细胞膜与物质运输

细胞膜与物质运输第1页/共61页2

细胞膜(cellmemberane)是细胞质和外界相隔的一层薄膜，又称质膜(plasmam.)

。

在生命进化过程中细胞膜的形成是关键的一步，因为没有细胞膜，细胞形式的生命就不能存在。细胞膜围在每个细胞的外面，使细胞内外环境之间保持必要的差别。细胞膜不是被动的屏障，它是有高度选择性的半透膜，能进行主动运输，在细胞内外形成不同的离子浓度。细胞膜还是接受外界信号的传感器，使细胞能对环境变化产生适当的反应。

第2页/共61页3生物膜细胞膜细胞内膜：除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。

细胞内膜系统(cellendomembranesystem)：细胞质内在形态结构、功能和发生上具有相互联系的膜相结构的总称，包括核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体以及细胞质内各种膜性小泡。

细胞膜功能：维持细胞形态、界膜、内环境稳定、物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。(Biomembrane)第3页/共61页4§1细胞膜的分子结构和特性

MolecularStructureandProperties

of

CellMembrane膜的化学组成膜的分子结构膜的理化特性第4页/共61页5

脂和蛋白质是膜的主要成分，还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物)的不同而不同。一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占1％～10%。一、膜的化学组成第5页/共61页6细胞膜的化学组成主要是脂类、蛋白质和糖类.第6页/共61页7不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比(%)膜蛋白质脂碳水化合物质膜红细胞49438神经鞘18793肝细胞543610核膜66322高尔基体642610内质网622710线粒体外膜5545痕量内膜76240

第7页/共61页8(一)膜脂

生物膜上的脂类统称膜脂(Membranelipid)

。膜脂以磷脂和胆固醇为主，并含糖脂。膜脂磷脂：膜的主要成份糖脂胆固醇第8页/共61页91.磷脂磷脂磷酸甘油酯鞘磷脂(SM)X极性头部基团（亲水）非极性尾部基团(疏水)磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸鞘胺醇磷脂酰肌醇(IP)PEPSSM兼性分子PC第9页/共61页102.胆固醇极性头部平面甾环结构非极性尾部第10页/共61页11CHOLESTEROLCH3OHC8H17ABCDHYDROPHOBICREGIONHYDROPHILICREGION第11页/共61页123.糖脂(GL)鞘胺醇鞘胺醇糖脂分子半乳糖苷脂

糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。第12页/共61页13表5-2某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数)脂人的红细胞人的髓鞘牛心脏线粒体E.coli磷脂酸(PA)1.50.500磷脂酰胆碱(PC)1910390磷脂酰乙醇胺(PE)18202765磷脂酰甘油(PG)00018磷脂酰丝氨酸(PS)8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600胆固醇222630第13页/共61页14表5-3某些膜脂的功能脂存在的膜功能磷脂酰胆碱存在于大多数膜中形成脂双层磷脂酰乙醇胺存在于大多数膜中起界膜的作用，防止水磷脂酰丝氨酸存在于大多数膜中溶性物质的自由扩散心磷脂线粒体内膜激活染色体磷脂酰肌醇存在于大多数膜作为三磷酸肌醇供体鞘磷脂多数哺乳动物细胞，特别是神经细胞屏障作用，激活某些酶糖脂叶绿体类囊体的膜的主要脂类屏障作用胆固醇大多数动物细胞膜调节膜的流动性第14页/共61页15水水水磷脂分子团磷脂双层磷脂脂质体脂类分子是兼性分子，在水溶液中能自动形成双分子层结构。当兼性分子被水环境包围时，它们就聚集起来，使疏水的尾部埋藏在里面，亲水的头部露在外面，与水接触。可能存在有两种形式，形成球状的分子团(micelle)，或把尾部包在里面；形成双分子层(bilayer)，把疏水的尾部夹在头部的中间。第15页/共61页16Liposome第16页/共61页17(二)膜蛋白在不同细胞中膜蛋白(membraneproteins)的含量及类型有很大差异。第17页/共61页18依在膜上存在方式不同可分为两大类(五小类)。膜蛋白：生物膜所含的蛋白质。膜蛋白外周蛋白(周围蛋白)：镶嵌蛋白(整合蛋白)：多附在膜的内外表面，为水溶的，非共价地结合在镶嵌蛋白上。不同程度镶嵌在脂双层的内部，也称膜内在蛋白。有的跨越膜双层，也称做跨膜蛋白(transmembraneprotein)。1.膜蛋白的类型第18页/共61页191.单次穿膜：单条α-螺旋贯穿脂质双层。脂质双层非胞质面胞质面123452.多次穿膜：数条α-螺旋几次折返穿越脂质双层。3.非穿越性共价结合：不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。4.与磷脂酰肌醇结合：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。镶嵌蛋白5.外周蛋白：附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。跨膜蛋白人红细胞血影第19页/共61页20Integralmembraneproteins:1,2,3,and4Peripheralmembraneproteins:5and6第20页/共61页21

