細胞生物學：第四章 細胞膜

1、細胞膜細胞膜 (Cell Membrane) (Cell Membrane) 又稱又稱質(zhì)膜質(zhì)膜 (plasma membrane)(plasma membrane) 第一節(jié)第一節(jié) 細胞膜的化學組成細胞膜的化學組成 第二節(jié)第二節(jié) 膜的分子結(jié)構(gòu)模型膜的分子結(jié)構(gòu)模型 第三節(jié)第三節(jié) 膜的特性膜的特性 第四節(jié)第四節(jié) 細胞膜的物質(zhì)運輸細胞膜的物質(zhì)運輸 第五節(jié)第五節(jié) 細胞表面抗原與免疫細胞表面抗原與免疫 第六節(jié)第六節(jié) 細胞膜與疾病細胞膜與疾病 第一節(jié)第一節(jié) 細胞膜的化學組成細胞膜的化學組成各種細胞生物膜的化學組成各種細胞生物膜的化學組成膜的類別膜的類別蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)(%)(%)脂類脂類(%)(%)糖類糖類(%

2、)(%)神經(jīng)髓鞘細胞神經(jīng)髓鞘細胞18793人紅細胞人紅細胞6040微量微量大鼠肝細胞大鼠肝細胞46425-10大鼠骨骼肌細胞大鼠骨骼肌細胞6535微量微量大鼠線粒體大鼠線粒體7027-291-2HeLa細胞細胞60402.4質(zhì)膜的化學組成一、脂質(zhì)成分大約占總組分的75%-25% ，構(gòu)成質(zhì)膜的骨架和起保護作用。 25%-75% ，生物膜功能的體現(xiàn)者。二、蛋白質(zhì)三、糖類2%-10%，可能與細胞的識別和粘附功能相關(guān)。三種膜脂類型磷脂磷脂糖脂糖脂膽固醇膽固醇 兼性分子：雙親媒性分子 極性頭部：極性頭部：具親水性具親水性非極性尾非極性尾部：具疏部：具疏水性水性脂質(zhì)體的類型 (a)(a)水溶液中的磷脂分子

3、團；水溶液中的磷脂分子團；(b)(b)球形脂質(zhì)體；球形脂質(zhì)體；(c)(c)平面脂質(zhì)體膜；平面脂質(zhì)體膜；(d(d）用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖）用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖根據(jù)磷脂分子可在根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。制備的人工膜。脂質(zhì)體的應用脂質(zhì)體的應用研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)；研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)；脂質(zhì)體中裹入脂質(zhì)體中裹入DNADNA可用于基因轉(zhuǎn)移；可用于基因轉(zhuǎn)移；在臨床治療中在臨床治療中, ,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體磷脂磷脂甘油磷脂：甘油磷脂：鞘磷脂：鞘磷脂：磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿磷脂酰乙

4、醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇磷脂酰磷脂酰堿基堿基、甘油、脂肪酸甘油、脂肪酸磷脂酰堿基、鞘氨醇、脂肪酸磷脂酰堿基、鞘氨醇、脂肪酸磷脂的作用磷脂的作用v磷脂是膜的重要組成部分；磷脂是膜的重要組成部分；v磷脂酰肌醇在信息傳遞中起重磷脂酰肌醇在信息傳遞中起重要作用。要作用。膽固醇膽固醇（cholesterolcholesterol）羥基（極性）羥基（極性） 甾環(huán)甾環(huán)（非極性）（非極性）碳氫尾部碳氫尾部（非極性）（非極性） 膽固醇在細胞膜中的功能膽固醇在細胞膜中的功能糖脂糖脂（glycolipidsglycolipids）：鞘氨醇的衍生物：鞘氨醇的衍生物 腦苷脂（腦苷脂（

5、cerebroside）神經(jīng)節(jié)苷脂（神經(jīng)節(jié)苷脂（ganglioside）神經(jīng)節(jié)苷脂的作用神經(jīng)節(jié)苷脂的作用v在神經(jīng)傳導中起重要作用；在神經(jīng)傳導中起重要作用；v是膜上的受體，如破傷風毒素、是膜上的受體，如破傷風毒素、霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺素、絨毛膜促性腺激素、素、絨毛膜促性腺激素、5-5-羥羥色胺等的受體，就是不同神經(jīng)色胺等的受體，就是不同神經(jīng)節(jié)苷脂。節(jié)苷脂。 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運酶活性酶活性信號轉(zhuǎn)導信號轉(zhuǎn)導附著附著膜蛋白的功能膜蛋白的功能細胞識別細胞識別細胞連接細胞連接膜蛋白的功能膜蛋白的功能 整合整合/內(nèi)在蛋白（內(nèi)在蛋白（integral protein）：不同程）：不同程度

