第四章细胞膜与细胞表面.pptx

1第四章第四章 细胞质膜与细胞表面细胞质膜与细胞表面第一节细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型第二节生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能第三节膜骨架膜骨架2细细 胞胞 膜膜(cell membrane)又又 称称 质质 膜膜（plasma membrane），是是指指围围绕绕在在细细胞胞最最外层，由外层，由脂质脂质和和蛋白质蛋白质组成的生物膜。组成的生物膜。细细胞胞膜膜只只是是真真核核细细胞胞生生物物膜膜的的一一部部分分，真真核核细细胞胞的的生生物物膜膜（biomembrane）包包括括细细胞胞的的内内膜膜系系统统（细细胞胞器器膜膜和和核核膜膜）和和细细胞胞膜膜（cell membrane）。）。3质膜显微结构模式图质膜显微结构模式图4第一节第一节 细胞的结构模型细胞的结构模型细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型膜脂膜脂膜蛋白膜蛋白5细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。一、膜脂一、膜脂膜脂主要包括膜脂主要包括磷脂磷脂、糖脂糖脂和和胆固醇胆固醇三种类型。三种类型。（一）磷脂（一）磷脂是是构构成成膜膜脂脂的的基基本本成成分分，约约占占整整个个膜膜脂脂的的50以以上上。磷磷脂脂为为双双型型性性分分子子(amphipathicmolecules)或双亲媒性分子或兼性分子。或双亲媒性分子或兼性分子。1.细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成6磷脂的结构亲水的亲水的头部头部疏水尾部疏水尾部7磷脂分子的结构特征磷脂分子的结构特征：a.一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两个非极性的尾（脂肪酸链）；个非极性的尾（脂肪酸链）；b.脂肪酸碳链为偶数；脂肪酸碳链为偶数；c.含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。类型类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。：分为甘油磷脂和鞘磷脂。8（二）（二）糖脂糖脂存存在在于于原原核核和和真真核核细细胞胞的的质质膜膜上上，其其含含量量约约占占膜膜脂脂总总量量的的5以以下下，在在神神经经细细胞胞膜膜上上糖糖脂脂含含量量较较高高，约约占占5-10。糖糖脂脂也也是是两两性性分分子子，结结构构与与磷磷脂脂相相似似，由由一一个个或或多多个个糖糖残残基基代代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作，它只有一个半乳糖残基作为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂神经节苷脂。儿童。儿童所患的所患的家族性白痴病家族性白痴病（Tay-sachs disease）和神经节苷脂和神经节苷脂有关。神经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、有关。神经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。91.半乳糖脑苷脂，半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，神经节苷脂，3.唾液酸唾液酸10（三）胆固醇（三）胆固醇只只存存在在于于真真核核细细胞胞膜膜上上，含含量量一一般般不不超超过过膜膜脂脂的的1/3，植植物物细细胞胞膜膜中中含含量量较较少少。它它是是一一种种双双性性分分子子。功功能能是是提提高高脂脂双双层层的的力力学学稳稳定定性性，调调节节脂脂双双层层流流动动性，降低水溶性物质的通透性。性，降低水溶性物质的通透性。11（四）脂质体（四）脂质体脂脂质质体体（liposome）是是根根据据磷磷脂脂分分子子在在水水相相中中形形成成稳稳定定的的脂脂双双层层膜膜的的趋趋势势而而制制备备的的一一种种人人工工膜膜。脂脂质质体体可可用用于于细细胞胞膜膜的研究；转基因；疾病的诊断及治疗。的研究；转基因；疾病的诊断及治疗。12膜脂的功能膜脂的功能：1）支撑，膜脂是细胞的骨架；）支撑，膜脂是细胞的骨架；2）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；3）是部分酶行使功能所必需的。）是部分酶行使功能所必需的。13三、三、膜蛋白膜蛋白膜膜蛋蛋白白是是膜膜功功能能的的主主要要体体现现者者。核核基基因因组组编编码码的的蛋蛋白白质质中中30%左左右右的的为为膜膜蛋蛋白白。根根据据与与膜膜脂脂的的结结合合方方式式以以及及在在膜膜中中的的位位置置的的不不同同，膜膜蛋蛋白白分分为为内内在在蛋蛋白白（integral protein）、外外周周蛋蛋白白（peripheral protein）和和脂脂锚锚定定蛋蛋白白（lipid-anchored protein）。）。蛋白与膜的结合方式、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白14（一）内在蛋白（一）内在蛋白（integral proteins）内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白（有的为全跨膜蛋白（tansmembrane proteins）。）