第四章 細胞膜及其表面結(jié)構(gòu)

1、細胞膜的功能 1.為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；2.選擇性的物質(zhì)運輸(代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出)；3.提供細胞識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；4.為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應(yīng)高效而有序地進行；5.介導(dǎo)細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接；6.參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。序-生物膜概述細胞表面 細胞外被(cell coat) 細胞膜(cell membrane ) 細胞皮層（cell cortex）l細胞外被-細胞膜表面寡糖鏈形成，或糖萼(glycocalyx)l細胞皮層-細胞膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為細胞膜提供強度和韌性，維持細胞的形態(tài)

2、，并與細胞膜的功能有關(guān)。這部分細胞骨架又稱膜骨架，或細胞皮層 。第四章 細胞膜與物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝还?jié) 細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)第二節(jié) 小分子物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谌?jié) 大分子物質(zhì)的膜泡轉(zhuǎn)運第一節(jié) 細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)一、 細胞膜的化學(xué)組成二、 細胞膜的特性三、 細胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型細胞膜的化學(xué)組成（一）脂類 排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。（二）蛋白質(zhì) 通過非共價鍵與脂雙分子層結(jié)合，執(zhí)行膜的各種功能（三）糖類 通過共價鍵與脂類和蛋白質(zhì)結(jié)合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體（四） 水、無機鹽和少量的金屬離子l 蛋白質(zhì)/脂類比值反應(yīng)膜功能：高膜的功能復(fù)雜，低膜的功能簡單（一）膜脂1. 兼

3、性分子2. 膜脂分子的種類3. 膜脂的流動性4. 膜脂的不對稱性l 生物膜上的脂類稱為膜脂membrane lipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。1.膜脂分子都是兼性分子1.1 兼性分子（amphipathic molecule）： 有一個親水的極性末端和一個疏水的非極性末端的分子，既具親水性又具有疏水性。在水溶液中自動聚攏，使親水的頭部暴露在外面，與水接觸；疏水的尾部埋在里面，避開水相。1.2 在水溶液中的存在狀態(tài) * 球狀的膠態(tài)分子團 * 脂質(zhì)雙分子層-自我組裝和自我修復(fù) 脂質(zhì)體（liposome）：可用于膜功能研究，藥物或DNA載體2. 膜脂分子的種類2

4、.1 磷脂磷脂 主要特征 種類 分子運動2.2 膽固醇膽固醇 存在 含量 功能2.3 糖脂糖脂 主要特征主要特征兼性分子： 具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈）疏水尾部-脂肪酸碳鏈-偶數(shù) *長度：一般在1424C，多數(shù)為16，18或20個，長短不一 *飽和性： 一條鏈為飽和鏈； 另一條鏈為不飽和鏈，常含有1個或幾個雙鍵 *烴鏈的長度和飽和狀態(tài)影響膜的流動性親水頭部-磷酸+堿基（磷脂酰堿基） 不同的磷脂分子頭部的大小、形狀、結(jié)構(gòu)、所帶電荷的不同決定溶解于其中的蛋白質(zhì)的功能的發(fā)揮。2.1 磷脂磷脂種類：種類： 甘油磷脂甘油磷脂，鞘磷脂鞘磷脂2.1 磷脂磷脂OPOOO-CH2CH2+NH3CH

5、2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCOCOR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPI磷脂酰乙醇胺 磷脂酰絲氨酸 磷脂酰膽堿 磷脂酰肌醇甘油磷脂甘油磷脂結(jié)構(gòu)特點：以甘油為骨架，在骨架上結(jié)合兩個脂肪酸鏈和一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。甘油磷脂的種類甘油磷脂的種類n磷脂酰膽堿（卵磷脂） phosphatidylcholine，PCn磷脂酰絲氨酸 phospha

6、tidylserine，PSn磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）phosphatidylethanolamine，PEn磷脂酰肌醇 phosphatidylinositol，PIn雙磷脂酰甘油（心磷脂）Diphosphatidylglycerol, DPG2.1 磷脂磷脂OC HCOR2C H2C H2OCOR1OPOOO HC H2CO HHC H2OPOOO HC H2C HOCOR4C H2OCOR3鞘磷脂鞘磷脂 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富。以鞘胺醇鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結(jié)合。原核細胞、植物中

