同濟大學細胞生物學課件-細胞膜

1、第八章 細胞膜(cell membrane)第一節(jié) 細胞膜的化學組成第二節(jié) 細胞膜的分子結構模型第三節(jié) 細胞膜受體第四節(jié) 細胞膜與物質運輸第五節(jié) 細胞外被與細胞識別、細胞免疫細胞表面（cell surface)包圍在細胞質外層的一個復合結構體系和多功能體系，是細胞與細胞、細胞與外環(huán)境相互作用并產生各種復雜功能的部位廣義的細胞表面還包含細胞連接和細胞表面的特化結構(如鞭毛、纖毛、微絨毛、細胞內摺)等細胞表面示意圖細胞表面的功能支持保護 細胞識別粘著運動遷移 免疫應答物質運輸 信息轉導 細胞分裂細胞分化 衰老及病變 癌變是分子細胞生物學研究的新領域細胞膜(cell membrane)質膜(plas

2、ma membrane)：包圍在細胞質外面的一層生物膜。細胞膜的功能細胞屏障：使細胞內的物質和外界環(huán)境之間分隔開來，使細胞具有相對穩(wěn)定的內環(huán)境。具有高度選擇性的半透膜，能進行主動運輸，在細胞內外形成不同的離子濃度。接受外界信號的傳感器，使細胞能對環(huán)境變化產生適當的反應第一節(jié) 細胞膜的化學組成一、膜脂 （一）膜脂的種類 （二）脂肪的分子運動 （三）膜脂的流動性 （四）膜脂的不對稱性二、膜蛋白 （一）膜蛋白的類型 （二）膜蛋白的不對稱性分布 （三）膜蛋白在膜內的運動三、膜糖類一、膜脂膜脂膜蛋白膜糖其它（一）膜脂的種類磷脂糖脂 膽固醇（原核細胞無） 1.磷脂磷酸甘油脂（甘油的衍生物）神經鞘磷脂（鞘氨

3、醇或神經鞘氨醇的衍生物 幾種主要的磷酸甘油脂第一節(jié)神經鞘磷脂的分子構成：一個鞘氨醇骨架一條脂肪酸鏈一個磷酸膽堿 2.糖脂一個或多個糖單位代替鞘磷脂的磷酰膽堿單位后就構成了糖脂。半乳糖腦苷脂最簡單的糖脂僅含一個半乳糖殘基神經節(jié)苷脂最復雜、變化最多的糖脂含有1個或幾個唾液酸唾液酸又名N-乙酰神經氨酸3、膽固醇膽固醇與脂雙層（二）膜脂的分子運動側向擴散翻轉運動旋轉運動彎曲運動（三）膜脂的流動性影響膜流動性的幾個因素：脂肪酸鏈的長度脂肪酸鏈的飽和程度膽固醇的含量（四） 膜脂的不對稱性不同脂類分子在脂雙層的內外兩層中的分布有差異。人紅細胞膜中磷脂 的分布 外層 鞘磷脂 大多數磷脂酰膽堿脂雙層 內層 磷脂

4、酰絲氨酸 磷脂酰乙醇胺糖脂的低聚糖側鏈只分布在細胞膜外側和內膜系統(tǒng)的非細胞質側二、膜蛋白膜蛋白(membrane protein)：細胞膜所含的蛋白質占細胞總蛋白量的25膜的各種功能主要由膜蛋白來完成膜蛋白的主要功能運輸蛋白 能轉運特殊的分子和離子出入細胞酶 能催化各部分的化學反應連接蛋白 把細胞骨架與相鄰細胞或細胞外基質相連接起來受體 接收和轉導細胞外的化學信號等（一）膜蛋白的類型 膜內在蛋白 （鑲嵌蛋白或整合蛋白）膜蛋白 （integral protein) 膜周邊蛋白 (peripheral protein單次穿膜 多次穿膜 非穿越性共價結合 肽鏈與磷脂酰肌醇結合 非共價地結合在鑲嵌蛋白

5、上第一節(jié)(二)膜蛋白的不對稱性分布分布的不對稱性跨膜蛋白有方向性糖鏈分布的不對稱性(三)膜蛋白在膜內的運動三、膜糖類細胞外被(cell coat) 糖萼(glycocalyx)動物的細胞膜外面的一層絨毛狀的含糖物質，厚約200nm由構成細胞膜糖蛋白、糖脂等的糖鏈向外伸展交織而成屬于質膜的一部分第二節(jié) 細胞膜的分子結構模型一、片層結構模型二、單位膜模型 三、液態(tài)鑲嵌模型一、片層結構模型1935年J. Danielli和 H. Davson提出兩層磷脂分子構成膜脂雙層疏水脂肪酸鏈在膜的內部彼此相對親水端則朝向膜的內外表面球形蛋白質分子附著在脂雙層兩側表面蛋白質磷脂蛋白質三層夾板式結構二、單位膜模型