6、鑲嵌在脂雙層的內(nèi)部，緊密結(jié)合。度鑲嵌在脂雙層的內(nèi)部，緊密結(jié)合。周邊周邊/外在蛋白外在蛋白（peripheral protein）：附著：附著在膜內(nèi)外表面，疏松結(jié)合。在膜內(nèi)外表面，疏松結(jié)合。改變?nèi)芤旱母淖內(nèi)芤旱膒HpH值或鹽離子濃度都可使周邊蛋白值或鹽離子濃度都可使周邊蛋白從膜上脫落。從膜上脫落。去污劑破壞膜結(jié)構(gòu)后，才可使整合蛋白脫落。去污劑破壞膜結(jié)構(gòu)后，才可使整合蛋白脫落。* CMC【醫(yī)】臨界膠團濃度pH or salt去垢劑去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小是一端親水、另一端疏水的兩性小分子分子, ,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。是分離與研究膜蛋白的常用試劑。離子型去垢劑離子型去垢劑(SD

7、S)(SDS)和非離子型去垢劑和非離子型去垢劑（Triton X-100Triton X-100） SDS: CHSDS: CH3 3-(CH-(CH2 2) )1111-OSO-OSO3 3-Na-Na+ + CHCH3 3 CHCH3 3 CHCH3 3 C C CH CH2 2 C C (O-CH (O-CH2 2-CH-CH2 2) )1010- OH- OH CHCH3 3 CHCH3 3外在外在( (外周外周) )膜蛋白膜蛋白 (extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜內(nèi)表 面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部

8、非共價結(jié)合， 易分離。 內(nèi)在（整合）膜蛋白內(nèi)在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結(jié)合緊密， 需用去垢劑使膜崩解后才可分離。 脂質(zhì)錨定蛋白脂質(zhì)錨定蛋白（lipid-anchored proteins) 通過磷脂或脂肪酸錨定，共價結(jié)合。基本類型基本類型膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶 負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過 Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價

9、結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進一步加強膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。非錨定連接的細胞粘連分子及其作用部位非錨定連接的細胞粘連分子及其作用部位（深色）（深色）1.1.單次穿膜：單次穿膜：整合蛋白整合蛋白2.2.多次穿膜：多次穿膜：3.3.非穿越性共非穿越性共價結(jié)合：價結(jié)合：4.4.與磷脂酰與磷脂酰肌醇結(jié)合：肌醇結(jié)合：a-a-螺旋單次貫穿脂質(zhì)雙層。螺旋單次貫穿脂質(zhì)雙層。a-a-螺旋多次折返穿越脂質(zhì)雙層。螺旋多次折返穿越脂質(zhì)雙層。跨膜蛋白跨膜蛋白不穿越脂質(zhì)雙層的全部，而與胞質(zhì)側(cè)單層不穿越脂質(zhì)雙層的全部，而與胞質(zhì)側(cè)單層脂質(zhì)的烴鏈結(jié)合。脂質(zhì)的烴鏈結(jié)合。鑲嵌蛋白通過自己的一個寡糖

10、鏈與磷脂酰鑲嵌蛋白通過自己的一個寡糖鏈與磷脂酰肌醇（在非胞質(zhì)面的單層）共價結(jié)合。肌醇（在非胞質(zhì)面的單層）共價結(jié)合。5.6.5.6.周邊蛋白周邊蛋白： 附在膜的內(nèi)外表面，非共價地結(jié)合在鑲嵌附在膜的內(nèi)外表面，非共價地結(jié)合在鑲嵌蛋白上。蛋白上。膜糖類膜糖類糖蛋白：糖蛋白：糖糖 脂：脂：與膜蛋白共價結(jié)合與膜蛋白共價結(jié)合與膜脂共價結(jié)合與膜脂共價結(jié)合糖蛋白和糖脂上的糖殘基糖蛋白和糖脂上的糖殘基vD-D-半乳糖半乳糖vD-D-甘露糖甘露糖vL-L-巖藻糖巖藻糖vN-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺vN-N-乙酰半乳糖乙酰半乳糖v唾液酸（糖鏈末端，形成細胞表唾液酸（糖鏈末端，形成細胞表面負電荷）面負電荷）糖鏈與蛋白質(zhì)

