细胞生物学细胞膜与细胞表面.pptx

第三章第三章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面第一节第一节 细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜的化学组成和分子结构第二节第二节 细胞膜与细胞内外物质转运细胞膜与细胞内外物质转运第三节第三节 膜抗原和膜受体膜抗原和膜受体 细胞膜细胞膜(cell membrane)/质膜质膜(plasma membrane)：是细胞的重要组分，是包围在细胞外周是细胞的重要组分，是包围在细胞外周的一层界膜。它是一层极薄的膜，将细胞与外界微环的一层界膜。它是一层极薄的膜，将细胞与外界微环境分隔，从而形成一道特殊屏障。境分隔，从而形成一道特殊屏障。细胞膜的细胞膜的厚度厚度约为约为7nm。光镜下：光镜下：观察到的所谓细胞膜，实际上是细胞与观察到的所谓细胞膜，实际上是细胞与 周围介质的界面。周围介质的界面。低倍率电镜下：低倍率电镜下：膜呈一致密的细线条。膜呈一致密的细线条。高倍率电镜下：高倍率电镜下：显示出显示出“两暗一明两暗一明”的三层结构的三层结构 单位膜单位膜。细胞表面细胞表面(cell surface):以质膜为主体以质膜为主体,包括包括质质膜膜和质膜外表面的和质膜外表面的细胞被或糖被细胞被或糖被以及质膜内侧的以及质膜内侧的膜下胞膜下胞质溶胶质溶胶，它们共同组成了一个多功能复合体系。，它们共同组成了一个多功能复合体系。对于维对于维持细胞内微环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交持细胞内微环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交换、能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重换、能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重要的作用，是细胞进行生命活动的重要结构基础。要的作用，是细胞进行生命活动的重要结构基础。一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成 脂类脂类 蛋白质蛋白质 糖类：糖类：多多以复合糖形式存在以复合糖形式存在 水：水：结合态结合态 无机盐无机盐 金属离子：金属离子：与膜蛋白的功能与膜蛋白的功能 相关相关 CaCa离子离子第一节第一节 细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜的化学组成和分子结构膜糖蛋白膜糖蛋白 主体主体膜糖脂膜糖脂（一）膜脂（一）膜脂（membrane lipid）定义：定义：生物膜上的脂类称为生物膜上的脂类称为膜脂。膜脂。类型：类型：磷脂磷脂：最为丰富：最为丰富 胆固醇胆固醇 糖脂糖脂 结构：结构：膜脂均为膜脂均为水、脂兼性分子水、脂兼性分子(amphipathic molecule)，即它们都是由一个即它们都是由一个亲水的极性头部亲水的极性头部和一个和一个疏水的非极性尾部疏水的非极性尾部组成。组成。由于膜脂的这一结构特点，它们由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自动在水溶液中能自动聚拢聚拢，使，使亲水的头部暴露在外边亲水的头部暴露在外边，与水接触，与水接触，疏水的尾疏水的尾部埋藏在里边部埋藏在里边，并可形成两种形式：，并可形成两种形式：球状的胶态分子团球状的胶态分子团 （lipid micell）脂质双分子层脂质双分子层 （lipid bilayer）脂质体脂质体 （liposome）胆固醇散布在磷脂分子之间胆固醇散布在磷脂分子之间 糖脂由脂类糖脂由脂类和寡糖构成和寡糖构成（二）膜蛋白（二）膜蛋白（membrane protein）定义定义：生物膜所含的蛋白质叫膜蛋白。