医学细胞生物学课件第五章 全部.ppt

第五章 细胞膜及其表面（CELLMEMBRANEANDITSSURFACE）细细 胞胞 膜膜（cell membrane）：又又 称称 质质 膜膜（plasmamembrane）内膜：内膜：形成各种细胞器的膜形成各种细胞器的膜生物膜（生物膜（biomembrane）：）：质膜和内膜的总称质膜和内膜的总称第一节 细胞膜的分子结构和特性细胞膜的分子结构和特性主主要要由由膜膜脂脂和和膜膜蛋蛋白白组组成成，还还有有少少量量糖糖、水水、无无机机盐盐及及金属离子金属离子糖糖以以糖脂糖脂和和糖蛋白糖蛋白形式存在形式存在不不同同生生物物膜膜上上脂脂质质和和蛋蛋白白质质的的比比例例有有所所不不同同，多多数数细胞膜脂类和蛋白质含量大致相等细胞膜脂类和蛋白质含量大致相等一、膜的化学组成一、膜的化学组成（一）膜脂（一）膜脂膜脂主要包括膜脂主要包括磷脂磷脂和和胆固醇，胆固醇，有的膜还有有的膜还有糖脂糖脂1.磷脂（磷脂（phospholipid）最主要的脂质，分为最主要的脂质，分为磷酸甘油脂磷酸甘油脂和和鞘磷脂鞘磷脂磷酸甘油脂磷酸甘油脂最简单形式：最简单形式：磷脂酸磷脂酸-以甘油为骨架，以甘油为骨架，1、2位羟位羟基与脂肪酸、基与脂肪酸、3位与磷酸形成酯键。

位与磷酸形成酯键以磷脂酸为前体合成其它膦酸甘油酯，主以磷脂酸为前体合成其它膦酸甘油酯，主要有：要有：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸等磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱OHPOOO-C H2H CH2COOCOCOR1R2PE磷脂酸磷脂酸磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱 鞘磷脂鞘磷脂鞘鞘磷磷脂脂以以鞘鞘胺胺醇醇代代替替磷磷酸酸甘甘油油酯酯中中的的甘甘油油，只只有有一条脂肪酸链一条脂肪酸链脑脑和和神神经经细细胞胞膜膜中中特特别别丰丰富富，原原核核和和植植物物细细胞胞膜膜中不含磷脂的主要特征：磷脂的主要特征：极性头（亲水）、非极性尾极性头（亲水）、非极性尾（脂肪酸链，疏水）；（脂肪酸链，疏水）；脂肪酸链碳为偶数，碳原子数脂肪酸链碳为偶数，碳原子数=12-24，以，以16与与18居多；居多；常含一条不饱和脂肪酸（含双常含一条不饱和脂肪酸（含双键），另一条则饱和键），另一条则饱和2.胆固醇（胆固醇（cholesterol）动物细胞膜中含量较高动物细胞膜中含量较高加加强强质质膜膜，调调节节膜膜流流动动性性，阻阻止止磷磷脂脂凝凝集集成成晶晶体结构。

体结构约占约占5，神经细胞膜含量高神经细胞膜含量高由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合形成由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合形成3.糖脂（糖脂（glycolipid）神经节苷脂神经节苷脂脑苷脂脑苷脂脂质体脂质体（二）膜蛋白（二）膜蛋白占核基因组编码蛋白质的占核基因组编码蛋白质的20-25%；膜功能差异主要在于所含蛋白质不同；膜功能差异主要在于所含蛋白质不同；膜蛋白主要为球状蛋白质，可为单体或多聚体；膜蛋白主要为球状蛋白质，可为单体或多聚体；根据与脂分子的结合方式分为：根据与脂分子的结合方式分为：膜内在蛋白膜内在蛋白（integralprotein）膜周边蛋白膜周边蛋白（peripheralprotein）又称又称镶嵌蛋白（镶嵌蛋白（mosaicprotein），），通过蛋白质上通过蛋白质上的疏水区域结合膜脂疏水区，穿过膜的疏水区域结合膜脂疏水区，穿过膜1次或多次，次或多次，亦称亦称跨膜蛋白（跨膜蛋白（transmembraneprotein）1.膜内在蛋白质（膜内在蛋白质（integralprotein）疏水性穿膜区疏水性穿膜区疏水性穿膜区疏水性穿膜区 亲水区亲水区亲水区亲水区亲水区亲水区亲水区亲水区与膜结合紧密，与膜结合紧密，非水溶性，只有非水溶性，只有用去垢剂类剧烈用去垢剂类剧烈条件才能从膜上条件才能从膜上溶解下来。

