細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能

1、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能(第四、五、六章),細(xì)胞生物學(xué)及遺傳學(xué)教研室 蒲淑萍,生物膜,細(xì)胞膜(質(zhì)膜)細(xì)胞內(nèi)膜相結(jié)構(gòu),厚7-10 nm,單位膜(unit membrane)：“兩暗夾一明”的電鏡圖像。,,示單位膜“兩暗夾一明”的結(jié)構(gòu),,生物膜功能總結(jié) 區(qū)間化、物質(zhì)交換、信息傳遞、細(xì)胞間的相互作用、能量轉(zhuǎn)換、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等。,主要有脂類、蛋白質(zhì)、糖、水、無機(jī)鹽、金屬離子等。,第五章 細(xì)胞膜的分

2、子結(jié)構(gòu)和特性第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成,,,膜的化學(xué)組成（％） 膜的類別 蛋白質(zhì) 脂類 糖類 蛋白質(zhì)/脂類 髓鞘 18 79 3 0.23 質(zhì)膜 血小板

3、 33-42 50-51 7.5 0.66-0.8 人工紅細(xì)胞 49 43 8 1.1 大鼠肝細(xì)胞 46 42 （5-10）

4、 1.09 鹽桿菌紫膜 75 25 0 3.0  內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜 67 33 2.0 2.0 線粒體內(nèi)膜 76

5、 24 （1-2） 3.2 菠菜葉綠體片層 70 30 0 2.3,,,,一、膜脂(membrane lipid),◆種類：包括磷脂、膽固醇(CI)、糖脂三類，以磷脂含量最多，不同的生物膜中它們含量不同。,思考：生命為什么選擇膜脂？,卵磷脂（磷脂酰膽堿，P

6、C） 腦磷脂（磷脂酰乙醇胺，PE）●磷酸甘油酯 磷脂酰絲氨酸（PS） 磷脂酰肌醇（PI） 心磷脂（二磷脂酰甘油，CL）●鞘磷脂（SM）,磷脂,,鞘氨醇,磷脂酰乙醇胺 磷脂酰絲氨酸 磷脂酰膽堿 鞘磷脂,膽固醇,類固醇環(huán)(甾環(huán))是剛性平面，可提高膜的剛

7、性和微粘度；而疏水的分支脂肪烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又增加膜局部微區(qū)的無序性，使膜流動(dòng)性增加。,,1.半乳糖腦苷脂 2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂 3.唾液酸,糖脂,鞘磷脂,◆膜脂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兼性分子(雙親媒性分子),非極性尾部疏水性,,,極性頭部親水性,,,(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán)(b)球形脂質(zhì)體,(c)平面脂質(zhì)體膜(d)用于轉(zhuǎn)基因或疾病治療的脂質(zhì)體,◆膜脂的物理特性：自組裝能力,脂質(zhì)體（Liposomes） （p62）

8、 脂質(zhì)體是人工脂雙層膜形成的圓球狀膜泡，借助不同的制備方法可以制備不同結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)體。在膜研究中，膜蛋白可以插入脂質(zhì)體，使對(duì)于它們的功能研究能在比天然膜簡單得多的環(huán)境下進(jìn)行。脂質(zhì)體可以作為DNA或各種藥物的載體，即將DNA或藥物包裝于脂質(zhì)體的囊泡中，再運(yùn)載到體內(nèi)的靶細(xì)胞。例如，囊腫纖維化（cystic fibrosis CF）是一種粘液分泌異常的疾病，特別常見于呼吸道，形成非常濃和粘稠的粘液，很難由肺經(jīng)氣道排出，該病的分子基礎(chǔ)是肺

9、泡上皮細(xì)胞表面囊腫纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)控因子（cysticfibrosis transmembrane conductance regulator CFTR）的氯離子通道蛋白基因發(fā)生突變，造成CFTR氯離子通道缺乏或活性很低。帶治療用的“目的”基因的載體藥物易于通過呼吸而達(dá)到靶細(xì)胞。脂質(zhì)體就是一種很好的載體，當(dāng)包裝有編碼正常CFTR基因的DNA脂質(zhì)體，吸入氣道和肺泡時(shí)，脂質(zhì)體和上皮細(xì)胞質(zhì)膜融合而把其中的DNA輸運(yùn)至有基因缺乏的上皮細(xì)胞內(nèi)。脂

