细胞生物学第四章 细胞膜与细胞表面 （一）.ppt

1、第四章 细胞膜与细胞表面 （一）,医学细胞生物学,授课教师：徐振平 教授 E-mail：,2,3,目 录,第四章 细胞膜与细胞表面 第一节 细胞质膜的结构模型 一、细胞质膜的结构模型 二、细胞膜的化学组成 第二节 生物膜的基本特征与功能 一、膜的流动性 二、膜的不对称行 三、细胞质膜的基本功能 第三节 细胞表面及其特化 一、细胞表面 二、细胞表面特化结构,4,概 述,细胞膜(cell memberane) 又称细胞质膜(plasma memberane)是细胞质和外界相隔的一层薄膜。 在生命进化过程中细胞膜的形成是关键的一步，因为没有细胞膜，细胞形式的生命就不能存在。细胞膜围在每个细胞的外面，

2、使细胞内外环境之间保持必要的差别。 细胞膜不是被动的屏障，它是有高度选择性的半透膜，能进行主动运输，在细胞内外形成不同的离子浓度。 细胞膜还是接受外界信号的传感器，使细胞能对环境变化产生适当的反应。,5,生物膜,细胞膜,细胞内膜：,除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。,细胞内膜系统(cell endomembrane system)：细胞质内在形态结构、功能和发生上具有相互联系的膜相结构的总称，包括核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体以及细胞质内各种膜性小泡。 细胞膜功能：维持细胞形态、界膜、内环境稳定、物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。,(Biological memb

3、rane),6,第一节 细胞质膜的结构模型（Structure Model of the Plasma Membrane ）,7,目 录,第一节 细胞膜的结构模型 一、细胞质膜的结构模型 二、细胞膜的化学组成,8,1890年E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞，提出了脂肪栅的膜结构设想。,1925年E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。,一、细胞质膜的结构模型,9,(一)片层结构模型(lamella structure model),细胞的表面张力显著低于油-水界面的表面张力，因此，细胞膜不可能是单纯由脂类构成的，推想细胞膜除脂类

4、外，可能还吸附有蛋白质。,蛋白质-磷脂-蛋白质,1935年提出片层结构模型(lamella structure model)。模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，分子的疏水脂肪酸链在膜的内部彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。,10,(二)单位膜模型(unit membrane model),Pr-磷脂-Pr ，电镜下：暗-亮-暗,“两暗一明”,蛋白质：单层肽链 折叠结构,脂双层,细胞膜,细胞质,20世纪50年代电镜下发现膜都呈三层式结构，内外两侧为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线，把这种两暗一明的结构称为单位膜。把膜的结构和电镜图像联系起来

5、，但忽略了动态结构变化。,11,膜的冰冻蚀刻示意图,12,用冰冻断裂技术得到的生物膜的两个剖面，可以清楚地看到膜蛋白颗粒的分布是非随机的，一面颗粒数目多，另一面颗粒数目少，差异显著，表明蛋白质在生物膜分布是不对称的。这种不对称分布，与其功能特点有密切关系。红细胞膜的冰冻断裂标本显示内层细胞质侧蛋白颗粒约2 800个/m2，而外层非细胞质侧蛋白颗粒只有1 400个/m2。,冰冻蚀刻,13,两相邻细胞质膜冷冻复型断裂面电镜图,PF：示细胞质膜内叶层的外面（蛋白颗粒多） EF：示细胞质膜外叶层的内面（蛋白颗粒多） *：示相邻细胞间隙,14,(三)液态镶嵌模型(fluid mosaic model),

6、1972年，S.J.Singer和G.L.Nicolson根据免疫荧光技术和冰冻蚀刻技术提出流动镶嵌模型（fluid mosaic model）,1.膜的流动性：蛋白质和脂质均可侧向运动,2. 膜蛋白分布的不对称性。以各种形式镶嵌在脂质双分子层中或附着于膜的表面。,总之：生物膜是嵌有蛋白质的脂类二维排列的液态体。,15,Hydrophobic environment,OUTSIDE,INSIDE,Fluid mosaic model,16,晶格镶嵌模型（1975） 板块镶嵌模型（1977） 均是液态镶嵌模型的充实和完善。,晶格镶嵌模型,17,晶格镶嵌模型(1975)认为镶嵌蛋白和其周围的类脂分

7、子形成膜中晶态部分，而具有流动性的类脂呈小片的点状分布。因此类脂的流动性是局部的，并非整个类脂双分子层都在流动。,1977年提出了板块镶嵌模型，认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的类脂板块(有序结构的板块)，在这些有序结构的板块之间被流动的类脂区(无序结构的板块)分开。因而生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。,18,(四)脂阀模型(lipid rafts model),1.最近发现，膜各部分脂质分布不是均匀的，膜中有富含胆固醇和鞘磷脂的微区(microdomain)，其中聚集一些特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且缺少流动，称为脂阀(li

