重庆医科大学细胞膜组成、结构及功能

1、基本基本概念概念 细胞膜细胞膜 (或质膜或质膜:plasma membrane) 单位膜单位膜(unit membrane) 生物膜生物膜(biological membrane)细胞膜细胞膜电镜下人红细胞膜（示单位膜）电镜下人红细胞膜（示单位膜）Contents 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成 细胞膜的分子结构细胞膜的分子结构 膜的理化特征膜的理化特征学习要点学习要点 掌握：细胞膜的化学组成，液态镶嵌模型和脂掌握：细胞膜的化学组成，液态镶嵌模型和脂 筏模型的结构特点及与膜的关系。筏模型的结构特点及与膜的关系。 熟悉：细胞膜的特性熟悉：细胞膜的特性 了解：细胞膜化学组分异常与肿瘤发生的关了解

2、：细胞膜化学组分异常与肿瘤发生的关 系，脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用。系，脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用。第一节第一节 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成 膜的化学组成膜的化学组成2%-10%糖糖 类类20%-70%蛋白质蛋白质水、无机盐、金属离子等水、无机盐、金属离子等其其 他他30%-60%脂脂 质质含量含量成分成分几种生物膜化学组成的比较几种生物膜化学组成的比较 一、膜脂一、膜脂1、磷脂、磷脂 磷酸甘油酯磷酸甘油酯 鞘磷脂鞘磷脂 2、胆固醇、胆固醇3、糖脂、糖脂：脑苷脂：脑苷脂 、神经节苷脂神经节苷脂磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂

3、酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸鞘鞘氨氨醇醇磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱 鞘磷脂鞘磷脂 （电中性）（电中性） （带负电）（带负电） （电中性）（电中性） （电中性）（电中性） 1、磷脂（含有磷酸基团的脂）、磷脂（含有磷酸基团的脂）1）主要类型）主要类型2）磷脂分子的主要特征）磷脂分子的主要特征均为双亲媒性分子；均为双亲媒性分子；一般都有一般都有两条两条脂肪酸链构成的尾巴（线粒体内膜上的心脂肪酸链构成的尾巴（线粒体内膜上的心磷脂除外，有磷脂除外，有4条）；条）；脂肪酸链的碳原子数一般为脂肪酸链的碳原子数一般为1224个，都是个，都是偶数偶数，其中，其中以以16碳、

4、碳、18碳为多；碳为多；脂肪酸可为饱和也可为不饱和，不饱和脂肪酸多为顺式，脂肪酸可为饱和也可为不饱和，不饱和脂肪酸多为顺式，双键在烃链中产生双键在烃链中产生30的弯曲的弯曲。 2、胆固醇胆固醇（含量一般不超过膜脂的（含量一般不超过膜脂的1/3）与磷脂的碳氢链相互与磷脂的碳氢链相互作用，增加质膜的强作用，增加质膜的强度，降低膜的流动性度，降低膜的流动性 3、糖脂糖脂：如脑苷脂如脑苷脂 、神经节苷脂神经节苷脂半乳糖脑苷脂半乳糖脑苷脂 GM1神经节苷脂神经节苷脂 （ NANA为唾液酸，带负电）为唾液酸，带负电）鞘磷脂鞘磷脂膜脂的共同特征：兼性分子膜脂的共同特征：兼性分子 （双亲媒性分子）（双亲媒性分

5、子）非极性尾部非极性尾部疏水疏水极性头部极性头部亲水亲水 膜脂的亲水和疏水部分膜脂的亲水和疏水部分膜脂膜脂 疏水部分疏水部分 亲水部分亲水部分磷酸甘油酯磷酸甘油酯 脂肪酸链脂肪酸链 磷酰醇基磷酰醇基鞘磷脂鞘磷脂 脂肪酸链与神经鞘氨醇脂肪酸链与神经鞘氨醇 磷酰胆碱磷酰胆碱 的碳氢链的碳氢链糖脂糖脂 脂肪酸链与神经鞘氨醇脂肪酸链与神经鞘氨醇 糖残基糖残基 的碳氢链的碳氢链胆固醇胆固醇 除羟基外整个分子除羟基外整个分子 C 3 上的羟基上的羟基膜脂分子的物理特性膜脂分子的物理特性脂质体脂质体分子团分子团磷脂双层磷脂双层二、膜蛋白二、膜蛋白 细胞中细胞中30%的蛋白质参与了膜结构的组成。据估计人类基的

