当前课程知识点：现代生物学导论 > 第三讲 细胞的基本知识 > 3.2 细胞膜和跨膜运输 > 3.2 细胞膜和跨膜运输
在这一小节中我们讨论细胞膜和跨膜运输
细胞膜是生命的边缘，把活细胞和周围的环境隔离开
同时严格控制物质的进出
细胞膜具有选择通透性
即允许一些物质比另外一些物质更容易穿过膜
细胞膜对物质交换有选择性，对于生命来说意义重大
因为有时允许一些物质进来，比如葡萄糖和氧气
有时需要排出一些物质，比如CO2和废物
所以选择通透性给了细胞一个操纵权
使得细胞在需要的时候吸收或排出物质
首先我们来说细胞膜结构的一种模型：流动镶嵌模型
镶嵌指的是细胞膜是由好几种物质组成的
脂类和蛋白是细胞膜的主要组成成分
此外还有一些糖类和细胞外基质
细胞膜中最主要的成分是磷脂
磷脂能够形成细胞膜是由其结构所决定的
磷脂是两亲性分子，意思是一端亲水
因为这端有磷酸基团，另外一端憎水
磷脂双分子层可以作为一个稳定的隔开细胞内和细胞外水环境的边界
由于疏水作用，其憎水部分均远离水，而亲水部分和水接触
这也是细胞膜得以稳定的原因
同时，细胞膜也是一个动态的结构
因为膜上的物质是可以移动的
如果不能进行移动，则物质的进出将无法进行
胆固醇也是组成膜的成分之一
负责把磷脂分子联系起来，防止磷脂分子溜走
当温度升高时，胆固醇可以通过把磷脂分子联系起来
防止细胞膜散架
当温度降低时，胆固醇可以使得磷脂分子保持一定距离
避免它们距离太近
细胞膜上还有糖蛋白和糖脂
那么这些蛋白和脂类上的糖到底有什么作用呢
主要负责细胞之间的相互识别
这种功能对于生物体来说是至关重要的
比如免疫系统识别自体和非自体细胞
细胞间相互识别是通过双方表面的糖脂或糖蛋白来实现的
当然，细胞膜还有一个重要的成分就是蛋白质
有的膜蛋白负责运输物质进出
有的蛋白负责信号传导
有的负责细胞间识别
有的负责临近细胞形成胞间连接
细胞表面蛋白的研究有重要的医学意义
比如HIV病毒就会通过结合一种免疫细胞表面的蛋白
CD4来感染人体，从而导致艾滋病
但是，有一部分人对HIV病毒天生免疫
通过研究发现，除了CD4
HIV病毒也需要结合另一种表面蛋白CCR5来感染
而这部分对HIV病毒免疫的人
编码他们CCR5的基因发生突变
导致HIV病毒无法和其结合
既然细胞膜有选择通透性
那么它是怎么调控物质的跨膜运输呢
我们要从跨膜运输的方式来讨论
跨膜运输主要分为被动运输和主动运输两大类型
被动运输就是通过扩散作用把物质进行跨膜运输
这一过程中是不需要能量的
被动运输有的扩散作用是不需要蛋白质辅助的
而有的是需要蛋白质辅助的
还有一种特别的扩散方式是渗透，是水分子经过半透膜扩散的现象
渗透对细胞的影响非常大
那么需要蛋白质辅助的扩散作用，叫做协助扩散
比如葡萄糖的运输
主动运输是一种物质逆化学梯度的跨细胞膜的运动
相对于被动运输，主动运输的进行需要消耗能量
这一过程通常需要蛋白质的辅助
最著名的例子就是钠钾离子泵
从大规模运输的角度来看，主动运输还有内吞作用和胞吐作用
这两种作用可以把非常大的物质进行跨膜运输
下面我们就来具体讨论各种运输方式
首先是直接扩散，即不需要蛋白质辅助的扩散，比如肺泡的作用
肺泡是O2与CO2在肺脏内与其周围毛细血管血液间进行气体交换的地方
机制就是通过这种简单的扩散实现的
下面再来看渗透作用
就像图中，比如将细胞放入浓的食盐水中，即高渗溶液
由于浓食盐水中水的含量比细胞质低
