0细胞膜组成结构及功能

11三月20240细胞膜组成结构及功能学习要点掌握：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。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ElinaIkonen

，脂筏模型一、片层结构模型

lamellastructuremodel

二、单位膜模型

unitmembranemodel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。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。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、离子泵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”；B选择性；C门控性；D高效性：瞬间、大量通过（106~108个离子/秒）；F顺电化学梯度：不耗能通道蛋白（channelprotein）通道蛋白模式图通道蛋白肽链以α螺旋7次穿膜，中间形成亲水通道离子通道的几种类型:电压门通道配体门通道机械门通道电压门通道(voltage-gatedchannel)配体门通道机械门通道(mechanical-gatedchannel)依靠机械压力，例如：听觉毛细胞闸门通道开闭的特点之一：瞬间开放（几毫秒），随即关闭。此特点有利于一系列顺序性活动的顺利完成。1.钙离子电压门通道乙酰胆碱2.乙酰胆碱配体门通道3.钠离子电压门通道4.钙离子电压门通道肌细胞细胞膜肌质网（内质网）5.门控钙离子释放通道神经末梢神经冲动[举例]

非脂溶性物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸进入红细胞。三、易化扩散（帮助扩散）

facilitateddiffusion[特点]（1）需“载体蛋白”（镶嵌蛋白质）（2）高度特异性（3）饱和性（4）不耗能载体蛋白易位机制葡萄糖（Glucose）从血液进入红细胞G结合到载体上载体变构载体变构G释放至细胞内1234[特点]

1、需“载体蛋白”（均为跨膜蛋白），具有与离子或分子的结合位点，在膜的胞质侧有1个或多个ATP结合位点。2、分解ATP（具ATP酶活性），造成载体构象变化，从而与离子或分子亲和力改变。完成物质运输。四、ATP驱动泵[举例]

Na+-K+泵，Ca2＋泵，H＋泵、ABC转运体等1.P-型离子泵①.Na+-K+泵的结构乌本苷ATP酶去磷酸化ATP酶磷酸化Na+释放至膜外ATP酶构象变化（亲K+构象）K+与ATP酶结合K＋释放至膜内ATP酶构象变化（亲Na+构象）Na+-K+泵作用过程Na+与ATP酶结合Na+-K+泵作用过程Na+—K+泵工作的生理意义Na+—K+泵普遍存在与动物细胞膜上。大多数动物细胞要消耗1/3的ATP来维持Na+—K+泵的工作。其生理意义在于：A.调节渗透压维持恒定的细胞体积B.产生和维持膜电位C.为某些物质的吸收提供驱动力D.为蛋白质的合成和代谢提供必要的离子浓度作用机理：Ca2+泵（Ca2+pump）又称Ca2+—ATP酶，有约10个跨膜α螺旋，细胞内钙调节蛋白与之结合以调节Ca2+泵的活性，每消耗一个ATP分子转运出2个Ca2+

。

②.Ca2+泵存在位置：

Ca2+泵主要存在于所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体）膜上，它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。Ca2+泵在肌质网储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。2.V-型质子泵

一些特化细胞质膜上的H+泵。如：破骨细胞、肾小管上皮细胞。，利用水解ATP,将H+泵出细胞。由于它大量存在真核细胞的酸性膜泡（vacuole）上，故称为V-型质子泵。（第一个字母）如：内体、溶酶体的膜3.F-型质子泵顺化学梯度运输H+,并利用其顺化学梯度转运使释放的能量将ADP磷酸化为ATP。故其成为H+-ATP合成酶更贴切。如线粒体内膜上的ATP合成酶。4.ABC转运体——运输小分子是一类转运小分子物质的ATP泵，对转运的物质具有高度特异性，不形成磷酸化中间体。哺乳动物中，肾、肝和小肠细胞等的细胞膜含有丰富的ABC转运体。结构：4个亚基构成。2个跨膜结构域2个胞质侧的ATP结合域作用方式：利用ATP水解释放的能量将小分子泵出细胞或泵入细胞器。几种类型的ATP驱动泵[特点]1、需“载体蛋白”（同向运输载体），不直接利用ATP，利用Na+跨膜梯度驱动。2、需Na+泵消耗ATP转运Na+，造成膜内外Na+浓度差。五、协同运输（cotransport）[举例]

小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸等。同向运输载体利用Na+跨膜梯度驱动葡萄糖的转运举例：小肠上皮对葡萄糖的吸收Na+-G同向转运载体G-转运载体小肠腔中的G小肠上皮细胞毛细血管或细胞间隙根据物质运输方向，协同运输又分为：同向运输（symport）和反向运输（antiport）。（1）同向运输（symport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相同。小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物。（2）反向运输（antiport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相反。肾小管上皮细胞中的Na+-K+交换和Na+-H+交换。Summarysimplediffusionionchanneldiffusionfacilitateddiffusionionpumpcotransport●Passivetransport●Activetransport1.穿膜运输方式2.参与穿膜运输的载体蛋白载体蛋白位置能量来源功能葡萄糖载体蛋白大多数动物细胞质膜无被动输入葡萄糖Na+驱动的葡萄糖泵肾与肠上皮细胞顶部质膜Na+梯度主动输入葡萄糖Na+-H+交换器动物细胞质膜Na+梯度主动输出H+离子，调节pHNa+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）大多数动物细胞质膜水解ATP主动输出Na+,输出K+Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）真核细胞质膜水解ATP主动运输Ca2+H+泵动物细胞溶酶体膜水解ATP从细胞质中主动输入H+单运输共运输对运输协同运输3.载体蛋白参与物质运输形式Coupledtransport离子通道典型位置功能K+通道大多数动物细胞膜维持膜静息电位电压门控Na+通道神经细胞轴突质膜产生动作电位电压门控K+通道神经细胞轴突质膜在一个动作电位之后恢复静息电位电压门控Ca2+通道神经终末质膜激发神经递质释放乙酰胆碱受体通道肌细胞（在神经肌肉接头处）质膜兴奋性突触信号GABA(γ-氨基丁酸)受体（GABA门控Cl-通道）多数神经元（突触）质膜抑制性突触信号压力激活的阴离子通道内耳听觉毛细胞感觉声波震动4.参与穿膜运输的离子通道大分子（蛋白质、核酸、多糖）颗粒运输方式；第二节膜泡运输

transportbyvesic