细胞生物学：第四章 细胞膜

1、细胞膜细胞膜 (Cell Membrane) (Cell Membrane) 又称又称质膜质膜 (plasma membrane)(plasma membrane) 第一节第一节 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成 第二节第二节 膜的分子结构模型膜的分子结构模型 第三节第三节 膜的特性膜的特性 第四节第四节 细胞膜的物质运输细胞膜的物质运输 第五节第五节 细胞表面抗原与免疫细胞表面抗原与免疫 第六节第六节 细胞膜与疾病细胞膜与疾病 第一节第一节 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成各种细胞生物膜的化学组成各种细胞生物膜的化学组成膜的类别膜的类别蛋白质蛋白质(%)(%)脂类脂类(%)(%)糖类糖类(%

2、)(%)神经髓鞘细胞神经髓鞘细胞18793人红细胞人红细胞6040微量微量大鼠肝细胞大鼠肝细胞46425-10大鼠骨骼肌细胞大鼠骨骼肌细胞6535微量微量大鼠线粒体大鼠线粒体7027-291-2HeLa细胞细胞60402.4质膜的化学组成一、脂质成分大约占总组分的75%-25% ，构成质膜的骨架和起保护作用。 25%-75% ，生物膜功能的体现者。二、蛋白质三、糖类2%-10%，可能与细胞的识别和粘附功能相关。三种膜脂类型磷脂磷脂糖脂糖脂胆固醇胆固醇 兼性分子：双亲媒性分子 极性头部：极性头部：具亲水性具亲水性非极性尾非极性尾部：具疏部：具疏水性水性脂质体的类型 (a)(a)水溶液中的磷脂分子

3、团；水溶液中的磷脂分子团；(b)(b)球形脂质体；球形脂质体；(c)(c)平面脂质体膜；平面脂质体膜；(d(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图）用于疾病治疗的脂质体的示意图根据磷脂分子可在根据磷脂分子可在水相中形成稳定的水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而脂双层膜的趋势而制备的人工膜。制备的人工膜。脂质体的应用脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入脂质体中裹入DNADNA可用于基因转移；可用于基因转移；在临床治疗中在临床治疗中, ,脂质体作为药物或酶等载体脂质体作为药物或酶等载体磷脂磷脂甘油磷脂：甘油磷脂：鞘磷脂：鞘磷脂：磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰乙

4、醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇磷脂酰磷脂酰碱基碱基、甘油、脂肪酸甘油、脂肪酸磷脂酰碱基、鞘氨醇、脂肪酸磷脂酰碱基、鞘氨醇、脂肪酸磷脂的作用磷脂的作用v磷脂是膜的重要组成部分；磷脂是膜的重要组成部分；v磷脂酰肌醇在信息传递中起重磷脂酰肌醇在信息传递中起重要作用。要作用。胆固醇胆固醇（cholesterolcholesterol）羟基（极性）羟基（极性） 甾环甾环（非极性）（非极性）碳氢尾部碳氢尾部（非极性）（非极性） 胆固醇在细胞膜中的功能胆固醇在细胞膜中的功能糖脂糖脂（glycolipidsglycolipids）：鞘氨醇的衍生物：鞘氨醇的衍生物 脑苷脂（脑苷脂（

5、cerebroside）神经节苷脂（神经节苷脂（ganglioside）神经节苷脂的作用神经节苷脂的作用v在神经传导中起重要作用；在神经传导中起重要作用；v是膜上的受体，如破伤风毒素、是膜上的受体，如破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素、素、绒毛膜促性腺激素、5-5-羟羟色胺等的受体，就是不同神经色胺等的受体，就是不同神经节苷脂。节苷脂。 转运转运酶活性酶活性信号转导信号转导附着附着膜蛋白的功能膜蛋白的功能细胞识别细胞识别细胞连接细胞连接膜蛋白的功能膜蛋白的功能 整合整合/内在蛋白（内在蛋白（integral protein）：不同程）：不同程度

6、镶嵌在脂双层的内部，紧密结合。度镶嵌在脂双层的内部，紧密结合。周边周边/外在蛋白外在蛋白（peripheral protein）：附着：附着在膜内外表面，疏松结合。在膜内外表面，疏松结合。改变溶液的改变溶液的pHpH值或盐离子浓度都可使周边蛋白值或盐离子浓度都可使周边蛋白从膜上脱落。从膜上脱落。去污剂破坏膜结构后，才可使整合蛋白脱落。去污剂破坏膜结构后，才可使整合蛋白脱落。* CMC【医】临界胶团浓度pH or salt去垢剂去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小是一端亲水、另一端疏水的两性小分子分子, ,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂离子型去垢剂(SD