7、沒有鞘磷脂。2.1 磷脂磷脂分子運動2.1 磷脂磷脂1.側(cè)向擴散運動（lateral diffusion） 4.伸縮震蕩運動2.旋轉(zhuǎn)運動（rotation） 5.翻轉(zhuǎn)運動（flip-flop）3.擺動運動（flexion） 6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動分子運動形式：側(cè)向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，反式構(gòu)象和歪扭式構(gòu)象。2.1 磷脂磷脂2. 膜脂分子的種類2.1 磷脂磷脂2.2

8、膽固醇膽固醇2.3 糖脂糖脂 在脂雙層中膽固醇分子的羥基靠近磷脂分子頭部的極性集團 其甾環(huán)和磷脂分子臨近頭部的烴鏈部分相互作用使之相互固定 膽固醇的碳氫鏈可以彎曲 2.2 膽固醇膽固醇膽固醇膽固醇存在：主要存在真核細胞的膜上含量： 約為膜脂的1/3，最多可與磷脂分子以1：1存在功能: 調(diào)節(jié)脂雙層流動性 降低水溶性物質(zhì)的通透性 提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定性 eg.2.2 膽固醇膽固醇2. 膜脂分子的種類2.1 磷脂磷脂 主要特征 種類 分子運動2.2 膽固醇膽固醇 存在 含量 功能2.3 糖脂糖脂 2.3 糖脂糖脂：是由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基通過糖苷鍵結(jié)合的雙親性分子，是含糖而不含磷酸的脂類。

9、糖脂 含糖而不含磷酸 糖側(cè)鏈存在于非胞質(zhì)側(cè) 含量：2% 10% 糖脂是兩性分子 只是由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖側(cè)鏈存在于非胞質(zhì)側(cè) 半乳糖腦苷脂 神經(jīng)節(jié)苷脂 唾液酸（NANA） 兩種糖脂 半乳糖腦苷脂-最簡單的糖脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富； 神 經(jīng) 節(jié)苷脂-變化最多、最復(fù)雜的糖脂，是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分，頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。（一）膜脂1. 兼性分子2. 膜脂分子的種類3. 膜脂的流動性4. 膜脂的不對稱性l 生物膜上的脂類稱為膜脂membrane lipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。3.膜脂的流動性3.1 膜脂雙分子層是

10、二維流體3.2 膜脂分子的運動3.3 影響膜脂流動性的因素3.1 膜脂雙分子層是二維流體（1）液晶態(tài)（liquid-crystal state） 作為生物膜主體的脂質(zhì)雙分子層，即具有固體排列的有序性，又具有液體的流動性，這種晶態(tài)和液態(tài)兼有的狀態(tài)成為液晶態(tài)。（2）相變(phase transition) 由同一種類型的磷脂合成的脂雙層，可在一個凝固點上由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)（凝膠狀態(tài)），這種物態(tài)轉(zhuǎn)變稱為相變。發(fā)生相變的溫度稱為相變溫度。3.2 膜脂分子的運動 側(cè)向擴散運動lateral diffusion 旋轉(zhuǎn)運動rotation 擺動運動flexion 伸縮震蕩運動 翻轉(zhuǎn)運動flip-flop 旋

11、轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動3.3 影響膜脂流動性的因素膽固醇：抑制由溫度的改變而引起的相變； 膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。脂肪酸鏈的鏈長 長鏈脂肪酸越長、相變溫度越高，膜流動性越低。脂肪酸鏈的飽和度 脂肪酸鏈所含雙鍵越多、越不飽和，膜流動性越強。卵磷脂/鞘磷脂 比例越高、膜流動性越強，反之亦然。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。（一）膜脂1. 兼性分子2. 膜脂分子的種類3. 膜脂的流動性4. 膜脂的不對稱性l 生物膜上的脂類稱為膜脂membrane lipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。4. 膜脂的不對稱性非胞質(zhì)側(cè)-PC卵磷脂、 SM鞘磷脂 、 糖脂胞 質(zhì) 側(cè)-P

