细胞膜结构及膜骨架

1、第四章第四章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面 Cell Membrane and Cell Surface u掌握一些专业英语名词掌握一些专业英语名词 u了解细胞膜的研究历史。了解细胞膜的研究历史。 u掌握细胞膜的流动镶嵌模型。掌握细胞膜的流动镶嵌模型。 u掌握细胞膜的功能。掌握细胞膜的功能。 u掌握细胞表面的特化结构掌握细胞表面的特化结构细胞膜细胞膜 骨架。骨架。 教学目标教学目标 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 流动镶嵌模型流动镶嵌模型 细胞膜的功能细胞膜的功能 细胞膜骨架细胞膜骨架 第四章第四章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面 Cell Membrane and Cell Surfac

2、e 习题与拓展习题与拓展 1.E. Overton 1895 发现发现 凡是溶于脂肪的物质很容凡是溶于脂肪的物质很容 易透过植物的细胞膜，而易透过植物的细胞膜，而 不溶于脂肪的物质不易透不溶于脂肪的物质不易透 过细胞膜。过细胞膜。 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 因此推测细胞膜由连续的因此推测细胞膜由连续的脂类物质脂类物质组成。组成。 2. 2. E. Gorter & F. GrendelE. Gorter & F. Grendel 1925 1925 用有机溶剂用有机溶剂 提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺 展在水面，测出膜脂展开的面积

3、二倍于细胞展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞 表面积。表面积。 细胞膜由细胞膜由双层脂分子双层脂分子组成。组成。 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 3. J. Danielli & H. DavsonJ. Danielli & H. Davson 19195 5 发现质膜的表面发现质膜的表面 张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有 蛋白质。并发现亲水性物质也可以通过膜，蛋白质。并发现亲水性物质也可以通过膜， 1959年提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿年提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿 脂双层的蛋白质通道，脂双层的蛋白质通道，供亲水物质

4、通过供亲水物质通过，提出，提出 “蛋白质脂质蛋白质蛋白质脂质蛋白质”三明治模型。三明治模型。 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 4. J. D. Robertson 1959J. D. Robertson 1959 用用超薄切片技术超薄切片技术获得了清获得了清 晰的细胞膜照片，显示暗晰的细胞膜照片，显示暗-明明-暗三层结构，提出暗三层结构，提出 了了单位膜模型单位膜模型。它由厚约。它由厚约3.5nm的双层脂分子的双层脂分子 和内外表面各厚约和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约的蛋白质构成，总厚约 7.5nm。 暗线暗线 明线明线 暗线暗线 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究

5、历史 5 5. . S. J. Singer & G. NicolsonS. J. Singer & G. Nicolson 1972 1972根据根据免疫免疫 荧光技术荧光技术、冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了的研究结果，提出了 “流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。 构成膜的蛋白质和脂类分子具有构成膜的蛋白质和脂类分子具有镶嵌镶嵌关系，膜关系，膜 蛋白分布的蛋白分布的不对称性不对称性，而且膜的结构处于，而且膜的结构处于流动流动 变化变化之中。之中。 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 、脂筏模型（、脂筏模型（Lipid Rafts） 生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同生物膜上

6、胆固醇富集而形成有序脂相，如同 “脂筏脂筏”一样载着各种蛋白质。一样载着各种蛋白质。 第一节第一节 细胞膜研究历史细胞膜研究历史 富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示 目前对生物膜的认识目前对生物膜的认识 第二节第二节 膜的流动镶嵌模型膜的流动镶嵌模型 （Fluid-mosaic model ） u膜的物质组成膜的物质组成 u流动镶嵌模型的特点流动镶嵌模型的特点 一、膜的物质组成一、膜的物质组成 细胞膜细胞膜 脂脂 质质蛋白质蛋白质糖糖 脂脂 质质 膜 脂 磷 脂 糖 脂 胆固醇 脂质体 物质组成 磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂）磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂） 构成膜

7、脂的基本成分，约占整个膜脂的构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50 以上。以上。 具有一个极性头和两个非极性的尾具有一个极性头和两个非极性的尾 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或或 20个碳原子组成。个碳原子组成。 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。 脂质 糖脂糖脂 含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量 的的5 5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高， 约占约占5-105-10。 糖脂也是两性分子，其结构与糖脂也是两性分子，其结构与SMSM很相似。很相似。 糖脂决定血细

