細(xì)胞膜化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu)

第四章細(xì)胞膜及細(xì)胞表面本節(jié)內(nèi)容提要第一節(jié)細(xì)胞膜的化學(xué)組成一、膜脂二、膜蛋白三、膜糖類第二節(jié)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型三、細(xì)胞膜的功能第三節(jié)細(xì)胞膜的特性質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細(xì)胞膜(cellmembrane)。內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細(xì)胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞表面。第一節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。此外還含有水、無(wú)機(jī)鹽等。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動(dòng)物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。一、膜脂膜脂是細(xì)胞膜的主要成分之一，是構(gòu)成細(xì)胞膜的基本骨架。大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的膜脂約占細(xì)胞膜總量的50%。膜脂主要有磷脂(phospholipid)、膽固醇(cholesterol)和糖脂(glycolipid)3種類型，其中磷脂最多。這3種脂類都是雙親性分子(amphipathicmolecule)，即分子中具有1個(gè)親水頭部(極性端)和1個(gè)疏水尾部(非極性端)。脂雙層除具有自我裝配和自我封閉特點(diǎn)以外，還有在生理溫度下呈液晶態(tài)的特點(diǎn)，從而賦予生物膜流動(dòng)性的特征。

（一）磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：一個(gè)極性頭（磷脂酰堿基）、兩個(gè)非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個(gè)碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。1、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsPhospholipidsinPlasmaMembrane2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘氨醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，原核和植物細(xì)胞膜中不含。存在真核細(xì)胞膜上，含量約為膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。功能是提高膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。

（二）膽固醇（三）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個(gè)或多個(gè)糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元的膜中的特征性成分。glycolipidsGlycolipids

二、膜蛋白占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為：內(nèi)在蛋白或整合蛋白（integralprotein）外在蛋白或外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。內(nèi)在蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins）或鑲嵌蛋白，兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域?yàn)?至多個(gè)疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來(lái)。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100膜蛋白與脂類結(jié)合主要方式

外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度、提高溫度就可以從膜上分離下來(lái)。一個(gè)蛋白可以由多個(gè)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。脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長(zhǎng)碳?xì)滏溄Y(jié)合。①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein三、膜糖類膜糖類以低聚糖鏈或多聚糖鏈的形式與膜蛋白共價(jià)結(jié)合，形成糖蛋白(glycoprotein)，一個(gè)糖蛋白分子可有許多低聚糖側(cè)鏈，如人紅細(xì)胞膜血型糖蛋白含16條糖鏈；膜糖類以低聚糖鏈的形式與脂類共價(jià)結(jié)合，形成糖脂(glycolipid)，每個(gè)膜糖脂分子只帶一個(gè)糖基或低聚糖側(cè)鏈。在自然界中發(fā)現(xiàn)的糖類有100多種，而在膜中只發(fā)現(xiàn)9種，動(dòng)物細(xì)胞膜中主要7種：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸(N-乙酰神經(jīng)氨酸)。其中唾液酸殘基常見(jiàn)于糖鏈末端，糖基的結(jié)合方式、排列順序的多樣性，是細(xì)胞相互識(shí)別的分子基礎(chǔ)。第二節(jié)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)

E.Overton1895推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter

等1925推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史3、J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。4、JD.Robertson1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。5、Singer和Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”。Fluid-mosaicmodel6、1975年Wallach在流動(dòng)鑲嵌模型的基礎(chǔ)上提出了“晶格鑲嵌模型”(crystalmosaicmodeld)

7、1977年，Jouin和White又提出了“板塊鑲嵌模型”(blockmosaicmodel)8、近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)膜各部分脂質(zhì)的分布并不是均一的。膜中某些區(qū)域相對(duì)較厚，富含膽固醇和鞘磷脂，并聚集某些特定蛋白質(zhì)，直徑為70～l00nm，這樣的區(qū)域稱為微區(qū)(microdomain)，也稱為“脂筏”（lipidrafts）第三節(jié)細(xì)胞膜的特性膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)組成。1、膜脂分子的流動(dòng)性①側(cè)向擴(kuò)散(1ateraldiffusion)

；②旋轉(zhuǎn)(rotation)

；③擺動(dòng)；④伸縮震蕩；⑤翻轉(zhuǎn)(flip-flop)

；⑥彎曲運(yùn)動(dòng)(flexion)。一、質(zhì)膜的流動(dòng)性2、膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。檢測(cè)：細(xì)胞融合技術(shù)。4、膜流動(dòng)性的生理意義當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過(guò)高，又會(huì)造成膜的溶解。3、影響膜流動(dòng)性的因素脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)膽固醇卵磷脂/鞘磷脂膜蛋白的結(jié)合方式其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。膜的不對(duì)稱性是指細(xì)胞質(zhì)膜各種成分在膜上分布是不均勻的，包括種類和數(shù)量的差異。膜的不對(duì)稱性導(dǎo)致了膜功能的不對(duì)稱性和方向性，保證了細(xì)胞功能的有序性。二、質(zhì)膜的不對(duì)稱性1．膜脂的不對(duì)稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外側(cè)，PE和PS分布在內(nèi)側(cè)。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。2．糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。3．膜