第四章細胞膜與細胞表面第一頁，共51頁。一、細胞膜的結(jié)構(gòu)模型二、膜脂三、膜蛋白第一節(jié)細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第二頁，共51頁。細胞質(zhì)膜（cellmembrane）/細胞膜（plasmamembrane):是指圍繞在細胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)、糖組成的生物膜。生物膜的作用：細胞結(jié)構(gòu)的邊界，物質(zhì)運輸、能量傳遞生物膜（bio-membrane）:細胞內(nèi)的膜系統(tǒng)與細胞膜統(tǒng)稱為生物膜。第三頁，共51頁。一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型：E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。第一節(jié)細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第四頁，共51頁。第五頁，共51頁。2.E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了人類紅細胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成。第六頁，共51頁。3.J.Danielli&H.Davson1935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。第七頁，共51頁?！皢挝荒ぁ蹦Ｐ?。各種膜均具有各自特定的厚度，質(zhì)膜：10nm線粒體：5-6nm雙層脂分子厚：3.5nm蛋白質(zhì)厚：2nm的構(gòu)成。X-射線衍射分析；電鏡技術(shù)第八頁，共51頁。紅細胞膜的結(jié)構(gòu)第九頁，共51頁。5.S.J.Singer&G.Nicolson1972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“流動鑲嵌模型（fluidmosaicmodel)”。強調(diào)膜的流動性和膜蛋白分布的不對稱性。第十頁，共51頁。6.質(zhì)筏模型（lipidraftmodel)(Simon,1988）以甘油磷脂為主體的生物膜上，膽固醇、鞘磷脂等形成相對有序的脂相。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體上形成，最終轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上載著執(zhí)行某種特定生物功能的各種膜蛋白。第十一頁，共51頁。7.生物膜結(jié)構(gòu)具有極性頭部，非極性尾部的磷脂分子….蛋白質(zhì)分子生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液。第十二頁，共51頁。(一)成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型(二)膜脂的運動方式(三)脂質(zhì)體(liposome）二、膜脂第十三頁，共51頁。第十四頁，共51頁。

磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）

分為兩類:甘油磷脂和鞘磷脂

主要特征：①具有一個極性頭和兩個非極性的尾(線粒體4個)②脂肪酸碳鏈碳原子為偶數(shù),多數(shù)碳鏈由16,18或20個組成；③飽和脂肪酸(軟脂酸)及不飽和脂肪酸(油酸)；(一)成分:膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇第十五頁，共51頁。糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核細胞的質(zhì)膜上（5％以下）,神經(jīng)元質(zhì)膜上糖脂含量較高，約占5-10%；膽固醇：膽固醇存在于真核細胞膜上（30%以下），細菌質(zhì)膜不含有膽固醇，但某些細菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂類。第十六頁，共51頁。(二)膜脂的４種熱運動方式沿膜平面的側(cè)向運動;（基本運動方式）,其擴散系數(shù)為10-8cm2/s；產(chǎn)生分子間換位。頻率在106次/s以上，膜脂分子的基本運動方式。脂分子圍繞軸心的自旋運動;脂分子尾部的擺動;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)向交換頻率的10－10cm2/s

。但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高(經(jīng)幾秒種后，將半數(shù)發(fā)上發(fā)生轉(zhuǎn)運)。第十七頁，共51頁。細胞脂雙層膜間的磷脂的移動1234第十八頁，共51頁。(三)脂質(zhì)體(liposome)脂質(zhì)體：是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的雙層膜的趨勢而制備的人工膜。類型：(a)水溶液中的磷脂分子團；(b)球形脂質(zhì)體；(c)平面脂質(zhì)體膜；(d）用于疾病治療的脂質(zhì)體應(yīng)用：

研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)；

脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移；

在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體。第十九頁，共51頁。第二十頁，共51頁。三、膜蛋白(一)蛋白膜類型(二)內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合方式(三)去垢劑第二十一頁，共51頁。(一)類型外在膜蛋白(extrinsicmembraneprotein/外周膜蛋白(peripheralmembraneproteins):

