細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能

(第五、七、八、十章)細(xì)胞生物學(xué)及遺傳學(xué)教研室蒲淑萍2012年2月生物膜細(xì)胞膜(質(zhì)膜)細(xì)胞內(nèi)膜相結(jié)構(gòu)厚7-10nm單位膜(unitmembrane)：“兩暗夾一明”的電鏡圖像。示單位膜“兩暗夾一明”的結(jié)構(gòu)生物膜功能概述

區(qū)間化、物質(zhì)交換、信息傳遞、細(xì)胞間的相互作用、能量轉(zhuǎn)換、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等。主要有脂類、蛋白質(zhì)、糖、水、無機(jī)鹽、金屬離子等。第五章細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)和特性第一節(jié)膜的化學(xué)組成

膜的化學(xué)組成（％）

膜的類別蛋白質(zhì)脂類糖類蛋白質(zhì)/脂類髓鞘187930.23質(zhì)膜血小板33-4250-517.50.66-0.8人工紅細(xì)胞494381.1大鼠肝細(xì)胞4642（5-10）1.09鹽桿菌紫膜752503.0

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜67332.02.0線粒體內(nèi)膜7624（1-2）3.2菠菜葉綠體片層703002.3

一、膜脂(membranelipid)◆種類：包括磷脂、膽固醇(CI)、糖脂三類，以磷脂含量最多，不同的生物膜中它們含量不同。卵磷脂（磷脂酰膽堿，PC）腦磷脂（磷脂酰乙醇胺，PE）●磷酸甘油酯磷脂酰絲氨酸（PS）磷脂酰肌醇（PI）心磷脂（二磷脂酰甘油）●鞘磷脂（SM）磷脂鞘氨醇磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰膽堿鞘磷脂

膽固醇類固醇環(huán)是剛性平面，可提高膜的剛性和微粘度；另一方面，它疏水的分支脂肪烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又增加膜局部微區(qū)的無序性，使膜流動(dòng)性增加。1.半乳糖腦苷脂2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂3.唾液酸

糖脂◆膜脂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兼性分子(雙親媒性分子)非極性尾部疏水性極性頭部親水性

(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán) (b)球形脂質(zhì)體(c)平面脂質(zhì)體膜(d)用于轉(zhuǎn)基因或疾病治療的脂質(zhì)體◆膜脂分子的物理特性二、膜蛋白（membraneprotein）其種類、含量決定膜的功能。按照與膜的結(jié)合關(guān)系分成二類：

1.

膜整合蛋白質(zhì)（integralmembraneprotein）內(nèi)在蛋白、鑲嵌蛋白、跨膜蛋白

2.膜外在蛋白質(zhì)（peripheralprotein）周圍蛋白、外周蛋白

內(nèi)在膜蛋白

多為兩性分子。

水不溶性蛋白，多以α-螺旋單次或多次穿膜，與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑使膜崩解才能分離下來。

位于膜兩側(cè)，以共價(jià)鍵與脂雙層分子結(jié)合，稱脂質(zhì)錨定蛋白(lipid-anchoredprotein)。

外在膜蛋白

水溶性蛋白,位于膜兩側(cè)，靠離子鍵、氫鍵與脂分子極性頭部或膜表面的蛋白質(zhì)分子非共價(jià)結(jié)合，易從膜上分離。（血影蛋白）（血型糖蛋白）（帶3蛋白）（錨蛋白）（肌動(dòng)蛋白纖維）三、膜糖

主要與膜蛋白和膜脂分子共價(jià)結(jié)合，而形成糖蛋白、糖脂，所有糖鏈伸向細(xì)胞膜外表面，膜糖以短的寡糖鏈（直鏈、分支鏈）形式存在。

構(gòu)成細(xì)胞外被(衣)(cellcoat)或糖萼(glycocalyx)（p51，自學(xué)第六章）

功能：保護(hù)、細(xì)胞識(shí)別、決定血型等思考：為什么所有膜糖鏈伸向細(xì)胞膜外表面？示血紅細(xì)胞膜上糖蛋白的分布糖鏈構(gòu)成的細(xì)胞外被（糖萼）示小腸上皮細(xì)胞的外衣紅細(xì)胞質(zhì)膜上糖脂的糖鏈結(jié)構(gòu)決定ABO血型Gal:半乳糖GalNAc:N-乙酰半乳糖胺Fuc:巖藻糖思考：糖蛋白、糖脂的糖鏈差異是如何形成的？第二節(jié)膜的分子結(jié)構(gòu)膜的分子結(jié)構(gòu)模型1902，Overton，細(xì)胞膜由脂類構(gòu)成1925，Gorter等，膜由雙層脂類構(gòu)成1935，Denielli等，片層結(jié)構(gòu)模型1972，Singer等，液態(tài)鑲嵌模型1975，Wallach，晶格鑲嵌模型1977，Jain等，板塊鑲嵌模型1959，Robertson，單位膜模型脂筏模型(lipidraftsmodel)液態(tài)鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）

