第4章-細胞膜

1、1概念：概念：分辨率分辨率 細胞融合細胞融合 細胞系細胞系傳代（傳代（繼代）細胞培養(yǎng)細胞培養(yǎng)簡述單克隆抗體技術(shù)及其技術(shù)路線。簡述單克隆抗體技術(shù)及其技術(shù)路線。哪些顯微技術(shù)可用于活體細胞動態(tài)觀察？哪些顯微技術(shù)可用于活體細胞動態(tài)觀察？2第四章第四章 細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜Plasma Membrane掌握掌握:細胞膜的結(jié)構(gòu)細胞膜的結(jié)構(gòu)生物膜組成成分、功能生物膜組成成分、功能3第一節(jié)第一節(jié) 細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第二節(jié)第二節(jié) 生物膜基本特征與功能生物膜基本特征與功能第三節(jié)第三節(jié) 膜骨架膜骨架4第一節(jié)第一節(jié) 細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型5細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜(plasma membrane)

2、(plasma membrane)或細胞膜或細胞膜(cell membrane)(cell membrane)：生物膜生物膜(biomembrane)(biomembrane)：圍繞在細胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物圍繞在細胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜膜細胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細胞膜和細胞內(nèi)膜。細胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細胞膜和細胞內(nèi)膜。細胞內(nèi)膜系統(tǒng)（細胞內(nèi)膜系統(tǒng)（Endomembrane System)Endomembrane System)：是由脂質(zhì)雙分子層和蛋白質(zhì)組成的。是由脂質(zhì)雙分子層和蛋白質(zhì)組成的。6細細胞胞的的生生物物膜膜體體系系7一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的

3、結(jié)構(gòu)模型“三明治式三明治式”結(jié)構(gòu)模型：結(jié)構(gòu)模型： “蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)” 。 Davision & Danielli (1935), Davision & Danielli (1935), Gorter & Grendel (1925)Gorter & Grendel (1925)單位膜模型單位膜模型(unit membrane model(unit membrane model）：）： 所有的生物膜所有的生物膜都是由都是由“蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)” 的單位膜構(gòu)成。的單位膜構(gòu)成。 J.D.RobertsonJ.D.Robertson（195919

4、59）流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型(fluid mosaic model) (fluid mosaic model) ：生物膜是由磷生物膜是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成, ,膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動，膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動，膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對稱分布的。膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對稱分布的。 S.J.SingerS.J.Singer和和G.NicolsonG.Nicolson（19721972）脂筏模型（脂筏模型（lipid rafts modellipid rafts model）：）：8Typical plasma Membrane 膽固醇膽固醇磷脂磷

5、脂膜蛋白的非極性區(qū)膜蛋白的非極性區(qū)糖基鏈糖基鏈蛋白鏈蛋白鏈9對膜結(jié)構(gòu)的認識：對膜結(jié)構(gòu)的認識： 1.脂雙分子層組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)：脂雙分子層組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)：具極性頭和非極性尾部的磷脂分子，在水中具有自發(fā)形成封閉膜系具極性頭和非極性尾部的磷脂分子，在水中具有自發(fā)形成封閉膜系統(tǒng)的性質(zhì)；尾部相對，極性頭部朝外。統(tǒng)的性質(zhì)；尾部相對，極性頭部朝外。2. 蛋白質(zhì)鑲嵌：蛋白質(zhì)鑲嵌：鑲嵌于其中或表面；分布不對稱、類型不同，賦鑲嵌于其中或表面；分布不對稱、類型不同，賦予生物膜特性與功能。予生物膜特性與功能。3. 膜蛋白及其它生物大分子的存在及相互作用，限制了膜蛋白、膜膜蛋白及其它生物大分子的存在及相互作用

6、，限制了膜蛋白、膜脂的流動性，形成了特定結(jié)構(gòu)的膜并耐以完成膜的功能。脂的流動性，形成了特定結(jié)構(gòu)的膜并耐以完成膜的功能。10二、生物膜的化學(xué)組成二、生物膜的化學(xué)組成膜脂、膜蛋白膜脂、膜蛋白（一）、膜脂（一）、膜脂（Membrane Lipids） 磷脂磷脂 (phospholipids) 膽固醇膽固醇 (Cholesterol) 糖脂糖脂 (Glycolipid)11磷脂磷脂(phospholipids)(phospholipids)Most membrane phospholipids are built on a glycerol backbone, they are called phos