6、1959年，Robertson用電鏡觀察細胞膜，發(fā)現細胞膜呈三層式結構內外兩側為電子密度高的暗線，中間為電子密度低的明線， “兩暗一明”，稱為單位膜單位膜模型明線部分是膜中間的雙層脂類分子暗線部分則為膜兩側的單層蛋白質分子蛋白質以單層肽鏈折疊形式存在，通過靜電作用與磷脂極性端相結合該學說提出了各種生物膜在形態(tài)結構上的共性三、液態(tài)鑲嵌模型(fluid mosaic model) 1972年 Singer和 Nicolson二維排列的脂雙層構成膜的連續(xù)主體球形蛋白質分子以各種形式與脂雙分子層相結合既具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動性以動態(tài)的觀點分析膜中各種化學組分的相互關系，比較合理地解

7、釋了膜中的生理現象液態(tài)鑲嵌模型圖細胞膜的主要功能： 屏障作用 物質運輸 信號轉導第三節(jié) 細胞膜受體細胞表面受體（cell surface receptor）膜受體(membrane receptor)細胞膜受體：細胞接受外界信號的特殊裝置配體 (ligand)激素、神經遞質、化學藥物、細胞因子、細菌毒素等通過細胞膜受體識別與結合，經信號轉導機制的作用，轉變成細胞內信使，對細胞產生效應（一）膜受體的化學成分和結構化學成分：糖蛋白（跨膜糖蛋白） 糖脂結構：細胞外域（親水部分）跨膜域（疏水部分）細胞內域（親水部分）結構域(domain)二、膜受體的生物學特性特異性高親和性可飽和性可逆性一、簡單擴散二

8、、協(xié)助擴散 （一）離子通道蛋白協(xié)助擴散 （二）載體蛋白協(xié)助擴散三、主動運輸 （一）Na-K泵主動運輸 （二） Ca2 泵的主動運輸 （三）離子梯度驅動的主動運輸四、膜泡運輸 （一）胞吞作用 （二）胞吐作用第四節(jié) 細胞膜與物質運輸膜物質運輸的主要方式A-簡單擴散B、C-協(xié)助擴散D-主動運輸膜泡運輸 一、簡單擴散物質從高濃度向低濃度的穿膜運動不需要消耗細胞本身的代謝能不需要專一的膜蛋白分子協(xié)助 簡單擴散的物質脂溶性物質 苯、醇、甾類激素氣體 O2、CO2、N2極性小分子 H2O、尿素、甘油脂雙層的通透性二、協(xié)助擴散（易化擴散、幫助擴散）借助于跨膜蛋白順濃度梯度進行物質運輸，不消耗代謝能通道蛋白協(xié)助

9、擴散載體蛋白協(xié)助擴散（一）通道蛋白及通道蛋白的協(xié)助擴散跨膜蛋白形成親水性通道允許相應的離子順濃度梯度瞬間大量通過離子通道類型和調節(jié)機制電壓閘門通道 受膜電位變化控制配體閘門通道 配體與特異受體結合時閘門開放離子閘門通道 受膜兩側特異離子濃度的變化的影響開放（二）載體蛋白協(xié)助擴散跨膜蛋白利用構象發(fā)生變化，將被轉運物質從膜的一側轉移至膜的另一側。三、主動運輸（active transport)利用代謝能驅動物質逆濃度梯度通過細胞膜（一）Na-K泵主動運輸Na、K的轉運與 ATP的水解緊密偶聯Na+和 ATP存在于細胞內、 K 存在于細胞外測時才能發(fā)生離子轉運和 ATP水解烏本苷與 K競爭 ATP酶

10、的結合部位一個 ATP酶每秒鐘可水解1000個 ATP分子，水解每一個 ATP分子可排出3個 Na+，攝入2個 K+轉運機制第四節(jié)Na-K泵主動運輸細胞外間隙細胞基質第四節(jié)（二）Ca2泵主動運輸細胞質中Ca2濃度極低(107 mol/L)細胞外 Ca2濃度很高(約103 mol/L)細胞膜上的 Ca2泵將 Ca2轉運到細胞外肌細胞中Ca2泵主要存在于肌漿網膜上（三）離子梯度驅動的主動運輸當腸腔中葡萄糖濃度低時，小腸上皮細胞通過Na+載體的易化擴散轉運Na+的同時，伴隨主動運輸葡萄糖。小腸上皮細胞吸收腸腔中葡萄糖的過程特點：ATP間接供能 Na 濃度梯度直接供能是一種協(xié)同運輸單運輸與協(xié)同運輸單運

11、輸 如：Ca2泵、H 泵的運輸協(xié)同運輸對向運輸 Na-K泵運輸共運輸 上皮細胞從腸腔吸收葡萄糖的運輸四、膜泡運輸細胞在轉運大分子和顆粒物質的過程中，物質被包裹在膜脂雙層圍繞的囊泡中進行運輸膜泡運輸的類型胞吞作用(endocytosis)胞吐作用(exocytosis)結構性分泌途徑(constitutive pathway of secretion)調節(jié)性分泌途徑(regulated pathway of secretion)吞噬作用 (phagocytosis)胞飲作用(pinocytosis)胞吐與胞吞圖（一）胞吞作用 吞噬作用：細胞攝入大的顆粒，如微生物或細胞碎片，形成吞噬泡（phago