：生物膜所含的蛋白质叫膜蛋白。功功能能：是是细细胞胞膜膜功功能能的的主主要要承承担担者者，是是细细胞膜最为重要的组分。胞膜最为重要的组分。类型类型：根据蛋白分离的难易及其在膜中的：根据蛋白分离的难易及其在膜中的位置，将其分为两类：位置，将其分为两类：外在膜蛋白外在膜蛋白和和内在膜内在膜蛋白蛋白。l、外在蛋白（外在蛋白（external membrane protein）/外周蛋白（外周蛋白（peripheral protein）v 约占膜蛋白的约占膜蛋白的2030，分布在，分布在膜的内外表面膜的内外表面，主，主要在内表面，为要在内表面，为水溶性水溶性的。的。v 通过通过静电作用及氢键、离子键静电作用及氢键、离子键与膜脂的与膜脂的极性头部极性头部相结相结合，或通过合，或通过与内在蛋白的相互作用与内在蛋白的相互作用，间接与膜结合。，间接与膜结合。v 外在蛋白的外在蛋白的结合力较弱结合力较弱。一般用温和的方法，如改变。一般用温和的方法，如改变溶液的离子强度或浓度，即可将他们从膜上分离下来，溶液的离子强度或浓度，即可将他们从膜上分离下来，而不破坏膜的其它结构。而不破坏膜的其它结构。膜外在蛋白膜外在蛋白2、内在膜蛋白（、内在膜蛋白（internal membrane protein）/镶嵌蛋白（镶嵌蛋白（mosaic protein）v约占膜蛋白的约占膜蛋白的70 80，它们以不同深度嵌入脂质双，它们以不同深度嵌入脂质双分子层内部。分子层内部。v有的贯穿全膜，两端暴露于膜的内外表面，称有的贯穿全膜，两端暴露于膜的内外表面，称跨膜蛋白跨膜蛋白（transmembrane protein）。单次穿膜（单次穿膜（single pass）：）：以以单条单条螺旋螺旋穿过脂双层；穿过脂双层；多次穿膜（多次穿膜（multiple pass）：）：以以数条数条螺旋数次折返螺旋数次折返穿穿越脂双层。越脂双层。v内在蛋白主要以内在蛋白主要以疏水键疏水键或或疏水键和离子键两种作用疏水键和离子键两种作用与膜与膜较牢固地结合较牢固地结合，不容易分离和纯化。，不容易分离和纯化。,integral protein；,lipid-anchored protein；,peripheral protein（三）膜糖类（三）膜糖类 细胞膜中都含都有一定的糖类。它们大多是与蛋细胞膜中都含都有一定的糖类。它们大多是与蛋白质或脂类分子以共价键相结合的低聚糖，以白质或脂类分子以共价键相结合的低聚糖，以糖蛋白糖蛋白或糖脂或糖脂的形式存在于膜的外表面，在细胞表面形成的形式存在于膜的外表面，在细胞表面形成细细胞外衣或称糖被胞外衣或称糖被。Simplified diagram of the cell coat(glycocalyx)二、细胞膜的特性二、细胞膜的特性 细细胞胞膜膜具具有有两两个个明明显显的的特特性性：膜膜的的不不对对称称性性和和膜的流动性膜的流动性。（一）细胞膜的不对称性（一）细胞膜的不对称性 细细胞胞膜膜内内外外两两层层的的结结构构和和功功能能有有很很大大的的差差异异，我我们们称称这这种种差差异异为为细细胞胞膜膜的的不不对对称称性性(asymmetry)。1、膜脂分布的不对称性、膜脂分布的不对称性 膜膜脂脂的的不不对对称称性性是是相相对对的的，表表现现在在膜膜内内外外两层分布的脂类分子的两层分布的脂类分子的含量含量和和比例比例不同。不同。2、膜蛋白分布的不对称性、膜蛋白分布的不对称性 膜蛋白的不对称性是绝对的膜蛋白的不对称性是绝对的。