第六章细胞膜

1、细胞细胞最外层结构是什么？最外层结构是什么？这一结构对细胞与环境的关这一结构对细胞与环境的关系起什么作用？系起什么作用？细胞内外、细胞器内外的分子组成截然不同第三章第三章 细胞膜细胞膜第一节第一节 细胞膜的化学组成和结构细胞膜的化学组成和结构第二节第二节 细胞膜的功能细胞膜的功能光镜下细胞膜：界膜(内外分隔而又沟通)？思考：思考：作为界膜所需要的性质作为界膜所需要的性质电镜下的细胞膜两暗夹一明，总宽度7nm叫作 电影电影细胞膜（细胞膜（cell membrane）质膜（质膜（plasma membrane）生物膜生物膜 (biomembrane) 质膜（质膜（plasma membrane）

2、细胞内膜细胞内膜 （internal membrane）质膜和细胞内膜具有共同的结构和相近的质膜和细胞内膜具有共同的结构和相近的功能，统称生物膜功能，统称生物膜膜两侧奇特的膜两侧奇特的离子分布离子分布钙离子浓度：膜外是膜内的10000倍！ 三种成分各自独特的理化性状，三者巧妙的相互作用一、膜脂一、膜脂二、膜蛋白二、膜蛋白 三、膜糖三、膜糖神经髓鞘膜： 脂脂7575线粒体膜： 蛋白质蛋白质7575一般： 脂脂5050、蛋白、蛋白40405050、 糖糖1 11010流动镶嵌模型流动镶嵌模型 Fluid Mosaic Model 脂质分子排成双层构成生物膜的骨架 蛋白质分子以不同方式镶嵌或联结与脂

3、双层上 膜两侧结构是不对称的 膜脂和膜蛋白具有一定的流动性20世纪世纪70年代提出年代提出(Singer & Nicolson),不断补充和完善不断补充和完善膜糖膜糖膜脂膜脂膜蛋白膜蛋白流动镶嵌模型流动镶嵌模型 Fluid Mosaic Model3. 膜脂的流动性膜脂的流动性1. 膜脂的种类和分子结构膜脂的种类和分子结构membrane lipids2. 膜脂分子的排列特性膜脂分子的排列特性4. 脂双层的不对称性脂双层的不对称性(2)胆固醇（胆固醇（cholesterol）可与磷脂等量可与磷脂等量(3)糖脂糖脂 （glycolipid） 外侧外侧磷脂酰胆碱、磷脂酰胆碱、鞘磷脂鞘磷脂磷

4、脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺、磷脂酰乙醇胺、(1)磷脂（磷脂（phospholipid）含量最高含量最高1. 膜脂的种类和分子结构膜脂的种类和分子结构都是兼性分子-亲水又亲脂亲水又亲脂磷脂（磷脂（磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱）的分子结构）的分子结构磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸鞘磷脂鞘磷脂糖脂的分子结构糖脂的分子结构最简单的糖脂半乳糖脑苷脂最简单的糖脂半乳糖脑苷脂最复杂的糖脂神经节苷脂最复杂的糖脂神经节苷脂(GM1) Lipids that have sugars instead of phosphate as their head groups, eith

5、er as mono- or oligosaccharides - are called glycolipids. Glycolipids are found exclusively in the outward-facing part of the bilayer. In red blood cells, the type of glycolipids present determines which combination of ABO blood groups a person has. Like their chemical cousins, glycolipids can perfo

6、rm structural roles, insulating or protecting the membrane. And they can also function, in concert with membrane proteins, as receptors glycolipids are involved in the insulin pathway, for example. Some of the cells enemies also home in on them. The HIV virus recognizes glycolipids when it locks on

7、to immune cells. The cholera and tetanus toxins also attach to membrane glycolipids. 脂质分子脂质分子在水中的排列在水中的排列脂质分子脂质分子在膜上的排列在膜上的排列-胞外胞外胞内胞内 分子团分子团双分子层双分子层脂质体脂质体兼性分子兼性分子(amphipathic molecule) - 亲水又亲脂亲水又亲脂2. 膜脂分子的排列特性膜脂分子的排列特性磷脂分子在膜上的运动磷脂分子在膜上的运动横向扩散横向扩散翻转翻转旋转旋转尾部摆动尾部摆动Lateral diffusion3. 膜脂的流动性膜脂的流动性 (flu

8、idity)1. 1. 磷脂尾部不饱和磷脂尾部不饱和脂肪酸对膜流动性脂肪酸对膜流动性的影响的影响2. 2. 胆固醇对膜流胆固醇对膜流动性的影响动性的影响不饱和脂肪酸含量愈高不饱和脂肪酸含量愈高, ,膜流动性愈大膜流动性愈大坚硬的甾环结构使坚硬的甾环结构使膜稳定性增加膜稳定性增加animation(1) 两个单层磷脂分布不同 对流动性和带电性的影响(2) 糖脂全部分布于非胞质单层 4. 脂双层的不对称性脂双层的不对称性 (asymmetry of lipid bilayer)胞质面非胞质面头部带氨基头部带氨基的磷脂的磷脂: :糖脂和糖脂和头部带胆碱的磷头部带胆碱的磷脂脂: :membrane p