水溶性蛋白,分離：改變離子度、提高溫度

內(nèi)在蛋白(intrinsicmembraneprotein)/整合蛋白(integralmembraneprotein):水不溶性蛋白，形成跨分離：需用去垢劑使膜崩解后才可分離質(zhì)錨定膜蛋白(lipidanchoredprotein):通過磷脂或脂肪酸錨定，共價結(jié)合。第二十二頁，共51頁。外在膜蛋白內(nèi)在膜蛋白與質(zhì)分子或糖脂連接的錨定膜蛋白第二十三頁，共51頁。(二)內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式第二十四頁，共51頁。(三)去垢劑：是一端親水一端疏水的兩性小分子，是分離研究膜蛋白的常用試劑。離子型：SDS(十二烷基磺酸鈉)可使細胞膜崩解，與膜蛋白疏水部分結(jié)合，使其分離，破壞蛋白內(nèi)部的共價鍵，改變親水部分的構(gòu)象。非離子型：TritonX-100可使細胞膜崩解，用于膜蛋白的分離與純化；除去細胞的膜系統(tǒng)，以便對細胞膜骨架蛋白和其它蛋白進行研究。第二十五頁，共51頁。第二十六頁，共51頁。第二節(jié)生物膜基本特征與功能一、膜的流動性(一)膜質(zhì)的流動性(二)膜蛋白的流動性(三)熒光漂白恢復(fù)技術(shù)第二十七頁，共51頁。（一）膜脂的流動性膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：膜蛋白和膜脂的結(jié)合方式、溫度、酸堿度、離子強度等。第二十八頁，共51頁。Thestructureofthelipidbilayerdependsonthetemperature.Abovethetransitiontemperature,thelipidmoleculesandtheirhydrophobictailsarefreetomoveincertaindirectionseventhroughtheyretainaconsiderabledegreeoforder.

Belowthetransitiontemperature,themovementofthemoleculesisgreatlyrestricted,andentirebilayercanbedescribedasacrystallinegel.第二十九頁，共51頁。（二）膜蛋白的流動性膜蛋白的運動方式主要有側(cè)向擴散和繞與平面相垂直的軸線旋轉(zhuǎn)。

周圍膜脂的性質(zhì)和相態(tài)：膜脂的液態(tài)區(qū)與晶態(tài)區(qū)，質(zhì)膜相關(guān)結(jié)構(gòu)的作用：細胞骨架的作用：微管固定膜蛋白和位置；微絲引起膜蛋白的運動，發(fā)生成帽反應(yīng)。膜蛋白和運動必然存在一種跨膜控制系統(tǒng)(transmembranecontrolsystem)第三十頁，共51頁。第三十一頁，共51頁。細胞膜是流動鑲嵌模型的實驗結(jié)果(1)細胞融合試驗：證明膜的流動性。

小鼠H-2抗原(綠)人HLA抗原(紅)

異核體(heterokaryon)仙臺病毒第三十二頁，共51頁。第三十三頁，共51頁。(2)淋巴細胞的成斑(patching)和成帽(capping)反應(yīng)

證明質(zhì)膜的流動化。

抗原+抗體抗原均勻分布在細胞表面抗原+抗體結(jié)合物簇集分布

集中成斑(patching)集中細胞尾端表面，形成帽狀結(jié)構(gòu)(capping)被吞入到細胞內(nèi)，被酶消化

第三十四頁，共51頁。第三十五頁，共51頁。第三十六頁，共51頁。（三）熒光漂白恢復(fù)技術(shù)膜蛋白和膜質(zhì)流動性的基本試驗之一。第三十七頁，共51頁。第三十八頁，共51頁。二、膜的不對稱性(一）細胞膜各部分名稱(二)膜脂的不對稱性(三)膜蛋白的不對稱性第三十九頁，共51頁。(一）細胞膜各部分名稱細胞膜各部分的名稱：胞外表面(extrocytoplasmicsurface,ES):與細胞外環(huán)境接觸的膜面。原生質(zhì)表面(protoplasmicsurface,PS):與細胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面。細胞外小頁斷裂面(extrocytoplasmicface,EF):原生質(zhì)小頁斷裂面(protoplasmicface,PF)第四十頁，共51頁。細胞外小頁斷裂面(EF)原生質(zhì)小頁斷裂面(PF)第四十一頁，共51頁。(二）膜脂與糖脂的不對稱性

質(zhì)膜的內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂的含量比例不同。 PC和SM：膜外小頁，PE和PS：質(zhì)膜內(nèi)小頁。證據(jù)：用磷脂酶處理完整的人類紅細胞， 80%的PC降解，而PE和PS分別只有20% 和10%的被降解。

糖脂僅存在于質(zhì)膜的ES面，可能是細胞表面受體，與細胞的抗原性有關(guān)。第四十二頁，共51頁。第四十三頁，共51頁。

膜蛋白的不對稱性：是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性；細胞表面受體膜上載體蛋白

糖蛋白，糖殘基均分布在質(zhì)膜的ES※膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復(fù)雜的在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。(三）膜蛋白的不對稱性第四十四頁，共51頁。第四十五頁，共51頁。三、細胞膜的功能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,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞;提供細胞識別位點,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,使酶促反應(yīng)高效而有序地進行;介導(dǎo)細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接;質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。第四十六頁，共51頁。第三節(jié)、膜骨架(一）膜骨架(二）紅細胞的生物學(xué)特性(三）紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架第四十七頁，共51頁。(一)

膜骨架（membraneassociatedcytoskeletion)膜骨架：是指細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，它參與維持細胞膜的形狀并協(xié)助膜，完成多種生理功能。膜骨架位于細胞質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層