内、外两层蛋白的数量不同内、外两层蛋白的数量不同 内、外两层蛋白的种类不同内、外两层蛋白的种类不同 跨跨膜膜蛋蛋白白突突出出在在膜膜内内外外表表面面的的亲亲水水端端的的长长度度和氨基酸的种类与顺序差异悬殊。和氨基酸的种类与顺序差异悬殊。n样品经冰冻断裂处理样品经冰冻断裂处理 兔红细胞的冰冻断裂电镜照片兔红细胞的冰冻断裂电镜照片（二）（二）细胞膜的流动性细胞膜的流动性 定定义义：生生物物膜膜是是一一种种动动态态的的结结构构，具具有有膜膜脂脂的的 流流 动动 性性（fluidity）和和 膜膜 蛋蛋 白白 的的 运运 动动 性性（mobility）。膜膜的的流流动动性性是是指指膜膜内内部部的的脂脂类类和蛋白质两类分子的运动性。和蛋白质两类分子的运动性。特特点点：在在生生理理状状态态下下，细细胞胞膜膜是是液液晶晶态态（liquid-crystal），即即介介于于晶晶态态与与液液态态之之间间的的过渡状态。过渡状态。1膜脂分子的运动膜脂分子的运动 在在相相变变温温度度以以上上的的条条件件下下，膜膜脂脂分分子子运运动动方式方式有：有：（1）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 2、膜蛋白的运动性、膜蛋白的运动性 （1）横横向向扩扩散散（侧侧向向扩扩散散）：指指膜膜蛋蛋白白在在膜膜平平面面上上做做横横向向运运动动，膜膜蛋蛋白白横横向向扩扩散散的的速速度度比比膜膜脂脂慢得多。如小鼠细胞和人细胞的融合实验。慢得多。如小鼠细胞和人细胞的融合实验。（2）旋旋转转扩扩散散：膜膜蛋蛋白白能能围围绕绕与与膜膜平平面面相相垂垂直直的的轴轴进进行行旋旋转转运运动动，但但旋旋转转运运动动速速度度比比侧侧向向扩扩散散更为缓慢。更为缓慢。利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动 膜的流动性的生理意义膜的流动性的生理意义：一切膜的基本活动均在膜的流动状态下进行，一切膜的基本活动均在膜的流动状态下进行，适宜的流动性是生物膜表现正常功能的必要条件。适宜的流动性是生物膜表现正常功能的必要条件。如如果细胞膜固化，粘度增大到一定程度，某些物质传送果细胞膜固化，粘度增大到一定程度，某些物质传送中断，膜内酶的活性将终止，最终导致细胞的死亡。中断，膜内酶的活性将终止，最终导致细胞的死亡。生物膜结构不对称性的生物学意义生物膜结构不对称性的生物学意义：生生物物膜膜结结构构上上的的不不对对称称性性，保保证证了了膜膜功功能能的的方方向向性性。如如膜膜内内、外外两两层层的的流流动动性性不不同同，物物质质及及离离子子的的传传递递有有一一定定的的方方向向，信信号号的的接接受受与与传传递递也也具具有有方方向性，使膜两侧具不同功能。向性，使膜两侧具不同功能。三、细胞膜的结构模型三、细胞膜的结构模型 （一）片层结构模型（一）片层结构模型 (lamella structure model)细胞膜是蛋白质细胞膜是蛋白质-磷脂磷脂-蛋白质三层夹板式结构蛋白质三层夹板式结构 。（二）单位膜模型（二）单位膜模型（unit membrane model）细胞膜都呈现清晰的两暗夹一明的三层结构。细胞膜都呈现清晰的两暗夹一明的三层结构。（三）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型（fluid mosaic model）论点论点：流动的脂类双分子层构成了细胞膜的连续主流动的脂类双分子层构成了细胞膜的连续主体，蛋白质分子无规则地分散在脂类的海洋中。依据蛋体，蛋白质分子无规则地分散在脂类的海洋中。依据蛋白质在脂双层中的位置，将其分为外在蛋白和内在蛋白。白质在脂双层中的位置，将其分为外在蛋白和内在蛋白。