7、phoglycerides （磷酸甘油脂）（磷酸甘油脂）磷脂根據(jù)骨架的不同可以分為磷酸甘油脂（glycerolphospholiid）和鞘磷脂（sphingolipid）。它們都是極性脂 動、植物細胞膜上都有磷脂動、植物細胞膜上都有磷脂, ,約占膜脂的約占膜脂的50%50%以上；以上； 磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部；磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部； 磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈, , 稱為尾部稱為尾部, ,一般含有一般含有 14142424個偶數(shù)碳原子；個偶數(shù)碳原子； 其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵, ,雙

8、鍵的存在造成這雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。12Phospholipids13膽固醇膽固醇(Cholesterol)(Cholesterol) 膽固醇存在于真核細胞膜中：膽固醇存在于真核細胞膜中： 動物細胞膜膽固醇的含量較高動物細胞膜膽固醇的含量較高 大多數(shù)高等植物細胞膜中沒有大多數(shù)高等植物細胞膜中沒有膽固醇膽固醇 酵母細胞膜中是麥角固醇酵母細胞膜中是麥角固醇 膽固醇分子包括三部分膽固醇分子包括三部分: : 極性的頭部：羥基極性的頭部：羥基 非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu) 一個非極性的碳氫尾部一個非極性的碳氫尾部 雙性分子的功能較弱，在調(diào)節(jié)膜

9、的流動性，增加膜的雙性分子的功能較弱，在調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性、降低水溶性物質(zhì)的通透性等方面起重要作用穩(wěn)定性、降低水溶性物質(zhì)的通透性等方面起重要作用 14糖脂糖脂(Glycolipid)(Glycolipid) 糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜上糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜上, ,含含量約占膜脂的量約占膜脂的5%5%以下以下; ; 最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂, ,它僅有一它僅有一個半乳糖作為極性頭部個半乳糖作為極性頭部; ; 變化最多、最復(fù)雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂變化最多、最復(fù)雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂, ,它是它是神經(jīng)元質(zhì)膜具特征性的成分。神經(jīng)元質(zhì)膜具特征性的成分。鞘氨醇的衍

10、生物15 The Nature of the Lipid 膜脂的基本性質(zhì)是兩性物質(zhì)膜脂的基本性質(zhì)是兩性物質(zhì), , 能能夠自我裝配成雙層結(jié)構(gòu)或自我封閉成夠自我裝配成雙層結(jié)構(gòu)或自我封閉成球狀。球狀。16脂質(zhì)體脂質(zhì)體(Liposome)(Liposome)是人工膜是人工膜，是根據(jù)磷脂分子可在水相是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的。的。脂質(zhì)體的形成過程脂質(zhì)體的形成過程17 (a) (a)水溶液中的磷脂分子團；水溶液中的磷脂分子團；(b)(b)球形脂質(zhì)體；球形脂質(zhì)體；(c)(c)平面脂質(zhì)體膜；平面脂質(zhì)體膜；(d(d）用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖）用于

11、疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖 脂質(zhì)體的類型脂質(zhì)體的類型18 脂質(zhì)體的應(yīng)用脂質(zhì)體的應(yīng)用 研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)；研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)； 脂質(zhì)體中裹入脂質(zhì)體中裹入DNADNA可用于基因轉(zhuǎn)移；可用于基因轉(zhuǎn)移； 在臨床治療中在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體19膜脂的運動膜脂的運動 脂分子尾部的擺動；脂分子尾部的擺動； 沿膜平面的側(cè)向運動沿膜平面的側(cè)向運動( (基本運動方式）基本運動方式）, ,其擴散其擴散系數(shù)為系數(shù)為1010-8-8cm/scm/s； 脂分子圍繞軸心的自旋運動；脂分子圍繞軸心的自旋運動； 雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動，發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向雙層

12、脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動，發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的交換頻率的10101010。但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高。運動發(fā)生頻率很高。20膜脂的功能膜脂的功能構(gòu)成膜的基本成分構(gòu)成膜的基本成分, ,去除膜脂，則使膜解體去除膜脂，則使膜解體; ;是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能; ;膜脂為某些膜蛋白膜脂為某些膜蛋白( (酶酶) )維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境環(huán)境, , 一般膜脂本身不參與反應(yīng)一

