细胞生物学之笔记--第4章细胞膜与物质的穿膜运输.

第四章细胞膜与物质的穿膜运输

第一节细胞膜的化学组成与生物特性

一、细胞膜的化学组成

细胞膜上的脂类=膜脂（membrane lipid），约占膜成分的50%，主要有磷脂（phospholipid）、胆固醇（cholesterol）、和糖脂（glycolipid）

（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架

1．磷脂是膜脂的主要成分

甘油磷酸的共同特征：以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别于脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸基团形成酯键。磷酸基团结合胆碱/乙醇胺/丝氨酸/肌醇。脂肪酸链长短不一，通常14~24个碳原子，一条脂肪酸链不含双键，另一条含有一个或几个双键，形成30°弯曲。

鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，鞘氨醇的氨基结合长链的不饱和脂肪酸，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分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇、1-磷酸鞘氨醇参与各种细胞活动。神经酰胺是第二信使；1-磷酸鞘氨醇在细胞外通过G蛋白偶联受体起作用，在细胞内与靶蛋白作用

2．胆固醇能够稳定细胞膜和调节膜的流动性

✧胆固醇为两性极性分子。

✧极性头部为连接于固醇环（甾环）上的

羟基，靠近相邻的磷脂分子。

✧固醇环疏水，富有刚性，固定在磷脂分

子临近头部的烃链上，对林芝的脂肪酸

尾部的运动具有干扰作用。

✧尾部为疏水性烃链。埋在磷脂的疏水尾

部中。

✧胆固醇分子调节膜的流动性和加强膜的

稳定性。没有胆固醇，细胞膜会解体。

PS.不同生物膜有各自特殊的脂类组成。哺乳动物细胞膜上富含胆固醇和糖脂，线粒体膜内富含心磷脂；大肠杆菌质膜则不含胆固醇。

3．糖脂主要位于质膜的非胞质面

糖脂含量占膜脂总量5%以下，遍布原核、真核细胞表面

细菌和植物的糖脂均是甘油磷脂衍生物，一般是磷脂酰胆碱PC 衍生来

动物糖脂都是鞘氨醇衍生物，称为鞘糖脂，糖基取代磷脂酰胆碱，成为极性头部

已发现40多种糖脂，区别在于极性头部不同，由1至几个糖残基构成

✧最简单的糖脂是脑苷脂，极性头部只是一个半乳糖/葡萄糖残基

✧最复杂的糖脂是神经节苷脂，极性头部有七个糖残基；在神经细胞膜中最丰富，占总膜

脂5%~10%

✧脂质体（lipidsome）可以作运载体

（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合

又称含量作用力特点

膜内在蛋白穿膜蛋白70%~80% 范德华力α-螺旋构象/β-筒孔蛋白

膜外在蛋白外周蛋白20%~30% 非共价键水溶性

脂锚定蛋白脂连接的蛋白共价键运动性增大

1.内在膜蛋白

✧又称跨膜蛋白，占膜蛋白总量70%~80%；分单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜三种类

型

✧跨膜区域20~30个疏水氨基酸残基，通常N端在细胞外侧

✧内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合区域，作用方式：①疏水氨基酸形成α-螺旋，跨膜

并与脂双层脂肪酸链通过范德华力相互作用②某些α-螺旋外侧非极性，内侧是极性链，形成特异性畸形分子的跨膜通道

✧多数跨膜区域是α-螺旋，也有以β-折叠片多次穿膜形成筒状结构，称β-筒，如孔蛋

白(porin)