11、的結(jié)合方式糖鏈與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式N-連接：糖鏈與多肽鏈中連接：糖鏈與多肽鏈中的天冬氨酸殘基側(cè)鏈上的的天冬氨酸殘基側(cè)鏈上的 -NH2基團連接基團連接O-連接：糖鏈與多肽鏈連接：糖鏈與多肽鏈中的絲氨酸或蘇氨酸殘基中的絲氨酸或蘇氨酸殘基側(cè)鏈上的側(cè)鏈上的-OH基團連接基團連接細胞外被細胞外被(cell coat)(cell coat)又稱糖萼又稱糖萼(glycocalyx)(glycocalyx)結(jié)構(gòu)組成： 指細胞質(zhì)膜外表面覆蓋的一層粘多糖物質(zhì)，實際指細胞表面與質(zhì)膜中的蛋白或脂類分子共價結(jié)合的寡糖鏈。功能： 不僅對膜蛋白起保護作用,而且在細胞識別中起重要作用。 動物細胞表面存在動物細胞表面存在一層絨毛

12、狀多糖物一層絨毛狀多糖物質(zhì)，厚約質(zhì)，厚約200nm ，由細胞膜糖蛋白和由細胞膜糖蛋白和糖脂的糖鏈向外伸糖脂的糖鏈向外伸展交織而成。對細展交織而成。對細胞起胞起支持支持、保護保護作作用，并與細胞用，并與細胞識別識別、細胞細胞接觸抑制接觸抑制有關(guān)。有關(guān)。膀胱上皮細胞表面的糖被，釕紅染色的電鏡超薄切片膀胱上皮細胞表面的糖被，釕紅染色的電鏡超薄切片膜糖類的功能膜糖類的功能膜糖鏈通過不同的殘基組成，不膜糖鏈通過不同的殘基組成，不同的殘基組合方式以及與蛋白質(zhì)同的殘基組合方式以及與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合的不同方式，來構(gòu)成或脂質(zhì)結(jié)合的不同方式，來構(gòu)成某種細胞表面某種細胞表面特征特征或識別細胞表或識別細胞表面的某一特

13、征。面的某一特征。不同糖鏈決定不同血型特征不同糖鏈決定不同血型特征第二節(jié)膜的分子結(jié)構(gòu)模型膜的分子結(jié)構(gòu)模型片層結(jié)構(gòu)模型片層結(jié)構(gòu)模型(lamellar structure model)(lamellar structure model) 1935年提出，年提出，首次將膜的分子結(jié)構(gòu)與所觀察的理首次將膜的分子結(jié)構(gòu)與所觀察的理化性質(zhì)聯(lián)系起來?；再|(zhì)聯(lián)系起來。單位膜模型單位膜模型（unit membrane modelunit membrane model）50年代末，年代末，J.D.Robertson 提出提出單位膜模型的不足單位膜模型的不足v把膜結(jié)構(gòu)描寫成靜止不變的；把膜結(jié)構(gòu)描寫成靜止不變的；v無法解

14、釋膜的功能活動；無法解釋膜的功能活動；v各種膜有各自的特定厚度，并不都是各種膜有各自的特定厚度，并不都是7.5nm；v蛋白質(zhì)提取的難易程度不同；蛋白質(zhì)提取的難易程度不同；v各種膜的蛋白質(zhì)和脂類的比率不同。各種膜的蛋白質(zhì)和脂類的比率不同。液態(tài)鑲嵌模型液態(tài)鑲嵌模型（fluid mosaic modelfluid mosaic model）1972年，年，S.J.Singer和和G.L. Nicolson提出（獲諾貝爾獎）提出（獲諾貝爾獎）液態(tài)鑲嵌模型的中心主張液態(tài)鑲嵌模型的中心主張v生物膜是由流動的脂質(zhì)雙分子層生物膜是由流動的脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成膜的連續(xù)主體；構(gòu)成膜的連續(xù)主體；v球形的膜蛋白以各種形式

