生物膜的結(jié)構(gòu)與功能

第三節(jié)

生物膜的結(jié)構(gòu)與功能學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、掌握細(xì)胞膜、單位膜、生物膜的概念。2、熟悉細(xì)胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)。3、了解細(xì)胞膜的特性。4、了解細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型。5、了解細(xì)胞膜與疾病的關(guān)系。

幾個(gè)概念1、細(xì)胞膜：指細(xì)胞質(zhì)與外界環(huán)境相隔開(kāi)的一層薄膜，又稱(chēng)質(zhì)膜。2、單位膜：指具有內(nèi)外兩層致密層，中間一層疏松層的膜。3、生物膜：細(xì)胞內(nèi)所有膜的總稱(chēng)，包括細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)。（一）膜脂（構(gòu)成生物膜的基本骨架）生物膜上的脂類(lèi)統(tǒng)稱(chēng)為膜脂。主要包括磷脂、膽固醇和糖脂。

一、細(xì)胞膜的化學(xué)組成主要由脂類(lèi)、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)組成。（一）膜脂（構(gòu)成生物膜的基本骨架）1、磷脂（兩親性分子）約占50%，是構(gòu)成膜脂的基本成分。包括：磷脂酰膽堿（PC，舊稱(chēng)卵磷脂）、磷脂酰絲氨酸（PS）、磷脂酰乙醇胺（PE，舊稱(chēng)腦磷脂）、磷脂酰肌醇（PI）

鞘磷脂（SM）等，（一）膜脂（構(gòu)成生物膜的基本骨架）

2、膽固醇（兩親性分子）

具備調(diào)節(jié)膜流動(dòng)性和穩(wěn)定膜作用的化學(xué)物質(zhì)。（一）膜脂（構(gòu)成生物膜的基本骨架）3、糖脂（兩親性分子）約占膜脂總量的5%以下，主要位于質(zhì)膜的非胞質(zhì)面?，F(xiàn)有40多種糖脂，如腦苷脂、神經(jīng)節(jié)苷脂、ABO血型糖脂等。其中最簡(jiǎn)單的糖脂是半乳糖腦苷脂，而變化最多、最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂。

（一）膜脂（構(gòu)成生物膜的基本骨架）總結(jié)：膜脂都是兩親性分子，其分子結(jié)構(gòu)中都含有極性的親水頭部和非極性的疏水尾部，因此，在水溶液中會(huì)自動(dòng)形成雙分子層結(jié)構(gòu)。

（二）膜蛋白（執(zhí)行細(xì)胞膜的多種重要功能）

生物膜上的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為膜蛋白。一般根據(jù)膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式分為三類(lèi)：1、膜內(nèi)在蛋白（也稱(chēng)整合蛋白或鑲嵌蛋白）

①

單次穿膜

②

多次穿膜

（二）膜蛋白（執(zhí)行細(xì)胞膜的多種重要功能）

2、膜外在蛋白（也稱(chēng)膜周邊蛋白或附著蛋白）

以非共價(jià)方式與鑲嵌蛋白結(jié)合。（二）膜蛋白（執(zhí)行細(xì)胞膜的多種重要功能）

3、脂錨定蛋白（也稱(chēng)脂連接蛋白）

以共價(jià)鍵與脂雙層內(nèi)的脂分子結(jié)合。

①

非穿越性共價(jià)結(jié)合

②

肽鏈與磷脂酰肌醇結(jié)合（三）膜糖類(lèi)（覆蓋細(xì)胞膜表面）

膜糖類(lèi)大多數(shù)以低聚糖或多聚糖鏈形式共價(jià)結(jié)合于膜蛋白上形成糖蛋白，或者以低聚糖鏈共價(jià)結(jié)合于膜脂上形成糖脂。質(zhì)膜上所有的糖鏈都朝向細(xì)胞表面。因此，大多數(shù)真核細(xì)胞膜的外表面，富含糖類(lèi)的周緣區(qū)被稱(chēng)為細(xì)胞外被，又稱(chēng)糖萼。在自然界中發(fā)現(xiàn)的糖類(lèi)有100多種，而在膜糖脂和膜糖蛋白中只發(fā)現(xiàn)9種，其中主要有半乳糖、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）等。（一）液態(tài)（流動(dòng)）鑲嵌模型

1972年Singer和Nicolson提出了流動(dòng)鑲嵌模型，這一模型目前被人們普遍接受。液態(tài)鑲嵌模型的主要內(nèi)容是：生物膜是一種流動(dòng)的、嵌有蛋白質(zhì)的脂類(lèi)雙分子結(jié)構(gòu)，膜中脂雙層構(gòu)成膜的主要骨架，球形蛋白質(zhì)分子以各種形式與脂雙分子層相結(jié)合。