12、E腦磷脂、 PS磷脂酰絲氨酸4.膜脂的不對稱性4.1 4.1 膜脂的不對稱性：膜脂的不對稱性： 相對不對稱性： 脂類分子在脂雙層中分布種類、數(shù)量不同 絕對不對稱性：質(zhì)膜外小葉具有脂筏結(jié)構(gòu)。 4.4.2 2 膜糖脂的不對稱性膜糖脂的不對稱性： 絕對不對稱性：糖脂只分布于細胞膜的外表面。膜脂的不對稱性脂筏（lipid raft）n是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域（microdomain）。n直徑約70nm左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。n介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。n就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與細胞內(nèi)吞、囊泡轉(zhuǎn)運、膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)

13、系。n在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。細胞膜的化學(xué)組成（一）脂類 排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。（二）蛋白質(zhì) 通過非共價鍵與脂雙分子層結(jié)合，執(zhí)行膜的各種功能（三）糖類 通過共價鍵與脂類和蛋白質(zhì)結(jié)合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體（四） 水、無機鹽和少量的金屬離子l 蛋白質(zhì)/脂類比值反應(yīng)膜功能：高膜的功能復(fù)雜，低膜的功能簡單(二) 膜蛋白質(zhì)1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分類 2.1 整合蛋白（integral protein） 2.2 外周蛋白（peripheral protein） 2.3

14、 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）3.膜蛋白的分子運動4.膜蛋白分子的不對稱性1.膜蛋白功能l是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。（1）作為轉(zhuǎn)運蛋白（載體或通道）轉(zhuǎn)運分子進出細胞（2）作為受體感受各種環(huán)境信號傳遞到細胞內(nèi)。（3）結(jié)合于膜上的各種酶催化新陳代謝的各步反應(yīng)。（4）作為結(jié)構(gòu)蛋白參與細胞間連接及連接細胞骨架成分。2. 膜蛋白的分類 ,膜內(nèi)在蛋白 integral protein； ,外周蛋白peripheral protein ,脂錨定蛋白lipid-anchored protein2.1 整合蛋白（integral pro

15、tein） 跨膜蛋白（tansmembrane proteins）和鑲嵌蛋白 整合蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域可以是1至多個疏水的螺旋，折疊 是兩性分子 與膜脂以范德華力結(jié)合，非常緊密 只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來 如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。 含量：占膜蛋白的7080%2.2 外周蛋白（peripheral protein）位置：與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合是水溶性分子與膜蛋白或與膜脂的結(jié)合力 非共價鍵，力量較弱提純 只要改變?nèi)芤旱碾x子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來含量：占膜蛋白的2030%*有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質(zhì)可以由

16、多個亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。2.3 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）定義：以共價鍵與脂雙層中的脂分子結(jié)合的蛋白（1）非胞質(zhì)側(cè) -通過非胞質(zhì)側(cè)磷脂酰肌醇(GPI)寡糖鏈連接的蛋白通過蛋白質(zhì)的C端與寡糖鏈共價結(jié)合在膜上的運動性增大，有利于結(jié)合更多蛋白，有利于和其他細胞或有功 能的胞外分子更快的結(jié)合和反應(yīng)許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子都是這類蛋白。（2）胞質(zhì)側(cè) -直接與胞質(zhì)側(cè)脂的長碳氫鏈結(jié)合地蛋白(二) 膜蛋白質(zhì)1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分類 2.1 整合蛋白（integral protein） 2.2 外周蛋白（peripheral pr

17、otein） 2.3 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）3.膜蛋白的分子運動4.膜蛋白分子的不對稱性3. 膜蛋白的分子運動3.1 運動的方式： 側(cè)向擴散-可用光脫色恢復(fù)技術(shù)和細胞融合技術(shù)檢測側(cè)向擴散 旋轉(zhuǎn)擴散3.2 影響因素： 其側(cè)向運動受細胞外被糖側(cè)鏈和細胞骨架的限制 破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側(cè)向運動。（四）膜蛋白分子的不對稱性1.1.跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性方向性bacteriorhodopsin molecule噬菌調(diào)理素分子噬菌調(diào)理素分子樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ESES，細

