細(xì)胞膜與細(xì)胞表面

細(xì)胞膜與細(xì)胞表面第1頁(yè)/共51頁(yè)第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型二、膜脂三、膜蛋白第2頁(yè)/共51頁(yè)細(xì)胞膜：又稱質(zhì)膜是指圍繞在細(xì)胞最外層的薄膜，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。細(xì)胞內(nèi)膜：除質(zhì)膜外，真核細(xì)胞內(nèi)圍繞細(xì)胞器的膜稱為細(xì)胞內(nèi)膜。細(xì)胞膜（外周膜）細(xì)胞內(nèi)膜生物膜第3頁(yè)/共51頁(yè)一、生物膜的結(jié)構(gòu)（一）細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究歷史（二）對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的歸納總結(jié)第4頁(yè)/共51頁(yè)（一）細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究歷史1.E.Gorter&F.Grendel1925推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。2.J.Danielli&H.Davson1935推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，提出了”蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”的雙分子片層或三明治模型。

3.

J.D.Robertson1959提出“單位膜”模型。4.S.J.Singer&G.Nicolson1972提出”流動(dòng)鑲嵌模型”5.Simon提出脂筏模型。第5頁(yè)/共51頁(yè)圖3-1雙層脂分子的膜結(jié)構(gòu)模型用有機(jī)溶劑提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。第6頁(yè)/共51頁(yè)圖3-2質(zhì)膜的片層結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了“蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”的三明治模型。第7頁(yè)/共51頁(yè)圖3-3質(zhì)膜的單位膜結(jié)構(gòu)模型用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。第8頁(yè)/共51頁(yè)圖3-4細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動(dòng)鑲嵌模型”。強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和膜蛋白分布的不對(duì)稱性。第9頁(yè)/共51頁(yè)流動(dòng)鑲嵌模型突出了生物膜的流動(dòng)性和膜蛋白分布的不對(duì)稱性。①細(xì)胞膜由流動(dòng)的脂雙層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。②磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架。③蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性。④膜脂與膜脂，膜蛋白與膜蛋白以及膜蛋白與膜脂之間的復(fù)雜相互作用，在一定程度上限制了膜蛋白與膜脂的流動(dòng)性。

第10頁(yè)/共51頁(yè)脂筏模型：即在以甘油磷脂為主體的生物膜上，膽固醇、鞘磷脂等形成相對(duì)有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“脂筏”一樣載著執(zhí)行特定生物學(xué)功能的各種膜蛋白。第11頁(yè)/共51頁(yè)（二）對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的歸納總結(jié)具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子形成可運(yùn)動(dòng)的磷脂雙層?？蛇\(yùn)動(dòng)的蛋白質(zhì)以非對(duì)稱方式鑲嵌在磷脂雙層中或結(jié)合于表面。生物膜可以看做是在磷脂雙層中鑲嵌蛋白質(zhì)的二維溶液。第12頁(yè)/共51頁(yè)二、膜脂（一）成分（二）運(yùn)動(dòng)方式（三）脂質(zhì)體第13頁(yè)/共51頁(yè)（一）成分

磷脂（Phospholipid)：是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上。分為二類:甘油磷脂和鞘磷脂。糖脂(Glycolipid)：存在于原核和真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜上，其含量占膜脂總量的5％以下，在神經(jīng)元質(zhì)膜上糖脂含量較高，占5%—10%，是含糖而不含磷酸的脂類。膽固醇(Cholesterol)：僅存在真核細(xì)胞膜上(動(dòng)物細(xì)胞和少數(shù)植物細(xì)胞脂膜），含量一般不超過膜脂1/3。第14頁(yè)/共51頁(yè)圖3-5不同類型的甘油磷脂甘油磷脂（phosphoglyceride)：以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈和一個(gè)磷酸基團(tuán)，乙醇胺、絲氨酸、膽堿、或肌醇等分子籍磷酸基團(tuán)連接到脂分子上。磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）phosphatidylethanolamine，PE磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰膽堿（卵磷脂）phosphatidylcholine，PC磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI第15頁(yè)/共51頁(yè)磷脂的特點(diǎn)：①具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾(心磷脂除外）②脂肪酸碳鏈為偶數(shù)；③常含不飽和脂肪酸，多為順式圖3-6磷脂酰膽堿的分子結(jié)構(gòu)第16頁(yè)/共51頁(yè)鞘磷脂（SM）在腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，它是以鞘胺醇為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結(jié)合。圖3-7鞘磷脂第17頁(yè)/共51頁(yè)糖脂其結(jié)構(gòu)與SM很相似，只是由一個(gè)或多個(gè)糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。最簡(jiǎn)單的糖脂是半乳糖腦苷脂，它只有一個(gè)半乳糖殘基作為極性頭部，在髓鞘的多層膜中含量豐富；較復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其頭部包含一個(gè)或幾個(gè)唾液酸和糖的殘基。圖3-8糖脂的結(jié)構(gòu)1.半乳糖腦苷脂，2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂，3.唾液酸第18頁(yè)/共51頁(yè)膽固醇：膽固醇分子分為3部分：羥基團(tuán)組成的極性頭部、非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊俊Ｕ{(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，增加膜的穩(wěn)定性，降低水溶性物質(zhì)的通透性；是脂筏的基本結(jié)構(gòu)成分。圖3-9膽固醇的結(jié)構(gòu)第19頁(yè)/共51頁(yè)圖3-12膜脂的分子運(yùn)動(dòng)

