医学细胞生物学-第三章 细胞膜

医学细胞生物学
Medical cell biology
湖北中医药大学 基础医学院 医学生物学教研室 朱璧然
第三章
细胞膜
细胞膜 ：
是包围在细胞质外面的一层生物膜，又称质膜 (plasma membrane) 。 • 1）作为屏障，使细胞具 有相对稳定的内环境。 • 2）高度选择性的半透膜， 能进行主动运输。 • 3）接受外界信号的传感 器，使细胞能对环境变 化产生适当的反应。
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钠钾泵的结构特点
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钠钾泵的工作机理
• 在细胞内侧α 亚基与Na+结合促进ATP水解，
α 上的一个天冬氨酸磷酸化引起亚基的 构象变化，将Na+泵出胞外。
• 同时，胞外的K+与α 亚基的另一位点结 合，使其去磷酸化，α 亚基构象变回原 状，将K+泵进细胞，完成一个循环。
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钠钾泵的工作原理
（每秒运转1000次）
鞘磷脂（Sphingomyelin，SM）： 神经酰氨骨架、一个磷脂酰胆碱。
• 2. 胆固醇(Cholesterol)：
四个联合在一起的刚性甾环结构，胆固醇分子包括
三部分:
极性的头部：羟基 非极性的类固醇环结构 一个非极性的碳氢尾部。
占膜脂的50% **存在于真核动物细胞**
胆固醇功能：极性头部紧靠磷脂分子的极性头 部对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用， 所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定 性有重要作用。影响膜稳定性。
– 糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正 确的运输和定位；
第二节 细胞膜的分子结构模型 及特性
• • • • 一、片层结构模型 二、单位膜模型 三、流动镶嵌模型 四、脂筏模型
流动镶嵌模型 (fluid mosaic model)： 脂双分子层构成生物膜的连续主体，既具有固体分 子排列的有序性，又具有液体的流动性，呈液晶态；球 形蛋白质分子以各种形式与脂双分子层相结合。
• 泵的本质：有ATP酶活性的蛋白。
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钠钾泵（Na+-K+ pump）
• 又称Na+-K+ ATPase 或 Na+/K+交换泵。 • 存在于一切动物细胞的质膜上。 • 由两个亚基（α 、β ）构成。 • α亚基——多次跨膜蛋白。具ATP酶 • 活性，有Na+和K+的结合位点。 • β亚基——具组织特异性，糖蛋白。
• 2） 膜外在蛋白（Peripheral protein）
又称膜周边蛋白，附着在膜的内外表面，与膜蛋白、膜 脂非共价地结合，一般约占膜蛋白的20%～30%。结合 松散，多数溶解于水，分离提取比较容易。
• （三）膜糖类
糖类约占膜总重量的2%～10%。由各种己糖聚合成 低聚糖糖链与膜蛋白或膜脂结合。复杂的糖基的结合方 式，是细胞之间相互识别的分子基础。
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胞吐作用
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受体介导的胞吞过程
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（2）细胞膜的信号转导功能 • 1、细胞表面受体与细胞识别 • 2、细胞通讯的机制
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细胞通讯与信号传递示意图
由细胞外被、细胞膜和胞质溶胶层三者构成，是包 围在细胞质外层的一个复合结构体系和多功能体系，是 细胞与细胞、细胞与外环境相互作用并具有各种复杂功 能的部位。广义的细胞表面还包含细胞连接和细胞表面 的特化结构(如鞭毛、纤毛、微绒毛)等。
功能： 细胞的支持保 护及细胞各种生命 活动。
第一节 细胞膜的化学组成
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电压闸门通道示意（动画）
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水通道蛋白（aquaporin，AQP）
——水的分子通道
• 在哺乳动物已发现有13种水通道蛋白，构成 水通道蛋白家族 。第一个水通道蛋白 AQP1于 1988年发现，是人红细胞膜的一 种主要蛋白。它 可使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性 的变化。AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞中。 AQP1能让水自由通过，不许离子或其他小分子 通过。
一个甘油骨架、两条脂肪酸 链和一个磷酸化醇分子。 磷脂酰胆碱（卵磷脂）
（Phosphatidylethanolamine，PC）
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）
（Phosphatidylcholine，PE）
磷脂酰丝氨酸
（Phosphatidylserine，PS）
磷脂酰肌醇
（Phosphatidylinositol，PI）
膜糖类