构成膜的脂双层具有液晶态的特性，它既有晶体分子构成膜的脂双层具有液晶态的特性，它既有晶体分子排列的有序性，又有液体的流动性。排列的有序性，又有液体的流动性。模型特点模型特点：强调了膜的流动性及不对称性。：强调了膜的流动性及不对称性。不足之处不足之处：忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控：忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均一性等等。制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均一性等等。来源：来源：1972年年 Singer和和Nicolson提出提出 （四）脂筏模型（四）脂筏模型（lipid raft model）生物膜上胆固醇和鞘磷脂富集而形成有序脂相，生物膜上胆固醇和鞘磷脂富集而形成有序脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白，是一种动态结构。如同脂筏一样载着各种蛋白，是一种动态结构。第二节第二节 细胞膜与细胞内外物质转运细胞膜与细胞内外物质转运活细胞和周围环境之间有选择地进行着物质交换，活细胞和周围环境之间有选择地进行着物质交换，这种交换是通过这种交换是通过细胞膜细胞膜进行的。进行的。细胞膜特性细胞膜特性：选择通透性选择通透性有选择地允许或阻止一有选择地允许或阻止一些物质通过细胞膜。些物质通过细胞膜。选择性通透的作用选择性通透的作用：对于物质进出细胞起着调节和对于物质进出细胞起着调节和控制作用控制作用,维持了膜内外离子浓度差及膜电位，保持维持了膜内外离子浓度差及膜电位，保持了膜内外渗透压平衡，从而保证了生物体的细胞进行了膜内外渗透压平衡，从而保证了生物体的细胞进行正常的生命活动。正常的生命活动。单纯扩散单纯扩散 被动运输被动运输 通道扩散通道扩散 （小分子和离子小分子和离子）跨膜运输跨膜运输 载体扩散载体扩散 主动运输主动运输 离子泵离子泵 离子梯度驱动的主动运输离子梯度驱动的主动运输 细胞膜的物质运输方式细胞膜的物质运输方式 内吞作用内吞作用 吞噬作用吞噬作用 胞饮作用胞饮作用 膜泡运输膜泡运输 （大大分分子子和和颗颗粒粒物物质质）受受体体介介导导的的内内吞吞作作用用 胞吐作用胞吐作用跨膜运输跨膜运输 一、被动运输（一、被动运输（passive transport）v 概概 念念：又又 称称 易易 化化 扩扩 散散（facilitated diffusion），是是指指物物质质顺顺浓浓度度梯梯度度，由由浓浓度度高高的的一一侧侧通通过过膜膜运运输输到到浓浓度度低低的的一一侧侧的的穿穿膜膜扩扩散散，不消耗代谢能不消耗代谢能的运输方式。的运输方式。v 种类：种类：单纯扩散单纯扩散 通道扩散通道扩散 载体扩散载体扩散（一）单纯扩散（一）单纯扩散（simple diffusion）v概念概念：一些物质一些物质不需要膜蛋白不需要膜蛋白的帮助，能的帮助，能顺浓度梯顺浓度梯度自由扩散度自由扩散，通过膜的脂双层，这种跨膜运输的形式，通过膜的脂双层，这种跨膜运输的形式，称单纯扩散，又称称单纯扩散，又称被动扩散（被动扩散（passive diffusion），它它不需要消耗能量不需要消耗能量，是物质跨膜运输中最简单的一种，是物质跨膜运输中最简单的一种形式。形式。v运输物质运输物质：脂溶性物质如苯、醇、类固醇类激素以脂溶性物质如苯、醇、类固醇类激素以及及 O2、N2等就是通过单纯扩散的方式运输的。等就是通过单纯扩散的方式运输的。v能量来源能量来源：扩散时，扩散时，所需要的能量是所需要的能量是来自高浓度本来自高浓度本身所包含的势能身所包含的势能。