。膜蛋白为两膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才才能从膜上洗涤下来，常用能从膜上洗涤下来，常用SDS和和Triton-X100。内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多个个螺旋组成亲水通道；而是由螺旋组成亲水通道；而是由折叠组成亲水通道折叠组成亲水通道。15内在蛋白与脂膜的三种结合方式：内在蛋白与脂膜的三种结合方式：u膜蛋白的膜蛋白的跨膜结构域跨膜结构域与脂双层分子的与脂双层分子的疏水核心疏水核心的相互作用。的相互作用。u跨膜结构域两端带正电荷的跨膜结构域两端带正电荷的aaaa残基与磷脂分子带负电的极残基与磷脂分子带负电的极 性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过CaCa2+2+、MgMg2+2+等等 阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。u膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪 酸分子酸分子,插入脂双层之间插入脂双层之间,还有少数蛋白与糖脂共价结合。还有少数蛋白与糖脂共价结合。16（二）外周蛋白（二）外周蛋白（peripheralprotein）外外周周蛋蛋白白又又称称为为外外在在蛋蛋白白（extrinsicprotein），为为水水溶溶性性的的，分分布布在在细细胞胞膜膜的的表表面面，靠靠离离子子键键或或其其它它较较弱弱的的键键与与膜膜表表面面的的蛋蛋白白质质分分子子或或脂脂分分子子的的亲亲水水部部分分结结合合，因因此此只只要要改改变变溶溶液液的的离离子子强强度度甚甚至至提提高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。17（三）脂锚定蛋白（三）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）脂锚定蛋白通过脂锚定蛋白通过磷脂磷脂或或脂肪酸脂肪酸锚定，共价结合。分锚定，共价结合。分两类，一类是两类，一类是糖磷脂酰肌醇糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，连接的蛋白，GPI位位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋处理能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的羊瘙痒病的PrPC就是这类蛋白。另一类就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白脂锚定蛋白与与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。插入质膜内小叶的长碳氢链结合。1819细胞膜的结构模型及特点细胞膜的结构模型及特点胞膜结构的研究历史胞膜结构的研究历史1.E.Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。推测细胞膜由连续的脂类物质组成。202.E.Gorter&F.Grendel 1925 推测细胞膜由双推测细胞膜由双层脂分子组成。层脂分子组成。213.J.Danielli&H.Davson 1935 提出了提出了”蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋蛋白白质质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。面附着的蛋白质构成的。1959年提出了修正模型，认为膜年提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。224.J.D.Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示胞膜照片，显示暗暗-明明-暗暗三层结构，厚约三层结构，厚约7.5nm。这就是所这就是所谓的谓的“单位膜单位膜”模型。它由厚约模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子的双层脂分子和内外和内外表面各厚约表面各厚约2nm的蛋白质的蛋白质构成。构成。235.S.J.Singer&G.Nicolson 1972根据免疫荧根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜单位膜”模模型的基础上提出型的基础上提出“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。24质膜的流动镶嵌模型的特点质膜的流动镶嵌模型的特点组成成分组成成分：主要组成成分为：主要组成成分为脂类脂类和和蛋白质蛋白质，还，还含有少量的糖类。含有少量的糖类。不对称性不对称性：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。对称性。流动性流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。：膜蛋白和膜脂可作各向运动。