膜周边蛋白(外在蛋白)不直接与脂双层疏水部分相互连接，它们常常通过内在蛋白间接与膜连接，或直接与脂类分子极性头部结合，例如血影蛋白(spectrin,

)、锚定蛋白(ankyrin)和细胞骨架蛋白结合于红细胞的细胞膜的内表面，而糖被的一些蛋白结合于外表面。大多数膜周边蛋白溶解于水，通过离子键或弱键与特定的膜内在蛋白相结合。用高浓度盐溶液或某些化学物质可以将许多周边蛋白从膜上除去，高盐溶液可以破坏离子键。多数膜周边蛋白不用去垢剂溶解，它们不与膜的疏水部分直接连接。膜周边蛋白一般约占膜蛋白的20％～30％，而红细胞膜中占50％左右。第21页/共61页222.膜蛋白的功能维持细胞的形态（机械支持）物质运输能量转换信息传递免疫癌变第22页/共61页23表5-4某些膜蛋白及其功能功能蛋白示例作用方式运输蛋白Na＋泵主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞连接蛋白整合素将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连受体蛋白血小板生长因子(PDGF)受体同细胞外的PDGF结合、在细胞质内产生信号，引起细胞的生长与分裂酶腺苷酸环化酶在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生

第23页/共61页24膜中含有的糖类称为膜糖类或膜碳水化合物。膜糖类糖类+膜脂共价键糖脂糖类+膜蛋白糖蛋白N-连接；O-连接共价键细胞内(三)膜糖类(membranecarbohydrates)脂双层膜蛋白细胞被(糖萼)：细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞衣或糖萼。细胞被糖蛋白功能：与细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。第24页/共61页25glycoprotein第25页/共61页26血型抗原(膜糖类)第26页/共61页27二、细胞膜的分子结构

MolecularStructureoftheCellMembrane

1890年E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞，提出了脂肪栅的膜结构设想。1925年E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。上世纪以来对于膜的分子结构问题进行了很多研究，并提出各种膜分子结构模型。第27页/共61页28细胞的表面张力显著低于油-水界面的表面张力，因此，细胞膜不可能是单纯由脂类构成的，推想细胞膜除脂类外，可能还吸附有蛋白质。(一)片层结构模型蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板式结构。1935年提出片层结构模型(lamellastructuremodel)。模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，分子的疏水脂肪酸链在膜的内部彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。第28页/共61页29Pr-磷脂-Pr，电镜下：暗-亮-暗“两暗一明”蛋白质：单层肽链——折叠结构脂双层细胞膜细胞质(二)单位膜模型(unitmembranemodel)

20世纪50年代电镜下发现膜都呈三层式结构，内外两侧为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线，把这种两暗一明的结构称为单位膜。把膜的结构和电镜图像联系起来，但忽略了动态结构变化。第29页/共61页30(三)液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)

1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。

2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。总之：生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的液态体。脂质双分子层极性头部疏水尾部镶嵌蛋白外周蛋白晶格镶嵌模型（1975）板块镶嵌模型（1977）第30页/共61页31FluidmosaicmodelHydrophobicenvironmentOHOHOHOHOUTSIDEINSIDE第31页/共61页32晶格镶嵌模型(1975)认为镶嵌蛋白和其周围的类脂分子形成膜中晶态部分，而具有流动性的类脂呈小片的点状分布。因此类脂的流动性是局部的，并非整个类脂双分子层都在流动。1977年提出了板块镶嵌模型，认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的类脂板块(有序结构的板块)，在这些有序结构的板块之间被流动的类脂区(无序结构的板块)分开。因而生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。

第32页/共61页33(四)脂筏模型(lipidraftsmodel)

1.最近发现，膜各部分脂质分布不是均匀的，膜中有富含胆固醇和鞘磷脂的微区(mocrodomain)，其中聚集一些特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且缺少流动，称为脂筏(lipidrafts)。

