1、细胞膜的结构和功能(第四、五、六章),细胞生物学及遗传学教研室 蒲淑萍,生物膜,细胞膜(质膜)细胞内膜相结构,厚7-10 nm,单位膜(unit membrane)：“两暗夹一明”的电镜图像。,示单位膜“两暗夹一明”的结构,生物膜功能总结 区间化、物质交换、信息传递、细胞间的相互作用、能量转换、机械强度、绝缘、细胞运动等。,主要有脂类、蛋白质、糖、水、无机盐、金属离子等。,第五章 细胞膜的分子结构和特性第一节 细胞膜的化学组成,膜的化学组成（） 膜的类别 蛋白质 脂类 糖类 蛋白质/脂类 髓鞘 18 79 3 0.23 质膜 血小板 33-42 50-51 7.5 0.66-0.8 人工红细胞
2、 49 43 8 1.1 大鼠肝细胞 46 42 （5-10） 1.09 盐杆菌紫膜 75 25 0 3.0 内质网膜 67 33 2.0 2.0 线粒体内膜 76 24 （1-2） 3.2 菠菜叶绿体片层 70 30 0 2.3,一、膜脂(membrane lipid),种类：包括磷脂、胆固醇(CI)、糖脂三类，以磷脂含量最多，不同的生物膜中它们含量不同。,思考：生命为什么选择膜脂？,卵磷脂（磷脂酰胆碱，PC） 脑磷脂（磷脂酰乙醇胺，PE）磷酸甘油酯 磷脂酰丝氨酸（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 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱 鞘
3、磷脂,胆固醇,类固醇环(甾环)是刚性平面，可提高膜的刚性和微粘度；而疏水的分支脂肪烃链固有的运动性又增加膜局部微区的无序性，使膜流动性增加。,1.半乳糖脑苷脂 2.GM1神经节苷脂 3.唾液酸,糖脂,鞘磷脂,膜脂的结构特点：兼性分子(双亲媒性分子),非极性尾部疏水性,极性头部亲水性,(a)水溶液中的磷脂分子团(b)球形脂质体,(c)平面脂质体膜(d)用于转基因或疾病治疗的脂质体,膜脂的物理特性：自组装能力,脂质体（Liposomes） （p62） 脂质体是人工脂双层膜形成的圆球状膜泡，借助不同的制备方法可以制备不同结构的脂质体。在膜研究中，膜蛋白可以插入脂质体，使对于它们的功能研究能在比天然膜
4、简单得多的环境下进行。脂质体可以作为DNA或各种药物的载体，即将DNA或药物包装于脂质体的囊泡中，再运载到体内的靶细胞。例如，囊肿纤维化（cystic fibrosis CF）是一种粘液分泌异常的疾病，特别常见于呼吸道，形成非常浓和粘稠的粘液，很难由肺经气道排出，该病的分子基础是肺泡上皮细胞表面囊肿纤维化跨膜传导调控因子（cysticfibrosis transmembrane conductance regulator CFTR）的氯离子通道蛋白基因发生突变，造成CFTR氯离子通道缺乏或活性很低。带治疗用的“目的”基因的载体药物易于通过呼吸而达到靶细胞。脂质体就是一种很好的载体，当包装有编码
5、正常CFTR基因的DNA脂质体，吸入气道和肺泡时，脂质体和上皮细胞质膜融合而把其中的DNA输运至有基因缺乏的上皮细胞内。脂质体作为药物特别是基因药物运送载体有其长处，如高的目的基因运载率；被包装于内的DNA可以避免被核酸酶降解；通过同时引入靶向“引航”分子（特异性抗体分子或其它细胞受体的特异配体分子），可以提高脂质体的靶向特异性和与靶细胞反应的有效率，脂质体具有较低的细胞毒性。,二、膜蛋白（membrane protein） 其种类、含量决定膜的功能。按照与膜的结合关系分成三类： （一）膜整合蛋白（integral membrane protein） 内在蛋白、镶嵌蛋白、跨膜蛋白 （二）膜外周
6、蛋白（peripheral protein） 周围蛋白、外在蛋白 （三）脂锚定蛋白（lipid-anchored proteins),膜整合蛋白多为兼性分子，属于水不溶性蛋白，多以-螺旋单次(包括许多细胞质膜受体)或多次穿膜(如一些通道蛋白和其他功能蛋白)，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解才能分离下来。 膜外周蛋白水溶性蛋白,位于膜两侧，以离子键、氢键与膜脂分子极性头部或膜表面的蛋白质分子非共价结合，易从膜上分离。包括质膜内表面的一些酶和传递跨膜信号的因子、线粒体内膜上细胞色素C、血红细胞骨架膜蛋白的主要成分红细胞膜素即血影蛋白(Spectrin)等。 脂锚定蛋白 位于膜两侧，通过共价键与膜磷
