细胞生物学：2013细胞膜1

1、第四章第四章 细胞膜细胞膜DNAmRNArRNAtRNA核糖体核糖体mRNAmRNAtRNAtRNA多聚核糖体 氨酰tRNAtRNA合成蛋白质留细胞内转运小泡分泌泡出胞内体性溶酶体吞噬体吞饮体吞噬性溶酶体营养物残余小体出胞线粒体供能外来物质细胞骨架氨基酸氨基酸入胞细胞概念的一些新思考细胞概念的一些新思考细胞是多层次非线性的复杂结构体系。细胞是多层次非线性的复杂结构体系。细胞是物质、能量与信息过程精巧结合的综合体。细胞是物质、能量与信息过程精巧结合的综合体。 细胞完成各种化学反应细胞完成各种化学反应 细胞需要和利用能量细胞需要和利用能量 细胞参与大量机械活动细胞参与大量机械活动 细胞对刺激作出反

2、应细胞对刺激作出反应细胞是高度有序，具有自组装能力与自组织体系。细胞是高度有序，具有自组装能力与自组织体系。 细胞能进行自我调控细胞能进行自我调控 繁殖和传留后代繁殖和传留后代平面与立体结构与功能静态与动态比较与综合怎样学习细胞生物学？四个结合真核细胞的结构模型真核细胞的结构模型 真核真核细胞区域化细胞区域化 代谢有序性和自控性代谢有序性和自控性 细胞核细胞核-细胞生命活动的细胞生命活动的 控制中心控制中心 内质网内质网-蛋白质、脂类和蛋白质、脂类和 糖类的糖类的“生产车间生产车间” 高尔基体高尔基体-生物大分子加工、生物大分子加工、 包装的包装的“加工车间加工车间” 线粒体和叶绿体线粒体和叶

3、绿体-产能产能 的的“动力动力 车间车间” 核糖体核糖体-蛋白质生产的机器蛋白质生产的机器 溶酶体溶酶体- -“回收车间回收车间”和和 “保卫处保卫处” 细胞骨架系统细胞骨架系统-支架、运输、运动支架、运输、运动 膜流膜流-生产生产“流水线流水线”和和“传送带传送带” v膜相结构（膜相结构（membranous structure） 细胞膜细胞膜 细胞核细胞核 线粒体线粒体 高尔基复合体高尔基复合体 内质网内质网 溶酶体溶酶体 过氧化物酶体过氧化物酶体 转运小泡转运小泡膜相结构的膜统称生物膜膜相结构的膜统称生物膜（biological membrane）v非膜相结构非膜相结构（non-memb

4、ranous structure） 核糖体核糖体 中心体中心体 染色质染色质 核仁核仁 微管微管 微丝微丝 中间纤维中间纤维 细胞基质细胞基质 核基质核基质细胞膜细胞膜 (Cell Membrane) (Cell Membrane) 又称又称质膜质膜 (plasma membrane)(plasma membrane) 细胞膜的重要性细胞膜的重要性 细胞膜的重要性细胞膜的重要性v是细胞的是细胞的边界边界，使细胞具有，使细胞具有独立独立性；性；v有有选择通透性选择通透性，使细胞获得相对稳定的内，使细胞获得相对稳定的内环境；环境；v为多种酶提供为多种酶提供结合位点结合位点，使，使酶促酶促反应高效反

5、应高效有序进行；有序进行；v与外界环境进行与外界环境进行信息信息交流交流，接受外界信号，接受外界信号的调控，使细胞更适应环境变化；的调控，使细胞更适应环境变化；v介导细胞之间、细胞与外基质之间的介导细胞之间、细胞与外基质之间的连接连接；v形成有不同功能的细胞形成有不同功能的细胞表面特化表面特化结构结构。 第一节第一节 化学组成与生物学特性化学组成与生物学特性第二节第二节 小分子物质和离子的穿膜运输小分子物质和离子的穿膜运输第三节第三节 大分子和颗粒物质的囊泡运输大分子和颗粒物质的囊泡运输第四节第四节 细胞表面特化结构细胞表面特化结构第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病内内 容容学习目

