医学细胞生物学：02-细胞膜组成、结构及功能

细胞膜

（cellmembrane）

P48基本概念细胞膜(或质膜:plasmamembrane)单位膜(unitmembrane)生物膜(biologicalmembrane)细胞膜电镜下人红细胞膜（示单位膜）Contents

细胞膜的化学组成

细胞膜的分子结构

膜的理化特征学习要点掌握：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。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系，脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用。第一节细胞膜的化学组成膜的化学组成2%-10%糖类20%-70%蛋白质水、无机盐、金属离子等其他30%-60%脂质含量成分几种生物膜化学组成的比较

一、膜脂1、磷脂磷酸甘油酯鞘磷脂2、胆固醇3、糖脂：脑苷脂、神经节苷脂磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰丝氨酸鞘氨醇磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂

（电中性）（带负电）（电中性）（电中性）1、磷脂（含有磷酸基团的脂）1）主要类型2）磷脂分子的主要特征①均为双亲媒性分子；②一般都有两条脂肪酸链构成的尾巴（线粒体内膜上的心磷脂除外，有4条）；③脂肪酸链的碳原子数一般为12~24个，都是偶数，其中以16碳、18碳为多；④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30℃的弯曲。

2、胆固醇（含量一般不超过膜脂的1/3）与磷脂的碳氢链相互作用，增加质膜的强度，降低膜的流动性

3、糖脂：如脑苷脂、神经节苷脂半乳糖脑苷脂GM1神经节苷脂

（NANA为唾液酸，带负电）鞘磷脂膜脂的共同特征：兼性分子（双亲媒性分子）非极性尾部疏水极性头部亲水膜脂的亲水和疏水部分膜脂疏水部分亲水部分磷酸甘油酯脂肪酸链磷酰醇基鞘磷脂脂肪酸链与神经鞘氨醇磷酰胆碱的碳氢链糖脂脂肪酸链与神经鞘氨醇糖残基的碳氢链胆固醇除羟基外整个分子C3上的羟基膜脂分子的物理特性脂质体分子团磷脂双层二、膜蛋白

细胞中30%的蛋白质参与了膜结构的组成。据估计人类基因中约1/3的基因编码的蛋白质为膜整合蛋白。（一）类型

1、镶嵌蛋白质（70%~80%）（mosaicprotein）

内在蛋白质

跨膜蛋白类型①单次跨膜②多次跨膜③多亚基跨膜2、周围蛋白质（20%~30%）（peripheralprotein）外在蛋白质3、脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）（二）分子结构：膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一般为α螺旋。线粒体有β片层折叠，可多次穿膜形成β筒结构。三、膜糖类1、结构：一般由1～10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、岩藻糖、唾液酸等）组成寡糖链（直链、分支链），分布在细胞膜的外表面，构成糖萼或细胞外被。

2、存在方式：糖脂、糖蛋白细胞外被示意图常见的糖脂或糖脂——ABO血型抗原（红细胞膜上的主要血型抗原）第二节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1925，Gorter等，膜由双层脂类构成1935，Denielli等，片层结构模型1972，S.J.Singer等，液态镶嵌模型1975，Wallach，晶格镶嵌模型1977，Jain等，板块镶嵌模型1959，Roberson，单位膜模型1997，KaiSimons和Elina

Ikonen

，脂筏模型一、片层结构模型

lamellastructuremodel

二、单位膜模型

unitmembranemodel当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时，分子的疏水尾部倾向于聚集在一起，避开水相，而亲水头部暴露在水相，形成具有双分子层结构的的封闭囊泡三、液态镶嵌模型

fluidmosaicmodel液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）观点：1、流动的脂双层构成膜的连续主体；

流动性,有序性2、球状蛋白质镶嵌在脂双层中；分布不对称性缺陷：忽视蛋白质对脂类流动性的控制；忽视膜各部分流动性的不均一性。1、液态与晶态、有序与无序之间变化；2、强调流动的局部性。晶格镶嵌模型1、有序结构板块被无序的流动板块分割；2、板块流动性不同。板块镶嵌模型四、脂筏模型（lipidraftsmodel）1、概念：脂筏(lipidraft)——是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微区（microdomain）；大小在70nm，是一种动态结构。主要由鞘磷脂，胆固醇及蛋白质组成。2、作用：主要是运载蛋白质，参与信号转导。推测：①一个直径在100nm的脂筏可以承载600个蛋白质分子；②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。当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时，分子的疏水尾部倾向于聚集在一起，避开水相，而亲水头部暴露在水相，形成具有双分子层结构的的封闭囊泡液态有序相中的脂（红色）液晶相中的脂（蓝色）胆固醇（桔红色）含有两种蛋白质的脂筏模型脂筏与阮病毒病——基于脂筏的PrPsc繁殖的可能机制外源的插入接合构相转换扩增脂筏模型中膜蛋白的分类脂筏中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差，结合配体时转移到脂筏。）

膜脂分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性

膜糖分布的不对称性第三节膜的理化特性一、膜的不对称性功能的方向性1.膜脂分布的不对称性外层磷脂层占磷脂总量的百分数胞质面磷脂层磷脂总量神经磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺2.膜蛋白的不对称