觀點(diǎn)：1.流動(dòng)的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體；

(流動(dòng)性,有序性)2.球狀蛋白質(zhì)鑲嵌或附著在脂雙層中。

(分布不對(duì)稱性)缺陷：忽視蛋白質(zhì)對(duì)脂類流動(dòng)性的控制；忽視膜各部分流動(dòng)性的不均一性。脂筏模型（lipidraftsmodel）脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域，其中聚集一些特定種類的蛋白質(zhì)。這些區(qū)域較膜的其它部分厚，更有秩序且較少流動(dòng)，其周圍是富含不飽和磷脂的流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏直徑約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的脂雙分子層的外層。脂筏與小窩蛋白（caveloin）結(jié)合后內(nèi)陷形成小窩，參與跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。特點(diǎn)：一是許多蛋白質(zhì)聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用；二是脂筏提供一個(gè)有利于蛋白質(zhì)變構(gòu)的環(huán)境，使形成有效的構(gòu)象。一、膜的不對(duì)稱性膜蛋白分布的不對(duì)稱膜脂分布的不對(duì)稱膜糖分布的不對(duì)稱第三節(jié)膜的特性膜功能的方向性冰凍蝕刻復(fù)型技術(shù)示意圖外層內(nèi)層冰凍蝕刻復(fù)型技術(shù)示意圖膜蛋白分布的不對(duì)稱★各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域?！锬承┠さ鞍字挥性谔囟ぶ嬖跁r(shí)才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合于膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。（血型糖蛋白）（帶3蛋白）（血影蛋白）血紅細(xì)胞膜蛋白及膜糖的不對(duì)稱分布（錨蛋白）（肌動(dòng)蛋白纖維）SM,鞘磷脂PC,磷脂酰膽堿PS,磷脂酰絲氨酸PE,磷脂酰乙醇胺PI,磷脂酰肌醇Cl,膽固醇

膜脂分布的不對(duì)稱性★膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在脂筏在膜上的存在位置。二、膜的流動(dòng)性（一）膜脂的流動(dòng)性1.側(cè)向擴(kuò)散2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3.擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)4.伸縮震蕩5.翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)（二）膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性

運(yùn)動(dòng)方式：側(cè)向擴(kuò)散、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散、構(gòu)象變化、蛋白多聚體的聚合及解聚等

實(shí)驗(yàn)證據(jù)：熒光標(biāo)記技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)等

（三）影響膜流動(dòng)性的因素（1）脂肪酸鏈的長度和不飽和程度（2）膽固醇的雙向調(diào)節(jié)（3）卵磷脂與鞘磷脂的比例（4）膜蛋白的影響（5）其他因素（環(huán)境溫度、pH、離子強(qiáng)度等）脂肪酸鏈的長度和不飽和程度的影響膽固醇的影響膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性受細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架的控制（肌動(dòng)蛋白纖維）（血影蛋白）晶態(tài)液晶態(tài)液態(tài)溫度對(duì)膜流動(dòng)性的影響第七章細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸穿膜運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸人工脂雙層膜對(duì)不同分子的相對(duì)通透性一、被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）

特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、跨膜動(dòng)力、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

類型：簡單擴(kuò)散、離子通道擴(kuò)散、易化擴(kuò)散

膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

通道蛋白（channelprotein）——只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸；具有離子選擇性；轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，瞬間進(jìn)行；離子通道是門控的，包括電壓門通道、配體門通道、機(jī)械門通道。

載體蛋白（carrierprotein）——介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸；通過蛋白質(zhì)構(gòu)象變化轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)。通道蛋白模式圖通道蛋白肽鏈以α螺旋7次穿膜，中間形成親水通道2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)PeterAgreRoderickMacKinnon

因?qū)?xì)胞膜水通道、離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲獎(jiǎng)。簡單(單純)擴(kuò)散與易化擴(kuò)散的比較示簡單擴(kuò)散A:電壓門通道;B、C:配體門通道;D:機(jī)械門(壓力激活)通道