6、的和要求学习目的和要求1.1.掌握掌握细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成, ,生物学特性。生物学特性。2.2.掌握掌握小分子物质穿膜运输方式及特点，大分小分子物质穿膜运输方式及特点，大分子和颗粒物质运输的胞吞与胞吐作用，受体子和颗粒物质运输的胞吞与胞吐作用，受体介导的胞吞作用介导的胞吞作用。3.3.熟悉熟悉细胞膜的分子结构模型细胞膜的分子结构模型, ,细胞表面的特化细胞表面的特化结构，细胞膜异常与某些疾病发生的关系。结构，细胞膜异常与某些疾病发生的关系。第一节第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的化学组成与生物学特性 一、化学组成一、化学组成 二、生物学特性二、生物学特性 脂类脂类 蛋白质

7、蛋白质 糖类糖类 膜的不对称性膜的不对称性 膜的流动性膜的流动性三、分子结构模型三、分子结构模型一、质膜的化学组成一、质膜的化学组成膜脂膜脂75%-25% ，构成膜的结构骨架和起，构成膜的结构骨架和起保护作用。保护作用。 25%-75% ，生物膜功能的体现者。，生物膜功能的体现者。膜蛋白膜蛋白膜膜糖类糖类2%-10%，与细胞的识别和粘附功能与细胞的识别和粘附功能相关。相关。不同细胞生物膜的化学组成不同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(%)(%)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

8、-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（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架 主要有三种类型：主要有三种类型： 磷磷 脂（脂（phospholipidphospholipid） 胆固醇（胆固醇（cholesterolcholesterol） 糖糖 脂脂 (glycolipid) (glycolipid) 三种类型的膜脂磷脂磷脂糖脂糖脂胆固醇胆固醇磷脂磷脂甘油磷脂：甘油磷脂：鞘磷脂：鞘磷脂：磷脂酰胆碱（卵）磷脂酰胆碱（卵）磷脂酰乙醇胺（腦）磷脂酰乙醇胺（腦）磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇磷

9、脂酰肌醇磷脂酰磷脂酰碱基碱基、甘油甘油、脂肪酸、脂肪酸磷脂酰碱基、磷脂酰碱基、鞘氨醇鞘氨醇、脂肪酸、脂肪酸1.1.磷脂磷脂 分子中都含有分子中都含有磷酸磷酸基团，约占膜基团，约占膜脂的脂的50%50%以上。以上。甘油磷脂的化学结构甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘甘油磷脂以甘油为骨架，甘油为骨架，甘油分子的油分子的1 1、2 2位羟基分别与位羟基分别与脂肪酸形成酯脂肪酸形成酯键，键，3 3位羟基位羟基与磷酸形成酯与磷酸形成酯键。键。 甘油磷脂的化学结构甘油磷脂的化学结构 磷酸基团磷酸基团可分别与可分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇肌醇结合，形成亲水的头部。两条长短不一的结合，形

10、成亲水的头部。两条长短不一的脂脂肪酸链肪酸链构成疏水的尾部，通常为构成疏水的尾部，通常为14-24个碳原子个碳原子组成，一条烃链不含双键（饱和链），另一烃链组成，一条烃链不含双键（饱和链），另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键（不饱和链），含有一个或几个顺式排列的双键（不饱和链），形成一个约形成一个约30角的弯曲。角的弯曲。鞘磷脂鞘磷脂的化学结构的化学结构极性头部基团（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）鞘磷脂以鞘磷脂以鞘氨醇鞘氨醇代替甘油为骨架代替甘油为骨架, ,长链的不饱和脂肪长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆酸结合在鞘氨醇的氨

11、基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。头部、水分子或膜蛋白形成氢键。非极性尾部基团（疏水）非极性尾部基团（疏水）质膜中的主要磷脂分子结构质膜中的主要磷脂分子结构 兼性分子：两亲性分子兼性分子：两亲性分子极性头部：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2. 2. 胆固醇胆固醇 分布：分布：胆固醇散胆固醇散布在磷脂布在磷脂分子之间分子之间 胆固醇分子化学结构胆固醇分子化学结构羟基（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

