2022年医学专题-第4章细胞膜

第四章细胞(xìbāo)质膜与细胞(xìbāo)表面第一节细胞膜的结构(jiégòu)模型第二节细胞膜的分子结构(fēnzǐjiéɡòu)

第一页，共八十四页。主要(zhǔyào)知识点1．掌握细胞膜、生物膜的概念。细胞膜的液态镶嵌模型(móxíng)的要点。2．掌握细胞膜的生物学功能、特性。影响膜流动性的因素。3．了解膜出现的意义及在细胞生命活动的重要性。第二页，共八十四页。细胞质膜模式图

第三页，共八十四页。质膜是细胞(xìbāo)与周围环境以及细胞与细胞之间进行物质交换和信息传递的重要通道(一道可调控的动态屏障)。细胞膜（cellmembrane）：又称质膜（plasmamembrane）是指围绕(wéirào)在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的膜结构。第四页，共八十四页。生物膜（biomembrane）：围绕各种细胞器的膜，称为细胞(xìbāo)内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称生物膜。生物膜是细胞进行(jìnxíng)生命活动的重要结构基础，能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有着密切的关系。第五页，共八十四页。细胞(xìbāo)内主要的胞质膜第六页，共八十四页。细胞(xìbāo)的生物膜结构

第七页，共八十四页。思考题：比较(bǐjiào)质膜、内膜和生物膜在概念上的异同???第八页，共八十四页。第一节细胞膜的结构(jiégòu)模型研究(yánjiū)材料电子显微镜下的红细胞第九页，共八十四页。一、细胞膜结构研究(yánjiū)历史1.E.Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易(róngyì)透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。第十页，共八十四页。2.

E.Gorter&F.Grendel1925推测(tuīcè)细胞膜由双层脂分子组成。第十一页，共八十四页。3.

J.Danielli&H.Davson1935提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型(móxíng)。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。第十二页，共八十四页。plasmamembrane这就是(jiùshì)所谓的“单位膜”模型。4.J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得(huòdé)了清晰的红细胞细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。第十三页，共八十四页。单位膜：各种(ɡèzhǒnɡ)细胞的细胞膜以及各种(ɡèzhǒnɡ)细胞内膜在电镜下都呈“暗-明-暗”的三层式结构：单位膜现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成(gòuchéng)的任何一层膜。蛋白质脂类暗线明线暗线横切面单位(dānwèi)膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。第十四页，共八十四页。认为：构成膜的蛋白质和脂类分子具有(jùyǒu)镶嵌关系，膜蛋白分布的不对称性，而且膜的结构处于流动变化之中。荣获(rónɡhuò)1972年诺贝尔奖！5.S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光技术(jìshù)、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。将免疫学方法(抗原抗体特异结合)与荧光标记技术结合起来研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法。第十五页，共八十四页。冰冻蚀刻原理(yuánlǐ)冰冻蚀刻（freeze-etching）亦称冰冻断裂（freeze-fracture）。标本置于-100˚C的干冰或-196˚C的液氮中，进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华(shēnghuá)，暴露出断面结构，称为蚀刻（etching）。蚀刻后，向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂，再以90度角喷涂一层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。第十六页，共八十四页。流动镶嵌(xiāngqiàn)模型磷脂分子（基本(jīběn)支架）蛋白质分子（贯穿(guànchuān)，嵌插，覆盖）糖蛋白（糖被）第十七页，共八十四页。细胞膜模型的研究(yánjiū)历史第十八页，共八十四页。1、双层脂类分子构成了质膜的基本结构(jiégòu)骨架膜中的脂类分子为双性分子（双亲(shuāngqīn)媒性

）（分为亲水头端和疏水尾端）：头端朝向水相，疏水尾端埋藏在膜的内部——呈双分子层排列，构成了膜的结构骨架。亲水头端疏水尾端亲水头端疏水尾端亲水头端二、质膜流动镶嵌(xiāngqiàn)模型(一)膜的镶嵌性第十九页，共八十四页。2、膜的另一种(yīzhǒnɡ)主要成份是蛋白质蛋白质分子或嵌插在脂双层网架中，或粘附在脂双层表面，根据(gēnjù)在膜上的存在部位，膜蛋白可分为两类：示膜蛋白以不同深度嵌插在脂双层中另一类蛋白质附着于膜的表层，称为膜周边(zhōubiān)蛋白(peripheralprotein)或外在蛋白(extrinsicprotein)。一类蛋白质以不同深度嵌插在脂双层中，称为膜整合蛋白(integralprotein)或膜内在蛋白(intrinsicprotein)。ESEFPSPF第二十页，共八十四页。蛋白与膜的结合(jiéhé)方式

第二十一页，共八十四页。细胞膜中含有一定量的糖类(tánɡlèi),在真核细胞中占细胞膜重量的2%—10%左右。糖蛋白糖脂3、膜糖类(tánɡlèi)第二十二页，共八十四页。二、质膜流动(liúdòng)镶嵌模型(二)膜的流动性质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个(liǎnɡɡè)方面组成。1．膜脂分子(fēnzǐ)的运动侧向旋转摆动伸缩翻转旋转扩散运动运动震荡运动异构第二十三页，共八十四页。图示膜脂的几种主要流动(liúdòng)方式第二十四页，共八十四页。膜脂分子的运动1.侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2.

旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.

摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4.

伸缩震荡：脂肪酸链沿着(yánzhe)纵轴进行伸缩震荡运动。5.

翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。6.

旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。

第二十五页，共八十四页。①脂肪酸链的不饱和程度(chéngdù)

(不饱和脂肪酸越多,流动性越大)影响(yǐngxiǎng)膜脂分子流动性的因素②脂肪酸链的长度(chángdù)

(脂肪酸链短，相变温度低，流动性大)⑤膜蛋白的影响(结合蛋白质，影响其流动性)此外，膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。④卵磷脂/鞘磷脂比值(鞘磷脂含量高，流动性低)③胆固醇/磷脂的比值(胆固醇含量增加，膜脂流动性降低)第二十六页，共八十四页。蛋白质的几种运动(yùndòng)方式

随机移动定向移动局部(júbù)扩散第二十七页，共八十四页。1970年LarryFrye等人将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体(kàngtǐ)标记后，让两种细胞融合。主要(zhǔyào)有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用细胞融合技术检测侧向扩散。第二十八页，共八十四页。利用(lìyòng)细胞融合技术观察蛋白质运动1970年LarryFrye等人将人和鼠的细胞膜用不同(bùtónɡ)荧光抗体标记后，让两种细胞融合。第二十九页，共八十四页。后来有许多实验结果支持(zhīchí)了膜具有流动性的观点。淋巴细胞的成斑和成帽反应成斑反应成帽反应膜的流动性不是质膜所独有的属性，细胞内的各种膜，如内质网膜、线粒体膜等也都具有流动性。第三十页，共八十四页。光脱色(tuōsè)恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP）可以研究膜蛋白也可以研究膜脂的流动性。光脱色(tuōsè)荧光恢复技术检测膜流动性

第三十一页，共八十四页。①周围膜脂的性质和相态：处于晶态脂质之滞流区中的膜蛋白不易运动；处于液态(yètài)脂质区的膜蛋白则易于发生运动。/2011nobel/膜蛋白的运动性的制约(zhìyuē)因素：②质膜相关(xiāngguān)结构的作用：膜蛋白在膜中的运动并不是随脂质随机漂流，它还要受膜相关结构的影响。③细胞骨架的作用：细胞质中的细胞骨架对膜蛋白的运动性具有动态控制作用（微管可固定膜蛋白的位置；而微丝可引起膜蛋白的运动）。在膜蛋白运动方面必然存在着一种跨膜的控制系统!第三十二页，共八十四页。膜流动性的生理(shēnglǐ)意义：质膜的流动性是保证其正常功能(gōngnéng)的必要条件跨膜物质运输细胞(xìbāo)信息传递细胞识别细胞免疫细胞分化激素的作用细胞间通过表面黏附分子形成专一性黏附的相互作用。广义指经特异性细胞（如细胞毒T淋巴细胞）和非特异性细胞（如巨噬细胞、自然杀伤细胞）活性增强的免疫反应；狭义指T细胞介导的免疫。第三十三页，共八十四页。组成(zǔchénɡ)细胞膜的蛋白质和磷脂具有流动性细胞膜具有(jùyǒu)流动性变形虫捕食和运动时伪足(wěizú)的形成

白细胞吞噬细菌第三十四页，共八十四页。二、质膜流动(liúdòng)镶嵌模型(三)质膜的不对称性质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异(chāyì)，称为膜的不对称性。外表面(biǎomiàn)第三十五页，共八十四页。细胞(xìbāo)外小叶原生质小叶(xiǎoyè)第三十六页，共八十四页。在人RBC(红细胞）质膜中，卵磷脂(lecithin)(磷脂(línzhī)酰胆碱)和鞘磷脂(sphingomyelin)存在于脂双层的外单层。脂双分子层的内外(nèiwài)两层是不对称的：而含氨基的脂类（如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸）则主要(zhǔyào)存在于质膜脂双层的内单层。外层内层脂双层磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺第三十七页，共八十四页。脂蛋白在内外(nèiwài)两层是不对称的：红细胞血型(xuèxíng)糖蛋白A在质膜中不对称分布