10、質(zhì)體作為藥物特別是基因藥物運(yùn)送載體有其長處，如高的目的基因運(yùn)載率；被包裝于內(nèi)的DNA可以避免被核酸酶降解；通過同時(shí)引入靶向“引航”分子（特異性抗體分子或其它細(xì)胞受體的特異配體分子），可以提高脂質(zhì)體的靶向特異性和與靶細(xì)胞反應(yīng)的有效率，脂質(zhì)體具有較低的細(xì)胞毒性。,二、膜蛋白（membrane protein） 其種類、含量決定膜的功能。按照與膜的結(jié)合關(guān)系分成三類： （一）膜整合蛋白（integral membrane pr

11、otein） 內(nèi)在蛋白、鑲嵌蛋白、跨膜蛋白 （二）膜外周蛋白（peripheral protein） 周圍蛋白、外在蛋白 （三）脂錨定蛋白（lipid-anchored proteins),?膜整合蛋白?多為兼性分子，屬于水不溶性蛋白，多以α-螺旋單次(包括許多細(xì)胞質(zhì)膜受體)或多次穿膜(如一些通道蛋白和其他功能蛋白)，與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑使膜崩解才能分離

12、下來。 ?膜外周蛋白?水溶性蛋白,位于膜兩側(cè)，以離子鍵、氫鍵與膜脂分子極性頭部或膜表面的蛋白質(zhì)分子非共價(jià)結(jié)合，易從膜上分離。包括質(zhì)膜內(nèi)表面的一些酶和傳遞跨膜信號(hào)的因子、線粒體內(nèi)膜上細(xì)胞色素C、血紅細(xì)胞骨架膜蛋白的主要成分紅細(xì)胞膜素即血影蛋白(Spectrin)等。 ?脂錨定蛋白 ?位于膜兩側(cè)，通過共價(jià)鍵與膜磷脂或脂肪酸錨定結(jié)合。有一類完全位于細(xì)胞質(zhì)膜外表面，它們的C-端氨基酸通過一段短的寡糖鏈橋

13、共價(jià)連接于脂雙層外葉片層的磷脂酰肌醇的頭部，即成為糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（glycosyl phosphatidyl inositol (GPI)-anchored proteins）。特異識(shí)別并能切除肌醇磷脂的磷脂酶C可以把被這類錨定的蛋白如Thy-1蛋白、堿性磷酸酶和正常細(xì)胞的PrP搔癢蛋白等從膜上切離下來。,人紅血球質(zhì)膜蛋白在SDS-聚丙烯酰胺電脈圖譜上大約顯示15條蛋白帶，分子量從15,000到250,000，其中三種蛋白—血影

14、蛋白（spectrin）、血型糖蛋白（glycophorin）和帶3蛋白（Band 3）大約占其重量的60%。,血影及其膜蛋白研究,（血影蛋白）,,（血型糖蛋白）,（帶3蛋白，band 3 ）,（錨蛋白）,（肌動(dòng)蛋白纖維）,,,(帶4.1蛋白),三、膜糖,?主要與膜蛋白和膜脂分子共價(jià)結(jié)合，而形成糖蛋白、糖脂，所有糖鏈伸向細(xì)胞膜外表面，膜糖以短的寡糖鏈（直鏈、分支鏈）形式存在。?構(gòu)成細(xì)胞外被(衣)(cell coat)或糖萼(glyc

