細胞生物學(xué) 第三章 細胞膜與細胞表面

細胞生物學(xué)第三章細胞膜與細胞表面第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

細胞膜(cellmembrane)/質(zhì)膜(plasmamembrane)：是細胞的重要組分，是包圍在細胞外周的一層界膜。它是一層極薄的膜，將細胞與外界微環(huán)境分隔，從而形成一道特殊屏障。

細胞膜的厚度約為7nm。

光鏡下：觀察到的所謂細胞膜，實際上是細胞與周圍介質(zhì)的界面。

低倍率電鏡下：膜呈一致密的細線條。

高倍率電鏡下：顯示出“兩暗一明”的三層結(jié)構(gòu)—

單位膜。第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

細胞表面(cellsurface):

以質(zhì)膜為主體,包括質(zhì)膜和質(zhì)膜外表面的細胞被或糖被以及質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的膜下胞質(zhì)溶膠，它們共同組成了一個多功能復(fù)合體系。對于維持細胞內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定和與細胞外環(huán)境不斷進行物質(zhì)交換、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞以及細胞間相互識別都起著重要的作用，是細胞進行生命活動的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三一、細胞膜的化學(xué)組成

脂類蛋白質(zhì)糖類：多以復(fù)合糖形式存在水：結(jié)合態(tài)無機鹽金屬離子：與膜蛋白的功能相關(guān)Ca離子第一節(jié)細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)膜糖蛋白主體膜糖脂第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（一）膜脂（membranelipid）定義：生物膜上的脂類稱為膜脂。類型：

磷脂：最為豐富

膽固醇糖脂

結(jié)構(gòu)：膜脂均為水、脂兼性分子(amphipathicmolecule)，即它們都是由一個親水的極性頭部和一個疏水的非極性尾部組成。第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三由于膜脂的這一結(jié)構(gòu)特點，它們在水溶液中能自動聚攏，使親水的頭部暴露在外邊，與水接觸，疏水的尾部埋藏在里邊，并可形成兩種形式：

球狀的膠態(tài)分子團

（lipidmicell）

脂質(zhì)雙分子層

（lipidbilayer）脂質(zhì)體

（liposome）第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三膽固醇散布在磷脂分子之間

第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

糖脂由脂類和寡糖構(gòu)成第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（二）膜蛋白（membraneprotein）定義：生物膜所含的蛋白質(zhì)叫膜蛋白。功能：是細胞膜功能的主要承擔(dān)者，是細胞膜最為重要的組分。類型：根據(jù)蛋白分離的難易及其在膜中的位置，將其分為兩類：外在膜蛋白和內(nèi)在膜蛋白。第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三l、外在蛋白（externalmembrane

protein）/外周蛋白（peripheralprotein）約占膜蛋白的20％~30％，分布在膜的內(nèi)外表面，主要在內(nèi)表面，為水溶性的。通過靜電作用及氫鍵、離子鍵與膜脂的極性頭部相結(jié)合，或通過與內(nèi)在蛋白的相互作用，間接與膜結(jié)合。外在蛋白的結(jié)合力較弱。一般用溫和的方法，如改變?nèi)芤旱碾x子強度或濃度，即可將他們從膜上分離下來，而不破壞膜的其它結(jié)構(gòu)。第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三膜外在蛋白第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三2、內(nèi)在膜蛋白（internalmembrane

protein）/鑲嵌蛋白（mosaicprotein）約占膜蛋白的70％~80％，它們以不同深度嵌入脂質(zhì)雙分子層內(nèi)部。有的貫穿全膜，兩端暴露于膜的內(nèi)外表面，稱跨膜蛋白（transmembraneprotein）。

單次穿膜（singlepass）：以單條α螺旋穿過脂雙層；

多次穿膜（multiplepass）：以數(shù)條α螺旋數(shù)次折返穿越脂雙層。內(nèi)在蛋白主要以疏水鍵或疏水鍵和離子鍵兩種作用與膜較牢固地結(jié)合，不容易分離和純化。

第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（三）膜糖類

細胞膜中都含都有一定的糖類。它們大多是與蛋白質(zhì)或脂類分子以共價鍵相結(jié)合的低聚糖，以糖蛋白或糖脂的形式存在于膜的外表面，在細胞表面形成細胞外衣或稱糖被

。

第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三二、細胞膜的特性細胞膜具有兩個明顯的特性：膜的不對稱性和膜的流動性。（一）細胞膜的不對稱性細胞膜內(nèi)外兩層的結(jié)構(gòu)和功能有很大的差異，我們稱這種差異為細胞膜的不對稱性(asymmetry)

