵)：钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将Ca2?2?输出细胞或泵入
内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca两个Ca2?，每消耗1个ＡＴＰ分子转运出
。
５. receptor mediated endoctosis(受体介导的胞吞作用)：根据胞吞物质是否有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的包吞作用和非特异性的胞吞作用，受体介导的包吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外摄特定大分子的途径，是一种选择性的浓缩机制。 6. exocytosis(胞吐作用)：胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其它某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。
7. clathrin coated pit(网格蛋白有被小泡)：网格蛋白是由相对分子质量分别为180×10333的重链和35×10~40×10的轻链组成的二聚体,3个二聚体形成包被结构单位----三脚蛋白复合体。一种小分子GTP结合蛋白在深陷有被小窝的颈部组装成环，dynamin蛋白水解与其结合的GTP引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白有被小泡。
８. receptor down-regulation(受体下行调节)：在受体介导的胞吞作用中，有些 受体不能再循环而是最后进入溶酶体被消化，如与表皮生长因子结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低。 9. constitutive exocytosis pathway(组成型胞吐途径)：存在于所有真核细胞中，是从高尔基体反面管网区分泌的囊泡持续不断地向质膜流动并与之融合的稳定过程。 10. regulated exocytosis pathway(调节型胞吐途径)：又称诱导型分泌，存在于特化分泌细胞中，是先将分泌物储存在分泌泡中，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合，释放内含物的过程。 二、填空题
1. 简单扩散 协助扩散
2. ＡＴＰ直接提供能量 ATP间接提供能量 光能驱动 3. 被动运输 主动运输 胞饮与胞吐作用 4. 电压门通道 配体门通道 压力激活通道 5. 胞饮作用 吞噬作用 6. 胞饮泡 吞噬泡
7. 网格蛋白 微丝及其结合蛋白
8. 受体介导的胞吞作用 非特异性的胞吞作用 9. 选择性浓缩
10. 传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解 11. 胞内体
12. 组成型胞吐途径 调节型胞吐途径 13. 组成型胞吐
14. 有的成为质膜外周蛋白 有的成为胞外基质成分 有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液
15. N-乙基顺丁烯二酰亚胺-敏感融合蛋白 可溶性NSF连接蛋白SNAPs 三、单项选择题
1. D 2. C 3. C 4. Ｂ ５. B 6. C 7. A 8. B 9. C 10. A 四、判断题
1.× 2.× 3.√ 4.√ 5.× 6.× 7.× 8.√ 9.× 10.× 11.× 12.√ 五、简答题
1.简单扩散（自由扩散）和协助扩散是被动运输的两种形式。二者转运的动力均来自物质的
浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。