15、ocalyx)。?功能：保護(hù)、細(xì)胞識(shí)別、決定血型等。 在自然界中存在的100多種糖基中，只有9種糖基出現(xiàn)在膜糖鏈中，其中中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、巖藻糖、木糖等，氨基糖有乙酰氨基葡萄糖、乙酰氨基半乳糖、氨基糖酸（唾液酸和羥乙酰神經(jīng)氨酸）。糖基構(gòu)建糖鏈，能夠進(jìn)行多樣化的排列組合，在糖蛋白和糖脂分子中形成復(fù)雜的、具有巨大信息量的多樣化基團(tuán)結(jié)構(gòu)，例如一個(gè)三糖鏈就可以有1958 種結(jié)構(gòu)形式。因此，糖蛋白、糖脂均具有多方

16、面的功能，膜糖類的多樣性或非均一性，是造成膜不對(duì)稱性的重要原因之一，并且在細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與環(huán)境間的特異性識(shí)別和相互作用中起重要作用。,思考：為什么所有膜糖鏈伸向細(xì)胞膜外表面？,糖鏈構(gòu)成的細(xì)胞外被(糖萼),示小腸上皮細(xì)胞外衣電子染料釕紅（ruthenium red）著色，電鏡下觀察。,紅細(xì)胞質(zhì)膜上糖脂的糖鏈結(jié)構(gòu)決定ABO血型。Gal:半乳糖GalNAc:N-乙酰半乳糖胺Fuc:巖藻糖,思考：糖蛋白、糖脂的糖鏈差異是如何形成的？

17、,第二節(jié) 膜的分子結(jié)構(gòu),膜的分子結(jié)構(gòu)模型,1902，Overton，細(xì)胞膜由脂類構(gòu)成,1925，Gorter等， 膜由雙層脂類構(gòu)成,1935，Denielli等，片層結(jié)構(gòu)模型,1972，Singer等，液態(tài)鑲嵌模型,1975，Wallach，晶格鑲嵌模型,1977，Jain 等，板塊鑲嵌模型,1959，Robertson，單位膜模型,脂筏模型,液態(tài)鑲嵌模型（fluid mosaic model）,觀點(diǎn)：1.流動(dòng)的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主

18、體； (流動(dòng)性,有序性)2.球狀蛋白質(zhì)鑲嵌或附著在脂雙層中間及表面。 (分布不對(duì)稱性),缺陷：忽視蛋白質(zhì)對(duì)脂類流動(dòng)性的控制；忽視膜各部分流動(dòng)性的不均一性。,脂筏模型（lipid rafts model）,脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域，其中聚集一些特定種類的蛋白質(zhì)。這些區(qū)域較膜的其它部分厚，更有秩序且較少流動(dòng)，其周圍是富含不飽和磷脂的流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏直徑約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的脂

19、雙分子層的外層。脂筏與小窩蛋白（caveloin）結(jié)合后內(nèi)陷形成小窩，參與跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。特點(diǎn)：一是許多蛋白質(zhì)聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用；二是脂筏提供一個(gè)有利于蛋白質(zhì)變構(gòu)的環(huán)境，使形成有效的構(gòu)象。,Mechanisms of raft clustering. (a) Rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only

20、a subset of proteins. (b) Raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molecules. This clustering can be triggered in different way.,一、膜的不對(duì)稱性,膜蛋白分布的不對(duì)稱膜脂分布的不對(duì)稱膜糖分布的不對(duì)稱,第三節(jié) 膜的特性,膜功能的方向性,,外層,內(nèi)層,蛋白質(zhì),冰

21、凍蝕刻復(fù)型技術(shù)示意圖 (p36),小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻,,,膜蛋白分布的不對(duì)稱,★各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域?！锬承┠さ鞍字挥性谔囟ぶ嬖跁r(shí)才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合于膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。,（血型糖蛋白）,（帶3蛋白）,（血影蛋白）,血紅細(xì)胞膜蛋白及膜糖的不對(duì)稱分布,（錨蛋白）,（肌動(dòng)蛋白纖維）,,(帶4.

