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揭秘膜蛋白
生物膜是细胞与外界的屏障，参与并调节细胞的各种生理活动。生物膜负责组织复杂的生物化学反应，对能量的储存和细胞与细胞之间的通信至关重要。生物膜主要由蛋白质和脂质组成，脂双层决定了生物膜的基本结构，蛋白质是大多数膜功能产生的原因。其中蛋白质对膜发挥各种生理作用有着不可或缺的重要性。
不同来源的膜往往含有不同的膜蛋白，与其功能特异性相匹配。不同生物其膜蛋白具有较大差异，同种生物的不同组织的膜蛋白有差异，即使同一个细胞不同的膜其膜蛋白组成也有差异。脊椎动物的视网膜杆状细胞，由于细胞的一部分特异性的吸收光信号，这部位的膜蛋白90%以上都是具有吸光特性的糖蛋白——视紫红质。而特异性比较低的红细胞膜，则含有20多种主要蛋白质和一些次要蛋白质，其中主要是转运蛋白质，用以帮助特异物质实现跨膜转运。
很多膜蛋白是通过共价结合的方式形成糖-蛋白质复合物，多发生在质膜上，胞内膜则很少含有共价结合的糖。糖蛋白在细胞识别、吸附、信号传导中发挥巨大的作用。其中丝氨酸、苏氨酸和天冬氨酸都是蛋白质易与糖共价结合的位点。细胞表面的糖蛋白质的糖链可以直接影响蛋白质的折叠、稳定性及其在膜上的定位，因此它们在配体与细胞表面的特异性结合中起重要作用，这将会在生物信号中说明。并且膜蛋白连接上糖基可以形成细胞外被，保护细胞免受机械和化学伤害，以及保持细胞和外界物体及其他细胞之间的距离，保持细胞的独立性。

许多膜蛋白的行为犹如漂泊在脂质的海洋上，膜蛋白不能在脂双层中翻转，但它们能够绕一和膜平面垂直的轴旋转，此外，这些蛋白质可以在脂双层中侧向扩散并持续扩散。质膜蛋白可以在膜平面上侧向扩散可以通过小鼠细胞和人细胞融合后导致两种细胞蛋白质的重新随机分布来证明。细胞融合后，用不同种属的特异性抗体进行免疫染色来检测蛋白的定位，可以发现，融合后，数分钟内杂合细胞表面即出现颜色混合，说明膜内蛋白可以快速的在脂双层内扩散。膜蛋白自由地漂浮在脂分子的海洋中的生物膜的图像过于简单化，很多情况下细胞能够将膜蛋白限定在连续脂双层的特定区域。共价结合的脂质锚定一些外周膜蛋白，一些膜蛋白包括几种类型的共价连接的脂质：长链脂肪酸、类异戊二烯、磷脂酰肌醇的糖基化衍生物（ＧＰＩ）。这些结合的脂质提供了一个疏水的锚，它能插入脂双层，并且在膜表面固定蛋白质。脂双层和连接在蛋白质上的单一碳链之间的疏水作用，足以牢固的锚定蛋白质。存在于蛋白质内部的带正电的赖氨酸残基和带负电的脂质头部基团之间的离子作用及其他的相互作用，可以使这种结合更趋于稳定。这种特定脂质和膜蛋白的结合可能具有指导新和成的蛋白质达到其正确的膜定位的靶向功能。在细胞中膜蛋白通常形成大复合物来行使功能，多种膜蛋白相互联合形成复杂的复合物，蛋白质分子之间相互固定，这种大聚集体的扩散很慢，这限定了蛋白质在膜上的运动。