只有小分子量的不带电或疏水分子以简单扩散的方式跨膜。简单扩散不依赖膜蛋白，所以不具有特异性。扩散的速率正比于膜两侧该离子的浓度梯度。与简单扩散不同，在协助扩散中，物质的跨膜转运要特异性的膜转运蛋白“协助”，从而使其转 运速率增加，转运特异性增强。转运蛋白对于某特定分子或一组结构相似的分子具有专一性。 2. 胞饮小泡的形成需要网格蛋白（clathrin）或这一类蛋白的帮助。网格蛋白是由相对分子质量分别为180×10的重链和35×10~40×10的轻链组成的二聚体,3个二聚体形成包被结构单位----三脚蛋白复合体（triskelion）。当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下的一侧，逐渐形成直径为50~100nm的质膜凹陷，网格蛋白有被小窝（clathrin coated pit），一种小分子GTP结合蛋白（dynamin）在深陷有被小窝的颈部组成环，dynamin蛋白水解与其结合的ＧＴＰ引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白有被小泡（clathrin coated vesicle）,脱包被的囊泡与早胞内体（early endosome）融合，将转运分子与部分胞外液体摄入细胞。 在大分子跨膜转运过程中，网格蛋白本身并不起捕获特异转运分子的作用，其有特异性选择的是包被中另一类结合素蛋白（adaptin），它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号（peptide signal），从而通过网格蛋白有被小泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输。
3. 因为物质的跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过钠钾泵（或质子泵）消耗ＡＴＰ所实现的，因此，协同转运是间接消耗ATP。
根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同转运又可称为同向转运和反向转运。同向转运是指物质运输方向与离子转移方向相同，反向转运是指物质跨膜转运的方向与离子转移的方向相反。
4. 受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外液摄取特定大分子的有效途径。被转运的大分子物质首先与细胞表面互补性的受体结合，形成受体-大分子复合物并引发细胞质膜局部内化作用。首先是该处质膜部位在网格蛋白参与下形成有被小窝，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡。它既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。
在受体介导的胞吞作用过程中，不同类型的受体具有以下三种分选途径。 ①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如ＬＤＬ受体又循环到质膜再利用。 ②有些受体不能再循环而是进入溶酶体被消化，如与表皮生长因子结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低,称为受体下行调节。
③有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称为转胞吞作用。在具有极性的上皮细胞中，这是一种将胞吞作用与胞吐作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过胞吞作用从上皮细胞的一侧被摄入细胞，再通过胞吐作用从细胞的另一侧输出。
333第六章 细胞的能量转换-----线粒体和叶绿体
第一节
学习要点
线粒体与氧化磷酸化
一．线粒体的形态与结构 1. 线粒体的形态与分布
线粒体是一个动态细胞器，其形态数量和分布随细胞种类和生理状态比啊花儿变化 ①外形：具有多变性，可呈线状，粒状，哑铃状，环形，圆柱形等。 ②大小：直径为0.5~1 um，长为2~3 um。
③数目：动物细胞较植物细胞多，但人成熟红细胞中无线粒体；代谢旺盛的细胞中多。 ④分布：集中在细胞功能旺盛区域；迁移时以为导轨，由马达蛋白提供动力。 2. 线粒体的结构与化学组成