7、脂或脂肪酸锚定结合。有一类完全位于细胞质膜外表面，它们的C-端氨基酸通过一段短的寡糖链桥共价连接于脂双层外叶片层的磷脂酰肌醇的头部，即成为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（glycosyl phosphatidyl inositol (GPI)-anchored proteins）。特异识别并能切除肌醇磷脂的磷脂酶C可以把被这类锚定的蛋白如Thy-1蛋白、碱性磷酸酶和正常细胞的PrP搔痒蛋白等从膜上切离下来。,人红血球质膜蛋白在SDS-聚丙烯酰胺电脉图谱上大约显示15条蛋白带，分子量从15,000到250,000，其中三种蛋白血影蛋白（spectrin）、血型糖蛋白（glycophorin）和带3蛋白（
8、Band 3）大约占其重量的60%。,血影及其膜蛋白研究,（血影蛋白）,（血型糖蛋白）,（带3蛋白，band 3 ）,（锚蛋白）,（肌动蛋白纤维）,(带4.1蛋白),三、膜糖,主要与膜蛋白和膜脂分子共价结合，而形成糖蛋白、糖脂，所有糖链伸向细胞膜外表面，膜糖以短的寡糖链（直链、分支链）形式存在。构成细胞外被(衣)(cell coat)或糖萼(glycocalyx)。功能：保护、细胞识别、决定血型等。 在自然界中存在的100多种糖基中，只有9种糖基出现在膜糖链中，其中中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、岩藻糖、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（唾液酸和羟乙酰神经氨酸）。糖基构
9、建糖链，能够进行多样化的排列组合，在糖蛋白和糖脂分子中形成复杂的、具有巨大信息量的多样化基团结构，例如一个三糖链就可以有1958 种结构形式。因此，糖蛋白、糖脂均具有多方面的功能，膜糖类的多样性或非均一性，是造成膜不对称性的重要原因之一，并且在细胞与细胞间、细胞与环境间的特异性识别和相互作用中起重要作用。,思考：为什么所有膜糖链伸向细胞膜外表面？,糖链构成的细胞外被(糖萼),示小肠上皮细胞外衣电子染料钌红（ruthenium red）着色，电镜下观察。,红细胞质膜上糖脂的糖链结构决定ABO血型。Gal:半乳糖GalNAc:N-乙酰半乳糖胺Fuc:岩藻糖,思考：糖蛋白、糖脂的糖链差异是如何形成的
10、？,第二节 膜的分子结构,膜的分子结构模型,1902，Overton，细胞膜由脂类构成,1925，Gorter等， 膜由双层脂类构成,1935，Denielli等，片层结构模型,1972，Singer等，液态镶嵌模型,1975，Wallach，晶格镶嵌模型,1977，Jain 等，板块镶嵌模型,1959，Robertson，单位膜模型,脂筏模型,液态镶嵌模型（fluid mosaic model）,观点：1.流动的脂双层构成膜的连续主体； (流动性,有序性)2.球状蛋白质镶嵌或附着在脂双层中间及表面。 (分布不对称性),缺陷：忽视蛋白质对脂类流动性的控制；忽视膜各部分流动性的不均一性。,脂筏模
11、型（lipid rafts model）,脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，其中聚集一些特定种类的蛋白质。这些区域较膜的其它部分厚，更有秩序且较少流动，其周围是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。脂筏直径约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的脂双分子层的外层。脂筏与小窝蛋白（caveloin）结合后内陷形成小窝，参与跨膜物质转运，同时与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。特点：一是许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；二是脂筏提供一个有利于蛋白质变构的环境，使形成有效的构象。,Mechanisms of raft clustering. (a) Rafts (red) are