7、S)(SDS)和非离子型去垢剂和非离子型去垢剂（Triton X-100Triton X-100） SDS: CHSDS: CH3 3-(CH-(CH2 2) )1111-OSO-OSO3 3-Na-Na+ + CHCH3 3 CHCH3 3 CHCH3 3 C C CH CH2 2 C C (O-CH (O-CH2 2-CH-CH2 2) )1010- OH- OH CHCH3 3 CHCH3 3外在外在( (外周外周) )膜蛋白膜蛋白 (extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表 面的蛋白质分子或脂分子极性头部

8、非共价结合， 易分离。 内在（整合）膜蛋白内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密， 需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 脂质锚定蛋白脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。基本类型基本类型膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带 负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。 某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价

9、结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。非锚定连接的细胞粘连分子及其作用部位非锚定连接的细胞粘连分子及其作用部位（深色）（深色）1.1.单次穿膜：单次穿膜：整合蛋白整合蛋白2.2.多次穿膜：多次穿膜：3.3.非穿越性共非穿越性共价结合：价结合：4.4.与磷脂酰与磷脂酰肌醇结合：肌醇结合：a-a-螺旋单次贯穿脂质双层。螺旋单次贯穿脂质双层。a-a-螺旋多次折返穿越脂质双层。螺旋多次折返穿越脂质双层。跨膜蛋白跨膜蛋白不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。脂质的烃链结合。镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖

10、链与磷脂酰镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面的单层）共价结合。肌醇（在非胞质面的单层）共价结合。5.6.5.6.周边蛋白周边蛋白： 附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。蛋白上。膜糖类膜糖类糖蛋白：糖蛋白：糖糖 脂：脂：与膜蛋白共价结合与膜蛋白共价结合与膜脂共价结合与膜脂共价结合糖蛋白和糖脂上的糖残基糖蛋白和糖脂上的糖残基vD-D-半乳糖半乳糖vD-D-甘露糖甘露糖vL-L-岩藻糖岩藻糖vN-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺vN-N-乙酰半乳糖乙酰半乳糖v唾液酸（糖链末端，形成细胞表唾液酸（糖链末端，形成细胞表面负电荷）面负电荷）糖链与蛋白质

11、的结合方式糖链与蛋白质的结合方式N-连接：糖链与多肽链中连接：糖链与多肽链中的天冬氨酸残基侧链上的的天冬氨酸残基侧链上的 -NH2基团连接基团连接O-连接：糖链与多肽链连接：糖链与多肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基中的丝氨酸或苏氨酸残基侧链上的侧链上的-OH基团连接基团连接细胞外被细胞外被(cell coat)(cell coat)又称糖萼又称糖萼(glycocalyx)(glycocalyx)结构组成： 指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，实际指细胞表面与质膜中的蛋白或脂类分子共价结合的寡糖链。功能： 不仅对膜蛋白起保护作用,而且在细胞识别中起重要作用。 动物细胞表面存在动物细胞表面存在一层绒毛

12、状多糖物一层绒毛状多糖物质，厚约质，厚约200nm ，由细胞膜糖蛋白和由细胞膜糖蛋白和糖脂的糖链向外伸糖脂的糖链向外伸展交织而成。对细展交织而成。对细胞起胞起支持支持、保护保护作作用，并与细胞用，并与细胞识别识别、细胞细胞接触抑制接触抑制有关。有关。膀胱上皮细胞表面的糖被，钌红染色的电镜超薄切片膀胱上皮细胞表面的糖被，钌红染色的电镜超薄切片膜糖类的功能膜糖类的功能膜糖链通过不同的残基组成，不膜糖链通过不同的残基组成，不同的残基组合方式以及与蛋白质同的残基组合方式以及与蛋白质或脂质结合的不同方式，来构成或脂质结合的不同方式，来构成某种细胞表面某种细胞表面特征特征或识别细胞表或识别细胞表面的某一特

13、征。面的某一特征。不同糖链决定不同血型特征不同糖链决定不同血型特征第二节膜的分子结构模型膜的分子结构模型片层结构模型片层结构模型(lamellar structure model)(lamellar structure model) 1935年提出，年提出，首次将膜的分子结构与所观察的理首次将膜的分子结构与所观察的理化性质联系起来。化性质联系起来。单位膜模型单位膜模型（unit membrane modelunit membrane model）50年代末，年代末，J.D.Robertson 提出提出单位膜模型的不足单位膜模型的不足v把膜结构描写成静止不变的；把膜结构描写成静止不变的；v无法解

