04细胞膜1细胞生物学

1、(cell membrane)第四章第四章细胞膜细胞膜第一节第一节 细胞膜的分子结构与生物学特性细胞膜的分子结构与生物学特性第二节第二节 细胞膜与物质的跨膜转运细胞膜与物质的跨膜转运第三节第三节 细胞膜受体与信号转导细胞膜受体与信号转导第四节第四节 细胞连接细胞连接第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病内容内容 细胞膜是指包围在细胞质表面的一层细胞膜是指包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（薄膜，又称质膜（plasma membrane）。）。 生物膜（生物膜（biomembrane）。）。 。细胞的基本结构：细胞的基本结构：光镜下：真核细胞可见细胞膜、细胞质和细胞核光镜下：真核细胞可

2、见细胞膜、细胞质和细胞核电镜下：膜相结构和非膜相结构电镜下：膜相结构和非膜相结构第一节第一节 细胞膜的分子结构与生物学特性细胞膜的分子结构与生物学特性一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的分子结构二、细胞膜的分子结构三、细胞膜的主要理化特性三、细胞膜的主要理化特性四、细胞膜的功能四、细胞膜的功能一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成成成 分分:脂类、蛋白质、糖类、水和无机盐等。脂类、蛋白质、糖类、水和无机盐等。 膜膜 蛋白质（蛋白质（%） 脂质（脂质（%） 糖类（糖类（%） 蛋白质蛋白质/脂质脂质神经髓鞘神经髓鞘 18 79 3 0.23人红细胞质膜人红细胞质膜 49 43 8

3、 1.1大鼠肝细胞质膜大鼠肝细胞质膜 58 42 5-10 0.9大鼠肝细胞核膜大鼠肝细胞核膜 59 35 2.9 1.7 内质网膜内质网膜 67 33 2.0线粒体外膜线粒体外膜 52 48 2.4 1.1线粒体内膜线粒体内膜 76 24 1-2 3.2各种生物膜的基本化学组成各种生物膜的基本化学组成1. 磷脂磷脂 （phospholipid） 50%以上，最重要。以上，最重要。 甘油磷脂（磷酸甘油脂）和鞘磷甘油磷脂（磷酸甘油脂）和鞘磷脂脂化学结构：化学结构：以甘油为骨架，甘油分子的以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂位羟基分别与脂肪酸形成酯键，肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。

4、位羟基与磷酸形成酯键。 磷脂酸磷脂酸 磷脂酸的衍生物磷脂酸的衍生物（1 1）甘油磷脂（）甘油磷脂（phosphoglyceridesphosphoglycerides）(一一) 膜脂（膜脂（membrane lipid）构成细胞膜的结构骨架构成细胞膜的结构骨架 磷脂、胆固醇和糖脂磷脂、胆固醇和糖脂磷脂酰胆碱（磷脂酰胆碱（ phosphatidylcholine，pc ，卵磷脂，卵磷脂)磷脂酰乙醇胺（磷脂酰乙醇胺（ phosphatidylethanolamine，pe ，脑磷脂），脑磷脂）磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 (phosphatidylserine，ps)磷脂酰肌醇（磷脂酰肌醇（ phos

5、phatidylinosital，pi）（2 2）鞘磷脂（）鞘磷脂（sphingomyalinsphingomyalin，smsm）化学结构：由鞘氨醇的氨基与脂肪酸的羧基间形成酰胺键连化学结构：由鞘氨醇的氨基与脂肪酸的羧基间形成酰胺键连接而成。接而成。（3 3）磷脂分子是两亲性分子（磷脂分子是两亲性分子（amphipathic molecule）或兼性）或兼性分子。亲水头、疏水尾分子。亲水头、疏水尾极性头部基团（亲水）极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）非极性尾部基团（疏水）细胞膜上的主要磷脂分子细胞膜上的主要磷脂分子细胞膜细胞膜含量含量 其次其次 少少 最多最多 少少亲水头亲水头极性极

6、性疏水尾疏水尾非极性非极性 2. 胆固醇胆固醇 （cholesterol） 分布：胆固醇散布在磷脂分子之间。分布：胆固醇散布在磷脂分子之间。结构：极性头为羟基团，紧靠磷脂的结构：极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。脂双层的中央。 功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。3. 糖脂糖脂 (glycolipid) 分布：细胞膜表面。分布：细胞膜表面。结构：由脂类和寡糖构