冰冻断裂电镜图像可以清楚地显示生物膜单体蛋白质和复合蛋白质，一些蛋白质仅存在于双层膜的一侧，而另一些则横跨脂双层，突出于膜的两侧。实验显示，蛋白质在膜上的定位是不对称的，脂双层的蛋白质都具有特意的方向性。这些蛋白质可以通过翻转来重新改变方向，但该过程很缓慢。膜蛋白分布的不对称性导致了其功能的不对称性。这些在膜的物质转运和信号传递中都有所体现。
膜蛋白可分为外周蛋白和膜内在蛋白两类。膜内在蛋白非常牢固地与膜结合，只有用去污剂、有机溶剂或变性剂等干扰疏水作用的试剂才能将其溶解下来。外周蛋白通过静电作用和氢键与膜内在蛋白的亲水结构域以及膜脂质的极性头部结合。外周蛋白可以充当膜结合酶的调控剂，或者可能通过将膜内在蛋白锚定在细胞内结构域上而限制膜内在蛋白的移动性。例如，膜联蛋白是一类与酸性膜磷脂可逆结合的外周蛋白，这些酸性磷脂富含于脂质膜的胞液面和细胞器的胞液面。
膜内在蛋白质与膜的牢固结合，是存在于膜脂质和蛋白质的疏水结构域之间的疏水作用的结果。一些蛋白质在其肽链中部或在其氨基端、羧基端含有单个疏水序列，有一些则含有多个疏水序列。当其疏水序列为－螺旋构象时，其长度足以跨越脂双层。在已知的质膜蛋白中，蛋白质结构域与脂双层的空间关系有６种。并非所有的膜内在蛋白都是由跨膜－螺旋组成，另一种普遍存在的膜蛋白结构是-卷筒，其中20个或更多的跨膜片段以-折叠形式存在，组装成柱状结构折叠。当没有水分子和糖基氧及肽键形成氢键时链间氢键形成作用形成最稳定的构象。例如膜孔蛋白具有多链-卷筒构象。-构象中的多台要比在－螺旋中更为伸展，-构象中只需7~9个即可跨膜。在-构象中突出于平面上下的侧链是不同的。

膜内在蛋白介导细胞间的相互作用和粘附
质膜的膜内在蛋白为细胞间或细胞与胞外基质蛋白质吸附提供了特异的作用位点。膜内在蛋白在其他一些中的下哦保生命过程中行使重要功能。膜内在蛋白可以作为转运蛋白和离子通道，以及某些激素、神经递质和生长因子的受体。它们在氧化磷酸化和光合作用以及免疫系统中的细胞与细胞、细胞与抗原部的识别过程中起着核心作用。在伴随着胞吞作用、胞吐作用和病毒入侵宿主细胞的膜融合过程中，膜内在蛋白也发挥了重要作用。
膜融合
膜融合在许多生物学过程中都发挥了核心作用
特异性的膜融合需要满足严格的条件，且该过程由融合蛋白介导
融合蛋白构象的变化，导致脂双层发生扭曲，引起膜融合
膜融合蛋白的结构具有相似性，反映了各种生理活动过程中膜融合机制的一种基本相似性

n 胞吞、胞吐、细胞分裂、卵子与精子的融合以及膜病毒进入宿主细胞都涉及到膜的重组。
n 在内膜系统中，各个膜区不断通过来自高尔基体的运输小泡进行重组，已将新形成的蛋白质、激素、神经递质和脂质转运到其他细胞器和质膜上。

n 能够相互识别
n 非常接近，这需要去除通常情况下与膜脂分子的极性头部结合的水分子
n 它们的双层结构需要局部解离
n 两个不同的脂双层膜融合形成一个单独的连续的脂双层结构
n 受体介导的胞吞作用或调节性分泌需要类似的融合过程，而且要在某种特定的信号或者在合适的时间内来促发完成
n 膜融合蛋白介导这一过程，由膜的特异性识别以及脂双层结构短暂的局部扭曲来最终诱导膜融合

生物膜的功能
能量转换
细胞识别
信息传递
物质运输：被动运输；主动运输；大分子物质的跨膜运输

跨膜运输
所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境中去。质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞，有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。很少有例外小分子物质的跨膜是直接通过蛋白的，而是通过跨膜的通道（channels）、载体(carriers)或泵（pumps）

转运类型的概括

1. 简单扩散
2. 协助扩散（被动运输）
3. 初级主动转运（主动运输）
4. 次级主动转运（主动运输）
5. 离子通道
6. 离子载体与孔蛋白

几种转运方式与相应膜蛋白的介绍

一． 简单扩散
定义：当两个包含有不等浓度的可溶性化合物或离子的水溶液区域被渗透性分隔物（膜）隔离室，溶质通过简单扩散从高浓度区域通过膜到低浓度区域，直到两个区域的溶质浓度相等为止。
特点：1.符合热力学第二定律，熵增加，系统能量最小化。
2．不需要膜蛋白的协助
3.大多数溶质的简单扩散被选择性渗透障碍所阻止（去掉水壳高度吸能，通过脂双层扩散所需活化能非常高）
4.极少数生物学上非常重要的气体（氧气，氮气，甲烷）可通过简单扩散来转运。
二． 协助扩散（被动运输）——顺浓度梯度
（一）转运系统常见的三种类型：（与是否需要能量无关）
单项转运：运载一种溶质
同向转运：两种底物同时沿相同方向移动
反向转运：两种底物同时沿不同方向移动
（二）被动运输的机理解释：转运蛋白（也可称为穿透酶），与脱水溶质的非共价结合，取代了与水分子的氢键，提供了一个亲水性跨膜通道，从而减少了溶质跨膜扩散的活化能，加速了溶质的跨膜运动。