13、般膜脂本身不參與反應(yīng)( (細菌的膜脂參與反細菌的膜脂參與反應(yīng)應(yīng));); 膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。21（二）、膜蛋白（二）、膜蛋白（Membrane ProteinsMembrane Proteins） 生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)完成的生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)完成的; ;膜蛋白約占膜的膜蛋白約占膜的40%40%50%, 50%, 有有5050余種膜蛋白余種膜蛋白; ; 在不同細胞中膜蛋白的種類及含量有很大差異。在不同細胞中膜蛋白的種類及含量

14、有很大差異。有的含量不到有的含量不到25%, 25%, 有的達到有的達到75%;75%;一般來說一般來說, ,功能越復(fù)雜的膜功能越復(fù)雜的膜, , 其上的蛋白質(zhì)含量其上的蛋白質(zhì)含量越多。越多。22整合蛋白整合蛋白(Integral Proteins) 膜蛋白的種類膜蛋白的種類整合蛋白、膜周邊蛋白、脂錨定蛋白整合蛋白、膜周邊蛋白、脂錨定蛋白 部分或全部鑲嵌部分或全部鑲嵌在細胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白在細胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；質(zhì)； 整合蛋白約占膜蛋白的整合蛋白約占膜蛋白的70-80%。23Integral Proteins-+24內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式 跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙

15、分子層的疏水核心相互作用跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙分子層的疏水核心相互作用( (范德華力范德華力) ) 跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶帶正正電荷電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶的氨基酸殘基與磷脂分子帶 負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負負電的氨基酸殘基通過電的氨基酸殘基通過 CaCa2+2+、MgMg2+2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 某些膜蛋白在某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的一側(cè)的半胱氨酸殘基半胱氨酸殘基上共價結(jié)上共價結(jié) 合合脂肪酸分子脂肪酸分子, ,插入脂雙層之間插入脂雙層之間, ,進一步加強膜蛋白與脂進一步加強膜蛋白

16、與脂 雙層的結(jié)合力雙層的結(jié)合力, ,還有少數(shù)蛋白與還有少數(shù)蛋白與糖脂糖脂共價結(jié)合。共價結(jié)合。25膜周邊蛋白膜周邊蛋白Peripheral ProteinsPeripheral Proteins26 FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS27 運輸?shù)鞍祝哼\輸?shù)鞍祝耗さ鞍字杏行┦沁\輸?shù)鞍啄さ鞍字杏行┦沁\輸?shù)鞍? ,轉(zhuǎn)運特轉(zhuǎn)運特殊的分子和離子進出細胞殊的分子和離子進出細胞; ; 酶：酶：有些是酶，催化相關(guān)的代謝反應(yīng)有些是酶，催化相關(guān)的代謝反應(yīng); ; 連接蛋白：連接蛋白：有些是連接蛋白有些是連接蛋白, ,起連接作用；起連接作用； 受體：受體：起信號接收和傳遞作用。起信號接收和傳遞

17、作用。 FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS28 Thinking 2Five students in your class always sit together in the front row.This could be because (1) they really like each other or (2) nobody else in your class wants to sit next to them. Which explanation holds for the assembly of

18、 a lipid bilayer? Explain your answer. If the lipid bilayer assembled for the opposite reason, how would its properties differ? 29 Answer to Thinking 2Lipid bilayers assemble because the surrounding water molecules exclude the component lipids; thus, analogy (2) is the correct one. If bilayers forme

19、d because of attractive forces among the lipids-analogy (1)-the properties of the bilayer would likely be quite different. Molecules attract one another by forming specific bonds that hold them together. Such bonding among lipids would make the bilayer less fluid, perhaps even rigid, depending on th

20、e strength of the interaction. 30第二節(jié)第二節(jié) 生物膜基本特征與功能生物膜基本特征與功能31膜的結(jié)構(gòu)特性：膜的結(jié)構(gòu)特性：脂質(zhì)雙分子層，蛋白質(zhì)鑲嵌其中；脂質(zhì)雙分子層，蛋白質(zhì)鑲嵌其中；膜的成分：膜的成分：流動性：流動性：膜脂的流動性，不飽和脂肪酸含量、脂肪酸鏈長短決膜脂的流動性，不飽和脂肪酸含量、脂肪酸鏈長短決定其流動性大??；定其流動性大小； 膜蛋白的流動性膜蛋白的流動性不對稱性：不對稱性：內(nèi)外兩側(cè)的面上，膜脂種類分布不對稱，外在膜蛋內(nèi)外兩側(cè)的面上，膜脂種類分布不對稱，外在膜蛋白和膜內(nèi)在蛋白分布不對稱白和膜內(nèi)在蛋白分布不對稱32細胞膜的功能：細胞膜的功能： 為細胞的