7、成，动物细胞结构：由脂类和寡糖构成，动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，称鞘糖脂。糖基为极性头部。称鞘糖脂。糖基为极性头部。 脑苷脂脑苷脂 神经节苷脂神经节苷脂功能：可能作为细胞表面受体，与细胞识别、功能：可能作为细胞表面受体，与细胞识别、 黏附和信号传导有关。黏附和信号传导有关。膜脂可能的存在形式：膜脂可能的存在形式： 形成球状分子团（形成球状分子团（micelle） 形成双分子层（形成双分子层（bilayer）亲水头亲水头极性极性疏水尾疏水尾非极性非极性膜脂分子是两亲性分子。膜脂分子是两亲性分子。不同生物膜的脂质组成不同生物膜的脂质组成 肝细胞膜肝细胞膜

8、 红细胞膜红细胞膜 髓鞘髓鞘 线粒体内膜线粒体内膜 内质网内质网胆固醇胆固醇 17 23 22 3 6磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 7 18 15 35 17磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 4 7 9 2 5磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱 24 17 10 39 40鞘磷脂鞘磷脂 19 18 8 0 5糖脂糖脂 7 3 28 痕量痕量 痕量痕量其他其他 22 13 8 21 27 （二）膜蛋白（二）膜蛋白 跨膜蛋白或整合蛋白、膜周边蛋白和脂锚定蛋白跨膜蛋白或整合蛋白、膜周边蛋白和脂锚定蛋白1. 跨膜蛋白跨膜蛋白 （transmembrane protein） 占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的7080。 两亲性分子，疏

9、水区两亲性分子，疏水区 脂双层脂双层 共价结合；共价结合； 亲水部分亲水部分 膜内外表面膜内外表面 大多数穿膜蛋白穿膜域都是大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋，也有的穿膜蛋白以螺旋，也有的穿膜蛋白以-折叠折叠片层片层-螺旋构象螺旋构象穿膜蛋白穿膜蛋白-折叠构象穿折叠构象穿膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白球状蛋白球状蛋白2.膜周边蛋白（膜周边蛋白（peripheral protein） 占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的20%30%3.脂锚定蛋白脂锚定蛋白 (lipid-anchored protein) 又称脂连接蛋白（又称脂连接蛋白（lipid-linked protein） 以共价键与脂双层内的脂分子结合以

10、共价键与脂双层内的脂分子结合 位于位于质质膜的两侧。膜的两侧。 以两种方式与脂类分子共价结合以两种方式与脂类分子共价结合通过非共价键与膜脂极性头部或跨膜通过非共价键与膜脂极性头部或跨膜蛋白相互作用间接与膜结合。蛋白相互作用间接与膜结合。主要分布在质膜的胞质侧。主要分布在质膜的胞质侧。糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（gpi ）与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合 共价键胞质侧的蛋白 膜蛋白举例膜蛋白举例: 血影血影(ghost)膜蛋白主要有血影蛋白膜蛋白主要有血影蛋白(spectrin)、血、血型糖蛋白型糖蛋白(glycophorin)和带和带3蛋白蛋白(band 3

11、 protein)。红细胞平均寿命红细胞平均寿命120d， 行程行程480km。原肌球蛋白原肌球蛋白锚蛋白锚蛋白血影蛋白血影蛋白血型糖蛋白血型糖蛋白红细胞经低渗处理，质膜破裂，胞内可溶性蛋白外泄，残留的细胞膜为血影。红细胞经低渗处理，质膜破裂，胞内可溶性蛋白外泄，残留的细胞膜为血影。blood ghost血影蛋白血影蛋白血型糖蛋白血型糖蛋白锚蛋白锚蛋白sds血影蛋白血影蛋白sds血型糖蛋白血型糖蛋白锚蛋白锚蛋白4. 4. 膜蛋白的功能：膜蛋白的功能： 机械支持；机械支持； 参与物质运输；参与物质运输； 作为受体成分；作为受体成分； 作为膜抗原；作为膜抗原； 作为酶。作为酶。（三）膜糖（三）膜糖

12、 覆盖细胞膜表面糖蛋白（糖蛋白（glycoprotein）：）：糖与肽链的氨基端共价结合。糖与肽链的氨基端共价结合。糖脂（糖脂（glycolipid）：）：糖与脂类分子亲水端共价结合。糖与脂类分子亲水端共价结合。o型型: 细胞膜细胞膜(蛋白蛋白)-葡萄糖葡萄糖-半乳糖半乳糖-乙酰葡萄乙酰葡萄糖胺糖胺-半乳糖半乳糖-岩藻糖岩藻糖(构成构成h抗原抗原)a型型: 细胞膜细胞膜-h抗原抗原(半乳糖半乳糖)-乙酰氨基半乳糖乙酰氨基半乳糖b型型: 细胞膜细胞膜-h抗原抗原(半乳糖半乳糖)-d型半乳糖型半乳糖二、细胞膜的分子结构二、细胞膜的分子结构 1895年，年， e. overton 推测推测细胞膜由连

