細胞膜化學組成與分子結(jié)構(gòu)

第四章細胞膜及細胞表面本節(jié)內(nèi)容提要第一節(jié)細胞膜的化學組成一、膜脂二、膜蛋白三、膜糖類第二節(jié)細胞膜的分子結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型三、細胞膜的功能第三節(jié)細胞膜的特性質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細胞膜(cellmembrane)。內(nèi)膜：形成各種細胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細胞表面。第一節(jié)質(zhì)膜的化學組成主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。此外還含有水、無機鹽等。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動物細胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。一、膜脂膜脂是細胞膜的主要成分之一，是構(gòu)成細胞膜的基本骨架。大多數(shù)動物細胞的膜脂約占細胞膜總量的50%。膜脂主要有磷脂(phospholipid)、膽固醇(cholesterol)和糖脂(glycolipid)3種類型，其中磷脂最多。這3種脂類都是雙親性分子(amphipathicmolecule)，即分子中具有1個親水頭部(極性端)和1個疏水尾部(非極性端)。脂雙層除具有自我裝配和自我封閉特點以外，還有在生理溫度下呈液晶態(tài)的特點，從而賦予生物膜流動性的特征。

（一）磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：一個極性頭（磷脂酰堿基）、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。1、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsPhospholipidsinPlasmaMembrane2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘氨醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富，原核和植物細胞膜中不含。存在真核細胞膜上，含量約為膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少。功能是提高膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發(fā)生自溶。

（二）膽固醇（三）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元的膜中的特征性成分。glycolipidsGlycolipids

二、膜蛋白占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為：內(nèi)在蛋白或整合蛋白（integralprotein）外在蛋白或外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。內(nèi)在蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins）或鑲嵌蛋白，兩性分子。跨膜結(jié)構(gòu)域為1至多個疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100膜蛋白與脂類結(jié)合主要方式

外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，改變?nèi)芤旱碾x子強度、提高溫度就可以從膜上分離下來。一個蛋白可以由多個亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子和PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳氫鏈結(jié)合。①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein三、膜糖類膜糖類以低聚糖鏈或多聚糖鏈的形式與膜蛋白共價結(jié)合，形成糖蛋白(glycoprotein)，一個糖蛋白分子可有許多低聚糖側(cè)鏈，如人紅細胞膜血型糖蛋白含16條糖鏈；膜糖類以低聚糖鏈的形式與脂類共價結(jié)合，形成糖脂(glycolipid)，每個膜糖脂分子只帶一個糖基或低聚糖側(cè)鏈。在自然界中發(fā)現(xiàn)的糖類有100多種，而在膜中只發(fā)現(xiàn)9種，動物細胞膜中主要7種：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸(N-乙酰神經(jīng)氨酸)。其中唾液酸殘基常見于糖鏈末端，糖基的結(jié)合方式、排列順序的多樣性，是細胞相互識別的分子基礎(chǔ)。第二節(jié)細胞膜的分子結(jié)構(gòu)

E.Overton1895推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter

等1925推測細胞膜由雙層脂分子組成。一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史3、J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。4、JD.Robertson1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。5、Singer和Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。Fluid-mosaicmodel6、1975年Wallach在流動鑲嵌模型的基礎(chǔ)上提出了“晶格鑲嵌模型”(crystalmosaicmodeld)

7、1977年，Jouin和White又提出了“板塊鑲嵌模型”(blockmosaicmodel)8、近年來，人們發(fā)現(xiàn)膜各部分脂質(zhì)的分布并不是均一的。膜中某些區(qū)域相對較厚，富含膽固醇和鞘磷脂，并聚集某些特定蛋白質(zhì)，直徑為70～l00nm，這樣的區(qū)域稱為微區(qū)(microdomain)，也稱為“脂筏”（lipidrafts）第三節(jié)細胞膜的特性膜脂和蛋白質(zhì)的分子運動組成。1、膜脂分子的流動性①側(cè)向擴散(1ateraldiffusion)

；②旋轉(zhuǎn)(rotation)

；③擺動；④伸縮震蕩；⑤翻轉(zhuǎn)(flip-flop)

；⑥彎曲運動(flexion)。一、質(zhì)膜的流動性2、膜蛋白的分子運動側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。檢測：細胞融合技術(shù)。4、膜流動性的生理意義當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。3、影響膜流動性的因素脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長膽固醇卵磷脂/鞘磷脂膜蛋白的結(jié)合方式其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。膜的不對稱性是指細胞質(zhì)膜各種成分在膜上分布是不均勻的，包括種類和數(shù)量的差異。膜的不對稱性導致了膜功能的不對稱性和方向性，保證了細胞功能的有序性。二、質(zhì)膜的不對稱性1．膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外側(cè)，PE和PS分布在內(nèi)側(cè)。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。2．糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。3．膜