21、生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境; 選擇性的物質(zhì)運輸選擇性的物質(zhì)運輸,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除物的排除,其中伴隨著能量的傳遞其中伴隨著能量的傳遞; 提供細胞識別位點提供細胞識別位點,并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞; 為多種酶提供結(jié)合位點為多種酶提供結(jié)合位點,使酶促反應(yīng)高效而有序地使酶促反應(yīng)高效而有序地進行進行; 介導(dǎo)細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接介導(dǎo)細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接; 并參與并參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。33第三節(jié)、膜骨架第三節(jié)、膜骨架膜周

22、邊的一些蛋白質(zhì)，與膜相連。膜周邊的一些蛋白質(zhì)，與膜相連。特殊結(jié)構(gòu)：膜下（膜內(nèi)側(cè)）的膜骨架系統(tǒng)，膜表面的其它特化結(jié)構(gòu)：特殊結(jié)構(gòu)：膜下（膜內(nèi)側(cè)）的膜骨架系統(tǒng)，膜表面的其它特化結(jié)構(gòu)：鞭毛、纖毛、微絨毛、細胞變形足等。鞭毛、纖毛、微絨毛、細胞變形足等。膜骨架的概念膜骨架的概念 指細胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)與膜蛋白相連的、由纖維蛋白組成指細胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)與膜蛋白相連的、由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。完成多種生理功能。人們對膜骨架的認識，大多來自于對紅細人們對膜骨架的認識，大多來自于對紅細胞的研究。胞的研究。34電鏡下的紅細胞電鏡

23、下的紅細胞35 紅細胞的基本性質(zhì)紅細胞的基本性質(zhì)成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為徑約為7m,7m,厚度厚度1.7m,1.7m,表面積為表面積為145m2145m2； 紅細胞的主要功能是攜帶紅細胞的主要功能是攜帶O O2 2和運輸和運輸COCO2 2，紅細胞，紅細胞的壽命約為的壽命約為120120天，一生中要行走天，一生中要行走500,000500,000米。米。 Red Blood Cells Red Blood Cells是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞: : 成熟的紅細胞沒有細胞器；成熟的紅細胞沒有細胞器； 質(zhì)膜是紅細胞惟一的膜結(jié)構(gòu)

24、；質(zhì)膜是紅細胞惟一的膜結(jié)構(gòu)； 紅細胞質(zhì)膜易于提純和分離；紅細胞質(zhì)膜易于提純和分離；36紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架問題提出的依據(jù)問題提出的依據(jù) 行程行程500,000500,000米米 要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道; ; 要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pHpH值的不利條件值的不利條件; ; 又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。持結(jié)構(gòu)的完整。37紅細胞血影（紅細胞血影（Erythrocyte GhostErythrocyte Ghost） 38膜蛋白的提取方法膜蛋白的提取方

25、法根據(jù)膜的組成特性，可用去污劑分離小的跨膜蛋根據(jù)膜的組成特性，可用去污劑分離小的跨膜蛋白白, 這是膜蛋白研究的重要手段：這是膜蛋白研究的重要手段： 去污劑去污劑(detergent)是一種一端親水一端疏水的兩是一種一端親水一端疏水的兩性小分子，可以使膜崩解性小分子，可以使膜崩解 常用的有常用的有SDS， Triton X-100 當(dāng)它們與膜蛋白作用時當(dāng)它們與膜蛋白作用時,其疏水端與膜蛋白的疏水其疏水端與膜蛋白的疏水區(qū)域相結(jié)合區(qū)域相結(jié)合,極性端指向水中極性端指向水中,形成溶于水的去垢劑形成溶于水的去垢劑-膜蛋白復(fù)合物膜蛋白復(fù)合物,從而使膜蛋白在水中溶解而達到分離從而使膜蛋白在水中溶解而達到分離的目的的目的 39紅細胞膜蛋紅細胞膜蛋白成分：白成分：大約有大約有1515種主要的蛋白帶，種主要的蛋白帶，主要蛋白主