6、蛋白质参与了膜结构的组成。据估计人类基因中约因中约1/3的基因编码的蛋白质为膜整合蛋白。的基因编码的蛋白质为膜整合蛋白。（一）类型（一）类型 1、镶嵌蛋、镶嵌蛋白质（白质（70%80%） （mosaic protein ） 内内在蛋白质在蛋白质 跨膜蛋白类型跨膜蛋白类型 单次跨膜单次跨膜 多次跨膜多次跨膜 多亚基跨膜多亚基跨膜2、周围蛋白质（、周围蛋白质（20%30%）（peripheral protein） 外在蛋白质外在蛋白质3、脂锚定蛋白、脂锚定蛋白 （lipid-anchored protein）（二）分子（二）分子结构结构：膜蛋白主要是球状蛋白膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一

7、般为质，单体或多聚体。一般为螺旋螺旋。线粒体有线粒体有片层折叠，可多次穿膜形成片层折叠，可多次穿膜形成筒结构筒结构。三、膜糖类三、膜糖类1、结构：、结构： 一般由一般由110个单糖或单糖衍生物（葡萄个单糖或单糖衍生物（葡萄糖、葡萄糖胺、半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、糖、葡萄糖胺、半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、岩藻糖、岩藻糖、唾液酸唾液酸等）组成寡糖链（直链、分支等）组成寡糖链（直链、分支链），分布在细胞膜的外表面，构成糖萼或细链），分布在细胞膜的外表面，构成糖萼或细胞外被。胞外被。 2、存在方式：糖脂、糖蛋白、存在方式：糖脂、糖蛋白细胞外被示意图细胞外被示意图常见的糖脂或糖脂常见的糖脂或糖脂ABO血型

8、抗原血型抗原 （红细胞膜上的主要血型抗原）（红细胞膜上的主要血型抗原）第二节第二节 膜的分子结构模型膜的分子结构模型膜的分子结构模型膜的分子结构模型1902，Overton，细胞膜由脂类构成，细胞膜由脂类构成1925，Gorter等，等， 膜由双层脂类构成膜由双层脂类构成1935，Denielli等，等， 片层结构模型片层结构模型1972，S.J.Singer等，液态镶嵌模型等，液态镶嵌模型1975，Wallach， 晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型 1977，Jain 等，等， 板块镶嵌模型板块镶嵌模型1959，Roberson， 单位膜模型单位膜模型 1997，Kai Simons和和Elina

9、Ikonen ， 脂筏模型脂筏模型一、片层结构模型一、片层结构模型 lamella structure model 二、单位膜模型二、单位膜模型 unit membrane model 三、液态镶嵌模型三、液态镶嵌模型 fluid mosaic model 液态镶嵌模型液态镶嵌模型 （ fluid mosaic model ）观点：观点：1、流动的脂双层构成、流动的脂双层构成膜的连续主体；膜的连续主体； 流动性流动性,有序性有序性2、球状蛋白质镶嵌在、球状蛋白质镶嵌在脂双层中；脂双层中； 分布不对称性分布不对称性缺陷：缺陷：忽视蛋白质对脂类流动性的控制；忽视蛋白质对脂类流动性的控制；忽视膜各部

10、分流动性的不均一性。忽视膜各部分流动性的不均一性。1、液态与晶态、有序、液态与晶态、有序 与无序之间变化；与无序之间变化；2、强调流动的局部性。、强调流动的局部性。晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型1、有序结构板块被无、有序结构板块被无 序的流动板块分割；序的流动板块分割；2、板块流动性不同。、板块流动性不同。板块镶嵌模型板块镶嵌模型四、脂筏模型（四、脂筏模型（lipid rafts model）1、概念：、概念：脂筏脂筏(lipid raft)是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微区质的微区（microdomain） ；大小在；大小在70nm，是一种动，是一种动态结构。主要