22、1蛋白),SM, 鞘磷脂PC, 磷脂酰膽堿PS,磷脂酰絲氨酸PE,磷脂酰乙醇胺PI, 磷脂酰肌醇Cl, 膽固醇,膜脂分布的不對(duì)稱性,★膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在脂筏在膜上的存在位置。,二、膜的流動(dòng)性,（一）膜脂的流動(dòng)性,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),（二）膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性,?運(yùn)動(dòng)方式：側(cè)向擴(kuò)散、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散、構(gòu)象變化、

23、 蛋白多聚體的聚合及解聚等。?實(shí)驗(yàn)證據(jù)：熒光標(biāo)記技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)等。,,（三）影響膜流動(dòng)性的因素,（1）脂肪酸鏈的長度和不飽和程度（2）膽固醇的雙向調(diào)節(jié)（3）卵磷脂與鞘磷脂的比例（4）膜蛋白的影響（5）其他因素（環(huán)境溫度、pH、離子強(qiáng)度等）,脂肪酸鏈的長度和不飽和程度的影響,膽固醇的雙向調(diào)節(jié),膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性受細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架的控制,（肌動(dòng)蛋白纖維）,（血影蛋白）,晶態(tài),液晶態(tài),液態(tài),溫度對(duì)膜流動(dòng)性的影響,第

24、七章細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸,穿膜運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸,被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸,,一、被動(dòng)運(yùn)輸（passive transport）,?特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、跨膜動(dòng)力、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白?類型：簡單擴(kuò)散、離子通道擴(kuò)散、易化擴(kuò)散?膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 ?通道蛋白（channel protein）——只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸；具有離子選擇性；轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，瞬間進(jìn)行；離子通道是門控的，包括電壓門通道、配體門通道、機(jī)械門通道。 ?載體蛋白（carrier

25、 protein）——介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸；通過蛋白質(zhì)構(gòu)象變化轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)。,通道蛋白模式圖,通道蛋白肽鏈以α螺旋7次穿膜，中間形成親水通道。,2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),Peter Agre,Roderick MacKinnon,因?qū)?xì)胞膜水通道、離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲獎(jiǎng)。,簡單(單純)擴(kuò)散與易化擴(kuò)散的比較,示簡單擴(kuò)散,A:電壓門通道; B、C:配體門通道; D:機(jī)械門(壓力激活)通道,含羞草的閉葉反應(yīng),內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞的

26、感應(yīng),耳蝸覆膜,聽毛細(xì)胞,聽覺神經(jīng)纖維,纖毛,通道關(guān)閉,通道開啟,正電離子進(jìn)入,基膜,纖毛束傾斜,示載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散(如紅細(xì)胞膜對(duì)胞外葡萄糖、氨基酸、核苷酸的攝取),二、主動(dòng)運(yùn)輸（active transport）,●特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、能量消耗、載體蛋白●類型：?ATP驅(qū)動(dòng)泵，由ATP直接提供能量?P-型離子泵：鈉鉀泵(Na+_K+ _ ATPase, 結(jié)構(gòu)、機(jī)制與意義)、鈣泵(Ca2+-ATP酶)。?V-型質(zhì)子泵：H+泵

27、，某些特化細(xì)胞質(zhì)膜和真核細(xì)胞酸性囊泡膜上。 ?F-型質(zhì)子泵：H+-ATP酶，線粒體內(nèi)膜、葉綠體囊體膜及細(xì)菌細(xì)胞膜上。?ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體：轉(zhuǎn)運(yùn)小分子的ATP泵。 ?協(xié)同或伴隨運(yùn)輸（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。,機(jī)制：磷酸化與去磷酸化作用對(duì)蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)；蛋白質(zhì)變構(gòu)；對(duì)運(yùn)輸,（親K+構(gòu)象）,（親Na+構(gòu)象）,（ATP

28、結(jié)合位點(diǎn)）,,1996 Na+- K+ATPase（ The Nobel Prize in Chemistry ）,,,Na+_K+ 泵（或H+泵）與載體蛋白的協(xié)同運(yùn)輸,小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)吸收葡萄糖(GL)示意圖,Na+/ 葡萄糖共運(yùn)輸載體,葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體,,,小腸絨毛,,介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的兩種載體蛋白在細(xì)胞膜上的不對(duì)稱分布,,Na+/ 葡萄糖共運(yùn)輸載體,葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體,,緊密連接,參與穿膜運(yùn)輸?shù)碾x子通道,,參與穿膜運(yùn)輸

