Cell Membrane and Transmembrane Transport)细胞生物学系：郑贤红第四章细胞膜与物质穿膜运输概 述一、基本概念 细胞膜 (cell membrane) :包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane） 二、细胞膜的最基本功能1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境2.物质转运3.信号传递、细胞识别等第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成（一）膜脂:细胞膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有109个脂分子 （二）膜蛋白:决定细胞膜的功能（三）糖类（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（membrane lipid） 主要有三种类型： 磷脂（phospholipid） 胆固醇（cholesterol） 糖脂(glycolipid) 磷脂甘油磷脂鞘磷脂 磷脂酰酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰丝氨酸 (PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂 膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约 占膜脂的50%以上甘油磷脂的化学结结构甘油磷脂以甘油为为骨架，甘油分子的1、2位羟羟基分别别与脂肪酸形成酯酯键键，3位羟羟基与磷酸形成酯酯键键两亲性分子或兼性分子头部基团（head group）或亲水头: 甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。
与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强 疏水尾 脂肪酸链是疏水的，无极性含14-24个碳原子脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子碳原子数双键键数目名称120月桂酸140豆蔻蔻酸160棕榈榈酸161棕榈榈油酸180硬脂酸181油酸182亚亚油酸183亚亚麻酸200花生酸204花生四烯烯酸220正廿二烷烷酸240正廿四烷烷酸鞘磷脂（SM)极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水） 鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上； 分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键质膜中的主要磷脂分子2. 胆固醇 分布：胆固醇散布在磷脂分子之间 动物细胞含量高：胆固醇/磷脂=1/1 植物细胞含量少：2% 结构：极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央 胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性 例： 中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体Table 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)3. 糖脂 糖脂由脂类和寡糖构成 动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂 。
最简单糖脂： 脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂复杂糖脂： 神经节甘脂，头部含有半乳糖 和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)膜脂可能的存在形式： 形成球状分子团（micelle） 形成双分子层（bilayer）人工合成膜结构：脂质体25nm-1um用途：运载体（二）膜蛋白 决定细胞膜的不同特性和功能 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多 线粒体内膜：75% 髓鞘：25% 根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型： 内在蛋白（intrinsic protein）或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein） 脂锚定蛋白（lipid anchored protein） 1.膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（transmembrane protein） 占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子 大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以-折叠片层（-pleated sheet）构象穿膜 分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型-螺旋构象穿膜蛋白-折叠构象穿膜蛋白2.膜外在蛋白 又称周边蛋白（peripheral protein） 占膜蛋白总量的20%30% 非共价键 动态关系：根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。
膜外在蛋白3.脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein） 脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合胞质侧的蛋白 糖基磷脂酰酰肌醇锚锚定蛋白（GPI ）与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合 共价键胞质侧的蛋白 膜蛋白在膜中的几种结合方式分离蛋白-去垢剂 离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS） 可使蛋白变性 非离子型去垢剂-TritonX-100 较温和Figure 10-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-42 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（三）膜糖 约占质膜重量的210。
红细胞膜：8% 糖蛋白:93%糖脂:7%共价键共价键糖类+膜蛋白膜糖类糖类+膜脂 形式：糖蛋白、糖脂 动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸 唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子 位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细胞器的细胞内膜上，位于腔面 细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附Figure 10-28a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)糖基化部位：N-连接/O-连接二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 各种成分的分布是不均匀 包括种类和数量上都有很大差异 与细胞膜的功能有密切关系样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为： ES：细胞外表面 EF：细胞质膜外叶层的内面 PS：细胞内表面(胞质面) PF：细胞质膜内叶层的外面 生物膜内外两层的组分和功能有很大差异人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1. 膜脂的相对不对称性 Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)2. 膜蛋白的绝对不对称性 各种膜蛋白在质膜 中都有一定的位置。
穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性 膜蛋白的绝对不对称性3. 膜糖的显著不对称性 质膜外表面 内膜系统膜腔（二）膜的流动性是膜功能活动的保证1.脂双层为液晶态二维流体 由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phase transition）在相变温度以上，膜处于流动的液晶态 膜的流动性是膜功能活动的保证 2. 膜脂分子的运动方式 （1）侧向扩散（lateral diffusion） （2）翻转运动（flip-flop） （3）旋转运动（rotation） （4）弯曲运动（flexion） 4. 膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性 主要运动方式:侧向扩散 旋转运动小鼠人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图 流动动性增加流动动性减小短的脂肪酸链不饱和脂肪酸链胆固醇含量降低卵磷脂/鞘磷脂比值上升结合膜蛋白少温度升高长的脂肪酸链饱和脂肪酸链胆固醇含量升高卵磷脂/鞘磷脂比值下降结合膜蛋白多温度降低影响脂双层流动性的因素Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响胆固醇对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点-1935年，球形蛋白（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点-蛋白质以单条肽链片层形式单位膜模型-蛋白质以单条肽链片层层形式，通过过静电电作用与磷脂极性头头部结结合 （三）流动镶嵌模型 “流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。
膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面 流动镶嵌模型 膜蛋白主要以螺旋的球形结构液态镶嵌模型（四）脂筏模型微区（microdomain）：微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白脂筏 （lipid rafts）：由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动 脂筏结构模式图 Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输 大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输（vesicular transport） 一、胞吞 胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程 胞吞作用分为三种类型： 吞噬作用 胞饮作用 受体介导的胞吞（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物 质（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性 物质吞噬作用胞饮作用（三）受体介导的胞吞：提高效率 LDL受体介导的LDL胞吞过程有被小窝与有被小泡有被小窝：受体集中的质膜区域，10-20倍，占质膜2%有被小泡 1.网格蛋白 二聚体：1条重链和1条轻链 3个二聚体：三腿蛋白复合物（网格蛋白） 36个三腿蛋白复合物：六角形或五角形 ，篮网状结构 2.衔接蛋白：多种 3.发动蛋白：GTP结合蛋白有被小窝与有被小泡的形成 笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 笼形蛋白衣被小泡的形态 家族性高胆固醇血症 常染色体显性遗传病 LDL受体基因突变 LDL受体异常：受体缺乏和受体结构异常 重型纯合子：20岁前后出现动脉硬化 轻型杂合子：40岁前后发生动脉硬化，冠心病 LDL：肝脏合成。
直径22nmLDL的结构-1500个酯化胆固醇、800个磷脂分子、500个游离胆固醇分子Apo-B100-细胞膜上LDL配体 LDL受体-839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白受体介导的胞吞有50种以上不同蛋白质生长因子淋巴因子铁维生素B12病原性微生物：流感病毒，艾滋病毒二、胞吐 胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反 胞吐作用 连续性分泌 受调分泌连续性分泌和受调分泌 第四节 细胞表面特化结构细胞外被和胞质溶胶 一、微绒毛（microvillus) 直径：0.1um 长：0.2-1.0um 小肠上皮吸收细胞：1000-。