18、胞外表面，細胞外表面（extrocytoplasmic surface）EFEF，細胞外小頁斷面，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmic face）PSPS，原生質(zhì)表面，原生質(zhì)表面（protoplasmic surface）PFPF，原生質(zhì)小頁斷面，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmic face）非胞質(zhì)側(cè)胞質(zhì)側(cè)3.同一類酶分子在膜的同一側(cè)表面具有相同的作用點4.細胞骨架蛋白質(zhì)分子結(jié)合于胞質(zhì)側(cè)的蛋白質(zhì)5.低聚糖殘基均位于膜的非胞質(zhì)側(cè)膜蛋白分子的不對稱性1.跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性 2.脂雙層胞質(zhì)側(cè)小葉蛋白質(zhì)顆粒多，非胞質(zhì)側(cè)小葉蛋白質(zhì)顆粒少3.同一類酶分子在膜的同一側(cè)表面具有

19、相同的作用點4.細胞骨架蛋白質(zhì)分子結(jié)合于胞質(zhì)側(cè)的蛋白質(zhì)5.低聚糖殘基均位于膜的非胞質(zhì)側(cè)一、細胞膜的化學(xué)組成1.脂類排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。2.蛋白質(zhì)通過非共價鍵與脂雙分子層結(jié)合，執(zhí)行膜的各種功能3.糖類通過共價鍵與脂類和蛋白質(zhì)結(jié)合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體l 此外還含有水、無機鹽和少量的金屬離子l 不同類型的細胞膜化學(xué)成分比例的差異反應(yīng)膜功能： 蛋白質(zhì)/脂類比值高膜的功能復(fù)雜 蛋白質(zhì)/脂類比值低膜的功能簡單三.膜糖類-所有真核細胞膜1.含量-占膜重量的 2%10%2.種類（動物細胞） 半乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸3.存在形式 與膜脂結(jié)合 糖

20、脂-1個低聚糖側(cè)鏈 與膜蛋白結(jié)合 糖蛋白-若干低聚糖側(cè)鏈 蛋白聚糖-幾條長的多聚糖側(cè)鏈+蛋白質(zhì)核心l由于組成寡糖的單糖的數(shù)量、種類、排列順序以及有無分支等不同，低聚糖或多聚糖鏈出現(xiàn)了千變?nèi)f化的組合形式5.位置-非胞質(zhì)側(cè) 在質(zhì)膜上位于細胞外側(cè)，構(gòu)成細胞外被 在各種細胞器的細胞內(nèi)膜上，位于細胞器的腔側(cè)面(6)作用：有助于某些跨膜蛋白在脂雙層中的定位及固定參與細胞識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種生物學(xué)過程細胞外被示糖側(cè)鏈第一節(jié) 細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)序-生物膜概述一、 細胞膜的化學(xué)組成二、 細胞膜的特性三、 細胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型二、生物膜的特性（一）膜的流動性是膜功能活動的保證 1.膜脂分子運動及其影響因素

21、 2.膜蛋白的分子運動及其影響因素 3.膜流動的生理意義（二）膜的不對稱性決定膜功能的方向性 質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性，膜結(jié)構(gòu)的不對稱性保證了膜功能的。 1.膜脂分子的不對稱性 2.膜蛋白分子的不對稱性 3.膜糖類分子的不對稱性1.膜脂分子運動及其影響因素膜脂分子運動側(cè)向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。流動性影響因素膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜

22、的流動性。脂肪酸鏈的飽和度 脂肪酸鏈所含雙鍵越多、越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈的鏈長 長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂 比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。流動性2.膜蛋白的分子運動及其影響因素1.運動的方式： 主要有側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式2.影響因素： 膜蛋白的側(cè)向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側(cè)向運動。流動性3.膜流動的生理意義 質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。流動性二、生物膜的特性（一）膜的流動性是膜功能活動的保證 1.膜脂分子運動及其影響因素 2.膜蛋白的分子運動及其影響因素 3.膜流動的生理意義（二）膜的不對稱性決定膜功能的方向性 質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性，膜結(jié)構(gòu)的不對稱性保證了膜功能的。 1.