医学细胞生物学-第五章-1节

CELLMEMBRANEANDITSSURFACE第五章细胞膜及其表面本章内容提要第一节细胞膜的分子结构和特性一、膜的化学组成二、膜的分子结构三、膜的理化特性第三节细胞膜与物质的跨膜转运一、穿膜运动二、膜泡运动第四节细胞膜与细胞识别一、细胞膜受体的概念二、膜受体与细胞识别第五节膜受体与细胞的信号转导各种信号分子、受体及信号通路质膜（plasmamembrane）:又称细胞膜。内膜:形成各种细胞器的膜。生物膜（biomembrane）:质膜和内膜的总称。细胞外被:也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。膜骨架:质膜下起支撑作用的网络结构。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。第一节细胞膜的分子结构和特性一、膜的化学组成主要由膜脂和膜蛋白组成,另外还有少量糖,以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架,膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。膜脂:膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。（一）磷脂约占膜脂的50％以上，分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂。主要特征:一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）；脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子；常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。以甘油为骨架，1.2位羟基与脂肪酸，3位与磷酸形成酯键。主要有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）1.甘油磷脂2.鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin,SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富,原核和植物细胞膜中不含。鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油,只有一条脂肪酸链（二）糖脂约占5％以下,神经细胞膜含量高,约占5-10％。两性分子,含糖而不含磷酸,结构与SM相似,由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂,神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。Glycolipids

（三）胆固醇存在真核细胞膜上,含量约膜脂的1/3,动物细胞膜中含量较高。功能是提高膜的稳定性,调节流动性,降低水溶性物质的通透性。在缺少胆固醇培养基中,不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。膜蛋白◆占核基因组编码蛋白质的20-25%；◆膜功能的差异:所含蛋白质不同；◆膜蛋白:球状蛋白质，单体，多聚体；◆根据与脂分子的结合方式分为:膜内在蛋白（integralprotein）膜周边蛋白（peripheralprotein）膜蛋白的两种存在形式:镶嵌蛋白和周边蛋白镶嵌蛋白周边蛋白膜蛋白的存在形式整合蛋白分子均为双性分子:非极性区（疏水区）插在脂双层分子之间，极性区（亲水区）则朝向膜的表面。

疏水性穿膜区亲水区亲水区膜内在蛋白为跨膜蛋白（transmembraneproteins）,水不溶性蛋白。跨膜结构域为1至多个疏水的α螺旋。与膜的结合紧密,只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。周边蛋白有的通过寡糖链与脂双层表面共价结合:共价结合与脂肪酸链形成酰胺键锚定至膜上与异戊二烯基团形成硫酯键锚定至膜上有的则直接通过端部氨基酸残基与脂分子间共价结合附着在其他膜蛋白上的周边蛋白附着膜蛋白周边蛋白周边蛋白膜蛋白有的则附着在其它膜蛋白上:膜周边蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。膜蛋白的功能:机械支持、载体蛋白、受体、物质运输、信号传导和免疫反应。(1)运输蛋白(2)受体蛋白(3)酶(4)连接蛋白膜蛋白的功能有的膜蛋白兼具两种功能膜蛋白根据功能运输蛋白连接蛋白受体蛋白蛋白酶主要为寡糖,以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共价形成糖脂和糖蛋白。膜糖:细胞外被的分子结构图解糖脂糖蛋白膜糖主要为中性糖(D-半乳糖,D-甘露糖,L-岩藻糖)和氨基糖(D-半乳糖胺,D-葡萄糖苷,唾液酸或氨基糖酸)。1.Definetheboundariesofthecellanditsorganelles.2.Serveaslociforspecificfunctions.3.provideforandregulatetransportprocesses.4.containthereceptorsneededtodetectexternalsignals.5.providemechanismsforcell-to-cellcontact,communicationandadhesionE.Overton1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter等1925推测细胞膜由双层脂分子组成。二、膜的分子结构质膜分子结构的研究历史3.J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）（片层结构模型）。4.JD.Robertson1957根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm，特征“两暗一明”。内外为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。单位膜:各种细胞的细胞膜以及各种细胞内膜在电镜下都呈“暗-明-暗”的三层式结构:单位膜现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成的任何一层膜。蛋白质脂类暗线

明线

暗线

横切面5.S.J.Singer&G.Nicolson(1972诺贝尔奖）根据免疫荧光、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“液态镶嵌模型”。Fluid-mosaicmodel细胞膜的液态镶嵌模型细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；磷脂分子以疏水性尾部相对,极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面,或嵌在其内部,或横跨整个双脂层,表现出分布的不对称性。★强调了膜的流动性和膜的不对称性。§忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.1975年D.F.H.Wallach提出了晶格镶嵌模型:生物膜中流动的脂质是在可逆的进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂质分子的运动具有控制作用。1977年M.K.JainandH.B.White提出了板块镶嵌模型:在流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大的彼此独立移动的脂质区（有序结构的板块），这些有序结构的板块之间被流动的脂质区（无序结构的板块）分割。二、膜的理化特性膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为:ES，细胞外表面；EF，细胞外小页断裂面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。（一）膜的不对称性1．膜蛋白分布的不对称性:不对称是绝对的，各种膜蛋白在膜中特殊方向造成的。2．膜脂的不对称性:同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如:卵磷脂和鞘磷脂主要分布在外小叶，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的卵磷脂降解，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分别只有20%和10%的被降解。3．复合糖的不对称性:糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。Theasymmetricaldistributionofphospholipidsandglycolipidsinthelipidbilayerofhumanredbloodcells.

Inaddition,glycolipidsaredrawnwithhexagonalpolarheadgroups(blue).Cholesterol(notshown)isthoughttobedistributedaboutequallyinbothmonolayers.（二）膜的流动性膜脂和蛋白质的分子运动组成。1.膜脂分子的运动①侧向扩散运动：磷脂分子在脂平面内的平移运动②旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转③脂肪酸链的伸缩和震荡运动：脂肪酸链沿着与平面垂直的长轴进行伸缩④翻转运动：膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至另一层⑤旋转异构化运动：即烃链绕某一个Ｃ-Ｃ键旋转①侧向扩散运动；②旋转运动；③摆动运动④伸缩震荡运动；⑤翻转运动；⑥旋转异构化运动。ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).光脱色恢复技术2.膜蛋白的运动性：侧向扩散：指膜蛋白在生物膜脂质双层二维平面中可以自由扩散。旋转扩散：指膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，旋转扩散的速度比侧向扩散更为缓慢。利用细胞融合技术观察蛋白质运动影响膜流动性的因素1、脂肪酸链的长短①不饱和脂肪酸越多相变温度越低；②碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。2、脂肪酸链的不饱和程度不饱和程度↑膜流动性↑3、胆固醇与磷脂的影响：双向调节在相变温度以上时，胆固醇含量多减少流动性；在相变温度以下时，胆固醇含量多增加流动性。4、膜蛋白的影响：膜蛋白含量↑膜流动性下降5、卵磷脂和鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值↑膜流动性↑6.其他因素环境温度：温度↑膜流