9、roteins2.膜蛋白的结构膜蛋白的结构1.膜蛋白的种类膜蛋白的种类3.膜蛋白的移动性膜蛋白的移动性物质运输物质运输信息交流信息交流细胞膜对于外界既是屏障又是沟通中介细胞膜的功能细胞膜的功能? ?膜糖膜糖膜脂膜脂膜蛋白膜蛋白12 3 4 5 6 71，2：跨膜蛋白 transmembrane protein根据分离的难易和在膜上的存在方式分为2类：1、外在蛋白 位于膜内外表面，温和盐溶液可洗脱2、 内在蛋白 与脂双层牢固结合，不易分离Glycosylphosphatidylinositol(糖基磷脂酰肌醇糖基磷脂酰肌醇)膜蛋白的结构膜蛋白的结构2. 筒筒 barrel 片层卷成筒状1. 螺旋

10、螺旋 helix膜蛋白也是兼性分子亲水又亲脂膜蛋白也是兼性分子亲水又亲脂 疏水氨基酸疏水段疏水区域疏水氨基酸疏水段疏水区域 (hydrophobic)亲水氨基酸亲水段亲水区域亲水氨基酸亲水段亲水区域 (hydrophilic)螺旋螺旋真核细胞和细菌的跨膜蛋白主要是螺旋结构 疏水脂双层疏水脂双层筒筒限于线粒体和叶绿体外膜的跨膜蛋白疏水脂双层疏水脂双层 Prion diseases -著名的与膜表面糖蛋白有关的疾病著名的与膜表面糖蛋白有关的疾病致病原因：致病原因：PrP变成PrP*PrP： 质膜表面糖蛋白，神经细胞含量特别丰富，功 能不明， 正常情况下偶可改变构象成为PrP* 。PrP*：正常Pr

11、P二维和三维结构改变，折叠错误。易 于聚集， 具有感染性。引起疯牛病的引起疯牛病的异常异常PrPPrP* *蛋白蛋白正常正常PrPPrP蛋白蛋白异常异常PrPPrP* *有有传染性，传染性，使其它正常使其它正常PrPPrP变成异常变成异常PrPPrP* *正常情况下正常情况下偶然发生偶然发生膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性1. 分子在内质网中合成和插入脂双层的方式不对称分子在内质网中合成和插入脂双层的方式不对称 2. 内质网和高尔基体中糖基化不对称内质网和高尔基体中糖基化不对称 -糖加在肽链的非胞质面一端糖加在肽链的非胞质面一端 3. 肽链上半胱氨酸的巯基形式不对称肽链上半胱氨酸的巯基形式不对

12、称 -在胞质面呈还原状态的巯基在胞质面呈还原状态的巯基-SH 在非胞质面呈氧化状态的二硫键在非胞质面呈氧化状态的二硫键S-S NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +NHNH3 3+ +COOCOO- -COOCOO- -COOCOO- -COOCOO- -COOCOO- -COOCOO- -跨膜蛋白的不对称跨膜蛋白的不对称在内质网中肽链插入方向不同在内质网中肽链插入方向不同animation1.运输蛋白 transportors2.黏附分子 adhesive molecules3.受体 receptors4.抗原

13、递呈分子 antigen-presenting molecules5.连接蛋白 junction proteins6.酶 enzymes 膜蛋白的功能膜蛋白的功能膜蛋白的存在方式与功能有关膜蛋白的存在方式与功能有关(1) 膜蛋白是移动的、可扩散的，但不翻转 例子：杂交细胞膜蛋白混合例子：杂交细胞膜蛋白混合(2) 膜蛋白的移动是受限的 例子例子: : 膜蛋白的区域性分布膜蛋白的区域性分布膜蛋白的移动性膜蛋白的移动性 movement光漂白后荧光恢复光漂白后荧光恢复实验（实验（FRAP）movie杂交细胞膜蛋白杂交细胞膜蛋白的混合的混合 分布于膜的非胞质面分布于膜的非胞质面 （细胞的外侧面或细胞器

14、的内腔面）（细胞的外侧面或细胞器的内腔面） 连接于膜蛋白和膜脂连接于膜蛋白和膜脂membrane carbohydrade细胞外衣（细胞外衣（cell coat）-真核细胞表面富含糖类的外围区域真核细胞表面富含糖类的外围区域 与膜蛋白和膜脂相连的膜糖类与膜蛋白和膜脂相连的膜糖类+ + 黏附于膜上的糖蛋白和蛋白聚糖黏附于膜上的糖蛋白和蛋白聚糖（细胞外基质）（细胞外基质） 膜糖类的功能膜糖类的功能 1. 形成细胞外衣形成细胞外衣 - 保护保护 2. 特异的糖基和规则的糖链排列特异的糖基和规则的糖链排列 - 识别识别 细胞膜对于外界 既是屏障又是沟通中介细胞膜的功能细胞膜的功能? ? 一一. . 物