8、胞表面抗原糖脂决定血细胞表面抗原 Glu: Glucose Gal:Galactose GlcNAc:N- acetyglucosamine GalNAc:N- acetygalactosamine Fuc:Fucose 脂质 胆固醇和中性脂质胆固醇和中性脂质 主要存在真核细胞膜上，含量一般主要存在真核细胞膜上，含量一般 不超过膜脂的不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中，植物细胞膜中 含量较少。含量较少。 胆固醇主要提高双脂层的力学稳定胆固醇主要提高双脂层的力学稳定 性，调节双脂层流动性，降低水溶性，调节双脂层流动性，降低水溶 性物质的通透性。性物质的通透性。 脂质 脂质体（脂质体（liposom

9、e） o 是一种人工膜。是一种人工膜。 o 在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球 形脂质体，直径形脂质体，直径251000nm不等。不等。 脂质体具有哪些用途？脂质体具有哪些用途？ 脂质 膜蛋白膜蛋白 1、类型、类型 o 外在膜蛋白外在膜蛋白 o 内在膜蛋白内在膜蛋白 o 脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白 2、膜蛋白与膜脂的结合方式、膜蛋白与膜脂的结合方式 外在膜蛋白外在膜蛋白 离子键或其他弱键离子键或其他弱键 膜蛋白膜蛋白 2、膜蛋白与膜脂的结合方式、膜蛋白与膜脂的结合方式 l 脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白 与脂肪酸共价结合或与脂肪酸共价结合或 通过糖脂与脂肪酸共通过

10、糖脂与脂肪酸共 价结合价结合 膜蛋白膜蛋白 2 2、膜蛋白与膜脂的结合方式、膜蛋白与膜脂的结合方式 l 内在膜蛋白内在膜蛋白 疏水作用疏水作用 离子键离子键 半胱氨酸与脂肪酸半胱氨酸与脂肪酸 的共价结合的共价结合 膜蛋白膜蛋白 去垢剂去垢剂 o 去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分 子。子。 o 离子型离子型去垢剂与去垢剂与非离子型非离子型去垢剂两类。去垢剂两类。 非离子去垢剂使内在膜蛋白溶解下来，而不破坏其结构非离子去垢剂使内在膜蛋白溶解下来，而不破坏其结构 物质组成 如何鉴定膜转运蛋白？如何鉴定膜转运蛋白？ 如何确定蛋白质在细胞膜中的方向性？如何确定蛋白质在

11、细胞膜中的方向性？ 二、流动镶嵌模型的特点二、流动镶嵌模型的特点 膜蛋白流动性膜蛋白流动性 膜脂流动性膜脂流动性 膜流动的意义膜流动的意义 膜蛋白不对称性膜蛋白不对称性 膜脂不对称性膜脂不对称性 复合糖不对称性复合糖不对称性 流动性流动性 不对称性不对称性 膜蛋白的分子运动膜蛋白的分子运动 为自发的热运动。为自发的热运动。 o 主要有主要有侧向扩散侧向扩散和和旋转扩散旋转扩散两种运动方式。两种运动方式。 o 可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向 扩散。扩散。 o 运动速度受到限制。运动速度受到限制。 细胞融合技术 细胞融合技术 免疫荧光标记技 免疫荧

12、光标记技 术术 侧向扩散的实验依据侧向扩散的实验依据 如何证明是自发的热运动？如何证明是自发的热运动？ 技术手段？技术手段？ 荧光抗体标记技术荧光抗体标记技术 侧向扩散的实验依据侧向扩散的实验依据 光脱色恢复技术光脱色恢复技术 如何证明是自发的热运动？如何证明是自发的热运动？ 同等条件下，不同的膜蛋白同等条件下，不同的膜蛋白 （如在脂质体中）恢复呈不同（如在脂质体中）恢复呈不同 的趋势，为什么？的趋势，为什么？ 侧向扩散的实验依据侧向扩散的实验依据 o 单分子追踪单分子追踪（single-particle tracking,SPT) 影响膜蛋白流动的因素的实验研究影响膜蛋白流动的因素的实验研究