12、cytic vesicle）或吞噬體(phagosome)進行消化的過程。吞飲作用：細胞攝入液體和小溶質分子形成的胞飲泡(pinocytic vesicle)或胞飲體(pinosome)150nm，進行消化的過程。受體介導的胞吞作用 (receptor mediated endocytosis) 特定大分子聚集于有被小窩與其互補的細胞表面受體結合，形成受體大分子復合物有被小窩凹陷，從質膜上脫落成為有被小泡，進入細胞內相關結構：有被小窩(coated pit)有被小泡（coated vesicle）籠蛋白(clathrin)低密度脂蛋白（LDL）LDL受體(LDL receptor)LDL受體遺

13、傳缺陷與疾?。ǘ┌伦饔茫ㄍ馀抛饔茫?細胞內某些合成的產物和代謝廢物由膜包圍形成小囊泡，從細胞內部逐步移至細胞表面，小囊泡的膜與質膜融合，將物質排出細胞之外結構性分泌途徑(constitutive pathway of secretion)一些分泌蛋白合成之后被迅速帶到細胞膜處排出調節(jié)性分泌途徑(regulated pathway of secretion)有些特化的分泌細胞合成的激素、神經遞質、消化酶等，合成之后暫時貯存在細胞內，只有在接受細胞外信號(如激素)時，分泌囊泡才移至細胞膜處，與其融合，將分泌物排出分泌途徑黑白圖第五節(jié) 細胞外被與細胞識別、細胞免疫一、細胞間識別與粘著二、細胞表面

14、抗原與免疫（一）血型抗原（二）人白細胞表面的組織相容性抗原（三）B淋巴細胞表面的免疫球蛋白三、細胞表面接觸抑制細胞外被的作用細胞外被的糖鏈中糖基的排列順序、種類、數目和結合部位的不同，是細胞相互識別、粘著、信號接收、通訊聯絡、免疫應答等的分子基礎。消化道、呼吸道和生殖道上皮的細胞表面分泌粘液，有潤滑、防止機械損傷，抗細菌感染等作用。 一、細胞間識別與粘著細胞識別(cell recognition)：是細胞與細胞之間相互辨認和鑒別具有種屬特異性和組織特異性受體與配體抗原與抗體受精是同種精子和卵子之間相互識別和結合的過程各種動物卵細胞表面受體的糖鏈不同，是同種精子識別和結合的標記，具嚴格的種屬特異

15、性。海膽受精精子時釋放一種凝集素卵子的卵黃膜上存在特異的受體，是一種特異的糖基轉移酶，兩者之間存在互補的結構關系受精時通過識別并互補結合血漿蛋白與唾液酸血漿蛋白糖鏈末端失去唾液酸殘基暴露出次末端的半乳糖肝細胞表面半乳糖基的受體識別并結合通過受體介導的胞吞作用，進入肝細胞被溶酶體降解巨噬細胞識別、吞噬衰老紅細胞衰老紅細胞表面糖鏈末端喪失唾液酸暴露出半乳糖被巨噬細胞識別和吞噬免疫系統(tǒng)能識別入侵的病原體流感病毒易發(fā)生突變，使其抗原性發(fā)生改變，當機體的免疫系統(tǒng)喪失對其識別能力時，將導致流感發(fā)生。腫瘤細胞表面抗原變異或受到遮蔽時，T細胞表面受體失去對它的鑒別力，使腫瘤細胞成為可移植性。胚胎細胞識別和粘著

16、的機制將胚胎不同胚層的細胞分散混合在一起同一胚層的細胞通過識別而再聚合二、細胞表面抗原與免疫細胞表面抗原、膜抗原（membrane antigen） 鑲嵌在細胞膜上的、具有特定抗原性的糖蛋白或糖脂細胞免疫：細胞表面抗原與抗體相互識別并產生免疫應答的過程（一）血型抗原存在于人紅細胞膜上的主要抗原是糖蛋白或糖脂上寡糖鏈的分枝，伸向細胞外側。寡糖鏈上糖基的特定結構順序，決定了不同的抗原組合，形成各種血型在人類已發(fā)現的血型有60種以上1ABO血型抗原 2MN血型抗原 跨膜糖蛋白M型者紅細胞表面有 M抗原N型者有 N抗原MN型者有 M和 N兩種抗原肽鏈有131個氨基酸殘基、第1及第5位 M型為絲氨酸和甘氨酸 N型則是亮氨酸和谷氨酸兩者糖鏈的糖基也有差異(二)人白細胞表面的組織相容性抗原(human leucocytic antigen，HLA)白細胞表面的跨膜糖蛋白，由大小兩條肽鏈構成是人群個體特異性的標志 T細胞表面有識別 HLA抗原的受體，能識別異體細胞的 HLA，并與之特異結合，分泌毒素等活性物質直接殺傷外來細胞。異體器官移植產生排斥反應(三) B淋巴細胞表面的免疫球蛋白免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig) 由兩條重鏈和兩條輕鏈構成，重鏈中