膜糖的位置：细胞质膜上所有膜糖都位于质膜的外表面，
内膜系统中的膜糖则位于内表面。

膜糖的种类：动物细胞质膜上主要有7种
– D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖、N-乙酰-D-半乳糖胺、 N-乙酰葡萄糖胺、唾液酸

膜糖的存在方式：
– 通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白 的形式存在于细胞质膜上。 – 真核生物细胞膜上的蛋白质几乎都是糖蛋白。糖蛋白 主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。 – 主要是两种连接方式：O－连接、N－连接
•
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钠钾泵工作原理示意
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2.ATP间接供能的主动运输 ——协同运输
• • •
利用离子泵所产生的离子浓度差（势能）
同向伴随运输
• • •
（cotransport symport）
反向伴随运输
（cotransport antiport）
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协同运输示意图
• 单向运输 同向伴随运输 反向伴随运输
糖蛋白(Glycoproteins)： 结合糖链的膜蛋白，一个糖蛋白分子可有许多低 聚糖侧链。
糖脂(Glycolipids)： 结合糖残基或糖链的脂类，每个膜糖脂分子只带一个 糖基或低聚糖侧链。

膜糖的功能
– 提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质 中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折 叠维持正确的三维构型； – 参与细胞的信号识别、细胞的粘着；
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葡萄糖与钠离子的同向伴随运输
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2、膜泡运输
• （1）特点：
• • • • ① 膜的变形与断裂 ② 消耗能量 ③ 转运大分子 ④主动运输
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（2）分类
• ①胞吞作用： • 吞饮作用------------ 对液体or小颗 粒 • 吞噬作用------------ 对较大颗粒 • 受体介导入胞作用---• 特异吞噬or吞饮,需膜受 体。
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通道蛋白（Channel proteins）
•
已发现通道蛋白 50多种，主要是离子通道 (ion channel)。
• 通道蛋白——持续开放的、非持续开放（闸 门）
• 闸门通道 (gated channel) ：间断开放通道。
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闸门通道(gated channel)
① 电压闸门通道-----电位差变化时开放 。 （要电压刺激） ② 配体闸门通道-----配体受体结合时开放 （要配体刺激） ③ 离子闸门通道-----离子浓度变化时开放 （要离子刺激）
• • 2.ATP间接供能的（协同运输） 3.光能驱动的 （光驱动泵）
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主动运输的三种基本类型
方向！
协同运输
ATP驱动泵
光驱动泵
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1.ATP直接供能的主动运输
• 钠钾泵（Na+-K+ 泵）---转运 Na+、K+ • 钙泵（ Ca2+ 泵）---- 转运 Ca2+ • 氢泵（ H+ 泵）------- 转运 H+
• 3. 糖脂（Glycolipid）：
含有一个（如半乳糖脑苷脂）或多个糖基的脂类（神 经节苷脂） 。
2）膜脂都是兼性分子，含有亲水性（hydrophilic） 头部和疏水性（hydrophobic）尾部两部分。
例如： ■磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部； ■磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部,一般含有14～24个偶数碳原子； ■其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存 在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。
美国霍普金斯大学医学院彼得.阿格雷（Peter Agre） 教授因发现水通道蛋白获2003年诺贝尔化学奖。
•
•
“水通道蛋白与肺水肿” “水通道蛋白与脑水 肿”，“腹泻大鼠结肠水通道蛋白4的表达与分 布研究”
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（2）主动运输（active transport）
• 特点： • 消耗ATP、需要载体蛋白、逆浓度梯度 • 类型：1.ATP直接供能的 （离子泵）
细胞接受外界信号“配体(Ligand) ”的特殊装置， 也称细胞表面受体（Cell surface receptor）或膜受体。
（1）含量少，多为糖脂、 糖蛋白复合物。 （2）受体配体结合具有专 一性、高亲和性、可饱和 性等。
• 分类：
膜内在蛋白（Integral protein） 膜周边蛋白（Peripheral protein）
细胞外被 (cell coat)：
是细胞膜外表面覆 盖的一层多糖物质， 由构成细胞膜的糖蛋 白、糖脂等的糖链向 外伸展交织而成，又 称糖萼(glycocalyx)， 属于质膜的一部分。
膜下溶胶层：
位于质膜内侧，富含微丝、微管等细胞骨架，这些 细胞骨架直接或间接与细胞膜上的蛋白质相连。
细胞表面（cell surface）：
• 一、细胞膜的化学组成
细胞膜的主要化 学成分是脂类、蛋白 质及糖类，各类型膜 的组成成分比例各不 相同。
膜脂
膜蛋白
膜糖
其它
（一） 膜 脂
磷脂 胆固醇 糖脂
1）脂类约占细胞膜总量50%，膜脂主要包括
脂分子结构
•
1. 磷脂(Phospholipid)：
磷酸甘油酯
（Glycerol phospholipids）：
亲水头部朝向膜的 两表面，疏水尾部彼 此相对并朝向膜的中 央，在水溶液中会自 动形成双分子层结构， 避免疏水的尾部与水 接触，疏水基团间的 相互作用是形成脂类 分子双层（lipid bilayer）的主要力量。

