细胞膜与细胞表面

Integral membrane proteins: 1, 2, 3, and 4
Peripheral membrane proteins: 5 and 6
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膜周边蛋白(外在蛋白) 常通过内在蛋白间接与膜 连接，或直接与脂类分子极性头部结合，如血影蛋白、 锚定蛋白和细胞骨架蛋白结合于红细胞膜的内表面， 而糖被的一些蛋白结合于外表面。 大多数膜周边蛋白溶解于水，通过离子键或弱键 与特定的膜内在蛋白相结合。 用一些温和的方法(高浓度盐溶液或某些化学物质) 可以将许多周边蛋白从膜上除去。 膜周边蛋白占膜蛋 白的20％～30％，而红细胞膜中占50％左右。 内在蛋白与膜结合非常紧密,只有用去垢剂处理, 使膜崩溃后,才能将它们分离出来。占膜蛋白70％－80 ％。
细胞膜与细胞表面
Cell Membrane and Cell Surface
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第一节 细胞膜与细胞表面特化结构
cell membrane and special structure of cell surface
细胞膜(cell memberane)是细胞质和外界相 隔的一层薄膜，又称质膜(plasma m.) 。 在生命进化历程中细胞膜的形成是关键的 一步，没有细胞膜，细胞形式生命就不能存在。 细胞膜使细胞内外环境之间保持必要的差 别。与物质运输、信号转导、细胞识别、细胞 分裂分化、细胞癌变等密切相关。
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(三)流动(液态)镶嵌模型 (fluid mosaic model)
S.J.Singer, G.Nicolson(1972)提出,得到广泛支持。 1.生物膜是由流动 极性头部 的脂质双分子层构成 脂质双分子层 膜的连续主体。 2.球形的膜蛋白以 疏水尾部 各种形式镶嵌在脂质 镶嵌蛋白 外周蛋白 双分子层中。 总之： 生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的 液态体。
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Membrane asymmetry
The inner and outer leaflets of the membrane have different compositions of lipids and proteins
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(lipid rafts model)
二、细胞膜的化学组成
The Chemical Basis of the Cell Membrane
细胞膜的化学组成主要是脂类、蛋白质和糖类. 脂类 膜 化 学 组 成 蛋白质 糖类
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FLUID MOSAIC MODEL OF MEMBRANE STRUCTURE “Islands of protein in a sea of lipid”
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五、细胞膜的特性
(properties of cell membranes)
(一)细胞膜的不对称性(asymmetry)
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脂质双分子层的不对称性 1. 脂质双分子层中，各层所含 的磷脂种类有明显不同。
非胞质侧：头部含有胆碱的磷 脂分子(磷脂酰胆碱,鞘磷脂)。
胞质侧：末端含有氨基的磷脂分子(磷脂酰 乙醇胺和磷脂酰丝氨酸)。 2. 糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂 质分子 中。
膜 糖 类
糖类+膜脂 共价键
细 胞 被 脂 双 层 细胞内 膜 蛋 白
糖脂
糖蛋白
糖类+膜蛋白
共价键
N-连接；O-连接
细胞被
细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋 白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞 (糖萼)： 衣或糖萼。 糖蛋白功能：与细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。
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glycoprotein
Proteins are embedded in the lipid matrix
• Receptors, recognition proteins, transport proteins, adhesins, and others
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晶格镶嵌模型(1975)
认为镶嵌蛋白和其周围的类 脂分子形成膜中晶态部分， 而具有流动性的类脂呈小片 的点状分布。因此类脂的流 动性是局部的，并非整个类 脂双分子层都在流动。
EXAMPLES
Actin, Spectrin, Ankyrin Insulin, Glucagon
Acetylcholine (nicotinic), GABA
Signal recognition and transduction
Maintenance of ionic gradients, transmission
鞘 胺 醇
鞘 胺 醇
半乳糖苷脂
糖脂分子
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3.胆固醇(cholesterol)
极 性 头 部 平 面 甾 环 结 构 非 极 性 尾 部
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CHOLESTEROL C8H17
CH3 C D
A
OH HYDROPHILIC REGION
B
HYDROPHOBIC REGION
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水
