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第五章 细胞膜及其表面（CELL MEMBRANE AND ITS SURFACE）刘丹慧danhui_ 细 胞 膜（细 胞 膜（cell membrane）：）：又 称又 称 质 膜（质 膜（plasma membrane）。）。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 主要由主要由膜脂膜脂和和膜蛋白膜蛋白组成，还有少量组成，还有少量糖、水、无机 盐糖、水、无机 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。不同生物膜上不同生物膜上脂质和蛋白质的比例脂质和蛋白质的比例有所不同，多数 细胞膜脂类和蛋白质含量大致相等。有所不同，多数 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 基与脂肪酸、位羟 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 要有：以磷脂酸为前体合成其它膦酸甘油酯，主 要有：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙 醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙 醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸等。等。OPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2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 鞘磷脂以鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油，只有 一条脂肪酸链。鞘磷脂以鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油，只有 一条脂肪酸链。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜 中不含。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜 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（脂肪酸链，疏水）；极性头（亲水）、非极性尾（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 键），另一条则饱和。常含一条不饱和脂肪酸（含双 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。加强质膜，调节膜流动 性，阻止磷脂凝集成晶 体结构。加强质膜，调节膜流动 性，阻止磷脂凝集成晶 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（integral protein）膜周边蛋白膜周边蛋白（peripheral protein）又称又称镶嵌蛋白（镶嵌蛋白（mosaic protein），），通过蛋白质上 的疏水区域结合膜脂疏水区，穿过膜通过蛋白质上 的疏水区域结合膜脂疏水区，穿过膜1次或多次，亦称次或多次，亦称跨膜蛋白（跨膜蛋白（transmembrane protein）。1.膜内在蛋白质（膜内在蛋白质（integral protein）疏水性穿膜区疏水性穿膜区疏水性穿膜区亲水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 与膜结合紧密，非水溶性，只有 用去垢剂类剧烈 条件才能从膜上 溶解下来。与膜结合紧密，非水溶性，只有 用去垢剂类剧烈 条件才能从膜上 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 从膜上分离下来。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。1.膜周边蛋白质（膜周边蛋白质（peripheral protein）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边蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白周边蛋白周边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 主要为寡糖，以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共 价 形 成主要为寡糖，以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共 价 形 成 糖 脂（糖 脂（glycolipid）和 和 糖 蛋 白（糖 蛋 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肽链糖基磷脂肽链糖基糖蛋白的寡 糖链糖蛋白的寡 糖链糖蛋白的寡 糖链糖蛋白的寡 糖链糖脂的寡 糖链糖脂的寡 糖链糖脂的寡 糖链糖脂的寡 糖链膜糖与质膜的结构关系图解膜糖与质膜的结构关系图解 E.Overton 1895 推测 细胞膜由连续的脂类物 质组成。推测 细胞膜由连续的脂类物 质组成。E.Gorter 等等 1925 推测 细胞膜由双层脂分子组 成。推测 细胞膜由双层脂分子组 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 发现质膜的表面张力比 油水界面的张力低得多，于发现质膜的表面张力比 油水界面的张力低得多，于1935年提出年提出三明治 模型（片层结构模型）：三明治 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.Robertson 1957根据电镜观察提出JD.Robertson 1957根据电镜观察提出单位膜模 型单位膜模 型。厚约7.5nm，特征“两暗一明”。内外为电子 密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。厚约7.5nm，特征“两暗一明”。内外为电子 密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。各种细胞的细胞膜以及各种细胞内膜在电镜下都 呈各种细胞的细胞膜以及各种细胞内膜在电镜下都 呈“暗-明-暗”的三层式结构“暗-明-暗”的三层式结构，称，称单位膜单位膜：?单位膜单位膜 现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成的任何一层膜。现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成的任何一层膜。蛋白质蛋白质脂类脂类暗线暗线明线明线暗线暗线横 切 面横 切 面?液态镶嵌模型液态镶嵌模型 S.J.Singer&G.Nicolson 根据免疫荧光、冰冻 蚀刻等技术的研究结果，提出了根据免疫荧光、冰冻 蚀刻等技术的研究结果，提出了“液态镶嵌模型液态镶嵌模型”（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.磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向两面组 成生物膜骨架；磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向两面组 成生物膜骨架；3.3.蛋白质或嵌在脂双层表面、或嵌在其内部、或横跨 脂双层，表现出分布的不对称性。蛋白质或嵌在脂双层表面、或嵌在其内部、或横跨 脂双层，表现出分布的不对称性。The “central dogma”of membrane biology 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 动的不均一性。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。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 动具有控制作用。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 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 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（无序结构的板块）分割。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 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。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膜蛋白分布的不对称性1膜蛋白分布的不对称性：各种膜蛋白在膜中有特定排布 方向，：各种膜蛋白在膜中有特定排布 方向，其不对称性是绝对的其不对称性是绝对的。2膜脂的不对称性2膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分 布。：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（及糖蛋白）糖脂（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，其不对称行分 布是绝对的其不对称行分 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。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 轴进行伸缩。：脂肪酸链沿着与平面垂直的长 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；旋转运动；摆动运动伸缩震荡运动；翻转运动；旋转异构化运动。侧向扩散运动；旋转运动；摆动运动伸缩震荡运动；翻转运动；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、膜蛋白的运动性（mobility）2、膜蛋白的运动性（mobility）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、影响膜流动性的因素3、影响膜流动性的因素 脂肪酸链的长短及不饱和程度 脂肪酸链的长短及不饱和程度碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。不饱和程度膜流动性碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。不饱和程度膜流动性 胆固醇与磷脂的比值：胆固醇与磷脂的比值：双向调节在相变温度以上时，胆固醇含量多减少流动性；在相变温度以下时，胆固醇含量多增加流动性。双向调节在相变温度以上时，胆固醇含量多减少流动性；在相变温度以下时，胆固醇含量多增加流动性。卵磷脂和鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性 膜蛋白的影响：膜蛋白的影响：膜蛋白含量膜流动性下降膜蛋白含量膜流动性下降 其他因素：其他因素：温度膜流动性；PH；离子强度；金属离子等。温度膜流动性；PH；离子强度；金属离子等。相变相变相变相变：膜在晶态与液晶态 间的变化称为相变；引起 相变的温度为相变温度膜在晶态与液晶态 间的变化称为相变；引起 相变的温度为相变温度。