细胞生物学：细胞膜

1、1细胞膜细胞膜Cell MembraneCell Membrane2学习重点：学习重点：v 掌握细胞膜的概念、化学组成和功能；掌握细胞膜的概念、化学组成和功能；v 熟悉细胞膜的分子结构和特性；熟悉细胞膜的分子结构和特性；v 了解细胞膜与疾病的关系。了解细胞膜与疾病的关系。Cell Membrane3一、概念一、概念二、质膜的化学组成二、质膜的化学组成三、质膜的分子结构三、质膜的分子结构四、质膜的特性四、质膜的特性五、质膜的生物学功能五、质膜的生物学功能六、细胞内外的物质转运六、细胞内外的物质转运七、质膜功能障碍与疾病的关系七、质膜功能障碍与疾病的关系内内 容容Cell Membrane4一、一

2、、 概概 念念v 细胞质膜细胞质膜（plasma membrane, PM） 的形成是生的形成是生命物质从非细胞形态向细胞形态进化的重要转折，为命物质从非细胞形态向细胞形态进化的重要转折，为细胞的生命活动提供了相对恒定的内环境，对细胞的细胞的生命活动提供了相对恒定的内环境，对细胞的生活起决定性作用。生活起决定性作用。v 细胞质膜与细胞内的膜相结构统称为生物膜细胞质膜与细胞内的膜相结构统称为生物膜 (biomembrane)。Cell Membrane5维持细胞内微环境的相对稳定维持细胞内微环境的相对稳定v 质膜的基本作用：质膜的基本作用：与外界环境不断地进行物质交换能量和信息的传递与外界环境不

3、断地进行物质交换能量和信息的传递对细胞的生存、生长、分裂和分化都至为重要。对细胞的生存、生长、分裂和分化都至为重要。Cell Membrane6Cell Membrane7二二、质质膜的膜的化学化学组成组成v 膜脂膜脂 50% v 膜蛋白膜蛋白 40%v 糖类糖类 1-10%v 水水v 无机盐无机盐Cell Membrane8膜脂（膜脂（membrane lipid ）膜脂：膜脂：生物膜上的脂类统称膜脂。生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂膜脂磷磷 脂脂 phospholipid：生物膜的主要成份。生物膜的主要成份。糖糖 脂脂 glycolipid胆固醇胆固醇 cholesterolCell Memb

4、rane9v 磷磷 脂脂 磷脂头部集中了磷酸和碱基，因而极性强，磷脂头部集中了磷酸和碱基，因而极性强，亲水性亲水性；脂肪酸部分是两条较长的碳氢链，为尾部，脂肪酸部分是两条较长的碳氢链，为尾部，疏水性疏水性; 脂脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或或20个碳原子组成。个碳原子组成。Cell Membrane10脂脂肪肪酸酸脂脂 肪肪 酸酸脂脂 肪肪 酸酸磷脂磷脂磷酸甘油酯磷酸甘油酯鞘磷脂鞘磷脂极性头部基团极性头部基团（亲水）（亲水）非极性尾部基团非极性尾部基团（疏水）（疏水）CH CHCH2OOPOOOOX COCO甘油甘油磷磷 酸酸磷酸化醇磷酸化醇POCH2CH2

5、NOOCH3CH3CH3鞘胺醇鞘胺醇O鞘磷脂鞘磷脂POCH2HCCOOHNH2OCOCH CHCH2OOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸OCH CHCH2OC磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸OCH3POCH2CH2NCH CHCH2OOCOOCOO脂脂肪肪酸酸脂脂肪肪酸酸CH3CH3磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）OCell Membrane12Cell Membrane13Cell membrane - Structure糖糖 脂脂糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨

6、醇的衍生物POCH2CH2NOOCH3CH3CH3鞘胺醇鞘胺醇O鞘磷脂鞘磷脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3鞘胺醇鞘胺醇O鞘磷脂鞘磷脂糖糖(Gal)半半乳乳糖糖苷苷脂脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3鞘胺醇鞘胺醇O鞘磷脂鞘磷脂糖糖 脂脂 分分 子子糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal)Cell Membrane15v占膜脂含量的占膜脂含量的5v糖糖 脂脂v约约40种种v组成：组成：v一个或多个糖残基与鞘氨醇一个或多个糖残基与鞘氨醇骨干的伯羟基连接。骨干的伯羟基连接。v实例：实例：v人红细胞表面的人红细胞表面的ABO血型。血型。v作用：作用：v细胞识别；信息传导