2.脂筏直径约70-100nm，其上载有数百个蛋白质分子。细胞膜上的脂筏与小窝蛋白(caveolin-1)结合后内陷形成小窝(caveolae)，参与胞吞过程及信号转导等。第33页/共61页34第34页/共61页35第35页/共61页36PlasmamembranePhospholipidPolarheadNonpolartailsHydrophobicenvironment第36页/共61页37PlasmamembranePhospholipid(75%)HydrophobicenvironmentOUTSIDEINSIDE第37页/共61页38PlasmamembranePhospholipid(75%)HydrophobicenvironmentOHOHOHOHCholesterol(20%)OUTSIDEINSIDE第38页/共61页39PlasmamembranePhospholipid(75%)HydrophobicenvironmentOHOHOHOHCholesterol(20%)Glycolipids(5%)OUTSIDEINSIDE第39页/共61页40PlasmamembranePhospholipid(75%)IntegralproteinHydrophobicenvironmentOHOHOHOHPeripheralproteinCholesterol(20%)Glycolipids(5%)OUTSIDEINSIDE第40页/共61页41三、细胞膜的理化特性

(propertiesofcellmembranes)(一)细胞膜的不对称性膜的内外两层在结构和功能上有很大的差异,称膜的不对称性(asymmetry)

。第41页/共61页421.脂质双分子层的不对称性(1)脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。

非胞质侧：头部含有胆碱的磷脂分子（磷脂酰胆碱和鞘磷脂）。

胞质侧：末端含有氨基的磷脂分子（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）。(2)糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂质分子中。第42页/共61页43MembraneasymmetryTheinnerandouterleafletsofthemembranehavedifferentcompositionsoflipidsandproteins第43页/共61页442.膜蛋白分布的不对称性(1)跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。(2)糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。(3)膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。

膜分子结构的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性。冷冻蚀刻第44页/共61页45冰冻蚀刻复型技术第45页/共61页46液态氟利昂液氮样品台钟罩低温刀样品刀缘蚀刻用金属和碳喷镀，消化样品收集复型膜于载网上置电镜下观察断裂升华快速冷冻低温断裂断裂示意图蚀刻复型第46页/共61页47膜蛋白的不对称性

冰冻蚀刻复型术得到膜的两个剖面，可见膜蛋白颗粒的分布是非随机的。freezeetchingreplica第47页/共61页48两相邻细胞质膜冷冻复型断裂面电镜图PF：示细胞质膜内叶层的外面（蛋白颗粒多）EF：示细胞质膜外叶层的内面（蛋白颗粒少）第48页/共61页49(二)细胞膜的流动性(mobility)1.膜脂的流动性(1)侧向扩散(2)膜脂分子旋转(3)摆动(4)翻转运动(脂肪酸链的伸缩运动，链的旋转异构运动)第49页/共61页50侧向扩散旋转翻转弯曲／摆动fluidity第50页/共61页51影响膜脂流动性的因素(1)脂肪酸链的饱和程度。(2)脂肪酸链的长度。(3)胆固醇的影响。(4)卵磷脂/鞘磷脂（黏度大）的比例。

膜脂功能：①构成膜的支架；②膜上很多酶活性依赖膜脂存在。(5)其它因素(遗传、理化、药物、pH等)。第51页/共61页522.膜蛋白的流动性侧向扩散旋转扩散光致漂白荧光恢复法(Fluorescencephotobleachingrecover,FPR)第52页/共61页小鼠细胞标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B抗人膜蛋白抗体+荧光素A标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）人细胞孵育(37℃,40分)诱导融合膜蛋白(抗原）细胞融合实验第53页/共61页54

细胞融合(cellfusion)使指两个或两个以上细胞合并形成一个细胞的过程。

自然融合

人工融合

融合剂

异核体(hetrokaryon)

杂种细胞(hybridcell)

单克隆抗体第54页/共61页55四、细胞膜的功能提供稳定的内环境物质运输信号转导酶促反应(酶结合点)细胞连接细胞表面特化结构第55页/共61页56小结1．细胞膜的化学组成成分：2．细胞膜的分子结构：3．细胞膜的理化特性4．细胞膜的分子结构模型：第56页/共61页57作业与思考题1．生物膜主要是由哪些分子组成的？它们在膜结构中各起什么作用?2．以红细胞血影为例,说明膜蛋白有哪些类型？各有何功能？3．比较说明单位膜模型及液态镶嵌模型有何不同特点？并给予评价。4．举例说明膜的不对称性和流动性。5、名词解释:ce