側(cè)向擴(kuò)散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置，其交換頻率在106次/s以上。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層1側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)4伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)5翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（二）膜脂的運(yùn)動(dòng)方式第20頁(yè)/共51頁(yè)（三）脂質(zhì)體脂質(zhì)體（liposome）是根據(jù)磷脂分子在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜的趨勢(shì)而制備的人工膜。脂質(zhì)體可作為生物膜的研究模型，也可作為生物大分子和藥物的載體。（脂質(zhì)體可用于轉(zhuǎn)基因，或制備的藥物，利用脂質(zhì)體可以和細(xì)胞膜融合的特點(diǎn)，將藥物送入細(xì)胞內(nèi)部。）第21頁(yè)/共51頁(yè)脂質(zhì)體

在水中磷脂分子親水頭部插入水中，疏水尾部伸向空氣，攪動(dòng)后形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。球形脂質(zhì)體用于靶向藥物治療的脂質(zhì)體第22頁(yè)/共51頁(yè)三、膜蛋白：膜功能的主要體現(xiàn)者（一）膜蛋白的類型（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式（三）去垢劑第23頁(yè)/共51頁(yè)（一）膜蛋白的類型外在(外周)膜蛋白水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價(jià)結(jié)合，易分離

根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式分為外周膜蛋白、內(nèi)在膜蛋白、脂錨定蛋白第24頁(yè)/共51頁(yè)內(nèi)在（整合）膜蛋白：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑使膜崩解后才可分離第25頁(yè)/共51頁(yè)脂錨定蛋白(又稱脂連接蛋白)

通過共價(jià)鍵的方式同脂分子結(jié)合，從而錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上與脂肪酸結(jié)合的脂錨定蛋白多分布在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)；與糖脂結(jié)合的脂錨定蛋白多分布在質(zhì)膜外側(cè)第26頁(yè)/共51頁(yè)圖3-11蛋白與膜的結(jié)合方式①②整合蛋白③④脂錨定蛋白⑤⑥外周蛋白第27頁(yè)/共51頁(yè)內(nèi)在膜蛋白多數(shù)為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），也有些插入脂雙層中，與膜結(jié)合方式有：1.膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層的疏水中心的相互作用。2.跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基，如精氨酸、賴氨酸等，與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式第28頁(yè)/共51頁(yè)3.某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價(jià)結(jié)合脂肪酸分子，插入脂雙層之間，進(jìn)一步加強(qiáng)膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力，還有少數(shù)蛋白與糖脂共價(jià)結(jié)合。第29頁(yè)/共51頁(yè)膜內(nèi)在蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合的主要部位，具體作用方式有：（1）跨膜結(jié)構(gòu)域含有20個(gè)左右的疏水氨基酸殘基，形成α螺旋，其外部疏水側(cè)鏈通過范德華力與脂雙層分子脂肪酸鏈相互作用。（2）某些α螺旋（雙性）既具有極性側(cè)鏈又具有非極性側(cè)鏈，α螺旋的外側(cè)是非極性側(cè)鏈，內(nèi)側(cè)是極性側(cè)鏈，形成特異性分子的跨膜通道與脂雙層相互作用。

