細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)

關(guān)于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)前言第2頁,共101頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)膜（plasmamembrane）包在細(xì)胞外面所以又稱細(xì)胞膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。質(zhì)膜表面寡糖鏈形成細(xì)胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）。質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除對質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以這部分細(xì)胞骨架又稱為膜骨架。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3頁,共101頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞膜的功能1.為細(xì)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(yùn)輸,包括代謝底物的輸入與代謝主物的排出;3.提供細(xì)胞識別位點(diǎn),并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞;4.為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn),使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行;5.介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞,細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接;6.參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu).第4頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)第6頁,共101頁，2024年2月25日，星期天生物膜脂類、蛋白質(zhì)、糖類

水、無機(jī)鹽、金屬離子——主要成分—少量成分第7頁,共101頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)/脂類

:在不同種類生物膜中有所不同。

各種生物膜中蛋白質(zhì)與脂類的含量比膜的種類蛋白質(zhì)/脂類神經(jīng)髓鞘(軸突部分的細(xì)胞膜）血小板Hela細(xì)胞紅細(xì)胞膜線粒體內(nèi)膜0.230.71.51.5-43.2一般地說：功能多而復(fù)雜的膜，蛋白質(zhì)/脂類大；功能少而簡單的膜，蛋白質(zhì)/脂類小。第8頁,共101頁，2024年2月25日，星期天一、化學(xué)組成一、形成生物膜的基本骨架的膜脂二、膜蛋白以多種方式與脂雙層結(jié)合三存在于質(zhì)膜表面的糖脂和糖蛋白第9頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（一）膜脂(membranelipid)--生物膜骨架生物膜上的脂類統(tǒng)稱膜脂。膜脂磷脂糖脂膽固醇均為雙親性分子既有親水性一端，又有疏水性一端的分子。第10頁,共101頁，2024年2月25日，星期天1、磷脂構(gòu)成膜脂的基本成分約占50%以上，可分為甘油磷脂和鞘磷脂兩種第11頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共101頁，2024年2月25日，星期天鞘磷脂X

極性頭部（親水性）非極性尾部（疏水性）磷脂酰膽堿（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）磷脂酰絲氨酸鞘胺醇★磷脂第13頁,共101頁，2024年2月25日，星期天2、膽固醇—加強(qiáng)膜的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)膜的流動性極性頭部固醇環(huán)結(jié)構(gòu)非極性尾部第14頁,共101頁，2024年2月25日，星期天3、糖脂主要位于質(zhì)膜的非胞質(zhì)面鞘胺醇糖脂分子半乳糖苷脂由脂類和寡糖類組成動物的為鞘氨醇的衍生物。植物的為卵磷脂衍生的糖脂常見糖脂：腦苷脂（最簡單）；神經(jīng)節(jié)苷脂（最復(fù)雜）第15頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共101頁，2024年2月25日，星期天脂分子團(tuán)脂雙分子層膜脂在水溶液中自動形成雙層第17頁,共101頁，2024年2月25日，星期天水水

脂質(zhì)體(liposome)第18頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共101頁，2024年2月25日，星期天(二)膜蛋白執(zhí)行細(xì)胞膜的多種功能蛋白質(zhì)是生命功能的____?膜蛋白有何功能?如何分類?第20頁,共101頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)在膜蛋白（70～80%）(intrinsicmembraneprotein)外在膜蛋白（20～30%）(extrinsicmembraneprotein)脂錨定蛋白(lipidanchoredprotein)第21頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共101頁，2024年2月25日，星期天去垢劑SDSTritonX-100第25頁,共101頁，2024年2月25日，星期天單糖或多聚糖+膜脂共價(jià)鍵糖脂單糖或多聚糖+膜蛋白糖蛋白共價(jià)鍵細(xì)胞內(nèi)脂雙層膜蛋白細(xì)胞外被細(xì)胞外表的糖鏈與該細(xì)胞分泌出來的糖蛋白等粘附在一起，形成一層外被，稱細(xì)胞外被或糖萼。細(xì)胞外被（糖萼）（三）存在于質(zhì)膜表面的糖脂和糖蛋白第26頁,共101頁，2024年2月25日，星期天——不對稱性和流動性二、細(xì)胞膜的特性第27頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（一）膜的不對稱性決定膜功能的方向性細(xì)胞膜中各種成分分布是不均勻的，包括種類和數(shù)量上都有很大差異，稱為膜的不對稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細(xì)胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmicface）。第28頁,共101頁，2024年2月25日，星期天ES細(xì)胞外表面原生質(zhì)小頁斷面細(xì)胞外小頁斷面第29頁,共101頁，2024年2月25日，星期天1、膜脂分布的不對稱性糖脂全部分布在膜的非胞質(zhì)面。磷脂