。第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三1、膜脂分布的不對稱性

膜脂的不對稱性是相對的，表現(xiàn)在膜內(nèi)外兩層分布的脂類分子的含量和比例不同。2、膜蛋白分布的不對稱性

膜蛋白的不對稱性是絕對的。①內(nèi)、外兩層蛋白的數(shù)量不同②內(nèi)、外兩層蛋白的種類不同③跨膜蛋白突出在膜內(nèi)外表面的親水端的長度和氨基酸的種類與順序差異懸殊。第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三樣品經(jīng)冰凍斷裂處理第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三兔紅細胞的冰凍斷裂電鏡照片第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（二）細胞膜的流動性

定義：生物膜是一種動態(tài)的結(jié)構(gòu)，具有膜脂的流動性（fluidity）和膜蛋白的運動性（mobility）。膜的流動性是指膜內(nèi)部的脂類和蛋白質(zhì)兩類分子的運動性。

特點：在生理狀態(tài)下，細胞膜是液晶態(tài)（liquid-crystal），即介于晶態(tài)與液態(tài)之間的過渡狀態(tài)。第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三1．膜脂分子的運動

在相變溫度以上的條件下，膜脂分子運動方式有：

（1）橫向擴散運動（2）旋轉(zhuǎn)運動（3）擺動運動（4）伸縮振蕩運動（5）翻轉(zhuǎn)運動（6）旋轉(zhuǎn)異構(gòu)運動第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三2、膜蛋白的運動性

（1）橫向擴散（側(cè)向擴散）：指膜蛋白在膜平面上做橫向運動，膜蛋白橫向擴散的速度比膜脂慢得多。如小鼠細胞和人細胞的融合實驗。（2）旋轉(zhuǎn)擴散：膜蛋白能圍繞與膜平面相垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)運動，但旋轉(zhuǎn)運動速度比側(cè)向擴散更為緩慢。

第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三利用細胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

膜的流動性的生理意義：

一切膜的基本活動均在膜的流動狀態(tài)下進行，適宜的流動性是生物膜表現(xiàn)正常功能的必要條件。如果細胞膜固化，粘度增大到一定程度，某些物質(zhì)傳送中斷，膜內(nèi)酶的活性將終止，最終導(dǎo)致細胞的死亡。生物膜結(jié)構(gòu)不對稱性的生物學(xué)意義：生物膜結(jié)構(gòu)上的不對稱性，保證了膜功能的方向性。如膜內(nèi)、外兩層的流動性不同，物質(zhì)及離子的傳遞有一定的方向，信號的接受與傳遞也具有方向性，使膜兩側(cè)具不同功能。第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三三、細胞膜的結(jié)構(gòu)模型

第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（一）片層結(jié)構(gòu)模型(lamellastructuremodel)

細胞膜是蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)三層夾板式結(jié)構(gòu)。第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（二）單位膜模型（unitmembranemodel）

細胞膜都呈現(xiàn)清晰的兩暗夾一明的三層結(jié)構(gòu)。第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（三）流動鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）

第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三論點：①流動的脂類雙分子層構(gòu)成了細胞膜的連續(xù)主體，蛋白質(zhì)分子無規(guī)則地分散在脂類的海洋中。依據(jù)蛋白質(zhì)在脂雙層中的位置，將其分為外在蛋白和內(nèi)在蛋白。②構(gòu)成膜的脂雙層具有液晶態(tài)的特性，它既有晶體分子排列的有序性，又有液體的流動性。模型特點：強調(diào)了膜的流動性及不對稱性。不足之處：忽視了蛋白質(zhì)分子對脂類分子流動性的控制作用，忽視了膜的各個部分流動性的不均一性等等。來源：1972年Singer和Nicolson提出

第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（四）脂筏模型（lipidraftmodel）

生物膜上膽固醇和鞘磷脂富集而形成有序脂相，如同脂筏一樣載著各種蛋白，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)。

第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)細胞膜與細胞內(nèi)外物質(zhì)轉(zhuǎn)運活細胞和周圍環(huán)境之間有選擇地進行著物質(zhì)交換，這種交換是通過細胞膜進行的。細胞膜特性：選擇通透性—有選擇地允許或阻止一些物質(zhì)通過細胞膜。選擇性通透的作用：對于物質(zhì)進出細胞起著調(diào)節(jié)和控制作用,維持了膜內(nèi)外離子濃度差及膜電位，保持了膜內(nèi)外滲透壓平衡，從而保證了生物體的細胞進行正常的生命活動。第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