（三）特点：
1. 被动运输是由膜蛋白促进的顺浓度梯度的扩散，不需要消耗代谢的能量
2．转运蛋白的活动非常类似于酶的活动，通过许多弱非共价的相互作用与底物结合在一起。
3.具有饱和性和特异性
4.属于单项转运
（四）例子：
1.水孔蛋白：所有水孔蛋白都是带有6个跨膜螺旋的III型膜内在蛋白。
2.红细胞的葡萄糖转运蛋白（GluT1）：转运蛋白存在两种构型，转运分为4步

3．氯离子和碳酸氢根离子通过共转运的方式通过红细胞膜
氯离子-碳酸氢根离子交换蛋白（也称阴离子交换蛋白） 成百万倍地增加了红细胞对碳酸氢根离子的通透性。增加血液CO₂的运载能力。

三． 主动转运
主动运输是物质逆电化学梯度的穿膜运送，需要消耗细胞的代谢能量。
（一） 初级主动转运与次级主动转运
（a）初级主动转运：由ATP水解释放能量驱动溶质逆电化学梯度方向移动
( b )次级主动转运：由初级主动转运建立X离子的浓度梯度，X的顺电化学梯度方向的移动则为第二种溶质的（S）的逆电化学梯度运动提供能量。
（二）至少存在的4中类型的转运ATP酶
1.P-型ATP酶 : 广泛分布，驱动阳离子转运。
2.V -型ATP酶 ：负责酸化许多有机体的细胞区内室，产生低PH
3.F -型ATP酶 ：质子顺浓度梯度流动时能驱动ATP合成（此时称ATP合酶）
4.多药物转运蛋白：移去细胞液中众多的自然疏水产物和合成药物。
（三）例子：
1. P-型ATP酶催化Na+与K+ 的主动协同转运(初级主动转运)
1）Na+-K+ ATP酶：在动物细胞中，这一主动转运系统每次运出3个Na+运进2个K+，对细胞内Na+ K+浓度的形成和保持以及跨膜电势梯度的产生起着重要作用。电势梯度是神经细胞中电信号传导的中心。Na+的浓度梯度则可驱动许多类型细胞中你浓度梯度的转运(次级主动运输)。
2）分为六个步骤
2.ATP驱动的Ca2+ 泵：(初级主动转运)
细胞之中普遍存在的无机磷酸盐需要细胞质中的Ca2+浓度保持较低水平，否则会形成相对难溶的钙磷酸盐。Ca2+被质膜钙泵由胞浆泵出，而内质网上另一种P-型钙泵则将Ca2+泵入内质网腔，使之与胞质隔离开。
3.次级主动转运：
1）大肠杆菌半乳糖苷的运输
H+ 的初级转运建立了跨膜的之子梯度和电势，而将乳糖转运至细胞内的刺激转运是由半乳糖转运蛋白介导的H+和乳糖的同向转运来完成的。

葡萄糖和Na+同向转运，Na+-K+ ATP酶不断地将 泵出，以维持 Na+的梯度，从而促进葡萄糖的摄取。
2）小肠上皮细胞葡萄糖和某些氨基酸的运输

4．离子载体（离子运输体）：
是一种脂溶性分子，可以特异结合不同的离子，携带离子进入细胞膜的物质

与钾离子结合的肽离子载体——缬氨霉素
由于离子梯度在主动转运和能贮存方面是必不可少的，因此，破坏跨膜离子梯度的化合物就对细胞有害。而对那些感染性微生物有特异性的这类物质，就可作为抗生素。缬氨霉素和莫能霉素都是抗生素，它们可以通过扰乱次级转运和能贮存反应来杀死微生物细胞
四． 离子通道
1. 离子通道是无机离子跨膜转运的另一种机制。离子通道决定了细胞膜对于特定离子的通透性，并与离子泵（Na+-K+ ATP酶）一起，调节细胞质中的离子浓度和跨膜电位。
2．离子通道与离子转运蛋白的区别
1）离子通过离子通道的流动量比其通过离子转运蛋白体运输的量要大数个数量级。
2）离子通道没有饱和值
3）离子通道是门控的，其开关是对细胞某事件的应答反应。
3.门控的两种类型：
1）配体门控型通道：细胞内外一些小分子与之结合引起变构，从而开启或关闭通道
2） 电压门控型通道：带电的蛋白结构域会随跨膜电势梯度的改变而发生相应的移动。
4. 例子：
1）K+ 通道