13、 膜蛋白流动的影响因素膜蛋白流动的影响因素 细胞质膜下的骨架结构与膜整合蛋白结合限细胞质膜下的骨架结构与膜整合蛋白结合限 制膜蛋白移动制膜蛋白移动 细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合 限制了膜蛋白的移动限制了膜蛋白的移动 膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身 的移动的移动 膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动 特点 侧向扩散侧向扩散：同一平面上相邻脂分子交换位置。：同一平面上相邻脂分子交换位置。 旋转旋转：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 摆动

14、摆动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 伸缩震荡伸缩震荡：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。 翻转翻转：膜脂分子从脂双层一层翻转到另一层。：膜脂分子从脂双层一层翻转到另一层。 旋转异构化旋转异构化：脂肪酸链围绕：脂肪酸链围绕C-C键旋转。键旋转。 膜脂分子的运动膜脂分子的运动 1 1、侧向运动；、侧向运动；2 2、旋转运动；、旋转运动；3 3、摆动运动；、摆动运动； 4 4、伸缩震荡；、伸缩震荡；5 5、翻转运动；、翻转运动；6 6、旋转异构、旋转异构 磷脂分子的运动磷脂分子的运动 a 56ms鼠成纤维细胞中的磷脂分子运动轨迹鼠成纤维细

15、胞中的磷脂分子运动轨迹 b 33ms人工膜中磷脂分子运动的轨迹人工膜中磷脂分子运动的轨迹 o 胆固醇胆固醇 o 脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的饱和度 o 脂肪酸链的链长脂肪酸链的链长 o 卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂鞘磷脂 鞘磷脂粘度高于卵磷脂。鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 o 其他因素其他因素 膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子 强度等。强度等。 膜脂分子运动的影响因素膜脂分子运动的影响因素 动动脑动动脑 o 膜脂、膜蛋白的运动存在各种限制因素，膜脂、膜蛋白的运动存在各种限制因素， 具有的生物学意义是什么？具有的生物学意义是什么？ 特点 膜流动的意义膜流动

16、的意义 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。 例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识 别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等 等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性 低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运 输将停止，反之如果流动性过高，又会造成输将停止，反之如果流动性过高，又会造成 膜的溶解。膜的溶解。 特点 膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性 o 膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方膜蛋白分子在细胞膜上

17、都具有明确的方 向性和分布的区域性。包括外周蛋白分向性和分布的区域性。包括外周蛋白分 布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基 酸残基数目的不对称。酸残基数目的不对称。 特点 膜脂的不对称性膜脂的不对称性 脂分子在脂双层中脂分子在脂双层中 呈不均匀分布，呈不均匀分布， 质膜的内外两侧质膜的内外两侧 分布的磷脂的含分布的磷脂的含 量比例也不同。量比例也不同。 ：鞘磷脂：卵磷脂：鞘磷脂：卵磷脂 ：磷脂酰丝氨酸：磷脂酰乙醇胺：磷脂酰丝氨酸：磷脂酰乙醇胺 ：磷脂酰肌醇：胆固醇：磷脂酰肌醇：胆固醇 特点 膜糖的不对称性膜糖的不对称性 膜糖分布于膜外表面膜糖分布于膜外表面 o 内环境内环境 o 物质跨膜运输物质跨膜运输 o 细胞识别与信号跨膜传递细胞识别与信号跨膜传递 o 酶结合位点酶结合位点 o 细胞连接细胞连接 o 细胞表面特化结构细胞表面特化结构 第三节第三节 膜的功能膜的功能 第四节第四节 红细胞膜骨架研究红细胞膜骨架研究 红细胞膜骨架红细胞膜骨架 指质膜下与膜蛋白相连由指质膜下与膜蛋白相连由 纤维蛋白组成的网架结构纤维蛋白组成的网架结构 红细胞膜骨架包括：红细胞膜骨架包括： 血影蛋白血影蛋白 肌动蛋白肌动蛋白 锚定蛋白锚定蛋白 带带4.14.1蛋白蛋白 膜骨架的装配膜骨架的装配 本章我们要掌握什么？本章我们要掌握什么？ o 细胞膜的结构