同濟(jì)大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)課件-細(xì)胞膜

1、第八章 細(xì)胞膜(cell membrane)第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成第二節(jié) 細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型第三節(jié) 細(xì)胞膜受體第四節(jié) 細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)谖骞?jié) 細(xì)胞外被與細(xì)胞識別、細(xì)胞免疫細(xì)胞表面（cell surface)包圍在細(xì)胞質(zhì)外層的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)體系和多功能體系，是細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與外環(huán)境相互作用并產(chǎn)生各種復(fù)雜功能的部位廣義的細(xì)胞表面還包含細(xì)胞連接和細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)(如鞭毛、纖毛、微絨毛、細(xì)胞內(nèi)摺)等細(xì)胞表面示意圖細(xì)胞表面的功能支持保護(hù) 細(xì)胞識別粘著運(yùn)動遷移 免疫應(yīng)答物質(zhì)運(yùn)輸 信息轉(zhuǎn)導(dǎo) 細(xì)胞分裂細(xì)胞分化 衰老及病變 癌變是分子細(xì)胞生物學(xué)研究的新領(lǐng)域細(xì)胞膜(cell membrane)質(zhì)膜(plas

2、ma membrane)：包圍在細(xì)胞質(zhì)外面的一層生物膜。細(xì)胞膜的功能細(xì)胞屏障：使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)和外界環(huán)境之間分隔開來，使細(xì)胞具有相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。具有高度選擇性的半透膜，能進(jìn)行主動運(yùn)輸，在細(xì)胞內(nèi)外形成不同的離子濃度。接受外界信號的傳感器，使細(xì)胞能對環(huán)境變化產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成一、膜脂 （一）膜脂的種類 （二）脂肪的分子運(yùn)動 （三）膜脂的流動性 （四）膜脂的不對稱性二、膜蛋白 （一）膜蛋白的類型 （二）膜蛋白的不對稱性分布 （三）膜蛋白在膜內(nèi)的運(yùn)動三、膜糖類一、膜脂膜脂膜蛋白膜糖其它（一）膜脂的種類磷脂糖脂 膽固醇（原核細(xì)胞無） 1.磷脂磷酸甘油脂（甘油的衍生物）神經(jīng)鞘磷脂（鞘氨

3、醇或神經(jīng)鞘氨醇的衍生物 幾種主要的磷酸甘油脂第一節(jié)神經(jīng)鞘磷脂的分子構(gòu)成：一個鞘氨醇骨架一條脂肪酸鏈一個磷酸膽堿 2.糖脂一個或多個糖單位代替鞘磷脂的磷酰膽堿單位后就構(gòu)成了糖脂。半乳糖腦苷脂最簡單的糖脂僅含一個半乳糖殘基神經(jīng)節(jié)苷脂最復(fù)雜、變化最多的糖脂含有1個或幾個唾液酸唾液酸又名N-乙酰神經(jīng)氨酸3、膽固醇膽固醇與脂雙層（二）膜脂的分子運(yùn)動側(cè)向擴(kuò)散翻轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動彎曲運(yùn)動（三）膜脂的流動性影響膜流動性的幾個因素：脂肪酸鏈的長度脂肪酸鏈的飽和程度膽固醇的含量（四） 膜脂的不對稱性不同脂類分子在脂雙層的內(nèi)外兩層中的分布有差異。人紅細(xì)胞膜中磷脂 的分布 外層 鞘磷脂 大多數(shù)磷脂酰膽堿脂雙層 內(nèi)層 磷脂

4、酰絲氨酸 磷脂酰乙醇胺糖脂的低聚糖側(cè)鏈只分布在細(xì)胞膜外側(cè)和內(nèi)膜系統(tǒng)的非細(xì)胞質(zhì)側(cè)二、膜蛋白膜蛋白(membrane protein)：細(xì)胞膜所含的蛋白質(zhì)占細(xì)胞總蛋白量的25膜的各種功能主要由膜蛋白來完成膜蛋白的主要功能運(yùn)輸?shù)鞍?能轉(zhuǎn)運(yùn)特殊的分子和離子出入細(xì)胞酶 能催化各部分的化學(xué)反應(yīng)連接蛋白 把細(xì)胞骨架與相鄰細(xì)胞或細(xì)胞外基質(zhì)相連接起來受體 接收和轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞外的化學(xué)信號等（一）膜蛋白的類型 膜內(nèi)在蛋白 （鑲嵌蛋白或整合蛋白）膜蛋白 （integral protein) 膜周邊蛋白 (peripheral protein單次穿膜 多次穿膜 非穿越性共價結(jié)合 肽鏈與磷脂酰肌醇結(jié)合 非共價地結(jié)合在鑲嵌蛋白

