第三章

細胞質膜與跨膜運輸熊濤細胞質膜概述細胞膜的結構細胞膜的功能紅細胞膜結構膜的化學組成膜的分子結構及特點細胞的膜結構細胞膜(cellmembrane)是細胞膜結構的總稱。有時特指細胞質膜。細胞質膜(plasmamembrane)是指包圍在細胞表面的一層極薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白組成。質膜的基本作用是維護細胞內微環境的相對穩定，并參與同外界環境進行物質交換、能量和信息傳遞。在細胞的生存、生長、分裂、分化中起重要作用。生物膜(biomembrane):細胞所有膜結構的統稱，包括細胞內膜和質膜。細胞膜的功能界膜和區室化調節運輸：膜對物質的運輸具有選擇性功能定位與組織化信號的檢測與傳遞參與細胞間的相互作用能量置換紅細胞膜結構紅細胞(redbloodcell,erythrocyte)

是結構最簡單的細胞，也是研究膜結構的最好材料。紅細胞的生物學形態結構：成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為7μm,厚度1.7μm,表面積為145μm2；表面積與體積的比值較大，有得于細胞變形、氣體交換和攜帶。紅細胞的功能紅細胞的主要功能是攜帶O2和運輸CO2紅細胞血影紅細胞質膜紅細胞的壽命約為120天，一生中要行走500,000米。紅細胞膜骨架膜骨架賦予紅細胞質膜既有很好的彈性又具有較高強度。紅細胞膜(含膜骨架部分)大約有15種主要的蛋白帶:血影蛋白(Spectrin)血型糖蛋白(Glycophorin)帶3蛋白(Band3protein)紅細胞膜蛋白的組成血影蛋白：膜下蛋白，膜骨架的重要成分，占膜提取蛋白的30%血型糖蛋白A：單次跨膜糖蛋白帶3蛋白：具有陰離子轉運功能錨蛋白：將血影蛋白固定到RBC膜上肌動蛋白、帶4.1蛋白、內收蛋白膜骨架蛋白的主要成分包括

血影蛋白、肌動蛋白、錨定蛋白、帶4.1蛋白等，這些都是外周蛋白。肌動蛋白原肌球蛋白錨蛋白血影蛋白血型糖蛋白A帶3蛋白膜的化學組成膜的化學組成：脂/蛋白質/糖膜中蛋白質與脂的比例，依據膜的類型(質膜、內質網膜)、細胞類型(肌細胞、肝細胞)、生物類型(動物、植物和原核生物)的不同而不同。蛋白質/脂：與膜的功能密切相關，線粒體>>紅細胞膜脂生物膜上的脂類統稱為膜脂，其分子排列呈連續的雙層，構成了生物膜的基本骨架。所有的膜脂都具有兩親性：一個親水末端(極性端)和一具疏水端(非極性端)。膜脂的主要類型磷脂、鞘脂、膽固醇膽固醇占膜脂的50%對磷脂的脂肪酸尾部的運動具有干擾作用，所以膽固醇對調節膜的流動性、加強膜的穩定性有重要作用。膽固醇在脂雙層中的位置LipoproteinisanClassofNaturally

ExistingNanostructuresLow-DensityLipoprotein(LDL)NanoparticleGoldsteinandBrownwon1985NobelPrizeforelucidatingLDLreceptor(LDLR)pathwayLDLdeliverycountfor90%ofcholesterolsupply(only10%fromdenovosynthesis)Endogenouscarrier?nonimmunogenicandescapeRESescapeRES?biocompatibleandbiodegradable基于LDL的納米平臺技術靶向LDL受體完整的ApoB-100信號通過LDL受體擴大靶向其它的癌癥信號通過覆蓋Lys或改變apoB-100的構型，以封閉與LDL受體的結合位點。偶聯腫瘤相對特異性靶分子的配體或多肽生物相容性好(無免疫原性，能夠逃避內皮網狀系統，可生物降解)

多功能(結合MRI和NIRF成像，成像和治療)

靶向性可變

(LDLR或非LDLR)

納米尺寸可調(過裝載LDL或用不同尺寸的脂蛋白)~22nm膜脂的特性和功能在水溶液中能夠自動形成微球或雙分子層結構；脂雙層的厚度為6nm；膜脂的主要功能是構成膜的基本骨架。脂質體人工制備的連續脂雙層的球形脂質小囊；作為生物膜的研究模型；作為生物大分子(如DNA分子)和藥物的載體。