29、的載體蛋白,,載體蛋白參與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男问?Coupled transport,單運(yùn)輸,共運(yùn)輸,對(duì)運(yùn)輸,協(xié)同運(yùn)輸,,完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，又稱囊泡運(yùn)輸。屬于主動(dòng)運(yùn)輸。包括胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）。,第二節(jié) 膜泡運(yùn)輸,一、胞吞作用,●吞噬作用(phagocytosis):多細(xì)胞的動(dòng)物具有專門的吞噬細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等。●胞飲作用(pin

30、ocytosis)：主要存在于變形蟲、小腸上皮細(xì)胞、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞等?！袷荏w介導(dǎo)的內(nèi)吞作用(receptor mediated endocytosis)：通過細(xì)胞膜上特異性受體及膜囊泡系統(tǒng)完成的特異性很強(qiáng)的物質(zhì)吸收過程。,示吞噬作用過程,吞噬體,溶酶體,(偽足),吞噬作用示意圖,變形蟲伸出偽足吞噬細(xì)菌,巨噬細(xì)胞正在接近并吞噬細(xì)菌,巨噬細(xì)胞吞噬紅細(xì)胞,示胞飲作用,胞飲泡,受體介導(dǎo)的胞吞作用(有被小泡運(yùn)輸),受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程的電鏡

31、照片（鳥類卵細(xì)胞攝取卵黃蛋白時(shí)，有被小泡的形成）,細(xì)胞對(duì)膽固醇的攝取 LDL顆粒、載脂蛋白B（Apo-B protein，即LDL受體的配體）LDL受體網(wǎng)格蛋白 (clathrin)（被蛋白、籠蛋白）有被小窩、有被小泡、無被小泡(胞)內(nèi)體(內(nèi)吞體)（endosome）受體及網(wǎng)格蛋白的循環(huán)再利用溶酶體的水解,載脂蛋白B,膽固醇酯,膽固醇主要在肝細(xì)胞中合成，隨后與磷脂和蛋白質(zhì)形成低密度脂蛋白（LDL）釋放到血液中。膽

32、固醇是細(xì)胞合成膜的原料，也是合成膽汁酸、類固醇激素及VD等的前體。,LDL顆粒結(jié)構(gòu),網(wǎng)格蛋白構(gòu)成的三腿蛋白復(fù)合物；網(wǎng)格蛋白及其包被的分子結(jié)構(gòu),,網(wǎng)格蛋白,衣被的結(jié)構(gòu)單位(三腿蛋白復(fù)合體),有被小泡的衣被,衣被小泡的電鏡照片,成纖維細(xì)胞胞質(zhì)面的網(wǎng)格蛋白有被小窩的電鏡照片,籠形衣被小泡的組成及脫被過程,大約有50種以上的不同蛋白，包括激素、生長因子、淋巴因子和一些營養(yǎng)物(LDL、轉(zhuǎn)鐵蛋白、卵黃蛋白)都是通過這種方式進(jìn)入細(xì)胞的。,,銜接蛋白

33、,胞內(nèi)體,溶酶體,,1985年，膽固醇代謝調(diào)節(jié)與胞吞作用的關(guān)系（M&P）,二、 胞吐作用,◆連續(xù)性（結(jié)構(gòu)性）分泌（constitutive secretion）◆調(diào)節(jié)性分泌（regulated secretion）,連續(xù)性分泌：存在于所有類型的細(xì)胞中。除了給細(xì)胞外提供酶、生長因子和細(xì)胞外基質(zhì)成分外，也為細(xì)胞質(zhì)膜提供膜整合蛋白和膜脂。,調(diào)節(jié)性分泌：見于某些特化的細(xì)胞，如內(nèi)分泌細(xì)胞。如血糖的增加, 細(xì)胞會(huì)發(fā)出信號(hào)釋放胰島素。,示