15、质运输物质运输（质膜和内膜共有）（质膜和内膜共有） 二二. . 细胞识别和细胞黏附细胞识别和细胞黏附 三三. . 细胞信号转导细胞信号转导 四四. . 细胞连接和组织构建细胞连接和组织构建对大分子物质对大分子物质（小泡运输）（小泡运输）对小分子物质运输需要膜运输蛋白介导对小分子物质运输需要膜运输蛋白介导需要膜脂双层变化和膜蛋白、需要膜脂双层变化和膜蛋白、膜糖参与膜糖参与 二二. .细胞识别和细胞黏附细胞识别和细胞黏附细胞黏附和迁移细胞黏附和迁移精卵结合精卵结合移植排斥反应移植排斥反应细胞识别和细胞黏附细胞识别和细胞黏附表达不同黏附分子的两种表达不同黏附分子的两种细胞分别黏附在一起细胞分别黏附在

16、一起表达相同黏附分子表达相同黏附分子但表达水平有高低的两种但表达水平有高低的两种细胞分别黏附在一起细胞分别黏附在一起2. 精卵结合精卵结合 精子精子 卵子卵子质膜表面有质膜表面有卵子结合蛋白卵子结合蛋白质膜表面有质膜表面有精子受体精子受体我来了！结合蛋白和受体都是跨膜糖蛋白结合蛋白和受体都是跨膜糖蛋白 精子膜表面的结合蛋白（凝集素）识别了卵子膜表精子膜表面的结合蛋白（凝集素）识别了卵子膜表面受体上的特殊糖基面受体上的特殊糖基 保证了受精的种属特异性1. 2. 是受精的启动步骤精卵识别精卵识别移植排斥反应移植排斥反应 transplantation rejection发生：发生：同种或异种的不同

17、个体之间作细胞、组织或器官移植， 引发受者对供者移植物的免疫排斥反应。 受者受者免疫细胞免疫细胞 供者细胞供者细胞我看你不是自己人质膜表面有受体质膜表面有受体质膜表面有特异质膜表面有特异识别识别分子分子 三三. .细胞信号转导细胞信号转导 Signal transductionSignal transduction膜受体及其分类膜受体及其分类信信号号接接收收装装置置: :膜膜受受体体G G蛋白偶联受体蛋白偶联受体离子通道偶联受体离子通道偶联受体酶偶联受体酶偶联受体膜受体与细胞外信号分子结合而被激活，膜受体与细胞外信号分子结合而被激活，从而将信号转导入细胞内从而将信号转导入细胞内膜受体：信号接收

18、装置膜受体：信号接收装置是是跨膜蛋白跨膜蛋白 细胞连接和组织构建细胞连接和组织构建 Cell junction & tissue construction1. 封闭相邻细胞间隙封闭相邻细胞间隙2. 加固与相邻细胞和与基质的连接加固与相邻细胞和与基质的连接3. 与相邻细胞形成连接通道与相邻细胞形成连接通道细胞连接的概念细胞连接的概念细胞与细胞间、细胞与胞基质间细胞与细胞间、细胞与胞基质间 发生联系的特殊结构。发生联系的特殊结构。 通讯连接，其中有通讯连接，其中有 缝隙连接（缝隙连接（gap junction） 锚着连接锚着连接 闭锁连接，紧密连接（闭锁连接，紧密连接（tight junc

19、tion）细胞连接的类型细胞连接的类型What are lipid rafts? Now most researchers believe that there is local structure within different areas of the same membrane leaflet, in the form of relatively dense patches called lipid rafts. Lipid rafts have changed our view of membrane organization.Rafts are small platforms, c

20、omposed of sphingolipidsand cholesterol in the outer exoplasmic leaflet,connected to phospholipids and cholesterol in theinner cytoplasmic leaflet of the lipid bilayer. These assemblies are fluid but more ordered and tightlypacked than the surrounding bilayer. The difference inpacking is due to the

21、saturation of the hydrocarbonchains in raft sphingolipids and phospholipids as compared with the unsaturated state of fatty acids of phospholipids in the liquid-disordered phase. Thus, the presence of liquid-ordered microdomains in cells transforms the classical membrane fluid mosaic model into a mo

22、re complex system,where proteins and lipid rafts diffuse laterally within a two-dimensional liquid.The different packing of the sphingolipids and phospholipids probably leads to their phase separation in membrane bilayers. Sphingolipid microdomains float in a phospholipid bilayer, leading to the coi

23、ning of the term lipid rafts. The function of raftsMany functions have been attributed to rafts, from cholesterol transport, endocytosis and signal transduction. The later is almost certainly the case. (Thompsen et al, 2002).Simons, K. et al. J. Clin. Invest. 2002;110:597-603Mechanisms of raft clust

24、ering. (a) Rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only a subset of proteins. (b) Raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molecules. This clustering can be triggered (1) at the extracellular side by ligands, antibodies, or lectins, (2) within the membrane by oligomerization, or (3) by cytosolic agents (cytoskeletal elements, adapters, scaffolds).Raft clustering occurs at the plasma membrane as well as intracellularly, e.g., in endosomal lumen. Ligand binding or oligomerization can alter the partitioning