12、性） 结构：结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为 固醇环和烃链。固醇环和烃链。定位：定位：分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的 极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链极性头部，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脂双层的中央。上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。 功能：功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。调节膜的流动性，增强膜的稳定性。3. 3. 糖脂糖脂 糖脂由脂类糖脂由脂类和寡糖构成和寡糖构成 ，动物细胞膜，动物细胞膜的糖脂几乎都的糖脂几乎都是鞘氨醇的

13、衍是鞘氨醇的衍生物，结构似生物，结构似鞘磷脂，称为鞘磷脂，称为鞘糖脂鞘糖脂 。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，就是不同的神色胺等的受体，就是不同的神经节苷脂。经节苷脂。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（micellemicelle） 形成双分子层（形成双分子层（bilayerbilayer）脂质体的类型 (a)(a)水溶液中的磷

14、脂分子团；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（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合（二）膜蛋白以多种方式与脂双

15、分子层结合 细胞膜的不同特性和功能是由膜细胞膜的不同特性和功能是由膜蛋白决定。蛋白决定。 不同细胞中膜蛋白的含量及类型有不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，很大差异，膜的功能越复杂膜的功能越复杂, , 蛋白质蛋白质含量越多。含量越多。 根据膜蛋白与脂双层结合的方式可根据膜蛋白与脂双层结合的方式可分为三种基本类型：分为三种基本类型： 内在蛋白（内在蛋白（intrinsic proteinintrinsic protein） 外在蛋白（外在蛋白（extrinsic proteinextrinsic protein） 脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid anchored lipid anchor

16、ed proteinprotein） 1. 1.膜内在蛋白膜内在蛋白 v 又称穿膜蛋白或整合蛋白又称穿膜蛋白或整合蛋白 v 占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的7070-80-80v 大多数穿膜域都是大多数穿膜域都是-螺旋构象，也有螺旋构象，也有 以以-折叠片层构象穿膜折叠片层构象穿膜v 分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜三分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜三 种类型种类型-螺旋构象穿膜蛋白螺旋构象穿膜蛋白-折叠构象穿膜蛋白折叠构象穿膜蛋白 2.2.膜外在蛋白膜外在蛋白v又称周边蛋白（又称周边蛋白（peripheral proteinperipheral protein）v占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的20

17、%-30%20%-30%v是一类不插入脂双层的蛋白质，分布是一类不插入脂双层的蛋白质，分布在质膜的两侧在质膜的两侧v动态关系，根据功能的需要募集到膜动态关系，根据功能的需要募集到膜上或从膜上释放。上或从膜上释放。膜外在蛋白膜外在蛋白3.3.脂锚定蛋白脂锚定蛋白 v又称脂连接蛋白（又称脂连接蛋白（lipid-linked proteinlipid-linked protein）v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胞质侧的蛋白胞质侧的蛋白 与磷脂酰肌醇相连的与磷脂酰肌醇相连的寡糖链寡糖链结合结合共价键共价键质膜外表面的蛋白质膜外表面的蛋白与脂双层中的与脂双层中的碳氢链碳氢链结

18、合结合 共价键共价键胞质侧的蛋白胞质侧的蛋白 糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI ）膜蛋白在膜中的几种结合方式膜蛋白在膜中的几种结合方式？ 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生物膜的特定功能主要由蛋白质完成生物膜的特定功能主要由蛋白质完成 载体蛋白载体蛋白胞内外的物质运输胞内外的物质运输 连接蛋白连接蛋白细胞间的相互作用细胞间的相互作用 受体蛋白受体蛋白信号转导信号转导 各种酶类各种酶类相关的代谢反应相关的代谢反应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。用去垢剂使膜

19、崩解后用去垢剂使膜崩解后才可使整合蛋白脱落。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(SDS)(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-

