[细胞生物学]细胞膜与细胞表面

1、第三章第三章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面 掌握细胞膜、生物膜、单位膜的概念；掌握细胞膜、生物膜、单位膜的概念； 掌握细胞膜的组成和磷脂的结构特点，掌握细胞膜的组成和磷脂的结构特点，了了解磷脂的种类、胆固醇和糖脂的结构；解磷脂的种类、胆固醇和糖脂的结构； 了解六种生物膜的结构模型及其优缺点，了解六种生物膜的结构模型及其优缺点，掌握流动镶嵌模型；掌握流动镶嵌模型； 了解膜脂、膜蛋白的运动方式。了解膜脂、膜蛋白的运动方式。掌握生物掌握生物膜的特性。膜的特性。 教学目的教学目的3 3第三章第三章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面Chapter 3 Cell membrane and cell s

2、urface概述概述 基本概念基本概念 细胞膜细胞膜（cell membrane） 生物膜生物膜（biomembrane） 单位膜（单位膜（unit membrane）1. 1. 细胞表面细胞表面（cell surface）基本概念基本概念1. 细胞膜cell membrane: 是指围绕在细胞最外层，是指围绕在细胞最外层，由脂质、蛋白质和糖类由脂质、蛋白质和糖类所组成的界膜。所组成的界膜。2.生物膜生物膜biomembrane:细胞膜与细胞内膜具有共同细胞膜与细胞内膜具有共同的结构和相近的功能，统称的结构和相近的功能，统称生物膜。生物膜。基本概念基本概念3. 3. 单位膜单位膜unit me

3、mbrane： 生物膜在电镜下呈现出的较为一致的三层结构，即电子生物膜在电镜下呈现出的较为一致的三层结构，即电子致密度高的内外两层之间夹着电子密度较低的中间层。致密度高的内外两层之间夹着电子密度较低的中间层。6 6细胞内细胞内脂双层脂双层膜蛋白膜蛋白细胞衣细胞衣4. 4. 细胞表面细胞表面 cell surface： 细胞膜、细胞外被、细胞膜内面的胞质溶胶、各种细胞连接细胞膜、细胞外被、细胞膜内面的胞质溶胶、各种细胞连接结构和细胞膜的一些特化结构统称为结构和细胞膜的一些特化结构统称为细胞表面细胞表面。胞质溶胶胞质溶胶7 7生物膜的化学组成生物膜的化学组成 和分子结构和分子结构一、细胞膜的化学组

4、成一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性二、细胞膜的特性三、细胞膜的结构模型三、细胞膜的结构模型 复习题复习题8 8一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成 细胞膜的主要化学成分有细胞膜的主要化学成分有脂质脂质(lipid)、蛋白质蛋白质(protein)和和糖类糖类(sugar)。9 9( (一一) ) 膜脂膜脂(membrane lipid)生物膜上的脂类统称膜脂。生物膜上的脂类统称膜脂。 膜脂的种类：膜脂的种类： 分子结构共同特点：分子结构共同特点： 分子排列特点：分子排列特点：磷脂磷脂( (含量最丰富含量最丰富) )；胆固醇胆固醇；糖脂糖脂双亲性双亲性( (水脂兼性水脂兼性) )分子分子

5、头部亲水，尾部疏水头部亲水，尾部疏水球形分子团；脂质双分子层球形分子团；脂质双分子层1. 1. 磷脂磷脂p 磷脂是生物膜中含量最高的脂类。磷脂是生物膜中含量最高的脂类。p 最简单的磷脂是磷脂酰甘油（磷脂酸）。最简单的磷脂是磷脂酰甘油（磷脂酸）。p 常见的磷脂有：常见的磷脂有： 磷脂酰胆碱：磷脂酰胆碱：胆碱（choline) + 磷脂酸 磷脂酰乙醇胺：磷脂酰乙醇胺：乙醇胺（ethanolamine) + 磷脂酸 磷脂酰丝氨酸：磷脂酰丝氨酸：丝氨酸（serine) + 磷脂酸 磷脂酰肌醇：磷脂酰肌醇：肌醇（inositol) + 磷脂酸 鞘磷脂：鞘磷脂：胆碱或乙醇胺+鞘氨醇+磷酸+脂肪酸1111P

6、OCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘磷脂鞘磷脂POCH2HCCOOHNH2OCOCH CHCH2OOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸OCH CHCH2OC磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸OCH3POCH2CH2NCH CHCH2OOCOOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸CH3CH3磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）O结构特点：结构特点： 亲水性头部：亲水性头部： 疏水尾部：疏水尾部： 一般两条脂肪酸链，每条一般两条脂肪酸链，每条1424个碳原子。个碳原子。一条饱和，一条不饱和。