线粒体的结构，各个部分的功能和标志酶如下表所示： 结构 外膜 组成特性 标志酶 功能 磷脂合成，脂肪酸链的延长和脂肪酸链去饱和 核苷的磷酸化 电子传递，氧化磷酸化，代谢物转运 平整光滑，含蛋白质，单胺氧化酶 通透性高 内外膜间的腔隙，成醛苷酸激酶 分接近细胞质溶胶。 不含有胆固醇，流动细胞色素氧化酶 性增强；富含心磷脂，通透性低；内折形成脊，扩大膜面积；含转运蛋白，呼吸连，ATP合成酶 呈凝胶态，内含多种酶，脂类和核糖体，tRNA和rRNA 苹果酸脱氢酶 膜间隙 内膜 基质 三羧酸（TCA）循环，脂肪酸B氧化，丙酮酸氧化，蛋白质合成，DNA复制和RNA合成 二．线粒体的功能
线粒体的主要功能是进行TCA循环的氧化磷酸化合成ATP。另外，线粒体还参与细胞中氧自由基的生成，新号传到，细胞内多种离子的跨膜转运，调控细胞程序性死亡和细胞中Ca2+浓度。
1. 线粒体中的氧化代谢
蛋白质，糖，脂肪经 分解产生相关物质，进入TCA循环，最终氧化成谁和CO2，并生成NADH或FADH2 。
2. 电子传递链和电子传递
① 电子传递链是在线粒体内膜上存在的蛋白复合物，包含一系列能可逆的接受和释放
电子或H+的化学物质，他们在内膜上相互有序牌类，共同组成。各组分的结构和功能如下图所示： 名称 复合物1 （NANH—CoQ还原酶） 复合物2 (琥珀酸脱氢酶复合物) 复合物3 (CoQ-细胞色素还原酶) 复合物4 (细胞色素氧化酶) 结构 含42个蛋白亚基，至少6个Fe-s中心和1个FMN FAD铺基，2个Fe—S 中心 1个Cyt c1，1个Cyt b，1个Fe—s蛋白 Cyt 啊，Cyt a3，CuA，CuB 功能 氧化NADH，获得高能电子并传给辅酶Q,泵出H+ 氧化FADH2，获得低能电子并传给辅酶Q，无H+泵出 氧化UQH2，获得电子并传递给Cyte，泵出H+ 氧化Cyte，获得电子并传递给O2，泵出H+ 各电子载体按照氧化还原电势由低到高排列如下图所示：
琥珀酸 ↓
FAD 复合物2
↓ Fe-S ↓
↘H2O
ADP＋Pi↗↘ATP ADP＋Pi↗↘ATP ADP＋Pi↗↘ATP 电子经上述电子传递链依次传递，最终输送给Ｏ２，生成水。在此过程中氢离子同时跨膜转移到膜间隙或和氧气结合生成水，建立了跨内膜的质子动力势，推动ATP生成。因此电子传递链是练习氧化磷酸化的纽带。
三．ATP形成机制―――氧化磷酸化 １．ATP合酶的结构与组成
①亲水性头部F１：由３α．３β．γ．δ．ε．组成，其中α和β形成橘子瓣状结构，β催化ATP合成水解，γ和δ形成转子。
② 疏水性头部F０：由１ａ．２ｂ．１２ｃ组成，其中ａｃ共同形成质子通道，１２个
ｃ组成一个极性环，ａｂ和δ形成定子固定头部。
2. 能量耦连与ATP合酶的作用机制 (1)化学渗透假说
在电子传递过程中,线粒体内膜上呼吸链组分间氢与电子交替传递,使H从内膜内侧向外侧定向转移。由于内膜对H高度不通透，造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势，其中蕴藏的能量驱使H穿过ATP合酶，促使ADP与Pi形成ＡＴＰ。
（２） 结合变构机制－ATP和酶作用机制
①ATP和酶的3个β基各自具有不同的构象，即疏松构象（L态）、紧密构象（T态）和开放构象（O态）。其中L态时ADP和Pi可疏松结合其上；Ｔ态时促使ADP和Ｐi紧密结合，并形成ATP;O态时对核苷酸亲和力极低，致使ＡＴＰ释放。
②“转子”γ端高度不对称，其和β相对位置的变化可引起每个β三种构象间转变。三个β一个圆周对等分布，γ旋转120度，每个β基的构象转变一次。γ旋转一周，每个β历Ｌ、Ｔ、Ｏ态，依次发生ADP和Pi结合、ATP合成和释放。 （３） 质子动力势驱动转子旋转模型
（４） 质子动力势驱动质子进入a上的膜间隙侧半通道 ↓a和与其结合的c形成瞬间盐桥
相邻的两个c（分别和a上的两个半质子通道相连）上的Asp61分别结合和解离H????
↓
C构象变化 ↓ c组成极性环逆时针旋转
30，并带动转子旋转
0 ↓此过程不断重复
↓
驱动c环不断带动转子旋转
第二节
一、 叶绿体的形态结构
叶绿体与光和作用
（一） 叶绿体的形状、大小和数量
高等植物的叶绿体多成凹透镜状或香蕉形，长5～１０um，宽2~4um。叶绿体的形状、大小和数量因植物种类不同而差异巨大。 （二） 叶绿体的结构和化学组成 1. 叶绿体膜