磷脂酰膽堿

和鞘磷脂多分布在細(xì)胞膜的外層（非胞質(zhì)面）磷脂酰乙醇胺

和磷脂酰絲氨酸多分布在細(xì)胞膜的內(nèi)層（胞質(zhì)面）∵磷脂酰絲氨酸帶有負(fù)電荷，∴細(xì)胞膜內(nèi)層負(fù)電荷多于外層。第30頁,共101頁，2024年2月25日，星期天2、膜蛋白分布的不對稱性第一：不同膜蛋白在脂雙分子層中的分布位置是不同的（如血影蛋白只分布在內(nèi)側(cè)）。第四：跨膜蛋白兩個(gè)親水端結(jié)構(gòu)不同。第二：

膜蛋白在內(nèi)外兩層膜種數(shù)量不同?！ぶ湍さ鞍追植嫉牟粚ΨQ性決定了膜內(nèi)外表面功能的不對稱性。第三：

膜蛋白穿越脂雙層具有一定的方向性。第31頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（二）膜的流動性(fluidity)是膜功能活動的保證主要是指由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動。第32頁,共101頁，2024年2月25日，星期天1、膜脂雙分子層是二維流體脂質(zhì)分子層即有分子排列的有序性，又有液體的流動性液晶態(tài)晶態(tài)常態(tài)下低溫下第33頁,共101頁，2024年2月25日，星期天旋轉(zhuǎn)運(yùn)動側(cè)向移動伸縮振動擺動旋轉(zhuǎn)異構(gòu)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動。伸縮震蕩運(yùn)動：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動。翻轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。2、膜脂分子的運(yùn)動第34頁,共101頁，2024年2月25日，星期天影響膜脂流動性的因素★1.脂肪酸鏈的飽和程度★2.脂肪酸鏈的長度3.膽固醇的影響

4.卵磷脂/鞘磷脂的比例

5.其它因素飽和程度高，流動性小飽和程度低，流動性大鏈長，流動性小鏈短，流動性大調(diào)節(jié)膜的流動性此比例小，流動性小此比例大，流動性大環(huán)境溫度，內(nèi)在膜蛋白的含量第35頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（二）、膜蛋白的流動性膜蛋白分子的運(yùn)動方式（1）側(cè)向移動（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動第36頁,共101頁，2024年2月25日，星期天小鼠細(xì)胞人膜蛋白抗體+人膜蛋白（抗原）異核細(xì)胞小鼠膜蛋白抗體+熒光素人膜蛋白抗體+羅丹明小鼠膜蛋白抗體+小鼠膜蛋白（抗原）人細(xì)胞孵育（37℃，40分鐘）誘導(dǎo)融合膜蛋白(抗原）第37頁,共101頁，2024年2月25日，星期天光脫色恢復(fù)技術(shù)（FRAP）Fluorescencerecoveryafterphotobleaching第38頁,共101頁，2024年2月25日，星期天注意:并非膜上所有的蛋白質(zhì)分子在整個(gè)膜上都能自由的流動;膜蛋白的流動有區(qū)域性的.第39頁,共101頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關(guān)。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。2、質(zhì)膜流動性的意義第40頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)、生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型

生物膜結(jié)構(gòu)描述的歷史回顧:1925年,Gorter和Grendell用丙酮抽提紅細(xì)胞膜中的脂類并在水和空氣界面上鋪展成單分子層,測量其所占面積相當(dāng)于所用紅細(xì)胞膜總面積的兩倍,因而首次提出細(xì)胞膜是由連續(xù)的脂雙分子層組成的。迄今為止，關(guān)于膜的幾十種結(jié)構(gòu)模型都是建立在“脂雙分子層”這一基礎(chǔ)之上的。1890年，Overton曾用各種化學(xué)物質(zhì)對卵細(xì)胞進(jìn)行選擇性滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疏水性物質(zhì)比親水性物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，認(rèn)為細(xì)胞膜是由脂質(zhì)組成的。第41頁,共101頁，2024年2月25日，星期天一、片層結(jié)構(gòu)模型(lamellastructuremodel)

