第二篇第二篇 細(xì)胞的基本功能細(xì)胞的基本功能 細(xì)胞細(xì)胞(cell) - 生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位 1665年：英國(guó)物理學(xué)家年：英國(guó)物理學(xué)家虎克虎克(Robert Hooke) 首次以自制首次以自制 的顯微鏡觀察到樹(shù)株的木栓層薄片的小格子即木栓中死細(xì)的顯微鏡觀察到樹(shù)株的木栓層薄片的小格子即木栓中死細(xì) 胞壁構(gòu)成之空室，并稱(chēng)之為胞壁構(gòu)成之空室，并稱(chēng)之為 “細(xì)胞細(xì)胞” ； 十九世紀(jì)三十年代后期：德國(guó)植物學(xué)家十九世紀(jì)三十年代后期：德國(guó)植物學(xué)家施萊登施萊登和動(dòng)物學(xué)家和動(dòng)物學(xué)家 施旺施旺共同創(chuàng)立了細(xì)胞學(xué)說(shuō)；共同創(chuàng)立了細(xì)胞學(xué)說(shuō)； 二十世紀(jì)三十年代以來(lái)：提出了各種有關(guān)膜的分子結(jié)構(gòu)的二十世紀(jì)三十年代以來(lái)：提出了各種有關(guān)膜的分子結(jié)構(gòu)的 假說(shuō)。假說(shuō)。Singer和和Nicholson于于1972年提出的膜的液態(tài)鑲嵌年提出的膜的液態(tài)鑲嵌 模型（模型（liquid mosaic model） 含有含有“細(xì)胞細(xì)胞”名稱(chēng)的學(xué)術(shù)雜志：名稱(chēng)的學(xué)術(shù)雜志：20多種多種生命現(xiàn)象在細(xì)胞和生命現(xiàn)象在細(xì)胞和分子水平的高度一致性分子水平的高度一致性Matthias Jacob Schleiden (1804-1881) 細(xì)胞學(xué)說(shuō)創(chuàng)始人之一細(xì)胞學(xué)說(shuō)創(chuàng)始人之一 德國(guó)科學(xué)家德國(guó)科學(xué)家 本篇（細(xì)胞生理學(xué)）主要講授：細(xì)胞生理學(xué)）主要講授：細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)細(xì)胞生物電現(xiàn)象肌細(xì)胞收縮機(jī)制 第二章第二章 細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能 細(xì)胞膜細(xì)胞膜/ /質(zhì)膜（質(zhì)膜（plasma membrane)/plasma membrane)/生物膜生物膜 細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜 細(xì)胞器細(xì)胞器（organelle）膜 雙層質(zhì)膜：雙層質(zhì)膜：線粒體（mitochondria）、 葉綠體（chloroplast）和 核膜（nuclear membrane） 單層質(zhì)膜：?jiǎn)螌淤|(zhì)膜： 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum） 高爾基體（Golgis apparatus） 溶酶體（1ysosome） 細(xì)胞膜的功能細(xì)胞膜的功能 屏障功能物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能 （半透膜/選擇性）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能 生物電第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特征細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特征 q 對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程固態(tài)小孔模型液態(tài)鑲嵌模型（fluid mosaic model）q 電子顯微鏡下膜的結(jié)構(gòu)電子顯微鏡下膜的結(jié)構(gòu)2.5nm2.5nm2.5nm7.5nm人紅細(xì)胞膜電鏡照片人紅細(xì)胞膜電鏡照片一、細(xì)胞膜是由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和少量糖類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成一、細(xì)胞膜是由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和少量糖類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成的的 n 膜的組成一般是以蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為主，糖類(lèi)只占極少量。膜的組成一般是以蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為主，糖類(lèi)只占極少量。