外膜：通透性大，核苷、磷酸衍生物可透过。
内膜：通透性很低，是细胞质和叶绿体基质的功能屏障，靠转运蛋白转运代谢物。 膜间隙：厚10~20nm。 2. 类囊体
类囊体是叶绿体内部由内膜封闭形成的扁平膜囊，一般沿叶绿体长轴平行排列。类囊体可在一定区域叠成跺而形成基粒。
类囊体膜主要包含补光色素/天线色素、光和电子传递链、ＣＦ０－ＣＦ１ ATP合酶，是光合作用光反应场所。 3. 叶绿体基质
叶绿体基质是叶绿体内膜和类囊体之间的无定形产物，主要包含可溶性蛋白和其它代谢活跃物质。基质是固定ＣＯ２的场所。 二、叶绿体的主要功能－光合作用 （一）原处反应
原初反应指光和叶绿素分子被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递和转换，将光能转变为化学能。 １. 参与原初反应的主要成分
①捕光色素/天线色素：包含大所数叶绿素a(Chl a)和叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素，只吸收光，不发生光化学反应。
②反应中心色素：特殊状态的Chl a，将光能转变为化学能，分为Ｐ７００和Ｐ６８０. ③光反应中心：由光反应中心色素、原初电子供体（Ｄ）和原初电子受体（Ａ）组成。 ２. 光化学反应
光化学反应的步骤如下：
原初电子供体
共振 ↓ 电荷分离
捕光色素捕获光能 → 反应中心色素被激发 → 高能电子 → 原初电子受体 （二）电子传递和光和磷酸化 １. 电子传递
（１）ＰＳⅡ的结构和功能
①ＰＳⅡ补光复合物（ＬＨＣⅡ）：由蛋白质、色素分子和脂类分子所组成，吸收并传递给Ｐ６８０，还可调节ＰＳⅡ和ＰＳⅠ间的激发能分配。
②Ｐ６８０：特殊状态的Chl a，吸收光能被激发，产生高能电子和P680 ，P680可夺取水中电子，将水氧化成Ｏ２。
??③脱镁叶绿素（Pheo）:接受Ｐ６８０产生的电子，并向下传递给ＰＱ。 （２）细胞色素b6f复合物的结构和功能 ①质体醌（PQ）：一种脂溶性分子，吸收电子并传递给Cyt b6f ,同时转移质子到类囊体腔。 ②Cyt b6f复合物：由Cyt b6f、Cyt b和Fe-S组成，接受并传递电子给PC，连接ＰＳⅡ和ＰＳⅠ。
③ 质体蓝素PC：含Cu的水溶性外周膜蛋白，接收电子后结合并传递弟子给PSI中的P700+ (3)PSI的结构和功能 PSI捕光复合物（LHCI）：吸收并传递光能给P700。 P700:Chl a二聚体，接收光能，发生光化学反应，产生电子P700+，P700+夺取来自PC的电子。
2.光合磷酸化
CF1-F0ATP和酶的结构和运转机制与线粒体和CF1-F0ATP酶类似
光和磷酸化是由光照所引起的电子传递和磷酸化作用相哦联生成ATP的过程。其机制和过程类似氧化磷酸化。
按照电子传递的方式可将光和磷酸化分为非循环光和磷酸化和循环光和磷酸化。非循环光和磷酸化的产物为ATP\\NADPH和O2，循环光和磷酸化的产物仅为ATP。 （三）光和碳同化
利用光反应产生的ATP和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中，这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)，也叫做暗反应。
光和碳同化分为卡尔文循环（Calvin cycle）(C3途径)、C4途径、或Hatch-Slack循环、景天酸代谢途径。
第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
一、粒体和叶绿体的DNA
线粒体和叶绿体的DNA均呈双连环状，不含组蛋白，可以半保留方式自我复制，一半，线粒体中含有DNA分子数较叶绿体中的少。
mtDNA在S期及G2期复制，而caDNA在G1期复制。它们的复制受核控制，所需DNA聚合酶是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成。 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 绝大多数蛋白质由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体或叶绿体中。少量自身特异蛋白由自身DNA编码，并在自身核糖体上合成。其中叶绿体中某些蛋白可由盒DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。