1935年,Danielli和Davson,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的表面張力顯著低于油-水界面表面張力,因此認(rèn)為,細(xì)胞膜中除含有脂類外，還含蛋白質(zhì),故提出了該模型。蛋白質(zhì)

脂雙分子層[夾層學(xué)說]（球狀）（球狀）（雙分子層）“蛋白質(zhì)---脂類---蛋白質(zhì)”三夾板結(jié)構(gòu)第42頁,共101頁，2024年2月25日，星期天二、單位膜模型(unitmembranemodel)蛋白質(zhì)：單層肽鏈——折疊結(jié)構(gòu)脂雙層細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)

1959年,Robertson利用電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)所有生物膜都呈“暗-明-暗”三層結(jié)構(gòu)，故稱為單位膜模型。暗明暗

此模型認(rèn)為覆蓋在脂雙分子層內(nèi)外表面的是呈?-折疊的薄片狀蛋白質(zhì)，而非球狀蛋白質(zhì)。2.0nm

3.5nm2.0nm第43頁,共101頁，2024年2月25日，星期天三、液態(tài)鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)1.流動的脂雙分子層構(gòu)成生物膜的連續(xù)主體。2.球形的膜蛋白以各種形式鑲嵌在脂雙分子層中或附著在膜表面。

脂雙分子層極性頭部疏水尾部內(nèi)在膜蛋白外在膜蛋白1972年，Singer和Nicolson總結(jié)提出:評價(jià)：液態(tài)鑲嵌模型可以解釋膜中發(fā)生的很多現(xiàn)象，為人們普遍接受，但也有不足之處：如忽視了膜的各部分流動性的不均勻性，忽視了蛋白質(zhì)分子對脂分子流動性的限制作用。3.強(qiáng)調(diào)了膜的流動性和不對稱性。[流動鑲嵌模型]第44頁,共101頁，2024年2月25日，星期天四脂筏模型(lipidraftsmodel)1977年,美Simon提出。脂筏是指膜質(zhì)雙層內(nèi)含有由特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的微區(qū)，微區(qū)中富含膽固醇和鞘脂，并聚集一些特定的膜蛋白。這些區(qū)域較其他部分厚，更有序且較少流動。主要功能：信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜的運(yùn)送（內(nèi)吞、外排），膽固醇運(yùn)送、維持胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)平衡、蛋白分選等。第45頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