冰冻蚀刻技术示意图糖链外层内层蛋白质磷脂蛋白颗粒在内外两层磷脂中的分布不同跨膜蛋白两亲水端的不对称分布3.膜糖的不对称

膜外表面有糖链的存在，胞质侧无。结论：

膜脂、膜蛋白、膜糖分布均不对称性二、膜的流动性（一）膜脂的流动性

1.膜脂分子的运动方式（1）侧向扩散（2）旋转运动（3）

摆动运动（4）伸缩震荡（5）翻转运动（6）旋转异构

2、影响膜脂流动性的因素（1）脂肪酸链的长度和不饱和程度（2）胆固醇与磷脂的比例（3）卵磷脂（不饱和）与鞘磷脂（饱和）的比例（4）膜蛋白的影响（据估算：蛋白质占非极性区1/2的膜中，脂类-蛋白质将连成一片，而没有流动的脂质存在。）（5）其他因素（环境温度、pH等）脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响胆固醇的影响晶态液晶态液态温度对膜流动性的影响（二）膜蛋白的运动性

1.侧向扩散人-鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动成帽反应

荧光素标记蛋白激光漂白某一区域荧光恢复荧光漂白恢复法2.旋转扩散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。第四节细胞膜与肿瘤一、细胞膜组分异常与细胞肿瘤1.膜蛋白的改变细胞表面纤连蛋白明显减少，导致肿瘤细胞容易脱落转移。肿瘤细胞膜中含唾液酸和岩藻糖的多肽或糖蛋白明显增多，使唾液酸经常处于一种暴露状态，致使负电荷增高，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。2.糖脂减少鞘糖脂组分改变。3.黏着作用改变二、脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用1.脂质体特性◎优点：①脂质体作为抗肿瘤药物的载体，更易进入实体瘤。②脂质体具有脂溶性，能使包裹的一些水溶性药物更易进入细胞。（如：阿霉素）③脂质体包裹具毒性的抗肿瘤制剂时，能保护敏感组织免遭药物毒性损伤。导向肽脂溶性药物水溶性药物聚合物保护层脂双层包裹药物的脂质体◎缺点：①靶向分布特性不理想②贮存中稳定性不够2.脂质体的类型①pH敏感脂质体

pH低时可导致脂肪酸羧基的质子化而引起六角晶相形成，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。故可用此脂质体载药，靶向释放到特定的肿瘤部位。②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。③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进入细胞。例如：叶酸脂质体

叶酸受体在恶性肿瘤细胞膜表面的活性和数量显著高于正常细胞。当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时，分子的疏水尾部倾向于聚集在一起，避开水相，而亲水头部暴露在水相，形成具有双分子层结构的的封闭囊泡各种类型的脂质体细胞膜的功能膜蛋白的功能转运蛋白连接蛋白受体酶XY④

信号传导细胞膜与物质转运P63Contents穿膜运输膜泡运输膜转运系统异常与疾病学习要点掌握：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。熟悉：简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和协同运输。了解：吞噬和胞饮的异同以及胞吐作用穿膜运输（气体、离子、小分子）溶质跨膜运输的两种方式膜泡运输（大分子、颗粒物质）第一节小分子与离子的穿膜运输（transmembranetransport）气体、离子、小分子的运输方式大部分需借助于膜上的镶嵌蛋白质耗能或不耗能穿膜运输的特性水可以快速穿膜：体积小，膜上有水通道。分子量小、脂溶性强则容易通过膜：O2，苯；不带电荷极性分子，可以通过。但小分子比大分子容易穿膜：

CO2>乙醇>尿素>甘油

脂双层膜对所有带电荷的分子或离子高度不通透；

水孔蛋白（aquaporin,AQP）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，每秒钟转运大约109个水分子。1988年由美国学者PeterAgre在红细胞膜上偶然发现，并因此获得2003年诺贝尔化学奖。不带电荷的极性小分子离子疏水分子不带电荷极性大分子

苯、醇、甾类激素O2，H2O，CO2，N2葡萄糖、氨基酸

H＋

Na+人工脂双层葡萄糖、带电荷的离子（H＋、

Na+、K+Ca2+等）怎样穿膜？？？转运蛋白参与！！！某些溶质的穿膜工具：转运蛋白

通道蛋白（channelprotein）水通道、离子通道载体蛋白(carrierprotein)葡萄糖载体控制溶质转运方向的因素顺浓度梯度顺电化学梯度被动运输（passivetransport）“下坡”逆浓度梯度逆电化学梯度“上坡”主动运输（activetransport）耗能穿膜运输的方式一、简单扩散

simplediffusion二、离子通道扩散

ionchanneldiffusion三、易化扩散

facilitateddiffusion四、ATP驱动泵

ionpump五、伴随运输

cotransport

一、简单扩散（simplediffusion）[举例]

脂溶性物质、气体物质、水[特点]

不耗能、不需膜蛋白、依靠物质浓度差。二、离子通道扩散

ionchanneldiffusion[分类]

A电压门通道：靠膜电位，Na+、K+、Ca2＋等离子通道；

B配体门通道：依靠化学物质（配体）与受体结合，如乙酰胆碱通道。

C机械门通道：内耳听觉毛细胞[特点]

A“通道蛋白”