((a)水溶液中的磷脂分子團；(b)球形脂質體；(c)平面脂質體膜；d)用于疾病治療的脂質體的示意圖膜糖膜糖的位置：細胞質膜上所有膜糖都位于質膜的外表面，內膜系統中的膜糖則位于內表面。膜糖的種類：動物細胞質膜上主要有7種D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-巖藻糖、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：通過共價鍵同膜脂或膜蛋白相連，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于細胞質膜上。真核生物細胞膜上的蛋白質幾乎都是糖蛋白。糖蛋白主要存在于細胞質膜上，內膜中糖蛋白極少。膜糖的功能提高膜的穩定性，增強膜蛋白對細胞外基質中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進行正確的折疊維持正確的三維構型；參與細胞的信號識別、細胞的粘著；糖蛋白中的糖基還幫助新合成蛋白質進行正確的運輸和定位；ABO血型決定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一種糖脂，其寡糖部分具有決定抗原特異性的作用。A血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖(Gal)，O型則沒有這兩種糖基，AB型的人則在末端同時具有這兩種糖。膜蛋白(membraneprotein)膜蛋白分類內在（整合）膜蛋白(intrinsic/integralmembraneproteins)：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結合緊密,需用去垢劑使膜崩解后才可分離。外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins)：水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜內表面的蛋白質分子或脂分子極性頭部非共價結合，易分離。脂質錨定蛋白（lipid-anchoredproteins)：通過磷脂或脂肪酸錨定，共價結合。膜蛋白的功能功能蛋白示例作用方式運輸蛋白Na＋泵主動將Na+泵出細胞，K+泵入細胞連接蛋白整合素將細胞內肌動蛋白與細胞外基質蛋白相連受體蛋白血小板生長因子(PDGF)受體同細胞外的PDGF結合、在細胞質內產生信號，引起細胞的生長與分裂酶腺苷酸環化酶在細胞外信號作用下，導致細胞內cAMP產生膜蛋白的研究方法膜蛋白的分離去垢劑的作用機理去垢劑是一端親水一端疏水的雙親媒性分子，它們具有極性端和非極性的碳氫鏈。當它們與膜蛋白作用時，可以用非極性端同蛋白質的疏水區作用，取代膜脂，極性端指向水中，形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復合物，從而使膜蛋白在水中溶解、變性、沉淀。去垢劑可分為離子型和非離子型兩種十二烷基磺酸鈉(SDS)是常用的離子型去垢劑，它不僅可使細胞膜崩潰，并與膜蛋白的疏水部分結合使其分離，而且還破壞膜蛋白內部的非共價鍵，使蛋白變性，所以不宜用于分離有功能的膜蛋白。TritonX-100是溫和性去垢劑，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白變性，可分離到有生物功能的膜蛋白。膜的分子結構及特點結構模型1935年提出"雙分子片層"結構模型流動鑲嵌模型；生物膜結構模型膽固醇磷脂寡糖糖脂內在蛋白膜的不對稱性細胞質膜的不對稱性是指細胞質膜脂雙層中各種成分不是均勻分布的，包括種類和數量的不均勻。膜脂的不對稱性膜蛋白的不對稱膜糖的不對稱不對稱性的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導致了膜功能的不對稱性和方向性。保證了生命活動的高度有序性。膜的流動性膜的流動性是指構成膜的脂和蛋白質分子的運動性。膜的流動性不僅是膜的基本特性之一，也是細胞進行生命活動的必要條件。膜的流動性的生理意義細胞質膜適宜的流動性是生物膜正常功能的必要條件。酶活性與流動性有極大的關系，流動性大活性高。如果沒有膜的流動性，細胞外的營養物質無法進入，細胞內合成的胞外物質及細胞廢物也不能運到細胞外，這樣細胞就要停止新陳代謝而死亡。膜流動性與信息傳遞有著極大的關系。如果沒有流動性，能量轉換是不可能的。膜的流動性與發育和衰老過程都有相當大的關系。

流動性的表現形式膜脂的運動方式(脂的流動是造成膜流動性的主要因素)

側向擴散(lateraldiffusion)

旋轉運動(rotation)

伸縮運動（flex）

翻轉擴散(transversediffusion)膜蛋白的運動隨機移動定向移動局部擴散膜流動性的研究方法人、鼠細胞融合實驗1970年，L.DavidFrye和MichaelEdidin進行了人、鼠細胞融合實驗，令人信服地證明了膜蛋白的流動。免疫球蛋白與單克隆抗淋巴細胞的成斑和成帽反應通過抗體交聯膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的現象也是證明膜蛋白在膜平面側向擴散的例子。光脫色熒光恢復技術

(fluorescencerecoveryafterphotobleachingFRAP)這種方法不僅能夠證明膜的流動性，同時也能測量膜蛋白擴散的速率。細胞質膜的功能非離子型去垢劑的作用機制Glycophorin帶3蛋白的功能碳酸酐酶磷脂酰絲氨酸外翻分析

（AnnexinV法）細胞凋亡ImagingapoptoticresponseinvivoVasilisNtziachristos,etal.VisualizationofantitumortreatmentbymeansoffluorescencemoleculartomographywithanannexinV–Cy5.5conjugate,PNAS,2004,101(33):12294–12299.

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