三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送和组装
在细胞质基质中的游离核糖体上合成的线粒体或叶绿体蛋白在运送至这两种细胞器前，多以前体形式存在，既由“成熟”蛋白和其N端的一段信号序列共同组成。 1线粒体蛋白的运送
线粒体蛋白N端的信号序列称为导肽，其可识别线粒体表面的受体，在外膜GIP蛋白的参与下引导蛋白有内外膜的接触点通过内膜；导肽最终被水解酶切除。前体蛋白在跨膜运送时，分子伴侣协助其从折叠状态转变为界折叠状态，利于跨膜，跨膜厚，前体蛋白在重新折叠为成熟的蛋白质。
导肽具有如下特点
① 导肽通常是疏水的，由非电负性氨基酸构成，中间夹有碱性氨基酸，而无酸性氨基
酸（线粒体基质带负电荷）
② 羟基氨基酸含量高（特别是Ser），易形成双亲a螺旋
③ 导肽缺乏同源性，这意味和识别有关的信号不是一级结构，而是二级或三级结构 2 叶绿体蛋白的运送与装配
定位于叶绿体基质的蛋白：由前体蛋白N端的转运肽序列牵引进入叶绿体。
定位于类囊体腔的蛋白：前体蛋白N端的转运肽含两个信号序列区域，分别引导两步转运，N端含导向基质的序列，完成导向机制任务后被切除，暴露出导向类囊体的序列，由其引导完成向类囊体腔的转移，其后也被切除掉。
定位于类囊体膜的蛋白：绿叶体基因编码并在类囊体核糖体上合成的蛋白常被定位于类囊体膜上，某些细胞质中的蛋白由N端转运肽因进入基质后在基质中的某些可溶性蛋白因子的作用下定位到类囊体膜上。
第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源
线粒体的增值是通过已有线粒体的分裂或出芽而进行的。线粒体的分裂方式如下。
① 间壁或隔膜分离，即分裂时先由内膜向内皱，中间产生隔膜，将线粒体分为两个。 ② 通过线粒体中部一缩并向两端不断拉长，然后在分裂为俩个。 ③ 出芽生殖
叶绿体由前质体分化而来。幼龄叶绿体可由中部向内收缩而分裂，但成熟叶绿体不能分裂。 习题解答
1·怎样理解线粒体和叶绿体是细胞内的两种能量转换细胞器？
答：线粒体是发生生物氧化反应的主要场所，其中含有催化三羧酸循环，脂肪酸氧化和氨基酸氧化所需的各种酶类，通过生物氧化作用，可以将储存在有机物中的能量转化为细胞生命活动的直接能量ATP并释放出来。在此过程中储存于有机物中的稳定化学能转变成为活跃的化学能ATP。
叶绿体中含有的捕光色素可吸收光，并将其传递给光反应中心色素，激发反应中心释放电子，将光能转变成电能，接着通过电子传递链和ATP合酶讲点能转变成活跃的化学能ATP合NADPH，在通过暗反应，利用光反应产生的ATP喝 NADPH将CO2还原为糖等物质将活跃的化学能转变成储存在有机物中的稳定化学能，从而供植物合其他动物所利用。 1. 试比较线粒体与叶绿体在基本结构方面的异同。 答 ：线粒体与叶绿体的相同点
1都由双层单位膜包被，具有外膜，膜间隙，内膜和基质等。 ○
2外膜均有较高的通透性，而内膜通透性差，内膜上均有大量的转运蛋白，内膜包含的○
基质中均含有执行各自功能所需要的多种酶蛋白。 3含有的ATP合酶的基本结构类似。 ○
4基质中均含有环状DNA RNA和核糖体，可以自主合成自身某些蛋白质。 ○
线粒体和叶绿体的不同点
线粒体内膜向内折叠成嵴，且含有电子传递链和ATP合酶。叶绿体内膜并不向内折叠，内膜不含电子传递链，含有类囊体，且捕光系统，电子传递链和ATP合酶都位于类囊体膜上。另外，二者电子传递链的组成成分也不同。
2 、为什么说三羧酸循环是真核细胞能量代谢的中心？
17．ATP合成时，以下叙述正确的是（）
A．ADP和Pi结合在β亚单位上 B。γ和β间的位置会发生变化 C．c上的Asp61参与质子运动 D。三个β构象是相同的 18．关于PSⅡ的描述中，正确的是（）
A．类囊体上可以存在不依赖于PSⅡ的电子传递 B．包含LHCⅡ、D1和D2蛋白 C．其反应中心色素是P700
D．电子传递中，其上发生质子转运