二、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型

（二）晶格鑲嵌模型

1975年有人提出晶格鑲嵌模型。這個(gè)模型認(rèn)為：生物膜中的類(lèi)脂在可逆地進(jìn)行無(wú)序（液態(tài)）和有序（晶態(tài)）的相變，膜蛋白對(duì)類(lèi)脂分子的運(yùn)動(dòng)有限制作用。即鑲嵌蛋白和其周轉(zhuǎn)的類(lèi)脂分子形成膜中晶態(tài)部分（晶格），而具有流動(dòng)性的類(lèi)脂呈小片的點(diǎn)狀分布。因此類(lèi)脂的流動(dòng)性是局部的，并非整個(gè)類(lèi)脂雙分子層都在流動(dòng)。二、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型（三）板塊鑲嵌模型

1977年有人提出板塊鑲嵌模型。這個(gè)模型認(rèn)為：在流動(dòng)的脂雙層中存在許多大小不同、剛性較大的能獨(dú)立移動(dòng)的類(lèi)脂板塊（有序結(jié)構(gòu)的板塊），在這些有序結(jié)構(gòu)的板塊之間被流動(dòng)的類(lèi)脂區(qū)（無(wú)序結(jié)構(gòu)的板塊）分開(kāi)。這兩者之間處于一種連續(xù)動(dòng)態(tài)平衡之中，因而生物膜是由同時(shí)存在不同流動(dòng)性的板塊鑲嵌而成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。二、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型（一）膜的不對(duì)稱(chēng)性1、膜脂分布的不對(duì)稱(chēng)

2、膜蛋白分布的不對(duì)稱(chēng)3、膜糖類(lèi)的不對(duì)稱(chēng)三、細(xì)胞膜的特性生物膜的主要特性是不對(duì)稱(chēng)性和流動(dòng)性。（二）膜的流動(dòng)性1、膜脂分子能進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)

（1）側(cè)向擴(kuò)散（2）翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（3）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（4）擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)（5）伸縮震蕩

（6）旋轉(zhuǎn)異構(gòu)三、細(xì)胞膜的特性（二）膜的流動(dòng)性

2、膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性（1）側(cè)向擴(kuò)散（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

三、細(xì)胞膜的特性（一）界膜和細(xì)胞區(qū)域化（二）調(diào)節(jié)運(yùn)輸（三）功能定位與組織化（四）信號(hào)傳導(dǎo)（五）參與細(xì)胞間的相互作用（六）能量轉(zhuǎn)換

四、細(xì)胞膜的功能※細(xì)胞膜異常與疾病※當(dāng)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生，如水電解質(zhì)失衡，導(dǎo)致水腫；溶血性貧血；代謝性疾?。话┌Y等等。

腫瘤是指由一群生長(zhǎng)失去正常調(diào)控的細(xì)胞所形成的新生物，它具有以下特點(diǎn)：癌細(xì)胞比正常細(xì)胞容易脫落，易轉(zhuǎn)移，不為機(jī)體免疫活性細(xì)胞識(shí)別與攻擊，無(wú)限生長(zhǎng)等。這些與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。

圖質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)圖人紅細(xì)胞膜的主要磷脂分子結(jié)構(gòu)

磷脂酰堿基甘油基團(tuán)脂肪酸鏈磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）磷脂酰絲氨酸磷脂酰膽堿（卵磷脂）磷脂酰肌醇（極性親水頭）（非極性疏水尾）圖4-7膽固醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)

極性頭部基團(tuán)非極性碳?xì)湮膊款?lèi)固醇環(huán)圖：膽固醇與磷脂結(jié)合的模式圖

圖4-8脂質(zhì)體

（根據(jù)GeraldKarp2002修改）

圖膜蛋白與膜的結(jié)合方式

單次穿膜多次穿膜非穿越性與碳?xì)滏湽矁r(jià)結(jié)合肽鏈與磷脂酰肌醇結(jié)合非共價(jià)結(jié)合①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白圖細(xì)胞外被圖細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)模式圖圖4-15膜脂的分子運(yùn)動(dòng)（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)）

圖小鼠—人細(xì)胞融合過(guò)程中膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性紅色標(biāo)記人細(xì)胞膜蛋白抗體綠色標(biāo)記鼠細(xì)胞膜蛋白抗體37℃孵育40分鐘PC、SMPE、PS圖細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)模式圖J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