跨膜運(yùn)輸?shù)膸讞l基本途徑一、簡單擴(kuò)散二、離子通道三、易化擴(kuò)散四、主動運(yùn)輸?shù)?7頁,共101頁，2024年2月25日，星期天★★人工膜對物質(zhì)分子的通透性取決于膜的結(jié)構(gòu)屬性及分子特性：①脂溶性越強(qiáng)的分子越容易穿膜；非極性物質(zhì)脂溶性強(qiáng)，易穿膜，如O2,CO2,N2；但H2O例外。②分子量越小越容易穿膜；③不帶電荷的分子容易穿膜，帶電荷的離子不能或很難穿膜。離子脂溶性弱，且?guī)в兴?，增大了它的有效體積。一、膜的選擇性通透和單純擴(kuò)散第48頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共101頁，2024年2月25日，星期天二、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的跨膜運(yùn)輸（一）膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（membranetransportprotein)1定義：是指細(xì)胞膜上的一類蛋白質(zhì)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)不能通過簡單擴(kuò)散穿膜轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)，如各種離子、葡萄糖、氨基酸核苷酸等。第50頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（二）離子通道高效轉(zhuǎn)運(yùn)各種離子第53頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（三）載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散第54頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（四）載體蛋白介導(dǎo)的主動運(yùn)輸主動運(yùn)輸?shù)亩x：主動運(yùn)輸?shù)哪芰繂栴}：ATP直接供能和間接供能第56頁,共101頁，2024年2月25日，星期天1、離子泵（1）特點(diǎn)：具有載體和酶的雙重作用具有專一性第57頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共101頁，2024年2月25日，星期天★★（3）鈉鉀泵(Na+-K+pump)——逆電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)Na+和K+①化學(xué)本質(zhì)：Na+-K+ATP酶§兼有載體蛋白和酶的雙重功能第59頁,共101頁，2024年2月25日，星期天②化學(xué)組成：Na+-K+ATP酶大亞基：小亞基：跨膜蛋白，催化部位，內(nèi)側(cè)：Na+、ATP的結(jié)合部位外側(cè)：K+、烏本箭毒苷的結(jié)合部位膜外半嵌入的糖蛋白，作用不詳。第60頁,共101頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞內(nèi)濃度梯度[30倍]濃度梯度[13倍]大亞基大亞基小亞基Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+PiNa+K+小亞基大亞基大亞基K+ATPADP+Pi鈉結(jié)合部位K+Pi大亞基大亞基小亞基鉀結(jié)合部位③運(yùn)輸過程：Na+K+細(xì)胞外第61頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第62頁,共101頁，2024年2月25日，星期天④工作效率1個(gè)ATP酶分子每秒鐘水解100個(gè)ATP分子；每水解1分子ATP所釋放的能量可泵出3個(gè)Na+，同時(shí)泵入2個(gè)K+。⑤生理意義A、維持細(xì)胞內(nèi)外鈉、鉀離子的濃度梯度；B、維持膜電位；C、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓；D、為細(xì)胞主動運(yùn)輸葡萄糖、氨基酸提供驅(qū)動力。第63頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（4）鈣泵第64頁,共101頁，2024年2月25日，星期天2協(xié)同運(yùn)輸（cotransport)定義：是一類由鈉鉀泵（或氫泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主運(yùn)輸方式。第65頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第66頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第67頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第68頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第69頁,共101頁，2024年2月25日，星期天膜泡運(yùn)輸胞吞作用胞吐作用胞飲作用吞噬作用受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用膜泡運(yùn)輸:大分子及顆粒物質(zhì)并不直接穿越細(xì)胞膜,而是由膜包圍形成膜泡，通過一系列膜囊泡的形成和融合來完成物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的，所以稱…。(此過程耗能）(endocytosis)(exocytosis)★★第三節(jié)大分子和顆粒物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)?0頁,共101頁，2024年2月25日，星期天胞吐作用吞噬作用胞飲作用吞噬體吞飲體第71頁,共101頁，2024年2月25日，星期天一、胞吞作用細(xì)胞表面發(fā)生內(nèi)陷，由細(xì)胞膜將胞外大分子或顆粒物質(zhì)包圍成膜泡，脫離細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸過程。根據(jù)吞入物質(zhì)的狀態(tài)、大小及特異程度的不同，分為三種：吞噬作用；胞飲作用；受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。定義：分類：第72頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（一）吞噬作用※是指細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆?；蚍肿訌?fù)合物的過程，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片、無機(jī)塵粒等?！淌勺饔眯纬傻哪遗莘Q吞噬體?！窃鷦游铽@取營養(yǎng)的重要方式※在高等動物和人類是機(jī)體免疫系統(tǒng)的重要功能。第73頁,共101頁，2024年2月25日，星期天（二）胞飲作用※是指細(xì)胞內(nèi)吞液體或小溶質(zhì)分子的活動?！田嬓纬傻哪遗莘Q胞飲體?！蠖鄶?shù)細(xì)胞具有吞飲作用。第74頁,共101頁，2024年2月25日，星期天★★（三）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用定義：是細(xì)胞通過受體的介導(dǎo)攝取細(xì)胞外專一性蛋白質(zhì)或其他化合物的過程。大分子往往首先與質(zhì)膜上的受體特異性結(jié)合，然后內(nèi)陷成有被小窩，繼之形成有被小泡。A.高效性B.選擇性特點(diǎn)：過程：第75頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第76頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第77頁,共101頁，2024年2月25日，星期天衣被的組成與結(jié)構(gòu)：組成：網(wǎng)格蛋白（√）；短肽結(jié)構(gòu)：網(wǎng)格蛋白分子3×＋短肽鏈3×三腿蛋白復(fù)合物五角形或六角形網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)（衣被）重鏈輕鏈鉤狀：裝配結(jié)合部位裝配的中間物（重鏈）（輕鏈）三腿蛋白復(fù)合物第78頁,共101頁，2024年2月25日，星期天有被小窩和有被小泡的形成第79頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第80頁,共101頁，2024年2月25日，星期天第81頁,共101頁，2024年2月25日，星期天LDL顆粒（低密度脂蛋白）LDL受體有被小窩有被小泡內(nèi)吞

去被無被小泡胞內(nèi)體融合受體與LDL顆粒分開含受體部分受體再循環(huán)含LDL顆粒部分

內(nèi)體性溶酶體融合吞噬性溶酶體游離膽固醇釋出第82頁,共101頁，2024年2月25日，星期天二