溶解下来不直接与脂双层疏水区相连不直接与脂双层疏水区相连分布于膜内外表面（内表面居多），水溶性，容易分布于膜内外表面（内表面居多），水溶性，容易从膜上分离下来从膜上分离下来1.膜周边蛋白质（膜周边蛋白质（peripheralprotein）周边蛋白有的通过周边蛋白有的通过寡糖链寡糖链与与脂双层表面脂双层表面结合：共价结合共价结合与脂肪酸链与脂肪酸链与脂肪酸链与脂肪酸链形成形成形成形成酰胺键酰胺键酰胺键酰胺键锚定至膜上锚定至膜上锚定至膜上锚定至膜上与异戊二烯基与异戊二烯基与异戊二烯基与异戊二烯基团形成团形成团形成团形成硫酯键硫酯键硫酯键硫酯键锚定至膜上锚定至膜上锚定至膜上锚定至膜上有的直接通过有的直接通过端部氨基酸残基端部氨基酸残基与与脂分子脂分子极性头部极性头部结合结合附着在其他膜蛋白上的周边蛋白附着在其他膜蛋白上的周边蛋白附着附着附着附着膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白周周周周边边蛋白蛋白蛋白蛋白周周周周边边蛋白蛋白蛋白蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白有的则有的则附着在其它膜蛋白上间接与膜结合：在其它膜蛋白上间接与膜结合：膜蛋白的两种存在形式：膜蛋白的两种存在形式：镶嵌蛋白镶嵌蛋白和和周边蛋白周边蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白(1)运输蛋白运输蛋白(2)受体蛋白受体蛋白(3)酶酶(4)连接蛋白连接蛋白膜蛋白的功能膜蛋白的功能膜蛋白的功能膜蛋白的功能有的膜蛋白兼具两种功能有的膜蛋白兼具两种功能膜蛋白膜蛋白（三）膜糖（三）膜糖主主要要为为寡寡糖糖，以以寡寡糖糖链链的的形形式式与与脂脂类类和和蛋蛋白白质质共共价价 形形 成成 糖糖 脂脂（glycolipid）和和 糖糖 蛋蛋 白白（glycoprotein）。

糖蛋白糖蛋白糖脂糖脂胞外面胞外面胞外面胞外面胞质面胞质面胞质面胞质面磷脂磷脂肽链肽链糖基糖基糖蛋白的寡糖蛋白的寡糖链糖链糖蛋白的寡糖蛋白的寡糖链糖链糖脂的寡糖脂的寡糖链糖链糖脂的寡糖脂的寡糖链糖链膜糖与膜糖与质膜的膜的结构关系构关系图解解E.Overton1895推推测测细细胞胞膜膜由由连连续续的的脂脂类类物物质组成E.Gorter等等1925推推测测细细胞胞膜膜由由双双层层脂脂分分子子组组成二、膜的分子结构二、膜的分子结构 片层结构模型片层结构模型J.Danielli&H.Davson发发现现质质膜膜的的表表面面张张力力比比油油水水界界面面的的张张力力低低得得多多，于于1935年年提提出出三三明明治治模型（片层结构模型）：模型（片层结构模型）：蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质蛋白质单位膜模型单位膜模型JD.RobertsonJD.Robertson 19571957根根据据电电镜镜观观察察提提出出单单位位膜膜模模型型厚厚约约7.5nm7.5nm，特特征征“两两暗暗一一明明”内内外外为为电电子子密密度度高高的的暗暗线线，中中间间为为电电子子密密度度低低的明线各各种种细细胞胞的的细细胞胞膜膜以以及及各各种种细细胞胞内内膜膜在在电电镜镜下下都都呈呈“暗暗-明明-暗暗”的三层式结构的三层式结构，称，称单位膜单位膜：单位位膜膜 现指指在在EMEM下下呈呈现“暗暗-明明-暗暗”三三层式式结构构、由脂蛋白构成的任何一由脂蛋白构成的任何一层膜。

