生化學 - 細胞膜與運輸

生化學細胞膜與運輸更新於 2026/3/11

細胞膜結構與組成

概述

  • 細胞膜 (Cell Membrane):細胞邊界,主要由脂質蛋白質組成,形成流動性脂雙層 (Lipid Bilayer)

主要膜脂質類型

  • 磷脂質 (Phospholipids)
    • 脂雙層主要成分,形成細胞膜的骨架
    • 具親水性頭部與疏水性尾部,形成雙層結構。
  • 膽固醇 (Cholesterol)
    • 動物細胞膜特有的脂質成分,鑲嵌於磷脂之間。
    • 調節膜的流動性 (Fluidity)穩定性
  • 醣脂 (Glycolipids)
    • 脂質與醣類結合,通常位於細胞膜外側。
    • 參與細胞辨識細胞黏附信號傳導

不同生物細胞膜的固醇類成分比較

生物類型主要固醇類成分備註
動物膽固醇 (Cholesterol)調節膜流動性穩定性
植物植物固醇 (Phytosterols):如谷固醇 (sitosterol)豆固醇 (stigmasterol)取代膽固醇,調節膜流動性
細菌類固醇醇 (Hopanoids)類固醇樣分子,通常不含膽固醇,調節膜流動性

脂膜筏 (Lipid Rafts)

  • 細胞膜上動態的微區,富含膽固醇 (cholesterol)鞘脂 (sphingolipids)
  • 特點:脂質排列緊密有序,比周圍細胞膜更厚流動性更低
  • 功能:參與細胞信號傳導細胞黏附膜運輸病原體入侵
  • 主要組成:
    • 膽固醇:增加膜的剛性,促進鞘脂聚集。
    • 鞘脂:特別是鞘磷脂 (sphingomyelin)糖鞘脂 (glycosphingolipids),因其飽和脂肪酸鏈較長,傾向形成有序結構。
    • GPI-錨定蛋白 (GPI-anchored proteins):常富集於脂膜筏中,錨定在細胞膜胞外側
    • 非脂膜筏組成甲基化蛋白質 (methylated proteins) 並非脂膜筏的結構組成部分。

膜蛋白分類與結合方式

  • 細胞膜蛋白質主要分為整合型膜蛋白膜周邊蛋白脂質錨定蛋白
  • 整合型膜蛋白 (Integral Membrane Proteins)
    • 直接嵌入或穿透脂雙層,其疏水性區域與膜的疏水性核心緊密結合。
    • 因與脂雙層緊密結合,需破壞脂雙層結構才能分離。
    • 分離方式:使用去垢劑 (detergent),即介面活性劑 (surfactant)
      • 介面活性劑兩性分子,能像肥皂一樣溶解脂質膜,形成蛋白質-介面活性劑複合體以萃取蛋白。
    • 合成途徑
      • 起始於細胞質核糖體 (ribosome)
      • 若帶有訊號肽 (signal peptide),會被訊號識別顆粒 (SRP) 識別。
      • SRP 引導核糖體-mRNA複合體內質網 (ER) 膜。
      • 內質網膜上,複合體與轉位子 (translocon) 結合,引導新生肽鏈穿過或嵌入膜中。
  • 膜周邊蛋白 (Peripheral Membrane Proteins)
    • 鬆散附著於膜表面,不穿透脂雙層
    • 透過非共價鍵 (如離子鍵氫鍵) 與膜脂或整合型膜蛋白結合。
    • 可透過改變pH 值離子強度螯合劑等溫和方式分離。
  • 脂質錨定蛋白 (Lipid-anchored proteins)
    • 蛋白質透過共價鍵脂質分子連接,將蛋白質錨定在膜上。
    • 可位於細胞膜的胞外側胞質側
    • 糖磷脂醯肌醇 (GPI, glycosyl phosphatidylinositol) 錨定
      • 一種特殊的糖脂作為「錨」,將蛋白質共價連接到細胞膜的胞外側 (extracellular side)
      • 此類GPI 錨定蛋白富集於脂膜筏中
      • 功能:參與細胞識別信號傳導等。

醣蛋白與醣化 (Glycoproteins and Glycosylation)

  • 醣蛋白 (Glycoproteins):蛋白質與糖鏈 (oligosaccharides) 共價結合。
  • 糖鏈位置醣蛋白上的糖鏈總是朝向細胞外側 (extracellular face)細胞器腔內 (lumenal face)
  • 醣化 (Glycosylation) 過程:發生在內質網 (ER)高爾基體 (Golgi apparatus)腔內 (lumen)
  • 方向性原因:這些腔內環境在細胞膜融合後會轉變為細胞外側,確保糖鏈的正確朝向。

非膜結構性脂質

  • 游離脂肪酸 (Free Fatty Acids)
    • 非細胞膜結構成分
    • 為脂肪分解產物,或用於合成其他脂質 (如三酸甘油酯、磷脂質),或作為細胞的能量來源
    • 細胞內常與蛋白質結合運輸或被酯化儲存。

細胞內膜脂質運輸與動態

  • 細胞內膜結構 (如內質網高爾基體粒線體過氧化物酶體) 需持續交換脂質以維持其組成與功能。
  • 脂質運輸主要透過兩種方式:
    • 囊泡運輸 (Vesicular Transport)
    • 非囊泡運輸 (Non-vesicular Transport)
      • 通常發生於膜接觸位點 (Membrane Contact Sites)
      • 依賴脂質運送蛋白 (Lipid Transfer Proteins) 進行。

細胞膜物質運輸

概述

  • 細胞膜上的物質運輸方式分為被動運輸 (Passive Transport)主動運輸 (Active Transport)

被動運輸 (Passive Transport)

  • 不消耗能量
  • 順著濃度梯度電化學梯度運輸。
  • 類型:
    • 簡單擴散 (Simple Diffusion)
    • 促進性擴散 (Facilitated Diffusion)
    • 滲透 (Osmosis)

主動運輸 (Active Transport)

  • 消耗能量
  • 逆著濃度梯度電化學梯度運輸物質。
  • 類型:
    • 初級主動運輸 (Primary Active Transport)
      • 直接水解 ATP 提供能量。
      • 範例:鈉鉀幫浦 (Na+/K+-ATPase)
      • 機制
        1. 利用ATP水解能量,將3個Na+運出細胞,同時將2個K+運入細胞
        2. 細胞內Na+ 結合後,幫浦被ATP磷酸化,導致對Na+親和力降低Na+釋出細胞外
        3. 磷酸化後,幫浦構型改變,對細胞外K+親和力增加K+結合導致去磷酸化
        4. 去磷酸化後,對K+親和力降低K+釋出細胞內,同時對Na+親和力恢復,準備下一個循環。
    • 次級主動運輸 (Secondary Active Transport)
      • 不直接水解 ATP
      • 利用初級主動運輸建立的離子濃度梯度 (通常是 Na+H+) 所儲存的勢能驅動另一種物質運輸。
      • 運輸方式:
        • 同向運輸 (Symport / Cotransport):兩種物質同向運輸。
        • 反向運輸 (Antiport / Countertransport):兩種物質反向運輸。

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