15、鑲嵌在球形的膜蛋白以各種形式鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中，分布不對稱；脂質(zhì)雙分子層中，分布不對稱；v膜的結(jié)構(gòu)處于流動變化之中，膜膜的結(jié)構(gòu)處于流動變化之中，膜蛋白和膜脂具有流動性。蛋白和膜脂具有流動性。液態(tài)鑲嵌模型的不足液態(tài)鑲嵌模型的不足v不能說明膜在變化過程中如何保持不能說明膜在變化過程中如何保持膜的完整性和穩(wěn)定性；膜的完整性和穩(wěn)定性；v忽略了蛋白質(zhì)對脂質(zhì)分子流動性的忽略了蛋白質(zhì)對脂質(zhì)分子流動性的控制作用；控制作用；v忽略了膜各部分流動性的不均勻性。忽略了膜各部分流動性的不均勻性。晶格鑲嵌模型晶格鑲嵌模型v用膜脂可逆地進行無序（液態(tài)）和有用膜脂可逆地進行無序（液態(tài)）和有序（晶態(tài)）的相變來解釋生物膜的流

16、序（晶態(tài)）的相變來解釋生物膜的流動性；動性；v膜鑲嵌蛋白對脂類分子的運動具控制膜鑲嵌蛋白對脂類分子的運動具控制作用，鑲嵌蛋白和它周圍的脂類分子作用，鑲嵌蛋白和它周圍的脂類分子形成晶格狀態(tài)；形成晶格狀態(tài)；v流動的脂質(zhì)呈小片、點狀分布，所以流動的脂質(zhì)呈小片、點狀分布，所以脂質(zhì)的流動是局部的，并非整個脂雙脂質(zhì)的流動是局部的，并非整個脂雙層都在流動。層都在流動。1977年，年，Jain和和White提出。提出。生物膜是由具有不同流動性的板生物膜是由具有不同流動性的板塊鑲嵌而成的動態(tài)結(jié)構(gòu)。塊鑲嵌而成的動態(tài)結(jié)構(gòu)。板塊鑲嵌模型板塊鑲嵌模型1988年，年，Simons提出提出生物膜生物膜 脂笩脂笩直徑直徑10

17、0nm600個蛋白個蛋白脂筏模型脂筏模型第三節(jié) 膜的特性一、生物膜的流動性二、生物膜的不對稱性一、生物膜的流動性一、生物膜的流動性膜脂的流動性膜脂的流動性（fluidityfluidity）膜蛋白的運動性膜蛋白的運動性（mobilitymobility）（一）膜脂的流動性（一）膜脂的流動性晶態(tài)晶態(tài)液態(tài)液態(tài)相變相變相變溫度相變溫度液晶態(tài)液晶態(tài)構(gòu)成生物膜的各種膜脂分子的相變溫度不構(gòu)成生物膜的各種膜脂分子的相變溫度不相同，使得某一溫度下，有的脂質(zhì)呈液態(tài)，相同，使得某一溫度下，有的脂質(zhì)呈液態(tài)，有的脂質(zhì)是晶態(tài)，不同狀態(tài)的脂質(zhì)各自匯有的脂質(zhì)是晶態(tài)，不同狀態(tài)的脂質(zhì)各自匯集而發(fā)生相分離，形成膜脂的流動。集而發(fā)

18、生相分離，形成膜脂的流動。v 側(cè)向擴散側(cè)向擴散 (lateral diffusion) v 旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動 (rotation) v 彎曲運動彎曲運動 (flexion) v 翻轉(zhuǎn)運動翻轉(zhuǎn)運動 (flip-flop) 膜脂分子的運動方式膜脂分子的運動方式（二）膜蛋白的流動性（二）膜蛋白的流動性v旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動v側(cè)向運動側(cè)向運動內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合內(nèi)在蛋白與骨架作用內(nèi)在蛋白與骨架作用 （三）影響膜脂流動性的因素（三）影響膜脂流動性的因素v脂肪酸鏈的飽和程度和長度脂肪酸鏈的飽和程度和長度v膽固醇的影響膽固醇的影響v卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂的比例鞘磷脂的比例v蛋白質(zhì)的影響蛋白質(zhì)的影響 （四）膜流動性的意義（四）膜流動性的意義v物質(zhì)運輸物質(zhì)運輸v酶的活性酶的活性v細胞信息傳遞細胞信息傳遞v細胞周期細胞周期v細胞分化細胞分化（一）膜脂的不對稱性（一）膜脂的不對稱性二、生物膜的不對稱性二、生物膜的不對稱性磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇鞘磷脂磷脂酰膽堿