（3）某些跨膜蛋白（如大腸桿菌外膜上的孔蛋白和線粒體內(nèi)膜上的孔蛋白，其跨膜結(jié)構(gòu)域常常僅有10～12個(gè)氨基酸殘基）形成β折疊片結(jié)構(gòu)，反向平行的β折疊形成非特異的跨膜通道與脂雙層相互作用。第30頁(yè)/共51頁(yè)（三）去垢劑（detergent）一端親水一端疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑，可分為離子型去垢劑與非離子型去垢劑。常用的離子型去垢劑如十二烷基磺酸鈉（SDS），可以使細(xì)胞膜崩解，與膜蛋白結(jié)合使其分離，破壞蛋白質(zhì)內(nèi)部的非共價(jià)結(jié)構(gòu)。（作用劇烈，引起蛋白質(zhì)變性）非離子型去垢劑Triton-X100，也可使細(xì)胞膜崩解，但對(duì)蛋白質(zhì)的作用溫和，用于研究細(xì)胞骨架蛋白。第31頁(yè)/共51頁(yè)第二節(jié)生物膜基本特征與功能一、膜的流動(dòng)性二、膜的不對(duì)稱性三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能第32頁(yè)/共51頁(yè)一、膜的流動(dòng)性

膜的流動(dòng)性是生物膜的基本特征之一，也是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的必要條件。（一）膜脂的流動(dòng)性

（二）膜蛋白的流動(dòng)性（三）熒光漂白修復(fù)技術(shù)第33頁(yè)/共51頁(yè)

膜脂的流動(dòng)性主要指脂分子的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，它在很大程度上由脂分子本身的性質(zhì)決定，是生長(zhǎng)細(xì)胞完成多種生理功能所必需的。膜脂既可以是晶態(tài),又可以液態(tài)存在。在不同溫度下發(fā)生的膜脂狀態(tài)的改變稱為相變。影響膜脂流動(dòng)性的因素主要有以下幾個(gè)方面

（1）脂肪酸鏈的長(zhǎng)度。長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜的流動(dòng)性降低。（2）脂肪酸鏈的飽和度。脂肪酸鏈所含雙鍵越多，膜的流動(dòng)性越大。（3）溫度。各種膜脂具有不同的相變溫度。（4）膽固醇含量。在動(dòng)物細(xì)胞中，膽固醇對(duì)膜的流動(dòng)性發(fā)揮雙重調(diào)節(jié)作用。（一）膜脂的流動(dòng)性第34頁(yè)/共51頁(yè)一系列實(shí)驗(yàn)證明膜蛋白有流動(dòng)性：細(xì)胞融合技術(shù)、成斑和成帽反應(yīng)。影響膜蛋白流動(dòng)性的因素：1、抑制細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)合成代謝途徑，對(duì)膜蛋白運(yùn)動(dòng)沒有影響；降低溫度，膜蛋白的擴(kuò)散效率降低至原來(lái)的1/20-1/10。說(shuō)明膜蛋白在脂雙層二維溶液中的運(yùn)動(dòng)是自發(fā)的熱運(yùn)動(dòng)（主要為側(cè)向運(yùn)動(dòng)），不需要代謝產(chǎn)物的參加，也不需要提供能量。2、細(xì)胞骨架與某些膜蛋白結(jié)構(gòu)相結(jié)合，限制了某些蛋白的流動(dòng)。（二）膜蛋白的流動(dòng)性第35頁(yè)/共51頁(yè)圖3-13利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)

將抗鼠細(xì)胞膜的熒光抗體（顯綠色熒光）標(biāo)記小鼠細(xì)胞表面，將抗人細(xì)胞膜熒光抗體（顯紅色熒光）標(biāo)記人細(xì)胞表面，用滅活的仙臺(tái)病毒處理使兩種細(xì)胞融合。融合細(xì)胞表面綠色與紅色熒光蛋白均勻分布，顯示了與抗體結(jié)合的膜蛋白在質(zhì)膜上的運(yùn)動(dòng)