5、上第一節(jié)(二)膜蛋白的不對稱性分布分布的不對稱性跨膜蛋白有方向性糖鏈分布的不對稱性(三)膜蛋白在膜內(nèi)的運(yùn)動三、膜糖類細(xì)胞外被(cell coat) 糖萼(glycocalyx)動物的細(xì)胞膜外面的一層絨毛狀的含糖物質(zhì)，厚約200nm由構(gòu)成細(xì)胞膜糖蛋白、糖脂等的糖鏈向外伸展交織而成屬于質(zhì)膜的一部分第二節(jié) 細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型一、片層結(jié)構(gòu)模型二、單位膜模型 三、液態(tài)鑲嵌模型一、片層結(jié)構(gòu)模型1935年J. Danielli和 H. Davson提出兩層磷脂分子構(gòu)成膜脂雙層疏水脂肪酸鏈在膜的內(nèi)部彼此相對親水端則朝向膜的內(nèi)外表面球形蛋白質(zhì)分子附著在脂雙層兩側(cè)表面蛋白質(zhì)磷脂蛋白質(zhì)三層夾板式結(jié)構(gòu)二、單位膜模型

6、1959年，Robertson用電鏡觀察細(xì)胞膜，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜呈三層式結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)為電子密度高的暗線，中間為電子密度低的明線， “兩暗一明”，稱為單位膜單位膜模型明線部分是膜中間的雙層脂類分子暗線部分則為膜兩側(cè)的單層蛋白質(zhì)分子蛋白質(zhì)以單層肽鏈折疊形式存在，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合該學(xué)說提出了各種生物膜在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的共性三、液態(tài)鑲嵌模型(fluid mosaic model) 1972年 Singer和 Nicolson二維排列的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體球形蛋白質(zhì)分子以各種形式與脂雙分子層相結(jié)合既具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動性以動態(tài)的觀點(diǎn)分析膜中各種化學(xué)組分的相互關(guān)系，比較合理地解

7、釋了膜中的生理現(xiàn)象液態(tài)鑲嵌模型圖細(xì)胞膜的主要功能： 屏障作用 物質(zhì)運(yùn)輸 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第三節(jié) 細(xì)胞膜受體細(xì)胞表面受體（cell surface receptor）膜受體(membrane receptor)細(xì)胞膜受體：細(xì)胞接受外界信號的特殊裝置配體 (ligand)激素、神經(jīng)遞質(zhì)、化學(xué)藥物、細(xì)胞因子、細(xì)菌毒素等通過細(xì)胞膜受體識別與結(jié)合，經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的作用，轉(zhuǎn)變成細(xì)胞內(nèi)信使，對細(xì)胞產(chǎn)生效應(yīng)（一）膜受體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)化學(xué)成分：糖蛋白（跨膜糖蛋白） 糖脂結(jié)構(gòu)：細(xì)胞外域（親水部分）跨膜域（疏水部分）細(xì)胞內(nèi)域（親水部分）結(jié)構(gòu)域(domain)二、膜受體的生物學(xué)特性特異性高親和性可飽和性可逆性一、簡單擴(kuò)散二

8、、協(xié)助擴(kuò)散 （一）離子通道蛋白協(xié)助擴(kuò)散 （二）載體蛋白協(xié)助擴(kuò)散三、主動運(yùn)輸 （一）Na-K泵主動運(yùn)輸 （二） Ca2 泵的主動運(yùn)輸 （三）離子梯度驅(qū)動的主動運(yùn)輸四、膜泡運(yùn)輸 （一）胞吞作用 （二）胞吐作用第四節(jié) 細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸膜物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕绞紸-簡單擴(kuò)散B、C-協(xié)助擴(kuò)散D-主動運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸 一、簡單擴(kuò)散物質(zhì)從高濃度向低濃度的穿膜運(yùn)動不需要消耗細(xì)胞本身的代謝能不需要專一的膜蛋白分子協(xié)助 簡單擴(kuò)散的物質(zhì)脂溶性物質(zhì) 苯、醇、甾類激素氣體 O2、CO2、N2極性小分子 H2O、尿素、甘油脂雙層的通透性二、協(xié)助擴(kuò)散（易化擴(kuò)散、幫助擴(kuò)散）借助于跨膜蛋白順濃度梯度進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸，不消耗代謝能通道蛋白協(xié)助