胞內的水会不断的向胞外渗透，导致细胞脱水和萎缩
相反的，将細胞放入蒸餾水中，即低渗液体
由于细胞內的水含量的比例比蒸馏水低
外界的水分子会不断的往胞內渗透
导致细胞膨胀，甚至造成破裂
细胞处于等渗溶液中，水分在细胞内外保持平衡
细胞膜的通透性保证细胞处于等渗状态
下面，我们就用生鸡蛋的实验来证明渗透作用
首先我们先把这个生鸡蛋呢，是在做实验前的一天把它先浸泡在醋里
鸡蛋壳呢就被溶解掉了
然后我们首先把这个生鸡蛋放到蜂蜜当中
那么由于这个渗透作用，鸡蛋会失水
然后我们再把这个生鸡蛋转移到清水当中
那么也是由于渗透作用，那么水分会慢慢的回到鸡蛋中
协助扩散是需要蛋白质辅助的，比如糖分子的跨膜运输
协助扩散是通过镶嵌在细胞膜上的蛋白质
即运输蛋白的协助来进的
运输蛋白分为两类，一类叫做通道蛋白，镶嵌在细胞膜上
给一些特定的分子和离子进出提供一个通道
比如水通道蛋白，可以协助植物细胞中大量的水分子扩散
还有像我们的肾脏细胞也有不少水通道蛋白
帮助从尿液中保留水分
如果肾脏没有这个功能，我们每天排出的尿液会有大约180升
必须要喝同样量的水才能维持均衡
另一类蛋白叫做载体蛋白，它是通过改变形状来运输，比如运输葡萄糖
这一过程涉及葡萄糖分子和蛋白的结合以及蛋白释放葡萄糖分子
前面讨论的运输方式都是顺着浓度梯度进行的
如果需要逆着浓度梯度进行呢
这时候运输就需要能量来逆着浓度梯度进行
运输中需要能量叫做主动运输
主动运输帮助细胞维持细胞内的浓度和细胞外的浓度不同
我们以钠钾离子泵为例说明
钠钾离子泵实际上是一种蛋白
把钠离子从细胞内运输到细胞外
把钾离子从细胞外运输到细胞内
这一过程需要ATP的帮助
在钠钾离子的运输过程中，需要克服两种梯度
一个是浓度梯度，另外一个是电化学梯度
什么是电化学梯度呢
细胞膜偏向细胞质的那端相对带负电荷
向外的那一端带正电荷
因为两边携带的阳离子和阴离子的数量不同，所以产生了膜电位
膜电位的功能像一个电池
是一个可以影响带电物质进行跨膜运输的能量来源
因为细胞内相对带负电，所以膜电位倾向于把阳离子运送进细胞
而把阴离子运送出细胞
因此，有两种力量驱使离子的跨膜运输
一个是化学的，由于浓度梯度导致
另一个是电的，由于膜电位对离子运动的影响导致
结合了这两种动力的叫做电化学梯度
钠钾离子泵在工作时，结合ATP分子中的磷酸基团
促使其形状发生改变
一次送出3个钠离子，送入2个钾离子
所有的神经细胞都使用钠钾离子泵
大量的分子的跨膜运输主要通过内吞和胞吐作用
内吞作用是大分子物质或其他细胞，如细菌进入细胞内部的方式
它先以细胞膜凹陷的方式形成一个“小泡”
把要进入細胞內部的物质包裹起來
然后，小泡脱离细胞膜进入细胞内部
而细胞膜则重新组合以免出現破损
比如免疫系统中的巨噬细胞
把细菌包裹进来以后，形成吞噬体
吞噬体然后向细胞内移动，和溶酶体融合
形成吞噬性溶酶体
溶酶体中的水解酶则会把里面的细菌进行分解
胞吐作用是指细胞内的大分子物质通过囊泡与细胞质膜融合的过程
在融合蛋白的帮助下被释放到细胞外基质
它可以看作是细胞内吞作用的反向作用
胞吐作用可以自发进行，也可以受其它信号触发
比如神经信号传导是从一个神经元传导到另一个神经元
神经信号传递过程中需要神经递质
神经递质被包裹在囊泡中，通过胞吐作用被释放出来
和下一个神经元受体结合，传递神经信号
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