以重量計(jì)算，蛋白質(zhì)與脂質(zhì)在膜內(nèi)的比例大約在以重量計(jì)算，蛋白質(zhì)與脂質(zhì)在膜內(nèi)的比例大約在4:1-1:4之間，之間，n 膜蛋白和膜脂質(zhì)的重量比則取決于該部分膜的功能特性和膜蛋白和膜脂質(zhì)的重量比則取決于該部分膜的功能特性和代謝活躍程度。代謝活躍程度。 線粒體膜：線粒體膜： 蛋白質(zhì)：脂質(zhì)蛋白質(zhì)：脂質(zhì)3:1； 神經(jīng)纖維的髓鞘膜：神經(jīng)纖維的髓鞘膜： 蛋白質(zhì)：脂質(zhì)蛋白質(zhì)：脂質(zhì) 1:4。n 分子個(gè)數(shù)：脂質(zhì)分子數(shù)目至少超過(guò)蛋白質(zhì)分子數(shù)的分子個(gè)數(shù)：脂質(zhì)分子數(shù)目至少超過(guò)蛋白質(zhì)分子數(shù)的l00倍。倍。二、液態(tài)鑲嵌模型是目前公認(rèn)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)型式二、液態(tài)鑲嵌模型是目前公認(rèn)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)型式Lipid bilayers Phospholipids form membranes as lipid bilayers. (Liposomes.)Fluid Mosaic Modelof Membrane Structure（一）脂質(zhì)雙分子層（一）脂質(zhì)雙分子層是細(xì)胞膜的基本骨架是細(xì)胞膜的基本骨架 脂質(zhì)雙分子層是如何發(fā)現(xiàn)的？脂質(zhì)雙分子層是如何發(fā)現(xiàn)的？Gorter和 Grendel（1925）提取紅細(xì)胞膜脂質(zhì)將脂質(zhì)在水溶液中鋪成單分子層 測(cè)定脂質(zhì)單分子層的面積發(fā)現(xiàn)約為該細(xì)胞表面積的二倍 脂質(zhì)雙分子層學(xué)說(shuō) 膜脂質(zhì)的組成：膜脂質(zhì)的組成：磷脂、糖脂、固醇 1. 磷脂（phospho1ipid） （70%） （1） 甘油磷脂甘油磷脂 磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC） 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanoamine，PE） 磷脂酰絲氨酸磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS） 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI） （2） 鞘鞘磷磷脂脂（1%，與磷脂結(jié)構(gòu)相似，但不含甘油，而代 之以鞘氨醇（sphinsine）2. 2. 糖脂糖脂（glycolipid） 鞘糖脂（鞘糖脂（glycosphingolipid） 中性鞘糖脂 酸性鞘糖脂 甘油糖脂（甘油糖脂（glycoglycerolipid） 磷酸多萜醇衍生糖脂（磷酸多萜醇衍生糖脂（poliprenolphosphate lipid） 類(lèi)固醇衍生糖脂（類(lèi)固醇衍生糖脂（steryl glycoside） 3. 3. 固醇固醇（sterol）（30%） 膽固醇（膽固醇（cholesterol）：為主）：為主 膽固醇酯（膽固醇酯（cholesteryl ester）：含量很低）：含量很低 c/p比值比值：細(xì)胞膜中膽固醇與磷脂的比值，可反映膜的流動(dòng) 性。膜中膽固醇的含量與膜的流動(dòng)性成反變關(guān)系。c/p比值增 高時(shí)，膜的流動(dòng)性降低，細(xì)胞的變形能力降低；同時(shí)可能會(huì) 損害免疫細(xì)胞對(duì)抗原的結(jié)合和反應(yīng)能力。 Phospholipids膜脂質(zhì)都是一些雙嗜性分子雙嗜性分子（amphilic molecule） 膜脂質(zhì)的理化特點(diǎn)：膜脂質(zhì)的理化特點(diǎn)： 雙嗜性分子雙嗜性分子（amphilic molecule) 分子一端為親水性極性集團(tuán)，另一端為蔬水性非極 性集團(tuán) 組裝為細(xì)胞膜時(shí)親水端朝膜外，蔬水端朝膜內(nèi) 自由能最低，最穩(wěn)定，可自動(dòng)形成和維持熔點(diǎn)低，常溫下為液態(tài)，富流動(dòng)性熔點(diǎn)低，常溫下為液態(tài)，富流動(dòng)性 膜脂質(zhì)只能在同一分子層內(nèi)作橫向運(yùn)動(dòng)， 不易掉頭或跨層運(yùn)動(dòng) 膜蛋白和細(xì)胞骨架在膜流動(dòng)性中的作用賦予膜承受較大張力而不破裂的特性賦予膜承受較大張力而不破裂的特性賦予膜破裂后自動(dòng)融合修復(fù)的特性賦予膜破裂后自動(dòng)融合修復(fù)的特性人工膜人工膜（脂質(zhì)小體，liposome) 脂質(zhì)在水溶液中激烈擾動(dòng)形成的含水小囊（細(xì)胞空殼）。囊膜為脂質(zhì)雙層，是研究膜生物學(xué)的好工具，有重要的理論意義。 