2）乙酰胆碱受体 ——配体门控离子通道

3）神经元Na+ 通道——电压门控离子通道

五． 孔蛋白是小分子物质的跨膜转运通道
孔蛋白是一类膜内在蛋白，主要有β桶组成，中心有一个开放的跨膜孔，一个球蛋白结构域用于阻断离子的通过。只有当特异性底物与之结合时，通道会在短时间内开启让第五分子通过。（如大肠杆菌中的FhuA，可通过铁离子螯合物，将铁离子从膜外转运至膜内）

与转运蛋白有关的病症

一．糖尿病人葡萄糖转运缺陷
当两餐之间葡萄糖含量高于正常浓度时，过量葡萄糖会被及细胞或脂肪细胞吸收。葡萄糖被吸收进入及细胞和骨骼细胞，是由葡萄糖转运蛋白GluT4都隐藏在小的细胞内囊泡里。
高血糖——>胰腺释放胰岛素——>小囊泡向细胞移动并与之融合——>更多GLuT4分子暴露在细胞表面——>葡萄糖吸收率提高
I型糖尿病人不能释放胰岛素，从而导致肌肉与脂肪组织对葡萄糖的吸收率一直很低。
诊断方法：葡萄糖耐量的测试。
二．AQP-2缺失导致水转运缺陷
ADH(抗利尿激素) ——>囊泡与肾小管上皮细胞融合——> AQP-2暴露在肾小管上皮细胞表面——>更多的水分子被肾小管重新吸收
尿崩症：AQP-2的基因缺失导致肾无法重新吸收水，大量极度稀释的尿液排出。

三：离子通道的缺失引起肠胃与呼吸道囊性纤维变性
CF（囊性纤维变性）
只有当两个拷贝均为缺陷型时，病人才显示严重的疾病症状：胃肠与呼吸道阻塞。
覆盖肺部内表面的粘液薄层异常增厚，阻止空气流动为细菌提供栖息场所。
缺陷基因：突变70%导致第508位的苯丙氨酸残基丢失，使突变的CFTR(囊性纤维跨膜传导调节子)的蛋白质，无法正确折叠而不能插入细胞膜中。

肺部表面捕获细菌的粘液层。在CF中，这种杀菌的活性被破坏了，导致肺不断被感染并逐渐受破坏。
根本原因：无法在呼吸道、消化管道及外分泌腺上皮细胞中产生一个功能性的氯离子通道。CFTR蛋白运转氯离子的功能异常，导致患者支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在肺部大量生长繁殖，最终使肺部功能严重受损。

四：离子通道失活引起的严重的生理后果（自然产生的几种毒素）
自然产生的毒素经常作用于离子离子通道，这些毒素的剧烈毒性作用说明离子通道具有重要的生理功能
1.河豚毒素 (河豚产生)
2.石房蛤毒素（海洋鞭毛虫产生，富集于牡蛎中）都能结合到神经元中的钠离子通道上。从而阻断正常的动作电位。
3.树眼镜蛇毒素（窄头眼镜蛇） ： 干扰钾离子通道的功能
4.筒箭毒碱
眼镜蛇毒
金环蛇毒 以上三种都会封闭乙酰胆碱受体或阻断这个离子通道的开启。

简而言之这些物质都会阻断信号从神经向肌肉的传导，从而引起痉挛或死亡。

真核细胞4种常见的信号机制
1. 细胞膜上的门控离子通道
2. 胞外有信号接收位点胞内有催化位点的酶
3. 通过激活G-蛋白来激活靶蛋白的膜蛋白
4. 可以结合类固醇并作为转录因子的核蛋白

1. 举例
神经递质
如 乙酰胆碱Ach受体 配体门控离子通道

神经传导
电压门控离子通道 和 配体门控离子通道 如图

2. 举例
胰岛素受体 典型的酶受体
受体酶：1）蛋白激酶一种 催化靶蛋白上的 酪氨酸位点 磷酸化；。

如胰岛素信号 质膜受体 胰岛素敏感性代谢酶

细胞核 刺激基因表达

2）另一种受体酶
受体酶 胞外信号 胞内合成 第二信使cGMP

如心钠素受体

3.