11、由态结构。主要由鞘磷脂，胆固醇及蛋白质鞘磷脂，胆固醇及蛋白质组成。组成。2、作用：、作用： 主要是主要是运载蛋白质运载蛋白质，参与，参与信号转导信号转导。推测：推测： 一个直径在一个直径在100nm的脂筏可以承载的脂筏可以承载600个蛋白质分子；个蛋白质分子； 脂筏可以根据胞内外的刺激改变大小，它们可以彼此合脂筏可以根据胞内外的刺激改变大小，它们可以彼此合 并，导致信号放大。并，导致信号放大。液态有序相中的脂（红色）液态有序相中的脂（红色）液晶相中的脂（蓝色）液晶相中的脂（蓝色）胆固醇（桔红色）胆固醇（桔红色）含有两种蛋白质的脂筏模型含有两种蛋白质的脂筏模型脂筏与阮病毒病脂筏与阮病毒病基于脂筏

12、的基于脂筏的PrPsc繁殖的可能机制繁殖的可能机制外源的外源的插入插入接合接合构相转换构相转换扩增扩增脂筏模型中膜蛋白的分类脂筏模型中膜蛋白的分类 脂筏中的蛋白质脂筏中的蛋白质 脂筏外的蛋白质脂筏外的蛋白质 介于二者间的蛋白质（没结合配体时亲和能力介于二者间的蛋白质（没结合配体时亲和能力差，结合配体时转移到脂筏。）差，结合配体时转移到脂筏。） 膜脂膜脂分布的不对称性分布的不对称性 膜蛋白膜蛋白分布的不对称性分布的不对称性 膜糖膜糖分布的不对称性分布的不对称性第三节第三节 膜的理化特性膜的理化特性一、膜的不对称性一、膜的不对称性功能的方向性功能的方向性1.膜脂分布的不对称性膜脂分布的不对称性 外

13、层磷脂层外层磷脂层占磷脂总量的百分数占磷脂总量的百分数 胞质面磷脂层胞质面磷脂层 磷脂总量磷脂总量神经磷脂神经磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺2.膜蛋白的不对称膜蛋白的不对称 冰冻蚀刻技术示意图冰冻蚀刻技术示意图糖链糖链外层外层内层内层蛋白质蛋白质磷脂磷脂蛋白颗粒在内外蛋白颗粒在内外两层磷脂中的分两层磷脂中的分布不同布不同 跨膜蛋白两亲水端的不对称分布跨膜蛋白两亲水端的不对称分布3.膜糖的不对称膜糖的不对称 膜外表面有糖链的存在，胞质侧无。膜外表面有糖链的存在，胞质侧无。结论：结论： 膜脂、膜蛋白、膜糖膜脂、膜蛋白、膜糖分布均不对称性分布均不对称性二、膜

14、的流动性二、膜的流动性（一）膜脂的流动性（一）膜脂的流动性 1.膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式（1） 侧向扩散侧向扩散 （2） 旋转运动旋转运动 （3） 摆动运动摆动运动 （4） 伸缩震荡伸缩震荡 （5）翻转运动）翻转运动 （6） 旋转异构旋转异构 2、影响膜脂流动性的因素、影响膜脂流动性的因素（1）脂肪酸链的长度和不饱和程度）脂肪酸链的长度和不饱和程度（2）胆固醇与磷脂的比例）胆固醇与磷脂的比例（3）卵磷脂）卵磷脂（不饱和）（不饱和）与鞘磷脂与鞘磷脂（饱和）（饱和）的比例的比例（4）膜蛋白的影响）膜蛋白的影响（据估算：蛋白质占非极性区（据估算：蛋白质占非极性区1/2 的膜中，脂类的膜中

15、，脂类-蛋白质将连成一片，而没有流动的脂蛋白质将连成一片，而没有流动的脂 质存在。）质存在。）（5）其他因素（环境温度、）其他因素（环境温度、pH等）等）脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响胆固醇的影响胆固醇的影响晶态晶态液晶态液晶态液态液态温度对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响（二）膜蛋白的运动性（二）膜蛋白的运动性 1.侧向扩散侧向扩散人人-鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动成帽反应成帽反应 荧光素标记蛋白荧光素标记蛋白激光漂白某一区域激光漂白某一区域荧光恢复荧光恢复荧光漂白恢复法荧光漂白恢复法2.旋转扩散旋转扩散 膜蛋白