不同膜脂質(zhì)在細(xì)胞膜的分布不同膜脂質(zhì)在細(xì)胞膜的分布 外側(cè)：外側(cè)：主要為磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂內(nèi)側(cè)：內(nèi)側(cè)：主要為磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸 少量磷脂酰肌醇（產(chǎn)生IP3）膽固醇在兩層脂質(zhì)中差別不大膽固醇越高，膜流動(dòng)性越低 膜脂質(zhì)的運(yùn)動(dòng)膜脂質(zhì)的運(yùn)動(dòng) 同層內(nèi)橫向運(yùn)動(dòng)同層內(nèi)橫向運(yùn)動(dòng) 在同層內(nèi)在同層內(nèi)“掉頭掉頭” 不同層的不同層的“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)” 脂肪酰鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)、脂肪酰鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)、 磷脂分子圍繞其長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磷脂分子圍繞其長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 脂肪酰鏈垂直于膜脂質(zhì)雙層平面軸的震蕩運(yùn)動(dòng)脂肪酰鏈垂直于膜脂質(zhì)雙層平面軸的震蕩運(yùn)動(dòng)（二）（二）膜蛋白鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中，是膜功能的主要執(zhí)行者膜蛋白鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中，是膜功能的主要執(zhí)行者 膜蛋白在膜中的存在形式膜蛋白在膜中的存在形式 7070年代以前的觀點(diǎn)：年代以前的觀點(diǎn)：平鋪在脂質(zhì)雙分子層內(nèi)外兩側(cè)。 現(xiàn)在的觀點(diǎn)：現(xiàn)在的觀點(diǎn)：以螺旋或球形結(jié)構(gòu)鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中。 膜蛋白鑲嵌理論的證據(jù)：冰凍蝕刻冰凍蝕刻 表面蛋白質(zhì)（表面蛋白質(zhì)（peripheral proteinperipheral protein）：）：靜電吸附在膜表面 整合蛋白質(zhì)（整合蛋白質(zhì)（integrated proteinintegrated protein）：）：疏水氨基酸形成螺 旋，一次或多次穿膜，如G蛋白耦聯(lián)受體。Proteins in the plasma membrane Transmembrane or Integral Proteins Peripheral Proteins 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)形式及其調(diào)控膜蛋白的運(yùn)動(dòng)形式及其調(diào)控側(cè)向移動(dòng)：側(cè)向移動(dòng)：例如遞質(zhì)的受體有向神經(jīng)末稍分布處聚 集的現(xiàn)象。內(nèi)在化內(nèi)在化（internalization): 如受體蛋白 插入（insertion）：胞內(nèi)合成組裝到膜上 錨靠：錨靠：細(xì)胞骨架可將膜蛋白錨靠在某一特殊部分 沿膜平面垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿膜平面垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（三）（三）細(xì)胞膜糖類(lèi)細(xì)胞膜糖類(lèi)是細(xì)胞膜的另一類(lèi)分子標(biāo)記或信息載體是細(xì)胞膜的另一類(lèi)分子標(biāo)記或信息載體 細(xì)胞膜糖類(lèi)細(xì)胞膜糖類(lèi)種類(lèi)及分布特征種類(lèi)及分布特征量少（2-10） 主要是寡糖（10個(gè)以下單糖）和多糖（如唾液酸）以共價(jià)鍵形式結(jié)合于膜脂質(zhì)和蛋白質(zhì) 糖脂（glycolipid）、糖蛋白（glycoprotein） 裸露在膜外側(cè)，有細(xì)胞“天線” 之稱(chēng) 分類(lèi)：分類(lèi)： 中性糖類(lèi) 氨基糖類(lèi)（含量較多，包括氨基半乳糖和氨基葡萄糖等） 乙酰氨基糖類(lèi)（包括乙酰氨基半乳糖、乙酰氨基葡萄糖等） 巖藻糖 乙酰神經(jīng)氨酸（又稱(chēng)為唾液酸或涎酸）。 細(xì)胞膜糖類(lèi)的功能細(xì)胞膜糖類(lèi)的功能 1. 1. 形成細(xì)胞的形成細(xì)胞的抗原決定簇抗原決定簇和表型：和表型：如如ABO血型抗原血型抗原 中，中，A抗原為乙酰氨基半乳糖胺，B抗原為半乳糖。 2. 2. 膜受體的可識(shí)別部分：膜受體的可識(shí)別部分：大部分受體為糖蛋白 3. 3. 參與細(xì)胞識(shí)別、黏附、分化、老化、吞噬、自身參與細(xì)胞識(shí)別、黏附、分化、老化、吞噬、自身免疫和細(xì)菌感染過(guò)程等。免疫和細(xì)菌感染過(guò)程等。 4. 4. 其負(fù)電荷可能影響膜電位其負(fù)電荷可能影響膜電位（如Xie YKs study）