人工膜对各类物质的通透率：人工膜对各类物质的通透率：n脂溶性越高通透性越大；脂溶性越高通透性越大；n小分子比大分子易透过；小分子比大分子易透过；n非极性分子比极性容易透过；非极性分子比极性容易透过；n极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层;n人人工工膜膜对对带带电电荷荷的的物物质质，如如离离子子是是高高度度不不通通透的。透的。细胞膜不仅能透过水和非极性分子，而且也细胞膜不仅能透过水和非极性分子，而且也能让各种能让各种极性分子，如离子、糖、氨基酸、核苷极性分子，如离子、糖、氨基酸、核苷酸酸以及许多细胞代谢物等快速地通过细胞膜，这以及许多细胞代谢物等快速地通过细胞膜，这些物质的运输均需要有些物质的运输均需要有膜蛋白膜蛋白的介导。细胞膜中的介导。细胞膜中负责介导转运这类溶质分子的蛋白质称为负责介导转运这类溶质分子的蛋白质称为转运蛋转运蛋白白（transport protein）。）。根据转运蛋白介导物质运输的形式，可分为根据转运蛋白介导物质运输的形式，可分为两大类型：两大类型：通道蛋白（通道蛋白（channel protein）载体蛋白（载体蛋白（carrier protein）（二）通道扩散（二）通道扩散（channel-mediated diffusion）通道蛋白通道蛋白能形成贯穿膜脂双层的充水孔道，能形成贯穿膜脂双层的充水孔道，使一些特异的物质经过它从膜的一侧进入另一侧，使一些特异的物质经过它从膜的一侧进入另一侧，称为称为通道扩散通道扩散。由通道蛋白形成的通道又分为两类由通道蛋白形成的通道又分为两类：蛋白通道（蛋白通道（protein channel）闸门通道（闸门通道（gated channel）1、蛋白通道、蛋白通道（protein channel）它是横跨细胞膜形成的水通道，能使适当大小的分它是横跨细胞膜形成的水通道，能使适当大小的分子和带电荷的溶质通过单纯扩散运动从膜的一侧到另子和带电荷的溶质通过单纯扩散运动从膜的一侧到另一侧。一侧。通道蛋白不直接与被转运物质相互作用，这些小的通道蛋白不直接与被转运物质相互作用，这些小的带电荷的分子可以自由的扩散，通过由脂质双层中脂带电荷的分子可以自由的扩散，通过由脂质双层中脂蛋白带电荷的亲水区所形成的水通道。蛋白带电荷的亲水区所形成的水通道。2、闸门通道（、闸门通道（gated channel）这类转运蛋白所形成的孔道具有这类转运蛋白所形成的孔道具有“闸门闸门”的的作用。闸门不是连续开放，只是在作用。闸门不是连续开放，只是在对特定的刺激对特定的刺激发生反应的发生反应的瞬时打开瞬时打开，其他时间是关闭的。，其他时间是关闭的。根据其闸门开启的机制主要分为以下几种根据其闸门开启的机制主要分为以下几种：电压电压闸门通道闸门通道 配体配体闸门通道闸门通道 （1）电压闸门通道）电压闸门通道 闸门的开闭受闸门的开闭受膜电位变化膜电位变化所控制所控制，常以选择性通过的，常以选择性通过的离子而命名，如：离子而命名，如：Na+、K+、Ca2+通道等。通道等。正常情况下，膜处于极化状态，电压闸门关闭；接受正常情况下，膜处于极化状态，电压闸门关闭；接受刺激后，膜去极化，电压闸门开放。刺激后，膜去极化，电压闸门开放。（2）配体闸门通道）配体闸门通道 闸门的开闭受闸门的开闭受化学物质化学物质调节调节，如细胞外的神经递质如细胞外的神经递质等化学物质（配体，等化学物质（配体，ligand）与通道蛋白上的特异部位结）与通道蛋白上的特异部位结合，引起蛋白质构象改变，闸门开放，离子迅速从高浓合，引起蛋白质构象改变，闸门开放，离子迅速从高浓度到低浓度，闸门也随即关闭。度到低浓度，闸门也随即关闭。