7、细胞识别；信息传导(前体物前体物)(H(H抗原抗原) )（A A抗原）抗原）（B B抗原）抗原）（ABAB抗原）抗原）细胞内细胞内膜中含有的糖类称为膜膜中含有的糖类称为膜糖类或膜碳水化合物。糖类或膜碳水化合物。膜糖类膜糖类糖类糖类+膜脂膜脂共价键共价键糖糖 脂脂糖类糖类+膜蛋白膜蛋白糖蛋白糖蛋白共价键共价键细胞衣细胞衣cell coat（糖萼（糖萼glycoalyx）：细胞外表的糖链）：细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞衣或糖萼。外被，称细胞衣或糖萼。膜糖类膜糖类membrane carbohydrate脂双层

8、脂双层膜蛋白膜蛋白细胞衣细胞衣Cell Membrane18细胞外表面细胞外表面ES胞质表面胞质表面PSv胆固醇胆固醇极性头部极性头部平面甾环结构平面甾环结构非极性尾部非极性尾部Cell Membrane20Cell Membrane21Cell Membrane22 磷脂分子磷脂分子在水相中自发形成封闭的膜在水相中自发形成封闭的膜系统；以疏水性非极性尾部相对，极性头系统；以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相。部朝向水相。v 磷脂分子的特性磷脂分子的特性磷脂双分子层是组成磷脂双分子层是组成生物膜生物膜的基本结构成分。的基本结构成分。磷脂分子团磷脂分子团磷脂双层磷脂双层Cell Membra

9、ne23脂质体脂质体 liposomev脂质体：脂质体：v人工膜人工膜水水水水磷脂脂质体磷脂脂质体Cell Membrane24脂质体的类型脂质体的类型 (a)(a)水溶液中的磷脂分子团；水溶液中的磷脂分子团；(b)(b)球形脂质体；球形脂质体；(c)(c)平面脂质体膜；平面脂质体膜；(d(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图用于疾病治疗的脂质体的示意图Cell Membrane25Cell Membrane26去垢剂去垢剂 Detergentv特性：特性：v一端亲水、一端疏水的两性小分子。一端亲水、一端疏水的两性小分子。v分类：分类：v离子型去垢剂，离子型去垢剂，SDSv非离子型去垢剂非离子型去

10、垢剂, Triton-X100v作用：作用：v分离与研究膜蛋白。分离与研究膜蛋白。Cell Membrane27膜蛋白（膜蛋白（Membrane Protein）v 外在蛋白外在蛋白 (extrinsic protein)或或 外周蛋白外周蛋白 (peripheral protein)v 内在蛋白内在蛋白 (intrinsic protein)或或 整合蛋白整合蛋白 (integral protein) Cell Membrane28 具有具有亲脂性亲脂性或或疏水性疏水性的特点。不溶于的特点。不溶于水需用去垢剂或有机溶剂抽提。水需用去垢剂或有机溶剂抽提。v 内在蛋白内在蛋白v整合蛋白，跨膜蛋白

11、整合蛋白，跨膜蛋白v兼性分子兼性分子v与膜结合紧密，用去垢剂可以除去与膜结合紧密，用去垢剂可以除去Cell Membrane29 具有具有亲水性亲水性。分布于膜的内或外表面。通过静电。分布于膜的内或外表面。通过静电作用、离子键及氢键与膜脂的极性头结合，或通过与作用、离子键及氢键与膜脂的极性头结合，或通过与内在蛋白特异结合固定在膜上。可以内在蛋白特异结合固定在膜上。可以通过改变溶液的通过改变溶液的离子强度、离子强度、pH 值、或加入螯合剂从膜上分离。值、或加入螯合剂从膜上分离。v 外在蛋白外在蛋白v外在膜蛋白外在膜蛋白v水溶性水溶性v靠离子键与脂分子结合，高浓度的盐或化学物质靠离子键与脂分子结合

12、，高浓度的盐或化学物质可除去。可除去。1.单次穿膜：单次穿膜： 单条单条 -螺旋贯穿脂质双层螺旋贯穿脂质双层2. 3. 多次穿膜：多次穿膜： 数条数条 -螺旋几次折返穿越脂质双层螺旋几次折返穿越脂质双层4.非穿越性共价结合：非穿越性共价结合： 不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合单层脂质的烃链结合5. 6.与磷脂酰肌醇结合：与磷脂酰肌醇结合： 镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇共价结合链与磷脂酰肌醇共价结合镶嵌蛋白镶嵌蛋白7. 8.外周蛋白：外周蛋白： 附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上附在膜的内外表面，非共