8、pid rafts )。,2.脂阀直径约70-100nm，其上载有数百个蛋白质分子。细胞膜上的脂阀与小窝蛋白(caveolin-1)结合后内陷形成小窝(caveolae)，参与胞吞过程及信号转导等。,19,二、细胞膜的化学组成,膜化学组成,脂类,蛋白质,糖类,细胞膜的化学组成主要是膜脂、膜蛋白，还有少量糖。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。,20,（一）膜脂(Membrane lipid) ：,生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂以磷脂和胆固醇为主，并含糖脂。,21,1、膜脂的成分 ：,膜脂,磷脂：,膜的主要成分,糖脂,胆固醇,（1）磷 脂,磷酸甘油酯,鞘磷脂（SM）,磷脂酰胆碱（ PC

9、 ）,磷脂酰乙醇胺（ PE ）,磷脂酰丝氨酸（ PS ）,磷脂酰肌醇(IP),22,（2）糖脂(GL),在动物细胞中，糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。它们在细胞识别、神经突触的传导等方面起着一定的作用，研究还证明它们可能是一些激素、细菌毒素和病毒颗粒的受体。,糖脂（glycolipid）为含1个或几个糖基的脂类，普遍存在于原核和真核生物细胞膜上，大约占细胞膜外脂质分子的5。,糖脂分子,半乳糖苷脂,23,（3）胆固醇,极性头部,平面甾环结构,非极性尾部,真核细胞膜上，胆固醇含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。它是一种双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降

10、低水溶性物质的通透性。,固 醇 环 结 构,24,膜脂的基本性质是兼性分子, 能够自我装配成双层结构或自我封闭成球状。,2、膜脂的特性,25,新乡医学院生命科学技术系,3、膜脂的功能 构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体; 是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能; 膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。,26,新乡医学院生命科学技术系,红细胞膨胀与收缩,27,新乡医学院生命科学技术系,脂质体可用作生物膜

11、的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。,脂质体(Liposome),28,（二）膜蛋白,在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异。,生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的; 膜蛋白约占膜的40%50%, 有50余种膜蛋白; 在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%, 有的达到75%; 一般来说,功能越复杂的膜, 其上的蛋白质含量越多。,29,依在膜上存在方式不同可分为三大类，按功能不同可分为五类。,膜蛋白：,生物膜所含的蛋白质。,膜蛋白,外周蛋白 (周围蛋白)：,镶

12、嵌蛋白 (整合蛋白)：,多附在膜的内外表面，为水溶的，非共价地结合在镶嵌蛋白上。,不同程度镶嵌在脂双层的内部，也称膜内在蛋白。有的跨越膜双层，也称做跨膜蛋白（transmembrane protein)。,1、膜蛋白的类型,脂锚定型：,特异附着在某些脂分子上。,30,新乡医学院生命科学技术系,单次穿 膜：,单条-螺旋贯穿脂质双层。,多次穿膜：,数条-螺旋几次折返穿越脂质双层。,非穿越性 共价结合：,不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。,与磷脂酰肌醇结合：,通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面的单层）共价结合。,镶嵌蛋白,外周蛋白,附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白

13、上。,跨膜蛋白,与镶嵌蛋白 非共价地结合：,31,膜蛋白功能 运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞; 酶：有些是酶，催化相关的代谢反应; 连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用； 受体：起信号接收和传递作用。,32,用去垢剂分离小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段： 去垢剂(detergent)是一种一端亲水一端疏水的两性小的脂分子 当它们与膜蛋白作用时,其疏水端与膜蛋白的疏水区域相结合,极性端指向水中,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀 当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。 有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-AT

14、P酶的功能。,2、膜蛋白的研究方法,33,（三）膜糖类,膜中含有的糖类称为膜糖类或膜碳水化合物。,膜糖类,糖类+膜脂,共价键,糖脂,糖类+膜蛋白,糖蛋白 N-连接；O-连接,共价键,胞质侧,脂双层,膜蛋白,细胞被,34,糖同氨基酸的连接主要有两种形式： N-连接： 即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连 O-连接： 则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连 O-连接糖链较短,约含4个糖基,而N-连接糖链一般有10个以上的糖基。,1、膜糖的存在方式,35,细胞与环境的相互作用 接触抑制 信号转导 蛋白质分选 保护作用等。 ABO血型抗原是一种糖脂, 其寡多糖部分具有决定抗原特异性的作用。,2、膜糖的功能

15、,36,本 节 小 结,片层结构模型(lamella structure model) 单位膜模型(unit membrane model) 液态镶嵌模型(fluid mosaic model)脂伐模型(lipid rafts model),膜脂 膜蛋白 膜糖类,膜的结构模型,膜的化学组成,第一节 细胞质膜的结构模型,37,作 业 与 思 考,37,1.名词解释: cell membrance，biomembrane，fluid mosaic model. 2.关于细胞膜分子结构的液态镶嵌模型、晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型的主要论点有何异同? 3.简述细胞质膜的化学组成和功能。,38,参 考 文

16、 献,38,1.翟中和等主编. 细胞生物学，第3版,高等教育出版社，2007 2.韩贻仁主编. 分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著，赵寿元等译. 基础细胞生物学，上海科学技术出版社，2002 4.王金发. 细胞生物学,科学出版社，2004 5.杨 恬.细胞生物学，人民卫生出版社，2005 6.Karp G. Cell and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000,39,39,参 考 网 站,1.新乡医学院精品课程 2.细胞生物学 0/wjf/index.