磷脂分子团
磷脂双层
Transporter Enzymes
Import and export of substances
Glucose, Glutamate Adenylyl cyclase
Catalysis
按功能不同可将膜蛋白分为五类
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四、膜糖类(membrane carbohydrates)
膜中含有的糖类称为 膜糖类或膜碳水化合物。
3
生物膜 (Biological membrane) 细胞内膜 细胞内膜系统(cell endomembrane system)：细胞质 内在形态结构、功能和发生上具有相互联系的膜相结 构的总称，包括核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶 体、过氧化物酶体以及细胞质内各种膜性小泡。 细胞膜功能：维持细胞形态、界膜、内环境稳定、 物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。
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(二)膜蛋白的功能
维持细胞的形态(机械支持) 物质运输 能量转换 信息传递 免疫 癌变
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SOME CLASSES OF MEMBRANE PROTEINS
CLASS
Structural Receptors Ion Channels
FUNCTIONS
Cell-cell contact, cytoskeletal organisation
Protein: Lipid ratio Lipids (%) Phos/choline Phos/serine Sphingomyel Cholesterol Others
8 1
18 9 14 30 29
0 1
45 2 5 5 43
0 3
50 1 2.5 2.5 43.5
0 3
55 3 3 10 29
镶嵌蛋白
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4
非胞质面 脂 质 双 层
1
2
3
5
胞质面
镶 嵌 蛋 白
1.单次穿 膜： 单条α-螺旋贯穿脂质双层。 2.多次穿膜：数条α-螺旋几次折返穿越脂质双层。 跨膜蛋白 3.非穿越性 不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质 共价结合： 的烃链结合。 4.与磷脂酰 镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌 肌醇结合： 醇（在非胞质面的单层）共价结合。 5.外周蛋白： 附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白 上。
CARBOHYDRATE
PHOSPHOLIPID
4-5nm
PROTEIN
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Plasma membrane
Phospholipid (75%)
OH
Glycolipids (5%)
OUTSIDE
OH
Hydrophobic environment
OH OH
Cholesterol (20%)
Integral protein
鞘磷脂(SM)
磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺
磷 磷酸甘油酯 磷脂酰丝氨酸 脂
磷脂酰肌醇(IP)
极 性 头 部 基 团 （ 亲 水 ）
X
鞘 胺 醇
非 极 性 尾 部 基 团 （ 疏 水 ）
兼 性 分 子
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PC
PE
PS
SM
糖脂(glycolipid,GL)
糖脂与鞘磷脂相似,也是鞘氨醇(不是甘油)的衍生物。
4
细胞膜
一、细胞膜的结构模型
Structure Model of the Cell Membrane
上世纪以来许多科学工作者对于膜的分子结构问 题进行了很多研究，并提出各种膜分子结构模型。 5
(一)片层结构模型 (lamella structure model)
细胞的表面张力显著低于油水界面的表面张力，因此，细胞 膜不可能是单纯由脂类构成的， 推想细胞膜除脂类外，可能还吸 附有蛋白质。 片层结构模型(1935)表明，细 胞膜中有两层磷脂分子，分子的 疏水脂肪酸链在膜的内部彼此相 对，而分子的亲水端则朝向膜的 内外表面，球形蛋白质分子附着 蛋白质-磷脂-蛋白质 在脂双层的两侧表面。 三层夹板式结构。
Glucolipide/glucolipoid
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MEMBRANE COMPOSITION VARIES ACCORDING TO CELLULAR LOCATION
Plasma M.
Carbohydrate (% of
Outer mito m.
Inner mito m.
Nuclear m.
membrane)
1977年提出了板块镶嵌模型，认为在流动的脂 双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的 类脂板块(有序结构的板块)，在这些有序结构的板块之间 被流动的类脂区(无序结构的板块)分开。因而生物膜是由 同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。
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(四)脂筏模型
1.最近发现，膜各部分脂质分布不是均匀的， 膜中有富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些 特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有 秩序且缺少流动，称为脂筏(lipid rafts )。 2.脂筏直径约70Sphingomyelin 100nm，其上载有数百 个蛋白质分子。细胞膜 上的脂筏与小窝蛋白结 合后内陷形成小窝 (caveolae)，参与胞吞过 程及信号转导等。