14、释膜的功能活动；无法解释膜的功能活动；v各种膜有各自的特定厚度，并不都是各种膜有各自的特定厚度，并不都是7.5nm；v蛋白质提取的难易程度不同；蛋白质提取的难易程度不同；v各种膜的蛋白质和脂类的比率不同。各种膜的蛋白质和脂类的比率不同。液态镶嵌模型液态镶嵌模型（fluid mosaic modelfluid mosaic model）1972年，年，S.J.Singer和和G.L. Nicolson提出（获诺贝尔奖）提出（获诺贝尔奖）液态镶嵌模型的中心主张液态镶嵌模型的中心主张v生物膜是由流动的脂质双分子层生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体；构成膜的连续主体；v球形的膜蛋白以各种形式

15、镶嵌在球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中，分布不对称；脂质双分子层中，分布不对称；v膜的结构处于流动变化之中，膜膜的结构处于流动变化之中，膜蛋白和膜脂具有流动性。蛋白和膜脂具有流动性。液态镶嵌模型的不足液态镶嵌模型的不足v不能说明膜在变化过程中如何保持不能说明膜在变化过程中如何保持膜的完整性和稳定性；膜的完整性和稳定性；v忽略了蛋白质对脂质分子流动性的忽略了蛋白质对脂质分子流动性的控制作用；控制作用；v忽略了膜各部分流动性的不均匀性。忽略了膜各部分流动性的不均匀性。晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型v用膜脂可逆地进行无序（液态）和有用膜脂可逆地进行无序（液态）和有序（晶态）的相变来解释生物膜的流

16、序（晶态）的相变来解释生物膜的流动性；动性；v膜镶嵌蛋白对脂类分子的运动具控制膜镶嵌蛋白对脂类分子的运动具控制作用，镶嵌蛋白和它周围的脂类分子作用，镶嵌蛋白和它周围的脂类分子形成晶格状态；形成晶格状态；v流动的脂质呈小片、点状分布，所以流动的脂质呈小片、点状分布，所以脂质的流动是局部的，并非整个脂双脂质的流动是局部的，并非整个脂双层都在流动。层都在流动。1977年，年，Jain和和White提出。提出。生物膜是由具有不同流动性的板生物膜是由具有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。块镶嵌而成的动态结构。板块镶嵌模型板块镶嵌模型1988年，年，Simons提出提出生物膜生物膜 脂笩脂笩直径直径10

17、0nm600个蛋白个蛋白脂筏模型脂筏模型第三节 膜的特性一、生物膜的流动性二、生物膜的不对称性一、生物膜的流动性一、生物膜的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性（fluidityfluidity）膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性（mobilitymobility）（一）膜脂的流动性（一）膜脂的流动性晶态晶态液态液态相变相变相变温度相变温度液晶态液晶态构成生物膜的各种膜脂分子的相变温度不构成生物膜的各种膜脂分子的相变温度不相同，使得某一温度下，有的脂质呈液态，相同，使得某一温度下，有的脂质呈液态，有的脂质是晶态，不同状态的脂质各自汇有的脂质是晶态，不同状态的脂质各自汇集而发生相分离，形成膜脂的流动。集而发

18、生相分离，形成膜脂的流动。v 侧向扩散侧向扩散 (lateral diffusion) v 旋转运动旋转运动 (rotation) v 弯曲运动弯曲运动 (flexion) v 翻转运动翻转运动 (flip-flop) 膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式（二）膜蛋白的流动性（二）膜蛋白的流动性v旋转运动旋转运动v侧向运动侧向运动内在蛋白与膜脂结合内在蛋白与膜脂结合内在蛋白与骨架作用内在蛋白与骨架作用 （三）影响膜脂流动性的因素（三）影响膜脂流动性的因素v脂肪酸链的饱和程度和长度脂肪酸链的饱和程度和长度v胆固醇的影响胆固醇的影响v卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂的比例鞘磷脂的比例v蛋白质的影响蛋白质的影响 （四）膜流动性的意义（四）膜流动性的意义v物质运输物质运输v酶的活性酶的活性v细胞信息传递细胞信息传递v细胞周期细胞周期v细胞分化细胞分化（一）膜脂的不对称性（一）膜脂的不对称性二、生物膜的不对称性二、生物膜的不对称性磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇鞘磷脂磷脂酰胆碱