單純擴散

被動運輸通道擴散

（小分子和離子）

跨膜運輸

載體擴散主動運輸離子泵離子梯度驅(qū)動的主動運輸細胞膜的物質(zhì)運輸方式

內(nèi)吞作用吞噬作用胞飲作用

膜泡運輸（大分子和顆粒物質(zhì)）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用胞吐作用第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三跨膜運輸

第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三一、被動運輸（passivetransport）

概念：又稱易化擴散（facilitateddiffusion），是指物質(zhì)順濃度梯度，由濃度高的一側(cè)通過膜運輸?shù)綕舛鹊偷囊粋?cè)的穿膜擴散，不消耗代謝能的運輸方式。

種類：單純擴散通道擴散載體擴散第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（一）單純擴散（simplediffusion）概念：一些物質(zhì)不需要膜蛋白的幫助，能順濃度梯度自由擴散，通過膜的脂雙層，這種跨膜運輸?shù)男问?，稱單純擴散，又稱被動擴散（passivediffusion），它不需要消耗能量，是物質(zhì)跨膜運輸中最簡單的一種形式。運輸物質(zhì)：脂溶性物質(zhì)如苯、醇、類固醇類激素以及O2、N2等就是通過單純擴散的方式運輸?shù)?。能量來源：擴散時，所需要的能量是來自高濃度本身所包含的勢能。第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

細胞膜不僅能透過水和非極性分子，而且也能讓各種極性分子，如離子、糖、氨基酸、核苷酸以及許多細胞代謝物等快速地通過細胞膜，這些物質(zhì)的運輸均需要有膜蛋白的介導(dǎo)。細胞膜中負(fù)責(zé)介導(dǎo)轉(zhuǎn)運這類溶質(zhì)分子的蛋白質(zhì)稱為轉(zhuǎn)運蛋白（transportprotein）。

根據(jù)轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)物質(zhì)運輸?shù)男问剑煞譃閮纱箢愋停和ǖ赖鞍祝╟hannelprotein）載體蛋白（carrierprotein）（二）通道擴散（channel-mediateddiffusion）第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

通道蛋白能形成貫穿膜脂雙層的充水孔道，使一些特異的物質(zhì)經(jīng)過它從膜的一側(cè)進入另一側(cè)，稱為通道擴散。

由通道蛋白形成的通道又分為兩類：蛋白通道（protein

channel）閘門通道（gatedchannel）第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三1、蛋白通道（protein

channel）

它是橫跨細胞膜形成的水通道，能使適當(dāng)大小的分子和帶電荷的溶質(zhì)通過單純擴散運動從膜的一側(cè)到另一側(cè)。通道蛋白不直接與被轉(zhuǎn)運物質(zhì)相互作用，這些小的帶電荷的分子可以自由的擴散，通過由脂質(zhì)雙層中脂蛋白帶電荷的親水區(qū)所形成的水通道。第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三2、閘門通道（gatedchannel）

這類轉(zhuǎn)運蛋白所形成的孔道具有“閘門”的作用。閘門不是連續(xù)開放，只是在對特定的刺激發(fā)生反應(yīng)的瞬時打開，其他時間是關(guān)閉的。

根據(jù)其閘門開啟的機制主要分為以下幾種：電壓閘門通道配體閘門通道

第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（1）電壓閘門通道

閘門的開閉受膜電位變化所控制，常以選擇性通過的離子而命名，如：Na+、K+、Ca2+通道等。正常情況下，膜處于極化狀態(tài)，電壓閘門關(guān)閉；接受刺激后，膜去極化，電壓閘門開放。第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（2）配體閘門通道

閘門的開閉受化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)，如細胞外的神經(jīng)遞質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)（配體，ligand）與通道蛋白上的特異部位結(jié)合，引起蛋白質(zhì)構(gòu)象改變，閘門開放，離子迅速從高濃度到低濃度，閘門也隨即關(guān)閉。第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三Nicotinicacetylcholinereceptor第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三Threeconformationoftheacetylcholinereceptor第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

閘門通道的開放和關(guān)閉常常是連續(xù)相繼進行的過程。例如：在神經(jīng)-肌肉接頭，沿神經(jīng)傳來的沖動刺激肌肉收縮，整個反應(yīng)至少包括4種不同閘門通道的順次開放與關(guān)閉：①電壓閘門Ca2+通道②配體閘門Na+通道③電壓閘門Na+通道④電壓閘門Ca2+通道第六十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission神經(jīng)肌肉接點由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，可使肌細胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道打開，Ca2+進入細胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。第六十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ?，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。PeterAgreRoderickMacKinnon第六十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三（三）載體擴散（carrier-mediateddiffusion）概念：借助于與載體蛋白的特異性結(jié)合，通過載體蛋白自身構(gòu)象的改變，允許該物質(zhì)順濃度梯