20、CH2 2-CH-CH2 2) )1010- OH- OH CHCH3 3 CHCH3 3糖蛋白：糖蛋白：糖糖 脂：脂：糖类糖类（低聚糖或多聚糖低聚糖或多聚糖 ）与与膜膜蛋白蛋白共价结合共价结合糖类糖类（低聚糖）低聚糖）与与膜脂膜脂共价结合共价结合（三）膜糖类覆盖细胞膜表面（三）膜糖类覆盖细胞膜表面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）糖链与蛋白质的结合方式糖链与蛋白质的结合方式N-连接

21、：连接：糖链与多肽链中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：连接：糖链与多肽链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： 对膜蛋白起保护作用, 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状多糖物一层绒毛状多糖物质，厚约质，厚约200

22、nm ，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（一）膜的不对称性（一）膜的不对称性 膜的不对称性是指细胞膜中膜的不对称性是指细胞膜中各种成分的分布不均匀，包括种类各种成分的分布不均匀，包括种类和数量上都有很大差异，与细胞膜和数量上都有很大差异，与细胞膜的功能有密切关系。的功能有密切关系。二、膜的特性二、膜的特性1.膜脂的不对称性膜脂的不对称性磷脂酰

23、乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇鞘磷脂磷脂酰胆碱 糖脂胆固醇细胞外侧胞质侧（一）（一）鞘磷脂总磷脂细胞外侧 胞质侧磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸膜脂的不对称分布仅是含量上的差异膜脂的不对称分布仅是含量上的差异2.膜糖类的不对称性膜糖类的不对称性3.膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性v穿膜蛋白穿越脂双层有一定方向性。穿膜蛋白穿越脂双层有一定方向性。v糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。非胞质侧。v膜蛋白在内外两层中分布不对称。膜蛋白在内外两层中分布不对称。膜不对称性的生理意义膜不对称性的生理意义v为膜两侧功能上的不对称性提供为膜两侧功能上的不对称性提供了结构条件，

24、保证了膜功能的方了结构条件，保证了膜功能的方向性。向性。（二）膜的流动性（二）膜的流动性1.1.脂双层为液晶态二维流体脂双层为液晶态二维流体 v由于温度的变化导致膜状态的改变由于温度的变化导致膜状态的改变称为称为“相变相变”（phase phase transitiontransition）。）。v在相变温度以上，膜处于流动的液在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。晶态。 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

25、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) 2. 2.膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式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 3.影响膜脂流动性的因素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

26、响蛋白质的影响 4.膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性v旋转运动旋转运动v侧向运动侧向运动小鼠小鼠- -人细胞融合过程示膜蛋白的侧向运动人细胞融合过程示膜蛋白的侧向运动5.膜流动性的意义膜流动性的意义v物质运输物质运输v酶的活性酶的活性v信号转导信号转导v细胞识别细胞识别三、分子结构模型三、分子结构模型细胞膜研究简史细胞膜研究简史1890年，年， E. Overton 初步明确初步明确细胞膜是由脂类组成。细胞膜是由脂类组成。1925年，年， E.Gorter和和F.Grendel 提出提出红细胞膜是由双层磷脂红细胞膜是由双层磷脂 分子组成。分子组成。1935年，年，J. Danielli 和和 H.

27、 Davson提出提出“片层结构模型片层结构模型”。1959年，年，J. D. Robertson提出提出“单位膜模型单位膜模型”。1972年，年，S.J. Singer和和G. Nicolson提出提出“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。1975年，年，Wallach提出提出“晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型”。1977年，年，Jain和和White 提出提出“板块镶嵌模型板块镶嵌模型”。近年提出近年提出“脂筏模型脂筏模型”。 （一）片层结构模型（一）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

28、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。（二）（二）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 提出提出在电镜下观察生在电镜下观察生物膜，可见膜都物膜，可见膜都呈现三层结构，呈现三层结构，即内外为电子密即内外为电子密度高的暗层，中度高的暗层，中间夹有电子密度间夹有电子密度低的亮层，这种低的亮层，这种“两暗夹一明两暗夹一明”的结构称的结构称单位膜单位膜。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。（三）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型（fluid 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）流动流动镶嵌模型的中心主张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膜中蛋白质分子以不同形式与脂膜中蛋白质分子