一、一、26膜脂的分子运动膜脂的分子运动1侧向扩散运动侧向扩散运动2旋转运动旋转运动3摆动运动摆动运动4伸缩震荡运动伸缩震荡运动5翻转运动翻转运动6旋转异构化运动旋转异构化运动2.影响膜流动的因素影响膜流动的因素28 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。旋转旋转扩散扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。能促进膜蛋白的侧向运动。可用可用荧光标记技术荧光标记技术和和光脱色恢复技术光脱色恢复技术检测膜蛋白检测膜蛋白的流动性。的流动性。3膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性29细胞融合技术观察蛋白质运动细胞融合技术观察蛋白质运动30光脱色恢复技术（光脱色恢复技术（FRAP）31质质膜膜的的流流动动性性是是保保证证其其正正常常功功能能的的必必要要条条件件。例例如如跨跨膜膜物物质质运运输输、细细胞胞信信息息传传递递、细细胞胞识识别别、细细胞胞免免疫疫、细细胞胞分分化化以以及及激激素素的的作作用用等等等等都都与与膜膜的的流流动动性性密密切切相相关关。当当膜膜的的流流动动性性低低于于一一定定的的阈阈值值时时，许许多多酶酶的的活活动动和和跨跨膜膜运运输输将将停停止止，反反之之如如果果流流动动性性过过高高，又又会会造成膜的溶解。造成膜的溶解。4膜流动性的意义膜流动性的意义二、二、3335三、细胞膜的基本功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;选择性的物质运输选择性的物质运输选择性的物质运输选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢 产物的排除产物的排除产物的排除产物的排除,其中伴随着能量的传递其中伴随着能量的传递其中伴随着能量的传递其中伴随着能量的传递;提供细胞识别位点提供细胞识别位点提供细胞识别位点提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递并完成细胞内外信息跨膜传递并完成细胞内外信息跨膜传递并完成细胞内外信息跨膜传递;为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行使酶促反应高效而有序地进行使酶促反应高效而有序地进行使酶促反应高效而有序地进行;介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。36细细胞胞膜膜的的功功能能37 细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构是为适应某种环境而形是为适应某种环境而形成的特殊表面结构，如：成的特殊表面结构，如：膜骨架膜骨架、鞭毛和纤毛、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等，分别与微绒毛及细胞的变形足等，分别与细胞形态细胞形态的维的维持、持、细胞运动细胞运动、细胞的、细胞的物质交换物质交换等功能有关。等功能有关。第三节第三节 膜骨架膜骨架38膜膜骨骨架架指指细细胞胞膜膜下下与与膜膜蛋蛋白白相相连连的的由由纤纤维维蛋蛋白白组组成成的的网网架架结结构构(meshwork)，它它参参与与维维持持质质膜膜的的形形状状并并协协助助质质膜膜完完成成多多种种生生理理功功能能。它的特点是粘质性高，有较强的抗拉能力。它的特点是粘质性高，有较强的抗拉能力。一、膜骨架一、膜骨架39二、红细胞的生物学特性二、红细胞的生物学特性哺乳动物成熟的红细胞没有哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核细胞核和和内膜系统内膜系统，细胞膜既有，细胞膜既有良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较容易纯化、分析。红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物容易纯化、分析。红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物释放，留下一个保持原形的壳，称为释放，留下一个保持原形的壳，称为血影血影。因此，红细胞是研究膜骨架的理想材料。因此，红细胞是研究膜骨架的理想材料。三、红细胞质膜蛋白及膜骨架三、红细胞质膜蛋白及膜骨架40血影血影SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析聚丙烯酰胺凝胶电泳分析：血影蛋白主要成分包括：血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白和血型糖蛋白。改变处理的离子强度改变处理的离子强度：血影蛋白和肌动蛋白条带消失，血影的形状改变，膜的流动性增强。用用Triton100处理处理：带3蛋白和一些血型糖蛋白消失，血影的形状基本不变。用非离子去垢剂处理用非离子去垢剂处理：所有的脂质和血型糖蛋白及大部分带3蛋白消失，血影的形状基本不变。膜骨架蛋白膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带带4.1蛋白等。蛋白等。42血影蛋白四聚物血型糖蛋白4344本章内容回顾本章内容回顾重点：细胞膜的化学组成重点：细胞膜的化学组成流动镶嵌模型的特点流动镶嵌模型的特点