7、一条饱和，一条不饱和。排列特点：排列特点： 逐个相依地整齐排列脂双分子层，构成膜主体结构。逐个相依地整齐排列脂双分子层，构成膜主体结构。1. 1. 磷脂磷脂1313磷脂分子聚集排列特点磷脂分子聚集排列特点：球形分子团球形分子团1414脂质双分子层在水中形成一种自我封闭的结构脂质体（Liposome)胆固醇胆固醇15152. 2. 胆固醇胆固醇p 分子结构分子结构: : 极性头部极性头部：羟基团：羟基团 非极性尾部非极性尾部：脂肪酸链：脂肪酸链 固醇环连接头部与尾部固醇环连接头部与尾部极性头部极性头部非非 极极 性性 尾尾 部部类类 固固 醇醇 环环1616p分布分布: : 分布于磷脂分子中，极

8、性头部分布于磷脂分子中，极性头部紧靠磷脂的极性头部，类固醇紧靠磷脂的极性头部，类固醇环固定于磷脂的烃链上。环固定于磷脂的烃链上。p作用作用： 可调节膜的流动性，加强膜的可调节膜的流动性，加强膜的稳定性。稳定性。2. 2. 胆固醇胆固醇1717 3. 糖脂糖脂p分子结构：分子结构：极性头部：极性头部： 由由1数个糖基构成数个糖基构成 非极性尾部：非极性尾部： 两条脂肪酸链两条脂肪酸链1818磷脂磷脂糖糖脂脂胆固醇胆固醇1919(2)(2)分布分布：所有糖脂都分布在膜的所有糖脂都分布在膜的非胞质面脂双分子层单层非胞质面脂双分子层单层。2020( (二二) ) 膜蛋白膜蛋白(membrane pro

9、tein)p生物膜所含的蛋白称膜蛋白。生物膜所含的蛋白称膜蛋白。p是膜特定功能的主要承担者和执行者。是膜特定功能的主要承担者和执行者。p种类：种类：外在膜蛋白；内在膜蛋白外在膜蛋白；内在膜蛋白2121脂质双层脂质双层非胞质面非胞质面胞质面胞质面12345(1) 外在膜蛋白：分布在膜的内外表面，主要在内表面。通过内在蛋白外在膜蛋白：分布在膜的内外表面，主要在内表面。通过内在蛋白间接与膜连接，或与脂类分子的极性头部直接结合。间接与膜连接，或与脂类分子的极性头部直接结合。 (2) 内在膜蛋白：单次或多次穿过脂双分子层，与膜结合紧密。内在膜蛋白：单次或多次穿过脂双分子层，与膜结合紧密。2222膜蛋白的

10、分离膜蛋白的分离p内在膜蛋白内在膜蛋白:它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂才能从它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，常用膜上洗涤下来，常用SDS和和Triton-X100。p外在膜蛋白外在膜蛋白:靠靠离子键离子键或其它或其它较弱的键较弱的键与膜表面的蛋白质与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离离子强度子强度甚至提高甚至提高温度温度就可以从膜上分离下来。就可以从膜上分离下来。2323膜糖类膜糖类糖类糖类+ +膜脂膜脂共价键共价键糖糖 脂脂糖类糖类+ +膜蛋白膜蛋白糖蛋白糖蛋白共价键共价键（三）膜糖类（三）膜糖类

11、磷磷脂脂糖糖脂脂糖糖蛋蛋白白24242. 2. 种类：种类：p存在于膜的糖类只有存在于膜的糖类只有9种。种。 动物细胞膜上的糖主要有动物细胞膜上的糖主要有7种：半乳糖、甘露糖、岩藻种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖氨、唾液酸。糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖氨、唾液酸。3. 3. 分布特点：分布特点：p 绝对不对称。绝对不对称。p 糖链只分布在膜的糖链只分布在膜的非细胞质侧脂双分子层单层非细胞质侧脂双分子层单层。25252626膜成分含量膜成分含量血红细胞血红细胞脂类脂类:蛋白质蛋白质=4：1脂类脂类:蛋白质蛋白质=1：4线粒体线粒体1：1神经髓鞘神经髓鞘2727二、细胞膜的特性

12、二、细胞膜的特性p 不对称性不对称性(asymmetry)p 流动性流动性(fluidity)：生物膜的基本特征之一生物膜的基本特征之一, , 是细胞进行生命活动的必要条件。是细胞进行生命活动的必要条件。2828（一）细胞膜的不对称性（一）细胞膜的不对称性p EF和和PF的界定：的界定：冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称：质膜的原生质表原生质表面面(protoplasmic surface, PF)和质膜的细胞外小页断裂面细胞外小页断裂面(extrocytopasmic face, EF)。p生物膜的不对称性指生物膜的不对称性指细胞膜内外两层的结细胞