Nicotinic acetylcholine receptorThree conformation of the acetylcholine receptor 闸门通道的开放和关闭常常是连续相继进行的过程。闸门通道的开放和关闭常常是连续相继进行的过程。例如：在神经例如：在神经-肌肉接头，沿神经传来的冲动刺激肌肉收肌肉接头，沿神经传来的冲动刺激肌肉收缩，整个反应至少包括缩，整个反应至少包括4种不同闸门通道的顺次开放与关种不同闸门通道的顺次开放与关闭：闭：电压闸门电压闸门Ca2+通道通道 配体闸门配体闸门Na+通道通道 电压闸门电压闸门Na+通道通道 电压闸门电压闸门Ca2+通道通道Ion-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门门Na+通道和通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。进入细胞质，引发肌肉收缩。2003年，美国科学家彼得年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克阿格雷和罗德里克麦金农，麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。Peter AgreRoderick MacKinnon（三）载体扩散（三）载体扩散（carrier-mediated diffusion）概概念念：借借助助于于与与载载体体蛋蛋白白的的特特异异性性结结合合，通通过过载载体体蛋蛋白白自自身身构构象象的的改改变变，允允许许该该物物质质顺顺浓浓度度梯梯度度穿穿过膜而进入膜的另一侧过膜而进入膜的另一侧的物质运输方式的物质运输方式。通通过过物物质质：一一些些非非脂脂溶溶性性或或亲亲水水性性的的物物质质，如如糖糖、氨基酸、核苷酸和金属离子氨基酸、核苷酸和金属离子。载体扩散的特点载体扩散的特点:1.载体蛋白具有高度的特异性载体蛋白具有高度的特异性 2.通过载体易位机制转运通过载体易位机制转运 载体结合溶质通过膜的运输机制，可能是通过载体结合溶质通过膜的运输机制，可能是通过载载体蛋白构象发生可逆变化体蛋白构象发生可逆变化实现的。实现的。3.载体蛋白的饱和性载体蛋白的饱和性 载体扩散的速率在一定限度内同物质的浓度差成载体扩散的速率在一定限度内同物质的浓度差成正比，当扩散率达到一定水平，就不再受溶质浓度的正比，当扩散率达到一定水平，就不再受溶质浓度的影响。影响。载体可分为载体可分为分子载体分子载体和和离子载体离子载体：（1）分子载体）分子载体 典典型型的的分分子子载载体体是是人人红红细细胞胞膜膜上上转转运运葡葡萄萄糖糖分分子子的的葡葡萄萄糖糖载载体体蛋蛋白白。它它是是由由四四个个亚亚基基组组成成的的贯贯穿穿脂脂质质双双层层的的糖糖蛋蛋白白复复合合体体。葡葡萄萄糖糖的的转转运运功功能是通过它自身构型的改变来实现的。能是通过它自身构型的改变来实现的。（2）离子载体）离子载体 是小的疏水分子，它们溶解在脂质双层中，是小的疏水分子，它们溶解在脂质双层中，增加某些离子在脂质双层的可透性。例如：增加某些离子在脂质双层的可透性。例如：缬氨缬氨霉素霉素是一种可活动的离子载体，它是一个环形多是一种可活动的离子载体，它是一个环形多聚体，能增加膜对聚体，能增加膜对k+的通透性，的通透性，k+沿电化学梯度沿电化学梯度穿过脂质双层。穿过脂质双层。短短杆杆菌菌肽肽A，15个个疏疏水水氨氨基基酸酸构构成成，2分分子子形形成成一一跨跨膜膜通通道道，有有选选择择的的使使单单价价阳阳离离子子如如H+、Na+、K+按化学梯度通过。按化学梯度通过。Gramicidin Aan antibiotic that acts as an ion pore.跨膜运输跨膜运输