3.举例 典型代表
肾上腺素受体
4种类型 介导不同形式的应答
这里介绍肌肉，肝脏，脂肪组织中的受体
肾上腺素受体 蛇形跨膜7次 蛇形受体
受体 肾上腺素 受体构象变化 　　 ＧＴＰ与Ｇｓ结合

激活腺苷环化酶AC　　　　　　　　ｃＡＭＰ　　　　　　　激活ＰＫＡ

激活磷酸化酶ｂ　　　　　　　　　　　反应（糖元产生葡萄糖）

名词解释：
蛋白质GTP（G蛋白或Gs） 质膜的胞内侧
ＡＣ　质膜内在蛋白
ＰＫＡ　　蛋白激酶　依靠ｃＡＭＰ（蛋白激酶Ａ）
ｃＡＭＰ　　３＇５＇－环化－磷酸（环腺苷酸）　　第二信使　
许多激素３，生长因子改变　通过改变胞内ｃＡＭＰ　引起ＰＫＡ的活化。

4.举例＼
类固醇　　　细胞膜　　　　扩散胞内　　　　　　　细胞核受体蛋白　构象变化

改变基因表达

应用　三苯氧胺，治疗乳腺癌

癌
n 癌是细胞分裂失控的结果，细胞持续分裂形成肿瘤
n 癌基因通过编码有缺陷的信号蛋白，如有缺陷的生长因子、受体、Ｇ蛋白、蛋白激酶或者核中的转录调节因子
n 肿瘤抑制基因编码调节蛋白，可以抑制细胞分裂
n 癌通常是癌基因和肿瘤抑制基因突变累积的结果
调节基因转变为癌基因

癌基因编码的缺陷性受体

识别与粘附
n 细胞之间的识别与粘附在免疫、膜融合等过程中发挥巨大的作用
n 细胞可通过细胞表面的肽链来区分自己和非己
n 膜内在蛋白介导细胞间的粘附作用，往往具有较大的胞外结构域提供结合位点
识别
n 在宿主中对蛋白病毒的识别主要是通过主要组织相容性复合体（ＭＨＣ）蛋白来实现
n ＭＨＣ－１和ＭＨＣ－２位于不同的细胞表面，功能不同
n ＭＨＣ－１结合和呈递的肽来源于蛋白质水解产物和细胞内随机发生的周转蛋白更新，可结合带有异源肽段的细胞，可使寄生物和被病毒感染的细胞清除
n ＭＨＣ－２结合并呈递的蛋白是细胞所吞噬的外源蛋白，形成蛋白－肽复合物，是Ｔ细胞受体的结合目标，从而引发免疫过程

粘附
n 质膜的某些膜内在蛋白为细胞间或细胞与胞外蛋白吸附提供特意的作用位点
n 整合蛋白由　、　亚基组成，两个亚基较大的胞外结构域结合在一起，且拥有多种组合，产生广泛的结合位点
n 膜表面粘附过程还涉及到其他３种蛋白家族
n 钙黏着蛋白：与临近细胞相同的钙黏着蛋白进行嗜同性相互作用
n 免疫球蛋白样蛋白：既可进行嗜同性结合，也可与整合蛋白进行嗜异性相互作用
n 选择蛋白：在钙离子存在下，可与细胞膜上的多糖特异性结合

视觉、嗅觉、味觉传导
n 动物感知光线、气味、味道是由特化的感觉神经元来承担的，都与蛇形受体有关
n 这些神经元传导的机制基本上与激素、神经递质和生长因子的作用原理一致。
n 通过门控离子通道和胞内第二信使，一个初始感觉信号被放大，系统通过改变对吃鸡的灵敏度适应持续的刺激（脱敏），受体感知信号，传递至大脑

视觉
n 光线引发受体视紫红质的构象变化
n 受激发的视紫红质通过Ｇ蛋白传导信号，导致ｃＧＭＰ降低
n 信号放大发生在视状细胞和视锥细胞中
n 感光系统在视锥细胞和视杆细胞停止接受光照后迅速关闭，系统恢复到光照前的状态，磷酸化使视紫红质脱敏
n 信号传递到下一个神经元，最终到达大脑

嗅觉、味觉的传导与视觉类似