2.外在膜蛋白

又称外周蛋白，占膜蛋白总量20%~30%；完全在脂双层之外，胞质侧或胞外侧，通过非共价键附着膜脂或膜蛋白

胞质侧的外周蛋白形成纤维网络，为膜提供机械支持，也连接整合蛋白，如红细胞的血影蛋白和锚蛋白

外周蛋白为水溶性蛋白，与膜结合较弱，改变溶液离子浓度或pH，可分离它们而不破坏膜结构

3.脂锚定蛋白

①一种位于膜的两侧，蛋白质直接以共价键结合于脂类分子；此种锚定方式与细胞恶变有关

②还有糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)，通过蛋白质C端与磷脂酰肌醇连接的糖链共价结合脂锚定蛋白在膜上运动性增大（侧向运动），有利于结合更多蛋白，有利于更快地与胞外蛋白结合、反应

GPI-锚定蛋白分布极广，100种以上，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等

4.去垢剂（detergent）

离子型去垢剂：SDS十二烷基磺酸钠引起蛋白质变性

非离子型去垢剂：Triton X-100 对蛋白质比较温和

（三）膜糖类覆盖细胞膜表面

细胞膜的糖类，占质膜重量2%~10%；

①大多以低聚糖或多聚糖共价结合膜蛋白，形成糖蛋白（糖蛋白中的糖基化主要发生在天冬酰胺（N-连接），其次是丝氨酸和苏氨酸（O-连接）残基上）；

②或以低聚糖共价结合膜脂，形成糖脂，所有糖链朝向细胞外表面

形成低聚糖的单糖类型：甘露糖、岩藻糖、半乳糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸等

A.唾液酸残基在糖链末端，形成细胞外表面净负电荷

B.寡糖链中的单糖的数量、种类、排列顺序、有无支链等不同，可以出现千变万化的组合形式。Eg.人类ABO血腥抗原的差别就是血型糖蛋白在红细胞质膜外表面寡糖链的组成结构决定。

△细胞外被cell coat=糖萼glycocalyx=与质膜相连的糖类物质

功能：①保护细胞抵御各种物理、化学性损伤②建立起水盐平衡③帮助蛋白质膜上定位、固定，防止翻转④参与细胞与外环境的作用，eg识别、粘附、迁移

二、细胞膜的生物学特性

（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性

膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性和生命活动

的高度有序性

1．膜脂的不对称性

SM、PC在细胞外侧叫多，PE在细胞内侧较多。

2．膜蛋白的不对称性

各种膜蛋白在质膜中有特定位置，分布绝对不对称：

酶和受体多分布于质膜的外侧面，而腺苷酸环化酶

定位内侧面

跨膜蛋白有一定方向性：多数N外C内，两端肽链

长度、氨基酸种类、活性位点不同

3．膜糖的不对称性都向着非胞质面

（二）膜的流动性是膜功能活动的保证

流动性fluidity主要是指膜脂的流动性+膜蛋白的运动性

1．脂双层为液晶态二维流体

✓液晶态（lipid-crystal state）脂双分子层已有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性。

细胞内外的水环境，使膜脂分子不能从脂双层逸出，只能在二维平面交互位置。

✓相变（phase transition）正常体温下，膜呈液晶态；当温度下降到临界温度(膜的相变温度)，膜脂转为晶态

✓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 =脂双层的单分子层内，脂分子沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置，每秒约107次。侧向扩散运动时膜脂分子主要的运动方式。。

②翻转运动flip-flop 从脂双层一层翻转到另一层，需要翻转酶，在内质网发生

③旋转运动rotation 膜脂分子围绕与膜平面向垂直的轴的自旋运动

④弯曲运动flexion 膜脂分子的烃链是有韧性、可弯曲的，分子尾部端弯曲、摆动幅度大，而靠近头部弯曲摆动幅度小。

⑤此外，还有伸缩、震荡

3．影响膜脂流动性的因素

①脂肪酸链的饱和程度

磷脂分子长的饱和脂肪酸链呈直线型，具有最大的聚集倾向而排列紧密成凝胶状态；

不饱和脂肪酸链在双键出形成折曲而呈弯曲状，感染了脂分子间范德华力的相互作用，故排列疏松，从而增加了膜的流动性。