膜蛋白质蛋白质脂类脂类暗线暗线 明线明线 暗线暗线 横横切切面面 液态镶嵌模型液态镶嵌模型S.J.Singer&G.Nicolson根根据据免免疫疫荧荧光光、冰冰冻冻蚀蚀刻刻等等技技术术的的研研究究结结果果，提提出出了了“液液态态镶镶嵌嵌模模型型”（Fluid-mosaic model），获，获1972年诺贝尔奖年诺贝尔奖细胞膜的液态镶嵌模型细胞膜的液态镶嵌模型1.1.细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；2.2.磷磷脂脂分分子子以以疏疏水水性性尾尾部部相相对对，极极性性头头部部朝朝向向两两面面组组成生物膜骨架；成生物膜骨架；3.3.蛋蛋白白质质或或嵌嵌在在脂脂双双层层表表面面、或或嵌嵌在在其其内内部部、或或横横跨跨脂双层，表现出分布的不对称性脂双层，表现出分布的不对称性The“centraldogma”ofmembranebiology 强调了膜的流动性和膜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动的不均一性生物膜中流动的脂质是在可逆的进行无序（液态）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。

动具有控制作用晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型板块镶嵌模型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）分割无序结构的板块）分割脂筏模型脂筏模型三、膜的理化特性三、膜的理化特性（一）膜的不对称性（一）膜的不对称性（asymmetry）膜内外两层结构和功能上有很大差异膜内外两层结构和功能上有很大差异1 1膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性：各种膜蛋白在膜中有特定排布：各种膜蛋白在膜中有特定排布方向，方向，其不对称性是绝对的其不对称性是绝对的2 2膜脂的不对称性膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布胆固醇和磷脂胆固醇和磷脂等的等的不对称性分布是相对的不对称性分布是相对的，糖脂糖脂（及糖蛋白）（及糖蛋白）只分布于细胞膜的外表面，只分布于细胞膜的外表面，其不对称性分其不对称性分布是绝对的布是绝对的The asymmetrical distribution of phospholipids and glycolipids in the lipid bilayer of human red blood cells.（二）膜的流动性（二）膜的流动性包括包括膜脂的流动性膜脂的流动性和和膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性。

1、膜脂的流动性（、膜脂的流动性（fluidity）旋转异构化运动旋转异构化运动：即烃链绕某一个：即烃链绕某一个-键旋转脂肪酸链的伸缩和震荡运动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：脂肪酸链沿着与平面垂直的长轴进行伸缩轴进行伸缩旋转运动旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转侧向扩散运动侧向扩散运动：磷脂分子在脂平面内的平移运动磷脂分子在脂平面内的平移运动翻转运动翻转运动：膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至另一层膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至另一层侧向扩散运动；侧向扩散运动；旋转运动；旋转运动；摆动运动摆动运动伸缩震荡运动；伸缩震荡运动；翻转运动；翻转运动；旋转异构化运动旋转异构化运动The lateral diffusion of membrane lipids can demonstrated experimentally by a technique called Fluorescence Recovery After Photobleaching(FRAP).光脱色恢复技术光脱色恢复技术2 2、膜蛋白的运动性（、膜蛋白的运动性（mobilitymobility）侧向扩散侧向扩散：膜蛋白在脂质双层二维平面中可以自由扩散。

膜蛋白在脂质双层二维平面中可以自由扩散旋转扩散旋转扩散：膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动3 3、影响膜流动性的因素影响膜流动性的因素 脂肪酸链的长短及不饱和程度脂肪酸链的长。