13、膜内外两层的结构和功能有差异。构和功能有差异。PFEF29291. 1. 膜脂分布的不对称膜脂分布的不对称 p 磷脂种类、数量分布不对称磷脂种类、数量分布不对称p 胆固醇集中在细胞膜的外层胆固醇集中在细胞膜的外层p 糖脂不对称糖脂不对称:糖链在细胞膜的外层糖链在细胞膜的外层3030总磷脂总磷脂鞘磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸占占 总总 磷磷 脂脂 的的 %1. 1. 膜脂分布的不对称膜脂分布的不对称 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇细胞外小叶细胞外小叶细胞质小叶细胞质小叶31312. 2. 膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性p 每种膜蛋白在膜中都有特定

14、每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向是膜蛋白不对称的排布方向是膜蛋白不对称性的主要因素性的主要因素;p 外周蛋白种类和数量分布的外周蛋白种类和数量分布的不对称不对称;p 整合蛋白内外两侧氨基酸残整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称；基数目的不对称；p 糖蛋白糖残基均分布在质膜糖蛋白糖残基均分布在质膜的的ESES面。面。 结构与功能相适应结构与功能相适应红细胞膜的冰冻蚀刻断裂方法红细胞膜的冰冻蚀刻断裂方法细胞质侧（细胞质侧（2800个个/m2）蛋白）蛋白质含量高于外侧质含量高于外侧(1400/m2)3232 （二）细胞膜的流动性（二）细胞膜的流动性u膜的流动性：即构成膜的脂类和蛋白质分膜的流动性

15、：即构成膜的脂类和蛋白质分子的运动。子的运动。u膜的流动性是保证正常膜功能的重要条件。膜的流动性是保证正常膜功能的重要条件。u表现为：表现为： 膜脂分子的运动膜脂分子的运动 膜蛋白分子的运膜蛋白分子的运动3333（二）细胞膜的流动性（二）细胞膜的流动性u液晶态：液晶态：u 相变：相变：当温度降至某一点时，细胞膜可从流动当温度降至某一点时，细胞膜可从流动的液晶态转变为晶态；温度升高时，晶态也可再的液晶态转变为晶态；温度升高时，晶态也可再熔融为液晶态，这种变化叫相变。熔融为液晶态，这种变化叫相变。u 相变温度：相变温度：引起相变的温度称相变温度。不同引起相变的温度称相变温度。不同磷脂的相变温度不同

16、。磷脂的相变温度不同。几个概念几个概念3434 横向扩散横向扩散 旋转旋转摆动摆动 翻转翻转1. 1. 膜脂分子的运动膜脂分子的运动35351.横向扩散运动；横向扩散运动；2. 旋转运动；旋转运动；3. 摆动运动；摆动运动；4.伸缩振荡运动伸缩振荡运动；5.翻转运动翻转运动；6. 旋转异构运动旋转异构运动36362. 2. 膜蛋白的分子运动膜蛋白的分子运动旋转扩散旋转扩散：膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴旋转：膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴旋转侧向扩散侧向扩散：膜蛋白在膜脂中自由漂浮并在膜表面扩散：膜蛋白在膜脂中自由漂浮并在膜表面扩散3737小鼠细胞小鼠细胞标记人膜蛋白抗体标记人膜蛋白抗体+ +人膜蛋白

17、（抗原）人膜蛋白（抗原）异核细胞异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体抗小鼠膜蛋白抗体+ +荧光素荧光素B B抗人膜蛋白抗体抗人膜蛋白抗体+ +荧光素荧光素A A标记小鼠膜蛋白抗体标记小鼠膜蛋白抗体+ +小鼠膜蛋白（抗原）小鼠膜蛋白（抗原）人细胞人细胞孵育（孵育（37370 0C,40C,40分钟）分钟）诱导融合诱导融合膜蛋白膜蛋白( (抗原）抗原）383839393 3. . 影响膜脂流动的因素影响膜脂流动的因素(1) 磷脂分子结构磷脂分子结构 烃链长短烃链长短：短，尾部不易发生：短，尾部不易发生相互作用，易流动。相互作用，易流动。 烃链的不饱和程度烃链的不饱和程度：不饱和程：不饱和程度高，排列疏松，易流