第三十八页，共八十四页。(三)质膜的不对称性1.膜脂的不对称(duìchèn)质膜的内外两侧分布的磷脂(línzhī)的含量比例不同。2.膜蛋白的不对称性某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：线粒体内膜的细胞(xìbāo)色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。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。膜蛋白分子在细胞膜上具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。第三十九页，共八十四页。(三)质膜的不对称性3.膜糖的不对称(duìchèn)无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞(xìbāo)表面受体，并且与细胞的抗原性有关。磷脂(línzhī)与糖脂分布的不对称性

第四十页，共八十四页。膜糖分布(fēnbù)的不对称性

膜脂、膜蛋白及膜糖分布(fēnbù)的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。人红细胞上的一种含量丰富的穿膜糖蛋白。肽链由131个氨基酸残基组成，肽链被高度O-糖基化，且富含末端唾液酸，Ｎ端携带有MN血型(xuèxíng)抗原。

人类红细胞中的一种分子质量为90kDa的膜蛋白质。可作为阴离子转运和交换的对输载体，并具有碳酸酐酶活性催化二氧化碳生成和二氧化碳运输的作用。第四十一页，共八十四页。②流动性：②流动性：构成膜的蛋白质分子和脂类分子在膜中的位置不断发生变化，脂类分子可发生侧向流动和倒翻等变化，蛋白质分子在膜中的位置亦可发生变动。①镶嵌性：①镶嵌性：膜的基本结构是由脂双分子层镶嵌以蛋白质构成。双层脂分子以疏水尾相对，极性头朝向膜外水相；蛋白质则以不同程度镶嵌在脂双层中。③不对称性：③不对称性：膜两侧的分子性质和结构不同，包括膜蛋白和膜脂在脂双层中的不对称分布。膜的特征(tèzhēng)可归纳为以下几点：第四十二页，共八十四页。生物膜的三大(sāndà)特征1.流动性2.镶嵌(xiāngqiàn)性3.不对称性第四十三页，共八十四页。强调(qiángdiào)膜的流动性、不对称性膜的流动性膜脂的运动(yùndòng)膜蛋白的运动(yùndòng)膜脂的运动种类影响质膜流动的因素光脱色恢复技术细胞融合技术膜流动性的意义膜不对称性：膜各组分分布、功能的差异膜脂、膜蛋白、复合糖在膜两侧分布的差异膜流动镶嵌模型第四十四页，共八十四页。三、质膜的功能(gōngnéng)提供细胞(xìbāo)识别位点为多种酶提供(tígōng)结合位点介导细胞的连接参与形成细胞表面特化结构选择性的物质运输稳定的内环境药物靶标第四十五页，共八十四页。细胞膜的功能(gōngnéng)

第四十六页，共八十四页。

质膜的结构(jiégòu)小结一、质膜结构研究(yánjiū)历史二、流动镶嵌模型三、膜的功能第四十七页，共八十四页。第二节质膜的化学(huàxué)组成第四十八页，共八十四页。各种(ɡèzhǒnɡ)膜所含的蛋白质与脂类的比例大小同膜的功能有关(膜的功能主要由蛋白质承担)：机能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高。——约占膜干重(ɡànzhònɡ)的30—70％——约占膜干重(ɡànzhònɡ)的20—70％细胞膜脂类蛋白质碳水化合物——约膜干重的10％(糖蛋白和糖脂向质膜外表面伸出的寡糖链)细胞膜的化学组成第四十九页，共八十四页。脂质构成(gòuchéng)了膜的结构骨架，约占膜重的50％一、膜脂卵磷脂脑磷脂(cephalin)鞘脂(带有一个氨基)糖脂(结合有寡糖链)膜脂磷脂胆固醇总膜脂的约50%以上第五十页，共八十四页。含磷酸质脂含糖质脂胆固醇Phospholipidsglycolipidscholesterol第五十一页，共八十四页。(一)、磷脂(línzhī)磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上(yǐshàng)。磷脂为双型性分子（amphipathicmolecules）或双亲媒性分子或兼性分子。磷酸甘油脂鞘磷脂第五十二页，共八十四页。脂肪酸链磷脂(línzhī)酰胆碱甘油(ɡānyóu)磷酸(línsuān)乙酰胆碱疏水性的尾部疏水尾部亲水的头部磷脂酰胆碱（卵磷脂）第五十三页，共八十四页。磷脂(línzhī)酰乙醇胺（旧称脑磷脂）