13、续的脂类物质组成。细胞膜由连续的脂类物质组成。 1925年，年， e. gorter & f. grendel 推测细胞膜由双层脂分子组成。推测细胞膜由双层脂分子组成。（一）片层结构模型（一）片层结构模型（lamella structure model） 具有三层夹板式结构特点具有三层夹板式结构特点 19351935年，年，j. j. daniellidanielli和和h. h. davsondavson推测膜中含有蛋白质，推测膜中含有蛋白质，从而提出了从而提出了”蛋白质蛋白质- -脂类脂类- -蛋白质蛋白质”的三明治模型。认为质膜的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着

14、的蛋白质构成的。由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。（二）单位膜模型（二）单位膜模型（unit membrane model） 体现膜形态结构的共同特点体现膜形态结构的共同特点 1959 年，年，j. d. robertson发现生物膜均呈发现生物膜均呈“暗暗-明明-暗暗”的的三层式结构，厚约三层式结构，厚约7.5nm。这就是所谓的这就是所谓的“单位膜单位膜”模型。它模型。它由厚约由厚约3.5 nm的双层脂分子和内外表面各厚约的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构的蛋白质构成。成。（三）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型（fluid mosaic model） 被普遍接受的模型被普

15、遍接受的模型 19721972年，年，singersinger和和nicolson nicolson 类脂双分子层构成膜的基类脂双分子层构成膜的基本骨架；球形蛋白质分子，以不同的形式本骨架；球形蛋白质分子，以不同的形式, ,或附着于类脂双或附着于类脂双分子层表面，或不同程度地镶嵌在类脂双分子层之中；膜在分子层表面，或不同程度地镶嵌在类脂双分子层之中；膜在其组成和结构上均是不对称的；膜具有一定的流动性。其组成和结构上均是不对称的；膜具有一定的流动性。晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型 板块镶嵌模型板块镶嵌模型（四）脂筏（四）脂筏（lipid raft） 深化了对膜结构和功能的认识深化了对膜结构和功能的认识

16、 质膜上大小约质膜上大小约7070nmnm左右、富含胆固醇和鞘磷脂的动态微左右、富含胆固醇和鞘磷脂的动态微结构域（结构域（microdomainmicrodomain）。）。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（无序液体与液晶之间，称为有序液体（liquid-orderedliquid-ordered）。）。抗去垢剂膜抗去垢剂膜。膜的分子结构模型膜的分子结构模型三、细胞膜的主要理化特性三、细胞膜的主要理化特性（一）膜的不对称性（一）膜的不对

17、称性（membrane asymmetry）1. 1. 膜脂组成与分布的不对称性膜脂组成与分布的不对称性 内外层脂质组成种类、含量、比例的不同。内外层脂质组成种类、含量、比例的不同。 人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布2. 2. 膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性 膜蛋白分布绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定膜蛋白分布绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。的位置。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。 3. 3. 膜糖的不对称性膜糖的不对称性 （二）膜的流动性是膜功能活动的保证（二）膜的流动性是膜功能活动的保证1. 膜脂

18、的流动性（膜脂的流动性（fluidity） 脂双层为液晶态二维流体脂双层为液晶态二维流体 随温度变化的液晶态随温度变化的液晶态-晶态相变晶态相变 膜脂分子的运动方式：膜脂分子的运动方式： 旋转运动、侧向扩散运动、旋转运动、侧向扩散运动、 翻转运动、弯曲运动翻转运动、弯曲运动2. 膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性（mobility） 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。转运动。3. 3. 影响膜流动性的因素影响膜流动性的因素 （1 1）脂肪酸链的长度和不饱和程度）脂肪酸链的长度和不饱和程度 短的脂肪酸链增进流动，不饱和脂肪酸含量高则流动性强。短的脂肪酸链增进流动，不饱和脂肪酸含量高则流动性强。（2 2）胆固醇与磷脂的比例）胆固醇与磷脂的比例 胆固醇含量高则增加膜脂的有序性，膜的流动性降低。胆固醇含量高则增加膜脂的有序性，膜的流动性降低。（3 3）卵磷脂与鞘磷脂的比例）卵磷脂与鞘磷脂的比例 卵磷脂含不饱和程度高的脂肪