细胞膜及其表面医学生物学

-,第二节细胞膜及其表面,Contents细胞膜的分子组成及结构模型细胞膜表面及其特化结构细胞膜的主要功能细胞膜与医药学,构成细胞的三大要素,biological membrane =plasma membrane+ intracellular membrane 生物膜 = 质膜 + 细胞内膜,生物膜 biological membrane,一、细胞膜的化学组成,（一）膜脂 1.磷脂 磷脂酰胆碱（卵磷脂） 磷酸甘油酯 磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） 磷脂酰丝氨酸 鞘磷脂 2.糖脂：脑苷脂 、神经节苷脂 3.胆固醇,1磷脂 主要特征： （1）具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部 （2）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成 （3）常含有不饱和脂肪酸（如油酸）,亲水的头部基团,疏水的尾部基团,空间结构符号,空间结构模型,磷脂酰胆碱分子的结构,2糖脂 是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5%10。,Glycolipids,Glycolipids,3.胆固醇,主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3， 功能：提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。,膜脂分子的物理特性,脂质体,分子团,磷脂双层,是一种人工膜 在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。,脂质体（liposome）：,直径251000nm不等。,（二）膜蛋白 生物膜所含有的蛋白质称为膜蛋白（membrane protein），是生物膜最主要的组成成分，其含量和种类与膜的功能密切相关。 分类 内在蛋白 周边蛋白,膜蛋白的类型,膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一般为螺旋,（三）膜糖类 含量：占膜重量的1%10%。 存在方式：糖脂、糖蛋白 分布：在质膜的外表面形成细胞外被(cell coat)或糖萼（glycocalyx）。,糖萼,二、膜的分子结构模型 （一）片层结构模型 （二）单位膜模型,（三）液态镶嵌模型,Singer & Nicolson 于1972年根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。,Fluid-mosaic model： 细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架； 蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。,（四）晶格镶嵌模型,1975年Wallach提出了晶格镶嵌模型（crystal mosaic model。,三、细胞膜的特性 膜的不对称性（asymmetry） 膜的流动性（fluidity）。,（一）膜的不对称性,质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。,膜脂分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性 膜糖分布的不对称性,膜的不对称性表现在：,功能的方向性,1.膜脂的不对称性 同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布,膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域脂筏。,SM, 鞘磷脂；PC, 磷脂酰胆碱；PS，磷脂酰丝氨酸；PE，磷脂酰乙醇胺；PI，磷脂酰肌醇；Cl, 胆固醇,The asymmetric distribution of phospholipids (and cholesterol) in PM of Human erythrocytes,2复合糖的不对称性 糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面 3. 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分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜侧,Simplified diagram of the cell coat (glycocalyx),（二）质膜的流动性,1膜脂分子的运动,2.膜蛋白的分子运动 侧向扩散 旋转扩散 膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制， 破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,3、影响膜流动性的因素,（1）脂肪酸链的长度（反比）和不饱和程度(正比)（2）胆固醇含量(反比)（3）卵磷脂与鞘磷脂的比例(正比)（4）膜蛋白含量(反比)（5）其他因素（环境温度、pH等）,膜功能的稳定性,膜流动性,脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响,胆固醇的影响,四、细胞表面及其特化结构,(一)糖萼 动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。 作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。,（二）细胞表面的特化结构 细胞表面的特化结构： 1.微绒毛、纤毛和鞭毛； 2.内褶； 3.不同形状的变形足和皱褶。 对于细胞的特定活动有重要的作用。,1.微绒毛 微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面，直径约为0.1m。