磷脂(línzhī)酰丝氨酸磷脂(línzhī)酰胆碱（旧称卵磷脂

）磷脂酰肌醇第五十四页，共八十四页。磷脂(línzhī)酰乙醇胺的分子结构旧称脑磷脂

第五十五页，共八十四页。磷脂分子的结构特征：

a.一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两个非极性的尾（脂肪酸链）；

b.脂肪酸碳链为偶数；

c.含有(hányǒu)饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。第五十六页，共八十四页。【磷脂(línzhī)的应用】构成生物膜的重要组成成分促进神经传导，提高大脑活力促进脂肪代谢，防止脂肪肝的形成促进体内转甲基代谢的顺利进行降低血清(xuèqīng)胆固醇、改善血液循环、预防心血管疾病第五十七页，共八十四页。（二）糖脂(是含糖而不含磷酸的脂类

)存在于原核(yuánhé)和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子，结构与磷脂相似，由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）和神经节苷脂有关。神经节苷脂本身(běnshēn)还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。第五十八页，共八十四页。糖脂的结构(jiégòu)1、半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸单唾液酸四己糖神经节昔脂GM1第五十九页，共八十四页。（三）胆固醇只存在于真核细胞膜上，含量一般(yībān)不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。它是一种双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。

胆固醇的结构(jiégòu)

第六十页，共八十四页。胆固醇在脂双层中的位置(wèizhi)

胆固醇的分子较其他膜脂要小，双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向(cháoxiànɡ)膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央。第六十一页，共八十四页。（四）脂质体（liposome）是一种人工(réngōng)膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。第六十二页，共八十四页。脂质体第六十三页，共八十四页。脂在水中的行为(xíngwéi)

第六十四页，共八十四页。脂质体的类型(lèixíng)

(a)水溶液中的磷脂分子(fēnzǐ)团；

(b)球形脂质体；

(c)平面脂质体膜；

(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图第六十五页，共八十四页。脂质体的应用(yìngyòng)1、脂质体在基因治疗中的应用(yìngyòng)2、脂质体在制药业中的应用3、研究生物膜的特性第六十六页，共八十四页。1.为双性分子：具有1个极性头部和2条疏水性(shuǐxìng)碳氢尾。绝大多数脂类在水溶液中可自然形成脂双层结构。膜脂分子(fēnzǐ)的特性3.

脂双层的不对称性：组成(zǔchénɡ)两个脂单层的脂分子极为不同4.普遍有糖脂（质膜外表面）：质膜脂双层分子的不对称性还表现在糖脂的不对称性分布上。2.做二维流动（沿膜平面）。外脂单层主要由磷脂酰胆碱和鞘磷脂组成；内脂单层则是由磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺组成第六十七页，共八十四页。膜脂构成(gòuchéng)了膜的基本框架，但膜的许多功能是由膜蛋白来执行的——蛋白质是构成膜的另一种主要成分。二、膜蛋白各种膜因性质(xìngzhì)和功能不同，其膜蛋白的含量有所不同(25％~80％)。运输(yùnshū)蛋白连接蛋白受体蛋白蛋白酶第六十八页，共八十四页。膜蛋白的两种存在形式：整合(zhěnɡhé)蛋白和周边蛋白整合蛋白周边蛋白膜蛋白的存在(cúnzài)形式第六十九页，共八十四页。（一）内在蛋白（integralproteins）内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白（tansmembraneproteins）。膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤(xǐdí)下来，常用SDS和Triton-X100。内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多个α螺旋组成亲水通道；二是由β折叠组成亲水通道。第七十页，共八十四页。α螺旋(luóxuán)和β折叠第七十一页，共八十四页。内在蛋白与脂膜的结合方式(fāngshì)：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。跨膜结构域两端带正电荷的aa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。膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,还有少数蛋白与糖脂共价结合。第七十二页，共八十四页。跨膜蛋白，有的是一次穿膜，有的是多次穿膜，其穿膜部分的肽链大都(dàdōu)以-螺旋构象插在脂双层内部。整合(zhěnɡhé)蛋白的穿膜构象细菌视紫红质也有的跨膜蛋白是以-折叠片构象穿膜，-折叠片多次穿膜，并围成筒状结构(jiégòu)，称为筒(barrel)，例如孔蛋白(porin)的穿膜结构即是如此。一次穿膜多次穿膜脂双层跨膜-螺旋第七十三页，共八十四页。乙酰胆碱受体/structure/proteinstructure6.asp第七十四页，共八十四页。（二）外周蛋白（peripheralprotein）外周蛋白又称为外在蛋白（extrinsicprotein），为水溶性的，分布在细胞膜的表面，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子(lízǐ)强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。第七十五页，共八十四页。外周蛋白(dànbái)

通过(tōngguò)非共价键附着在脂的极性头部

整合(zhěnɡhé)蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合第七十六页，共八十四页。膜蛋白的功能(gōngnéng)有的膜蛋白兼具两种功能(gōngnéng)(1)运输(yùnshū)蛋白(2)受