13、价地结合在镶嵌蛋白上跨膜跨膜蛋白蛋白Cell Membrane31Cell Membrane32v 膜蛋白的功能膜蛋白的功能v酶蛋白类酶蛋白类催化代谢催化代谢v载体类载体类物质运输物质运输v骨架蛋白类骨架蛋白类细胞运动细胞运动v受体类受体类接收、传递信息接收、传递信息v结构蛋白结构蛋白支持与保护支持与保护Cell Membrane33Cell Membrane34v 红细胞的膜蛋白红细胞的膜蛋白v血影蛋白血影蛋白（spectrin）v肌动蛋白肌动蛋白（actin）v锚蛋白锚蛋白（ankyrin）v带带蛋白蛋白（band protein）v血型糖蛋白血型糖蛋白（glycophorin）Cell

14、Membrane35肌动蛋白肌动蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白锚蛋白锚蛋白带带蛋白蛋白血型糖蛋白血型糖蛋白血影蛋白血影蛋白Cell Membrane36血影蛋白血影蛋白与与肌动蛋白肌动蛋白连接，形成网状结构，连接，形成网状结构，以维持以维持RBC的双凹圆盘状。的双凹圆盘状。Cell Membrane37三三、质膜的、质膜的分子分子结构结构1、三明治结构模型三明治结构模型2、流动镶嵌模型流动镶嵌模型Cell Membrane381、三明治结构模型三明治结构模型v E. Gorter 和和 F. Grendel（1925）: “蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质蛋白质”三夹板质膜结构模型三夹板质膜结构模型C

15、ell Membrane39Cell Membrane402、流动镶嵌模型流动镶嵌模型v S. J. Singer和和G. Nicolson（1972）：）： 生物膜的流动镶嵌模型生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)Cell Membrane41液态镶嵌模型液态镶嵌模型 Fluid Mosaic Modelv嵌有球形蛋白分子的脂类二维排嵌有球形蛋白分子的脂类二维排列液态体。列液态体。v动态的、不对称的、具有流动性动态的、不对称的、具有流动性v连续的，兼有有序性连续的，兼有有序性v蛋白分子与脂分子以各种形式蛋白分子与脂分子以各种形式相结合相结合Cell Membrane4

16、2四、质膜的特性四、质膜的特性v膜的流动性膜的流动性 fluidityv生物膜的基本特征，细生物膜的基本特征，细胞生命活动的必要条件。胞生命活动的必要条件。v决定因素：决定因素：v膜脂的流动性膜脂的流动性v膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性v膜的不对称性膜的不对称性asymmetryv膜脂的不对称膜脂的不对称v膜蛋白的不对称膜蛋白的不对称v质膜上复合糖的不对称性质膜上复合糖的不对称性v质膜功能的不对称性质膜功能的不对称性Cell Membrane43膜的不对称性膜的不对称性v同一种膜脂分子在膜的脂同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不对称分布双层中呈不对称分布v膜脂分布的不对称性膜脂分布的不对称性v各种脂

17、类的分布各种脂类的分布vSM:鞘磷脂；鞘磷脂；vPC:卵磷脂；卵磷脂；vPS:磷脂酰丝氨酸；磷脂酰丝氨酸；vPE:磷脂酰乙醇胺；磷脂酰乙醇胺；vPI:磷脂酰肌醇；磷脂酰肌醇；vCI: 胆固醇胆固醇v糖脂；糖脂；Cell Membrane44Cell Membrane45膜的不对称性膜的不对称性v膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性v跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。v糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。v膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。膜分子结构的不对称性决定了膜内

18、表面功能的不对称性膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功能的不对称性Cell Membrane46v 每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。v 意义：生物膜完成复杂的在意义：生物膜完成复杂的在时间时间与与空间空间上有序的上有序的各种生理功能的保证。各种生理功能的保证。Cell Membrane48细胞外表面细胞外表面ES胞质表面胞质表面PS膜脂的流动性膜脂的流动性1.侧向扩散侧向扩散2.旋转旋转3.摆动摆动4.翻转翻转质膜的流动性质膜的流动性Cell Membrane501.脂肪酸链的饱和程度脂肪酸链的饱和程度2.脂肪酸链的长度脂肪酸链的长度3.

19、胆固醇的影响胆固醇的影响v影响膜脂流动性的因素影响膜脂流动性的因素Transition Temperature, Tm跃迁温度，也称相变温度：脂分子由跃迁温度，也称相变温度：脂分子由固态转变为液态的温度。固态转变为液态的温度。膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性Cell Membrane52 膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加和消耗能量。加和消耗能量。v膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性Cell Membrane53膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性v膜蛋白的流动性的试验：膜蛋白的流动性的试验：v荧光抗体免疫标记试验荧光抗体免疫标记试验v膜蛋白流动的区域性膜蛋白流动的区域性小鼠细胞小鼠细胞标记人膜蛋白抗体标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）人膜蛋白（抗原）异核细胞异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体抗小鼠膜蛋白抗体+荧