,小鼠肾曲管上皮细胞微绒毛（冰冻蚀刻）,2 纤毛 cilium,LM：外包细胞膜，内为细胞质， EM：含微管（2x9+2）结构 根部有基体,功能：摆动，排出 灰尘及细菌,组成：细胞表面较长能摆动的突起,纤毛横切面（透射电镜）,微绒毛和纤毛（扫描电镜）,3.内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。,（三）细胞连接（cell junction）： 指多细胞生物特别是动物体中细胞与细胞之间表面的某些区域特化形成各种结构，以便细胞之间彼此接触。 主要功能：细胞间的机械连接，对细胞间的物质交换起重要作用。 三种连接方式： 紧密连接(tight junction) 黏合连接（adhering junction) 通讯连接（communicating junction) 。,（四）细胞外基质（extracellular matrix） 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。,五、细胞膜的主要功能 细胞膜是细胞和外环境间的屏障，是一种特殊的选择性的差异透性膜，有选择地允许或阻止一些物质进出细胞 调节膜内外离子浓度差和膜电位，保证膜内外渗透压平衡。 细胞膜也是接收外界信息的门户。,（一）调节运输（膜内外物质的交换） 被动运输穿膜运输: 膜内外小分子 物质交换 主动运输 胞吞作用膜泡运输： 膜内外大分子 物质交换 胞吐作用,（二）细胞膜受体介导的信号转导 受体（receptor）：能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域： 配体结合区域 产生效应的区域。,受体分类： 细胞内受体（intracellular receptor）、 细胞膜受体（cell surface receptor）。受体的特征： 特异性； 饱和性； 高度的亲和力。,膜受体有三类：离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）酶耦联的受体（enzyme-linked receptor） 第一类存在于可兴奋细胞,后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinase cascade） 事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。,生命的基本单位 细胞,（三）界膜和细胞区域化,细胞区域化,生命的基本单位 细胞,（四）功能定位与组织化,细胞器,生命的基本单位 细胞,（五）参与细胞间的相互作用,细胞识别细胞黏着细胞连接细胞间通讯,生命的基本单位 细胞,（六）能量转换(energy transduction),叶绿体线粒体,六、细胞膜与医药学,（一）膜受体异常与疾病 细胞膜上的LDL受体对于调节血液中胆固醇的含量有很大关系。若LDL受体蛋白基因缺陷，使细胞膜上LDL 受体先天性缺损或 LDL 受体数目减少，则严重影响血中胆固醇的代谢，使血中胆固醇的含量升高而成为遗传性高胆固醇血症患者。,（二）膜转运系统异常与疾病 膜中的转运蛋白（载体蛋白、通道蛋白、离子泵等）结构的缺损或功能异常，都会引起物质转运障碍，产生相应的遗传性膜转运异常的疾病。 胱氨酸尿症患者，由于载体蛋白基因突变，导致膜上载体蛋白的先天性缺陷。当患者尿的pH值下降时，其中含有的大量胱氨酸沉淀形成结石。,（三）细胞膜表面异常与细胞癌变 细胞癌变，细胞表现出形态的异常（如出现微绒毛、褶皱、变形足或突起等）， 细胞表面的糖脂和糖蛋白也发生异常（如鞘糖脂和纤连蛋白减少）。 细胞丧失接触抑制和黏着作用，造成肿瘤细胞恶性增殖。,breast cancer cell,复习思考题,1.细胞膜的结构如何？有哪些主要功能？2.为什么说细胞膜具有流动性和不对称性，这对细胞膜的功能有何意义？3.细胞膜的分子结构与细胞膜的功能有何关系？,The end,1穿膜运输 指小分子和离子物质进出细胞膜的运输方式。 （1）被动运输（passive transport）： 物质从高浓度向低浓度方向的跨膜转运 转运的动力来自物质的浓度梯度 不需要消耗细胞的代谢能量,1）简单扩散（simple diffusion）,特点： 沿浓度梯度或电化学梯度扩散 不需要提供能量 没有膜蛋白的协助,极性很强的水化离子（如Na+、K+、Ca2+等）通过细胞膜上特异离子通道蛋白从高浓度向低浓度方向的转运。,2）离子通道扩散（ion channel diffusion）,Ion Channels,离子通道的开启或关闭由通道闸门所控制，而闸门由通道蛋白的带电分子或基团（如羟基或羧基）构成。 有的闸门持续开放，有的间断开放。间断开放的闸门的开闭受膜电压或化学物质的调节。,3）易化扩散（facilitated diffusion）： 指非脂溶性物质或亲水性物质（如葡萄糖、氨基酸、核苷酸、金属离子以及细胞代谢物等）顺浓度梯度方向的跨膜转运。 易化扩散又称帮助扩散，物质转运需要细胞膜上的载体蛋白（carrier protein）帮助。,Glucose is absorbed bysymport,（2）主动运输（active transport） 物质从低浓度一侧向高浓度一侧的跨膜转运，即逆浓度梯度方向的运输 需要细胞膜上的载体蛋白参与 需要消耗细胞代谢能。,Na+-K+ATP PUMP,Na+-K+ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition,Maintains low cytosolic Ca+Present In Plasma and ER membranes,Ca+ ATPase,Model for mode of action for Ca+ ATPase Conformation change,2膜泡运输 真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。 在转运过程中，一些大分子颗粒物质（如蛋白质、细菌等）不能通过细胞膜，而是被包裹在由膜形成的小泡中进行运输，因此称为膜泡运输。,（1）胞吞作用（endocytosis）： 是质膜内陷将外来的大分子和颗粒物质包围，形成小泡转运到细胞内的过程。包括 吞噬作用（phagocytosis）、 胞饮作用（pi