9、擴(kuò)散載體蛋白協(xié)助擴(kuò)散（一）通道蛋白及通道蛋白的協(xié)助擴(kuò)散跨膜蛋白形成親水性通道允許相應(yīng)的離子順濃度梯度瞬間大量通過離子通道類型和調(diào)節(jié)機(jī)制電壓閘門通道 受膜電位變化控制配體閘門通道 配體與特異受體結(jié)合時閘門開放離子閘門通道 受膜兩側(cè)特異離子濃度的變化的影響開放（二）載體蛋白協(xié)助擴(kuò)散跨膜蛋白利用構(gòu)象發(fā)生變化，將被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)從膜的一側(cè)轉(zhuǎn)移至膜的另一側(cè)。三、主動運(yùn)輸（active transport)利用代謝能驅(qū)動物質(zhì)逆濃度梯度通過細(xì)胞膜（一）Na-K泵主動運(yùn)輸Na、K的轉(zhuǎn)運(yùn)與 ATP的水解緊密偶聯(lián)Na+和 ATP存在于細(xì)胞內(nèi)、 K 存在于細(xì)胞外測時才能發(fā)生離子轉(zhuǎn)運(yùn)和 ATP水解烏本苷與 K競爭 ATP酶

10、的結(jié)合部位一個 ATP酶每秒鐘可水解1000個 ATP分子，水解每一個 ATP分子可排出3個 Na+，攝入2個 K+轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制第四節(jié)Na-K泵主動運(yùn)輸細(xì)胞外間隙細(xì)胞基質(zhì)第四節(jié)（二）Ca2泵主動運(yùn)輸細(xì)胞質(zhì)中Ca2濃度極低(107 mol/L)細(xì)胞外 Ca2濃度很高(約103 mol/L)細(xì)胞膜上的 Ca2泵將 Ca2轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外肌細(xì)胞中Ca2泵主要存在于肌漿網(wǎng)膜上（三）離子梯度驅(qū)動的主動運(yùn)輸當(dāng)腸腔中葡萄糖濃度低時，小腸上皮細(xì)胞通過Na+載體的易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)Na+的同時，伴隨主動運(yùn)輸葡萄糖。小腸上皮細(xì)胞吸收腸腔中葡萄糖的過程特點(diǎn)：ATP間接供能 Na 濃度梯度直接供能是一種協(xié)同運(yùn)輸單運(yùn)輸與協(xié)同運(yùn)輸單運(yùn)

11、輸 如：Ca2泵、H 泵的運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸對向運(yùn)輸 Na-K泵運(yùn)輸共運(yùn)輸 上皮細(xì)胞從腸腔吸收葡萄糖的運(yùn)輸四、膜泡運(yùn)輸細(xì)胞在轉(zhuǎn)運(yùn)大分子和顆粒物質(zhì)的過程中，物質(zhì)被包裹在膜脂雙層圍繞的囊泡中進(jìn)行運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸?shù)念愋桶套饔?endocytosis)胞吐作用(exocytosis)結(jié)構(gòu)性分泌途徑(constitutive pathway of secretion)調(diào)節(jié)性分泌途徑(regulated pathway of secretion)吞噬作用 (phagocytosis)胞飲作用(pinocytosis)胞吐與胞吞圖（一）胞吞作用 吞噬作用：細(xì)胞攝入大的顆粒，如微生物或細(xì)胞碎片，形成吞噬泡（phago

12、cytic vesicle）或吞噬體(phagosome)進(jìn)行消化的過程。吞飲作用：細(xì)胞攝入液體和小溶質(zhì)分子形成的胞飲泡(pinocytic vesicle)或胞飲體(pinosome)150nm，進(jìn)行消化的過程。受體介導(dǎo)的胞吞作用 (receptor mediated endocytosis) 特定大分子聚集于有被小窩與其互補(bǔ)的細(xì)胞表面受體結(jié)合，形成受體大分子復(fù)合物有被小窩凹陷，從質(zhì)膜上脫落成為有被小泡，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)相關(guān)結(jié)構(gòu)：有被小窩(coated pit)有被小泡（coated vesicle）籠蛋白(clathrin)低密度脂蛋白（LDL）LDL受體(LDL receptor)LDL受體遺

13、傳缺陷與疾?。ǘ┌伦饔茫ㄍ馀抛饔茫?細(xì)胞內(nèi)某些合成的產(chǎn)物和代謝廢物由膜包圍形成小囊泡，從細(xì)胞內(nèi)部逐步移至細(xì)胞表面，小囊泡的膜與質(zhì)膜融合，將物質(zhì)排出細(xì)胞之外結(jié)構(gòu)性分泌途徑(constitutive pathway of secretion)一些分泌蛋白合成之后被迅速帶到細(xì)胞膜處排出調(diào)節(jié)性分泌途徑(regulated pathway of secretion)有些特化的分泌細(xì)胞合成的激素、神經(jīng)遞質(zhì)、消化酶等，合成之后暫時貯存在細(xì)胞內(nèi)，只有在接受細(xì)胞外信號(如激素)時，分泌囊泡才移至細(xì)胞膜處，與其融合，將分泌物排出分泌途徑黑白圖第五節(jié) 細(xì)胞外被與細(xì)胞識別、細(xì)胞免疫一、細(xì)胞間識別與粘著二、細(xì)胞表面