16、能围绕与膜平面相垂直的轴进膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动。但速度远远低于扩散运动。行旋转运动。但速度远远低于扩散运动。 第四节第四节 细胞膜与肿瘤细胞膜与肿瘤一、细胞膜组分异常与细胞肿瘤一、细胞膜组分异常与细胞肿瘤1.膜蛋白的改变膜蛋白的改变 细胞表面细胞表面纤连蛋白纤连蛋白明显减少，导致肿瘤细胞容易脱落明显减少，导致肿瘤细胞容易脱落转移。转移。 肿瘤细胞膜中含肿瘤细胞膜中含唾液酸和岩藻糖的多肽或糖蛋白唾液酸和岩藻糖的多肽或糖蛋白明显明显增多，使唾液酸经常处于一种暴露状态，致使负电荷增高，增多，使唾液酸经常处于一种暴露状态，致使负电荷增高，致使细胞的增殖加快，肿瘤黏着性降低，细胞易

17、于脱落、致使细胞的增殖加快，肿瘤黏着性降低，细胞易于脱落、扩散、转移。扩散、转移。 2.糖脂减少糖脂减少 鞘糖脂组分改变。鞘糖脂组分改变。 3.黏着作用改变黏着作用改变二、脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用二、脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用 1.脂质体特性脂质体特性 优点：优点： 脂质体作为抗肿瘤药物的载体，更易进入实体瘤。脂质体作为抗肿瘤药物的载体，更易进入实体瘤。 脂质体具有脂溶性，能使包裹的一些脂质体具有脂溶性，能使包裹的一些水溶性药物水溶性药物更易更易 进入细胞。（如：阿霉素）进入细胞。（如：阿霉素） 脂质体包裹具毒性的抗肿瘤制剂时，能保护敏感组织脂质体包裹具毒性的抗肿瘤制剂时，能保护敏感

18、组织 免遭药物毒性损伤。免遭药物毒性损伤。导向肽导向肽脂溶性药物脂溶性药物水溶性药物水溶性药物聚合物保护层聚合物保护层脂双层脂双层包裹药物的脂质体包裹药物的脂质体缺点：缺点：靶向分布特性不理想靶向分布特性不理想贮存中稳定性不够贮存中稳定性不够2.脂质体的类型脂质体的类型pH敏感脂质体敏感脂质体 pH低时可导致低时可导致脂肪酸羧基脂肪酸羧基的的质子化质子化而引起而引起六角晶相形成六角晶相形成，这是膜融合的机制。而肿瘤细胞附近的这是膜融合的机制。而肿瘤细胞附近的pH低于周围正常组织。低于周围正常组织。故可用此脂质体载药，靶向释放到特定的肿瘤部位。故可用此脂质体载药，靶向释放到特定的肿瘤部位。温度敏

19、感性脂质体温度敏感性脂质体 载药，在高温条件下释放的脂质体。升温，膜的流动性增载药，在高温条件下释放的脂质体。升温，膜的流动性增加，包裹的药物释放速度增大，结合肿瘤局部加热可大大提高加，包裹的药物释放速度增大，结合肿瘤局部加热可大大提高递送到肿瘤的药量，缩小肿瘤的体积。递送到肿瘤的药量，缩小肿瘤的体积。受体介导的靶向脂质体受体介导的靶向脂质体 借助受体与配体的特异性相互作用。可将配体借助受体与配体的特异性相互作用。可将配体标记的脂质体靶向到含有特异性配体的受体的器标记的脂质体靶向到含有特异性配体的受体的器官、组织或细胞；同时配受体结合可促进脂质体官、组织或细胞；同时配受体结合可促进脂质体进入细

20、胞。进入细胞。例如：叶酸脂质体例如：叶酸脂质体 叶酸受体叶酸受体在恶性肿瘤细胞膜表面的活性和数量在恶性肿瘤细胞膜表面的活性和数量显著显著高于正常细胞高于正常细胞。各种类型的脂质体各种类型的脂质体细胞膜的功能细胞膜的功能膜蛋白的功能膜蛋白的功能转运蛋白转运蛋白连接蛋白连接蛋白受受 体体酶酶X Y 信号传导信号传导细胞膜细胞膜与与物质转运物质转运P63Contents 穿膜运输穿膜运输 膜泡膜泡运输运输 膜转运系统异常与疾病膜转运系统异常与疾病学习要点学习要点 掌握：穿膜运输的类型、钠泵的工作过程和受掌握：穿膜运输的类型、钠泵的工作过程和受 体介导的胞吞过程及类型。体介导的胞吞过程及类型。 熟悉：