。第36頁(yè)/共51頁(yè)圖3-14淋巴細(xì)胞的成斑和成帽反應(yīng)在某些細(xì)胞如血液白細(xì)胞中熒光抗體標(biāo)記時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，已均勻分布在細(xì)胞表面的熒光會(huì)重新排布，聚集在細(xì)胞表面的某些部位，稱成斑現(xiàn)象（patching）；聚集在細(xì)胞的一端稱成帽現(xiàn)象（capping），均說(shuō)明膜蛋白的流動(dòng)性。第37頁(yè)/共51頁(yè)圖3-15熒光脫色恢復(fù)技術(shù)（三）熒光漂白恢復(fù)技術(shù)（fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP）

熒光漂白恢復(fù)技術(shù)是研究膜蛋白或膜脂流動(dòng)性的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。用熒光素標(biāo)記膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射細(xì)胞表面某一區(qū)域，使被照射區(qū)的熒光淬滅變暗，由于膜的流動(dòng)性，淬滅區(qū)域亮度逐漸增加，最后恢復(fù)到與周圍熒光強(qiáng)度熄燈。熒光恢復(fù)的速率間接反映出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散的速率。第38頁(yè)/共51頁(yè)質(zhì)膜的內(nèi)外兩層的組分和功能有明顯的差異，稱為膜的不對(duì)稱性。膜脂、膜蛋白在膜上均呈不對(duì)稱分布，導(dǎo)致膜功能的不對(duì)稱性和方向性，即膜內(nèi)外兩層的流動(dòng)性不同，使物質(zhì)傳遞有一定方向，信號(hào)的接受和傳遞也有一定方向等。（一）細(xì)胞質(zhì)膜各部分的名稱（二）膜脂的不對(duì)稱性（三）膜蛋白的不對(duì)稱性指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性二、膜的不對(duì)稱性第39頁(yè)/共51頁(yè)圖3-17膜各個(gè)斷面的名稱質(zhì)膜的細(xì)胞外表面質(zhì)膜的原生質(zhì)表面質(zhì)膜的細(xì)胞外小葉斷裂面原生質(zhì)小葉斷裂面ES（extrocytopasmicsurface）：與細(xì)胞外環(huán)境接觸的膜面；PS（protoplasmicsurface）：與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面；冷凍蝕刻技術(shù)制樣過程中，膜結(jié)構(gòu)常常從雙層脂分子疏水端斷裂EF（extrocytopasmicface）：質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面；PF（protoplasmicface）：原生質(zhì)小頁(yè)斷裂面。第40頁(yè)/共51頁(yè)圖3-18膜脂的不對(duì)稱分布

膜脂的不對(duì)稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布。表現(xiàn)在脂雙層中分布的各類脂的比例不同。第41頁(yè)/共51頁(yè)圖3-12糖脂的不對(duì)稱分布糖脂的分布表現(xiàn)出完全不對(duì)稱性，其糖側(cè)鏈都在質(zhì)膜或其它內(nèi)膜的ES面上。糖脂只分布于細(xì)胞膜的外表面。第42頁(yè)/共51頁(yè)（三）膜蛋白的不對(duì)稱性

所有的膜蛋白，無(wú)論是外在膜蛋白還是內(nèi)在膜蛋白，在質(zhì)膜上都呈不對(duì)稱分布。每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和區(qū)域性。各種生物膜的特征及其生物學(xué)功能主要是由膜蛋白來(lái)決定的。膜蛋白的不對(duì)稱性是生物膜執(zhí)行復(fù)雜的、時(shí)空調(diào)控有序的各種生理活動(dòng)的保證。第43頁(yè)/共51頁(yè)三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境選擇性物質(zhì)運(yùn)輸提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外跨膜信息傳遞為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效有序介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)某些膜蛋白的異常與疾病直接相關(guān)，可以作為疾病治療的藥物靶點(diǎn)圖3-20細(xì)胞膜的功能第44頁(yè)/共51頁(yè)第三節(jié)膜骨架一、膜骨架二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架第45頁(yè)/共51頁(yè)一、膜骨架

指質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層。它參與維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。至今為止，對(duì)膜骨架研究最多的還是哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞。

第46頁(yè)/共51頁(yè)二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性特性及研究原因：成熟的動(dòng)物血紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核、細(xì)胞器和內(nèi)膜系統(tǒng)，是最簡(jiǎn)單、最易研究的生物膜。紅細(xì)胞質(zhì)膜既有很好的彈性又有較高的強(qiáng)度，這些特性在很大程度上