。脂质体 囊；
人工制备的连续脂双层的球形脂质小
– 作为生物膜的研究模型； – 作为生物大分子(如DNA分子)和药物的载体
脂筏模型(lipid rafts model) 即在生物膜上胆固醇富集 而形成有序脂相,如同脂筏 一样载着各种蛋白.脂筏是 质膜上富含胆固醇和鞘磷 脂的微结构域。大小约 70nm 左右，是一种动态 结构，
第三节 细胞膜的功能
• 保护屏障、物质和信号交换的门户
•
• • •
物质转运、信息传递、能量转换、 细胞识别、细胞免疫、细胞分裂、 细胞分化、细胞凋亡…
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（wk.baidu.com）物质转运功能
•
• 不同物质（小分子、大分子） • 以不同方式转运。
• 1.跨膜转运 ①被动运输 ②主动运输(小分 子)
• 2.膜泡运输 ①胞吞作用 ②胞吐作用(大分 子)
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物质的跨膜转运概况
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1、跨膜转运
• （1）被动运输：不需耗能，顺浓度梯度。
• （2）主动运输：需耗能、膜蛋白，逆浓度梯
因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质 的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人 的应用前景。
• (二) 膜蛋白(Membrane protein)
构建生物膜的蛋白质， 它约占细胞总蛋白量的25%。 行使膜的各种功能。
运输蛋白 膜蛋白酶 连接蛋白 受体蛋白
细胞膜受体(Membrane receptor)：
• 一、膜内在蛋白（integral protein）
也称整合蛋白，多为跨膜蛋白，有的共价结合于 脂分子，占膜蛋白70%～80%，多是兼性分子。

镶嵌蛋白：
疏水部分插入细胞 膜内，直接与脂双层的疏 水区域相互作用，亲水部 分露于膜的外面或内面。
• 跨膜蛋白：
疏水部分穿越脂双 层的疏水区，而亲水的 极性部分位于膜的内外 两侧。
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易化扩散（帮助扩散）图解
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载体蛋白（carrier proteins） –* 特点:
–
1.具有特异性；
–
–
2.参与被动运输；
3.参与主动运输。
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载体蛋白的工作原理
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通道扩散——通道蛋白介导的跨膜转运
• • • • • • • • • @ 典型的膜通道： 水通道蛋白（aquaporin） 离子通道蛋白（ion channel） eg：神经细胞、肌肉细胞的离子通道。 @ 离子通道转运的特点： 1、速度快（百万每秒，比载体快千倍）； 2、选择性：Na+ K+ Ca2+ Cl-通道不同； 3、多数非持续开放（闸门控制）； 4、被动转运，无需ATP。
度。
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（1）被动运输
• 简单扩散（自由扩散）------仅要浓度梯度 • 易化扩散（帮助扩散）------还要载体蛋白 通道扩散 -------------------还要通道蛋白
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小分子穿膜转运图解
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自由扩散（Free diffusion）
•
又称简单扩散（ simple diffusion ）。 它 不 要 膜 蛋 白 的 帮 助 , 也 不 消 耗 ATP, 仅靠膜的两侧被转运的物质保持一定的 浓度差。