含羞草的閉葉反應(yīng)內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞的感應(yīng)耳蝸覆膜聽毛細(xì)胞聽覺神經(jīng)纖維纖毛通道關(guān)閉通道開啟正電離子進(jìn)入基膜纖毛束傾斜示載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散(如紅細(xì)胞膜對(duì)胞外葡萄糖、氨基酸、核苷酸的攝取)二、主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）●特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、能量消耗、載體蛋白●類型：

離子泵，由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸

鈉鉀泵(Na+_K+_ATPase,結(jié)構(gòu)、機(jī)制與意義？)

鈣泵(Ca2+-ATP酶)

質(zhì)子泵(H+-ATP酶)

伴隨或協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）

由Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用， 靠間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。機(jī)制：磷酸化與去磷酸化作用對(duì)蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)；蛋白質(zhì)變構(gòu)；對(duì)運(yùn)輸（親K+構(gòu)象）（親Na+構(gòu)象）（ATP結(jié)合位點(diǎn)）1996Na+-K+ATPase（TheNobelPrizein

Chemistry）Na+_K+泵（或H+泵）與載體蛋白的協(xié)同運(yùn)輸小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)吸收葡萄糖(GL)示意圖Na+/葡萄糖共運(yùn)輸載體葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體小腸絨毛介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的兩種載體蛋白在細(xì)胞膜上的不對(duì)稱分布Na+/葡萄糖共運(yùn)輸載體葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體緊密連接離子通道典型位置功能K+通道大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜維持膜靜息電位電壓門控Na+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突質(zhì)膜產(chǎn)生動(dòng)作電位電壓門控K+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突質(zhì)膜在一個(gè)動(dòng)作電位之后恢復(fù)靜息電位電壓門控Ca2+通道神經(jīng)終末質(zhì)膜激發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放乙酰膽堿受體通道肌細(xì)胞（在神經(jīng)肌肉接頭處）質(zhì)膜興奮性突觸信號(hào)GABA受體通道（GABA門控Cl-通道）多數(shù)神經(jīng)元（突觸）質(zhì)膜抑制性突觸信號(hào)壓力激活的陽離子通道內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞感覺聲波震動(dòng)參與穿膜運(yùn)輸?shù)碾x子通道參與穿膜運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白載體蛋白位置能量來源功能葡萄糖載體蛋白大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜無被動(dòng)輸入葡萄糖Na+驅(qū)動(dòng)的葡萄糖泵腎與腸上皮細(xì)胞頂部質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸入葡萄糖Na+-H+交換器動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸出H+離子，調(diào)節(jié)pHNa+-K+泵大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜水解ATP主動(dòng)輸出Na+,輸出K+Ca2+泵真核細(xì)胞質(zhì)膜水解ATP主動(dòng)運(yùn)輸Ca2+H+泵動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜水解ATP從細(xì)胞質(zhì)中主動(dòng)輸入H+載體蛋白參與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男问紺oupledtransport單運(yùn)輸共運(yùn)輸對(duì)運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸

完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，又稱囊泡運(yùn)輸。屬于主動(dòng)運(yùn)輸。包括胞吞作用（endocytosis）

與胞吐作用（exocytosis）。第二節(jié)膜泡運(yùn)輸一、胞吞作用●吞噬作用(phagocytosis):多細(xì)胞的動(dòng)物具有專門的吞噬細(xì)胞，即巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等?！癜嬜饔?pinocytosis)：主要存在于變形蟲、小腸上皮細(xì)胞、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞等。●受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用(receptormediatedendocytosis)：通過細(xì)胞膜上特異性受體及膜囊泡系統(tǒng)完成的特異性很強(qiáng)的物質(zhì)吸收過程。示吞噬作用過程吞噬體溶酶體吞噬作用示意圖變形蟲伸出偽足吞噬細(xì)菌巨噬細(xì)胞正在接近并吞噬細(xì)菌巨噬細(xì)胞吞噬紅細(xì)胞示胞飲作用受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（有被小泡運(yùn)輸）如細(xì)胞對(duì)膽固醇的攝?。?/p>

●LDL顆粒、Apo-Bprotein（載脂蛋白B，LDL受體的配體）●LDL受體●籠蛋白(clathrin)（被蛋白、網(wǎng)格蛋白）●有被小窩、有被小泡、無被小泡●(胞)內(nèi)體（endosome）●受體及籠蛋白的循環(huán)再利用●溶酶體的水解

受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程的電鏡照片（鳥類卵細(xì)胞攝取卵黃