12、small at the plasma membrane, containing only 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、膜的不对称性,膜蛋白分布的不对称膜脂分布的不对称膜糖分布的不对称,第三节 膜的特性,膜功能的方向性,外层,内层,蛋白质,冰冻蚀刻复型技术示意图 (p36),小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻,膜蛋白分布的不对称
13、,各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。,（血型糖蛋白）,（带3蛋白）,（血影蛋白）,血红细胞膜蛋白及膜糖的不对称分布,（锚蛋白）,（肌动蛋白纤维）,(带4.1蛋白),SM, 鞘磷脂PC, 磷脂酰胆碱PS,磷脂酰丝氨酸PE,磷脂酰乙醇胺PI, 磷脂酰肌醇Cl, 胆固醇,膜脂分布的不对称性,膜脂的不对称性还表现在脂筏在膜上的存在位置。,二、膜的流动性,（一）膜脂的流动性,1.侧向扩散 2.旋转运动 3.摆动运动 4.伸缩震荡 5.翻转
14、运动 6.旋转异构,（二）膜蛋白的运动性,运动方式：侧向扩散、旋转扩散、构象变化、 蛋白多聚体的聚合及解聚等。实验证据：荧光标记技术和细胞融合技术等。,（三）影响膜流动性的因素,（1）脂肪酸链的长度和不饱和程度（2）胆固醇的双向调节（3）卵磷脂与鞘磷脂的比例（4）膜蛋白的影响（5）其他因素（环境温度、pH、离子强度等）,脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响,胆固醇的双向调节,膜蛋白的运动性受细胞内细胞骨架的控制,（肌动蛋白纤维）,（血影蛋白）,晶态,液晶态,液态,温度对膜流动性的影响,第七章细胞膜与物质运输,穿膜运输膜泡运输,被动运输主动运输,一、被动运输（passive transport）,特
15、点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白类型：简单扩散、离子通道扩散、易化扩散膜转运蛋白 通道蛋白（channel protein）只介导被动运输；具有离子选择性；转运速率高，瞬间进行；离子通道是门控的，包括电压门通道、配体门通道、机械门通道。 载体蛋白（carrier protein）介导被动运输与主动运输；通过蛋白质构象变化转运物质。,通道蛋白模式图,通道蛋白肽链以螺旋7次穿膜，中间形成亲水通道。,2003年诺贝尔化学奖,Peter Agre,Roderick MacKinnon,因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究而获奖。,简单(单纯)扩散与易化扩散的比较,示简单扩散,A:电压门
16、通道; B、C:配体门通道; D:机械门(压力激活)通道,含羞草的闭叶反应,内耳听觉毛细胞的感应,耳蜗覆膜,听毛细胞,听觉神经纤维,纤毛,通道关闭,通道开启,正电离子进入,基膜,纤毛束倾斜,示载体蛋白介导的易化扩散(如红细胞膜对胞外葡萄糖、氨基酸、核苷酸的摄取),二、主动运输（active transport）,特点：运输方向、能量消耗、载体蛋白类型：ATP驱动泵，由ATP直接提供能量P-型离子泵：钠钾泵(Na+_K+ _ ATPase, 结构、机制与意义)、钙泵(Ca2+-ATP酶)。V-型质子泵：H+泵，某些特化细胞质膜和真核细胞酸性囊泡膜上。 F-型质子泵：H+-ATP酶，线粒体内膜、叶