19．关于组成F0-F1ATP酶复合体中的F1蛋白，以下叙述正确的是（） A．是水溶性的 B。是一种膜的外在蛋白
C．可以水解ATP D。由6种类型的10个亚基组成 20．不是前导肽特性的是（）
A．带有较多的碱性氨基酸 B。酸性氨基酸含量多 C．羟基氨基酸比较多 D。具有双亲性 四、判断题
1．一般来讲，动物细胞中的线粒体数目较植物细胞的多。（） 2．糖酵解产生的NADPH可以直接进入线粒体。（）
3．线粒体和叶绿体都有环状DNA、自身转录RNA及翻译蛋白体系。（） 4．老年人细胞中线粒体DNA突变比年轻人细胞中的要高。（） 5．代谢旺盛的细胞中线粒体通常含较多的嵴。（） 6．线粒体是糖类、脂肪酸、氨基酸最终氧化的场所。（） 7．克山病是线粒体病，主要由缺硒引起的。（）
8．核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RUBP酶）是光合作用中的重要酶系统，是自然界中最丰富的蛋白。（）
9．光合反应中心的中心色素分子可以是叶绿素a，也可以是叶绿素b。（） 10．循环式光合磷酸化过程只产生ATP，不产生NADPH和氧。（）
11．线粒体中含有DNA及各种转录和翻译所需的酶，所以能自行转录和翻译。（） 12．线粒体荷叶绿体内膜的通透性都较外膜低。（） 13．线粒体有2个区室，而叶绿体有3个。（） 14．叶绿体中，类囊体膜两侧也存在较高的电位差。（）
15．靠腺苷转移酶透过线粒体外膜自线粒体基质输往线粒体外。（） 五、问答题
1．糖酵解和TCA循环在细胞中是如何相互独立发生而又相互联系的？
2．假设将一种脂溶性物质加入细胞后，呼吸链电子传递正常，呼吸作用亢进，但ATP含量并不升高。结合氧化磷酸化的相关机制，谈谈此种物质引起呼吸作用亢进的原因。
3．如果将一种带正电荷的脂溶性荧光染料对代谢活动旺盛的真核细胞进行染色，你认为可在哪种细胞器中观察到？为什么？
4．将分离的亚线粒体和完整线粒体分别悬浮在酸性和碱性溶液环境中，二者的代谢活动有何不同？为什么？
5．经低渗溶液处理后，线粒体内膜和外膜将发生怎样不同的变化？为什么？ 6．简述ATP合酶的结构类型、组成和主要特点。
自测题解答
一、 名词解释并翻译类囊体
1.。Thylak0oid(类囊体)：类囊体是叶绿体内部由单位膜封闭形成的扁平小囊，由内膜发展而来，膜上含有光和电子传递链和ATP合酶，是光合作用光反应的主要场所。 2．Photophosphorylation（光和磷酸化）：由光照所引起的电子传递和磷酸化作用相耦联而生成ATP的过程称为光合磷酸化。
3．Cristae(嵴)：线粒体内膜向内折叠形成的结构称为嵴。 4．Oxidative phosphorylation（氧化磷酸化）：在呼吸链上与电子传递相耦联的ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程称为氧化磷酸化。
5．Electron carrier(电子载体)：在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的物质称为电子载体，如黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和泛醌等。
6．Flavoprotein(黄素蛋白)：黄素蛋白是由一条多肽与黄素腺苷嘌呤单核苷酸（FMN）或黄素腺苷嘌呤二核苷酸（FAD）紧密结合组成的结合蛋白。
7．Cytochrome(细胞色素)：细胞色素是一种带有含铁红色素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。
8．Iron-sulfur protein(铁流蛋白)：铁硫蛋白是一类含非血红素铁的蛋白质，因其中央结合的是铁和硫，故称铁硫中心（iron-sulfur center）。
9．Respiratory chain(呼吸链)：又称电子传递链，由一系列能可逆接受和释放电子或质子的化学物质组成，它们在线粒体内膜上形成关联的有序排列，以进行电子传递、H+的传递和氧的利用。
10．Electrochemical gradient(电化学梯度)：质子跨过内膜向膜间隙转运的过程中，膜间隙积累了大量的质子，建立了质子浓度梯度。同时，由于膜间隙质子梯度的建立，导致线粒体膜间隙产生大量的正电荷，使膜两侧的电压也发生显著的变化，这两种梯度合称为电化学梯度。 二、填空题