18、动。度高，排列疏松，易流动。4040(2) 胆固醇含量：u相变温度以下：阻止磷脂分相变温度以下：阻止磷脂分子聚集晶态结构，增加膜流子聚集晶态结构，增加膜流动性。动性。u相变温度以上，增加磷脂分相变温度以上，增加磷脂分子的有序性，限制膜流动子的有序性，限制膜流动。4141胆固醇对生物膜稳定性的意义举例一种突变细胞系，细胞自身不能合成胆固醇，在一种突变细胞系，细胞自身不能合成胆固醇，在无胆固醇培养液中培养该细胞株，细胞膜自溶而无胆固醇培养液中培养该细胞株，细胞膜自溶而致细胞死亡；致细胞死亡；若在培养液中加适量胆固醇，细胞可摄取胆固醇若在培养液中加适量胆固醇，细胞可摄取胆固醇到膜上，使膜结构稳定，细

19、胞得以存活。到膜上，使膜结构稳定，细胞得以存活。42423 3. . 影响膜脂流动的因素影响膜脂流动的因素(3) 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂的比值鞘磷脂的比值细胞衰老的过程中，细胞中卵磷脂细胞衰老的过程中，细胞中卵磷脂/鞘磷脂的比鞘磷脂的比值逐渐下降，细胞膜的流动性降低。值逐渐下降，细胞膜的流动性降低。(4) 蛋白质的影响蛋白质的影响内在蛋白越多，生物膜的流动性越小。内在蛋白越多，生物膜的流动性越小。4343三、细胞膜的结构模型三、细胞膜的结构模型u James和Hugh Davson提出的(1935)片层结构模型片层结构模型（lamella structural model)u J.D.Rober

20、tson(1959年)：单位膜模型单位膜模型(unit membrane model)u S.J.Singer和G.Nicolson(1972)：生物膜的流动镶嵌模型流动镶嵌模型(fluid mosaic model)u K.Simons et al(1997): 脂筏模型脂筏模型（ lipid raft model）u 1935年由年由James和和Hugh Davson提出的第一个细胞膜的提出的第一个细胞膜的分子模型。分子模型。u 双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相对，亲水双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相对，亲水端朝向膜的内外表面端朝向膜的内外表面u 球形蛋白质附着在脂双层的两侧

21、表面，形成蛋白质球形蛋白质附着在脂双层的两侧表面，形成蛋白质-磷磷脂脂-蛋白质三层甲板式结构蛋白质三层甲板式结构片层结构模型片层结构模型（lamella structural model）（二）单位膜模型（二）单位膜模型v1959年，J.D.Robertson在电镜下观察了细胞膜和细胞内膜呈暗-明-暗 (厚约7.5nm)，提出该模型。4646暗层：暗层： 2nm明层：明层： 3.5nm暗层：暗层： 2nm(1) (1) 脂质：磷脂双分子层构成膜的主体，脂质：磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外与极性头部向外与附着的蛋白质构成附着的蛋白质构成暗带暗带，疏水尾部向内构成，疏水尾部向内构成明带明带

22、。(2)(2) 蛋白质：蛋白质：膜蛋白是单层肽链以膜蛋白是单层肽链以折叠通过静电作用与折叠通过静电作用与磷脂极性端结合。磷脂极性端结合。（二）单位膜模型（二）单位膜模型4747u单位膜模型的单位膜模型的进步之处： 第一次描述了膜的厚度 描述蛋白质是折叠u以上两种学说的不足： 把所有的膜都视为千篇一律， 无法解释不同膜的不同功能。4848 （三）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型S. J. Singer & G. Nicolson 1972年年根据免疫荧光技术、冰根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜单位膜”模型的基础上提出模型的基础上提出“流动镶嵌模型流动镶嵌

23、模型”。断裂平面膜的冰冻蚀刻断裂方法49491 1流动镶嵌模型的内容要点流动镶嵌模型的内容要点(1) (1) 脂双层构成膜的连续的主体，具有液体的流动性；脂双层构成膜的连续的主体，具有液体的流动性；(2) (2) 膜中球形蛋白质分子不同程度嵌在脂双层中，分为膜中球形蛋白质分子不同程度嵌在脂双层中，分为内在蛋白和外在蛋白。内在蛋白和外在蛋白。 50502 2流动镶嵌模型的优缺点流动镶嵌模型的优缺点p优点：优点：强调膜的流动性强调膜的流动性强调镶嵌在膜脂中的蛋白质分布不对称性强调镶嵌在膜脂中的蛋白质分布不对称性p缺点：缺点：忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用。忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用。忽视了膜的各部分流动性的不均匀性。忽视了膜的各部分流动性的不均匀性。5151 晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型