17、绿体囊体膜及细菌细胞膜上。ABC转运体：转运小分子的ATP泵。 协同或伴随运输（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。,机制：磷酸化与去磷酸化作用对蛋白质的调节；蛋白质变构；对运输,（亲K+构象）,（亲Na+构象）,（ATP结合位点）,1996 Na+- K+ATPase（ The Nobel Prize in Chemistry ）,Na+_K+ 泵（或H+泵）与载体蛋白的协同运输,小肠上皮细胞转运吸收葡萄糖(GL)示意图,Na+/ 葡萄糖共运输载体,葡萄糖易化扩散转运载体,小肠绒毛,介导葡萄糖转运的两种载体蛋白在细胞
18、膜上的不对称分布,Na+/ 葡萄糖共运输载体,葡萄糖易化扩散转运载体,紧密连接,参与穿膜运输的离子通道,参与穿膜运输的载体蛋白,载体蛋白参与物质运输的形式,Coupled transport,单运输,共运输,对运输,协同运输,完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称囊泡运输。属于主动运输。包括胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）。,第二节 膜泡运输,一、胞吞作用,吞噬作用(phagocytosis):多细胞的动物具有专门的吞噬细胞，如巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞等。胞饮作用(pinocytosis)：主要存在于变形虫、小肠上皮细胞、毛细血管内皮细胞等。受体介导的
19、内吞作用(receptor mediated endocytosis)：通过细胞膜上特异性受体及膜囊泡系统完成的特异性很强的物质吸收过程。,示吞噬作用过程,吞噬体,溶酶体,(伪足),吞噬作用示意图,变形虫伸出伪足吞噬细菌,巨噬细胞正在接近并吞噬细菌,巨噬细胞吞噬红细胞,示胞饮作用,胞饮泡,受体介导的胞吞作用(有被小泡运输),受体介导的内吞过程的电镜照片（鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白时，有被小泡的形成）,细胞对胆固醇的摄取 LDL颗粒、载脂蛋白B（Apo-B protein，即LDL受体的配体）LDL受体网格蛋白 (clathrin)（被蛋白、笼蛋白）有被小窝、有被小泡、无被小泡(胞)内体(内吞体)（
20、endosome）受体及网格蛋白的循环再利用溶酶体的水解,载脂蛋白B,胆固醇酯,胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密度脂蛋白（LDL）释放到血液中。胆固醇是细胞合成膜的原料，也是合成胆汁酸、类固醇激素及VD等的前体。,LDL颗粒结构,网格蛋白构成的三腿蛋白复合物；网格蛋白及其包被的分子结构,网格蛋白,衣被的结构单位(三腿蛋白复合体),有被小泡的衣被,衣被小泡的电镜照片,成纤维细胞胞质面的网格蛋白有被小窝的电镜照片,笼形衣被小泡的组成及脱被过程,大约有50种以上的不同蛋白，包括激素、生长因子、淋巴因子和一些营养物(LDL、转铁蛋白、卵黄蛋白)都是通过这种方式进入细胞的。,衔接蛋白
21、,胞内体,溶酶体,1985年，胆固醇代谢调节与胞吞作用的关系（M&P）,二、 胞吐作用,连续性（结构性）分泌（constitutive secretion）调节性分泌（regulated secretion）,连续性分泌：存在于所有类型的细胞中。除了给细胞外提供酶、生长因子和细胞外基质成分外，也为细胞质膜提供膜整合蛋白和膜脂。,调节性分泌：见于某些特化的细胞，如内分泌细胞。如血糖的增加, 细胞会发出信号释放胰岛素。,示胞吐作用，如细胞对胰岛素、组胺的外排,变形虫通过胞吞作用摄取食物，消化后将残渣胞吐出胞外。,通过胞吞和胞吐作用，血糖、胰岛素参与调节血细胞膜上葡萄糖载体蛋白的数量,血糖胰岛素,血糖,思考：型糖尿病的发病原因？,预习下周内容：第七章 细胞膜与信号转导,