14、抗原與免疫（一）血型抗原（二）人白細(xì)胞表面的組織相容性抗原（三）B淋巴細(xì)胞表面的免疫球蛋白三、細(xì)胞表面接觸抑制細(xì)胞外被的作用細(xì)胞外被的糖鏈中糖基的排列順序、種類、數(shù)目和結(jié)合部位的不同，是細(xì)胞相互識別、粘著、信號接收、通訊聯(lián)絡(luò)、免疫應(yīng)答等的分子基礎(chǔ)。消化道、呼吸道和生殖道上皮的細(xì)胞表面分泌粘液，有潤滑、防止機(jī)械損傷，抗細(xì)菌感染等作用。 一、細(xì)胞間識別與粘著細(xì)胞識別(cell recognition)：是細(xì)胞與細(xì)胞之間相互辨認(rèn)和鑒別具有種屬特異性和組織特異性受體與配體抗原與抗體受精是同種精子和卵子之間相互識別和結(jié)合的過程各種動物卵細(xì)胞表面受體的糖鏈不同，是同種精子識別和結(jié)合的標(biāo)記，具嚴(yán)格的種屬特異

15、性。海膽受精精子時釋放一種凝集素卵子的卵黃膜上存在特異的受體，是一種特異的糖基轉(zhuǎn)移酶，兩者之間存在互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)關(guān)系受精時通過識別并互補(bǔ)結(jié)合血漿蛋白與唾液酸血漿蛋白糖鏈末端失去唾液酸殘基暴露出次末端的半乳糖肝細(xì)胞表面半乳糖基的受體識別并結(jié)合通過受體介導(dǎo)的胞吞作用，進(jìn)入肝細(xì)胞被溶酶體降解巨噬細(xì)胞識別、吞噬衰老紅細(xì)胞衰老紅細(xì)胞表面糖鏈末端喪失唾液酸暴露出半乳糖被巨噬細(xì)胞識別和吞噬免疫系統(tǒng)能識別入侵的病原體流感病毒易發(fā)生突變，使其抗原性發(fā)生改變，當(dāng)機(jī)體的免疫系統(tǒng)喪失對其識別能力時，將導(dǎo)致流感發(fā)生。腫瘤細(xì)胞表面抗原變異或受到遮蔽時，T細(xì)胞表面受體失去對它的鑒別力，使腫瘤細(xì)胞成為可移植性。胚胎細(xì)胞識別和粘著

16、的機(jī)制將胚胎不同胚層的細(xì)胞分散混合在一起同一胚層的細(xì)胞通過識別而再聚合二、細(xì)胞表面抗原與免疫細(xì)胞表面抗原、膜抗原（membrane antigen） 鑲嵌在細(xì)胞膜上的、具有特定抗原性的糖蛋白或糖脂細(xì)胞免疫：細(xì)胞表面抗原與抗體相互識別并產(chǎn)生免疫應(yīng)答的過程（一）血型抗原存在于人紅細(xì)胞膜上的主要抗原是糖蛋白或糖脂上寡糖鏈的分枝，伸向細(xì)胞外側(cè)。寡糖鏈上糖基的特定結(jié)構(gòu)順序，決定了不同的抗原組合，形成各種血型在人類已發(fā)現(xiàn)的血型有60種以上1ABO血型抗原 2MN血型抗原 跨膜糖蛋白M型者紅細(xì)胞表面有 M抗原N型者有 N抗原MN型者有 M和 N兩種抗原肽鏈有131個氨基酸殘基、第1及第5位 M型為絲氨酸和甘氨酸 N型則是亮氨酸和谷氨酸兩者糖鏈的糖基也有差異(二)人白細(xì)胞表面的組織相容性抗原(human leucocytic antigen，HLA)白細(xì)胞表面的跨膜糖蛋白，由大小兩條肽鏈構(gòu)成是人群個體特異性的標(biāo)志 T細(xì)胞表面有識別 HLA抗原的受體，能識別異體細(xì)胞的 HLA，并與之特異結(jié)合，分泌毒素等活性物質(zhì)直接殺傷外來細(xì)胞。異體器官移植產(chǎn)生排斥反應(yīng)(三) B淋巴細(xì)胞表面的免疫球蛋白免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig) 由兩條重鏈和兩條輕鏈構(gòu)成，重鏈中