21、简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和熟悉：简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和 协同运输。协同运输。 了解：吞噬和胞饮的异同以及胞吐作用了解：吞噬和胞饮的异同以及胞吐作用 穿膜运输穿膜运输（气体、离子、小分子）（气体、离子、小分子）溶质跨膜运输的两种方式溶质跨膜运输的两种方式 膜泡运输膜泡运输（大分子、颗粒物质）（大分子、颗粒物质） 第一节第一节 小分子与离子的穿小分子与离子的穿膜运输膜运输 （transmembrane transport） 气体、离子、小分气体、离子、小分子的运输方式子的运输方式 大部分需借助于膜大部分需借助于膜上的镶嵌蛋白质上的镶嵌蛋白质 耗能或不耗能耗能或不耗能穿穿膜运输的

22、特性膜运输的特性 水可以快速穿膜：水可以快速穿膜：体积小，膜上有水通道。体积小，膜上有水通道。 分子量小、脂溶性强则容易通过膜：分子量小、脂溶性强则容易通过膜：O2， 苯苯； 不带电荷极性分子不带电荷极性分子，可以通过。但小分子比大，可以通过。但小分子比大 分子容易穿膜：分子容易穿膜： CO2 乙醇乙醇 尿素尿素 甘油甘油 脂双层膜对脂双层膜对所有带电荷所有带电荷的分子或离子的分子或离子高度不高度不 通通透；透； 水孔蛋白（水孔蛋白（aquaporin,AQP）结构示意图）结构示意图注：水通道具有高度特异性。一般认为水通道持续开放，每秒钟转运大注：水通道具有高度特异性。一般认为水通道持续开放，

23、每秒钟转运大 约约109个水分子。个水分子。1988年由美国学者年由美国学者Peter Agre在红细胞膜上偶在红细胞膜上偶 然发现，并因此获得然发现，并因此获得2003年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 不带电荷的极性小分子不带电荷的极性小分子 离子离子 疏水分子疏水分子 不带电荷极性大分子不带电荷极性大分子 苯、醇、苯、醇、甾类激素甾类激素O2，H2O， CO2，N2葡萄糖、葡萄糖、氨基酸氨基酸 H Na+人人工工脂脂双双层层葡萄糖、带电荷的离子（葡萄糖、带电荷的离子（ H、 Na+、K+ Ca2+等）怎样穿膜？等）怎样穿膜？转运蛋白参与！转运蛋白参与！某某些溶质的穿膜工具：转运蛋白些溶质的

24、穿膜工具：转运蛋白 通道蛋白通道蛋白（channel protein） 水通道、离子通道水通道、离子通道载体蛋白载体蛋白(carrier protein)葡萄糖载体葡萄糖载体控控制溶质转运方向的因素制溶质转运方向的因素顺浓度梯度顺浓度梯度顺电化学梯度顺电化学梯度 被动运输被动运输（passive transport）“下坡下坡”逆浓度梯度逆浓度梯度逆电化学梯度逆电化学梯度 “上坡上坡” 主动运输主动运输（active transport）耗能耗能穿膜运输的方式穿膜运输的方式一、一、简单简单扩散扩散 simple diffusion二、二、离子通道离子通道扩散扩散 ion channel dif

25、fusion三、三、易化扩散易化扩散 facilitated diffusion四、四、ATP驱动驱动泵泵 ion pump五、五、伴随伴随运输运输 cotransport 一、简单扩散（一、简单扩散（simple diffusion）举例举例 脂溶性物质、气体脂溶性物质、气体物质、水物质、水特点特点 不耗能、不需膜蛋不耗能、不需膜蛋白、依靠物质浓度差。白、依靠物质浓度差。二、二、离子通道扩散离子通道扩散 ion channel diffusion分类分类 A 电压门通道：电压门通道：靠膜电位，靠膜电位，Na+、K+、 Ca2等离子通道；等离子通道； B 配体门通道：配体门通道：依靠化学物质（配体依靠化学物质（配体）与受体）与受体 结合结合，如乙酰胆碱通道。，如乙酰胆碱通道。 C 机械门通道：机械门通道：内耳听觉毛细胞内耳听觉毛细胞特点特点 A “通道蛋白通道蛋白