1,。外膜 膜间隙 内膜 线粒体基质 叶绿体膜 类囊体 叶绿体基质 2．苹果酸-天冬氨酸穿梭途径 甘油-3-磷酸穿梭途径 NAD+ FAD 3．单胺氧化酶 腺苷酸激酶 细胞色素氧化酶 苹果酸脱氢酶 4．Fe2+/Fe3+ Cu+/Cu2+
5．复合物Ⅰ 复合物Ⅲ 复合物Ⅳ Q PQ 6.1
7. γ ε a b δ
8.非循环式 循环式 ATP NADPH ATP 9.NADP+ O2 10.最高 最低 11．分子伴侣 ATP 12．S G2 G1
13.3-磷酸甘油酸 草酰乙酸 草酰乙酸 14．间壁或隔膜分割 收缩分离 出芽
15．细胞质基质 线粒体 类囊体 叶绿体基质
16叶绿体DNA编码并在叶绿体核糖体合成的蛋白 核DNA编码并在叶绿体核糖体合成的蛋白 核DNA编码并在细胞质核糖体合成的蛋白 17．捕光复合物 反应中心复合物
18．P680 P700 脱镁叶绿素 单体叶绿素a 水 质体蓝素 19．捕光色素 反应中心色素
20．氧化磷酸化 线粒体基质 光和磷酸化 叶绿体基质 三、不定项选择题
1．B 2.C 3.ABC 4.AC 5.AD 6.ABC 7.D 8.ABD 9.CD 10.BD 11.ABCD 12.AC 13.ABC 14.AB 15.AC 16.AB 17.ABC 18.AB 19.ABC 20.B 四、判断题
1/.√ 2./ 3.√ 4.√ 5.√ 6. √ 7. √ 8. √ 9. / 10. √ 11./ 12.√ 13. √ 14./ 15./
五、问答题
1．与糖酵解相关的酶分布在细胞质基质中，因此糖酵解发生在细胞质基质中。而与三羧酸循环相关的酶在线粒体基质中，三羧酸循环发生在线粒体基质中。糖酵解产生的丙酮酸在转运蛋白协助下进入线粒体，加入三羧酸循环。
2．加入的质子载体类的解耦联剂，其将内膜两侧的质子浓度差消除，阻止了通过ATP合酶的ATP生成，但不阻止电子向O2的传递。因此，虽然呼吸作用亢进，但ATP的含量并不升高。细胞为了维持其正常的ATP水平，不断通过底物水平的磷酸化产生ATP，导致细胞中糖类和其他高能物质的降解。
3．在线粒体中可以观察到。因为线粒体内膜两侧存在电位差，且线粒体基质中带负电荷，因此这种染料可通过电荷间的吸引作用跨过内膜，在基质中积累，产生较强的荧光。
4二者的内部环境接近中性，因此酸性和碱性环境可以产生跨线粒体内膜的质子浓度差。完整的线粒体中，线粒体结构完整，内膜上的ATP合酶分布在基质中，而亚线粒体是由内膜外翻并重新封闭形成的，其中ATP合酶暴露在外侧。在酸性环境中，质子可以通过完整的线粒体质子通道，驱动ATP合成；而亚线粒体中则不会发生。在碱性环境中，亚线粒体内部的质子跨膜流动，驱动ATP生成；而完整线粒体中则不，发生ATP生成。
5．低渗溶液处理时，水分可以通过外膜和内膜分别到达膜间隙和线粒体基质，引起外膜和内膜同时向外膨胀，但内膜由于内陷形成嵴，使得其表面扩大，能耐受更长时间的膨胀，因此内膜后被胀破。
6．ATP合酶又称F0F1复合物，该酶在分离状态下具有ATP水解酶的活性，再结合状态下具有ATP合酶的活性，属于F型ATPase。除了线粒体中有ATP合酶外，植物叶绿体的类囊体和好氧细菌都有ATP合酶的同源物，ATP合酶的分子组成和主要特征如下。
头部：头部即F1，细菌和线粒体ATP合酶的F1都是水溶性的蛋白，结构相似，由5种多肽（αβγδε）组成的九聚体（α3β3γδε），α亚基和β亚基构成的一种球形的排列，每个β亚基含有一个催化ATP合成的位点。
柄部：由F1的γ亚基和ε亚基构成柄部，将头部与基部连接起来。γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴，构成基部的亚基b向外延伸成为柄部的构成部分。
基部：基部称为F0，由镶嵌在线粒体内膜的疏水性蛋白组成，是由3种不同的亚基组成的十五聚体（1a2b12c）。其中c亚基在膜中形成物质运输的环，b亚基穿过柄部将F1固定，a亚基是质子运输通道，允许质子跨膜运输。
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