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第三章细胞膜与细胞表面CellMembraneandCellSurface1.掌握细胞膜、生物膜、单位膜的概念；2.掌握细胞膜的组成和磷脂的结构特点，了解磷脂的种类、胆固醇和糖脂的结构；3.了解六种生物膜的结构模型及其优缺点，掌握流动镶嵌模型；4.了解膜脂、膜蛋白的运动方式。掌握生物膜的特性。教学目的33第三章细胞膜与细胞表面Chapter3Cellmembraneandcellsurface概述基本概念1.细胞膜（cellmembrane）2.生物膜（biomembrane）3.单位膜（unitmembrane）4.细胞表面（cellsurface）基本概念1.细胞膜cellmembrane:是指围绕在细胞最外层，由脂质、蛋白质和糖类所组成的界膜。2.生物膜biomembrane:细胞膜与细胞内膜具有共同的结构和相近的功能，统称生物膜。基本概念3.单位膜unitmembrane：生物膜在电镜下呈现出的较为一致的三层结构，即电子致密度高的内外两层之间夹着电子密度较低的中间层。66细胞内脂双层膜蛋白细胞衣4.细胞表面cellsurface：细胞膜、细胞外被、细胞膜内面的胞质溶胶、各种细胞连接结构和细胞膜的一些特化结构统称为细胞表面。胞质溶胶77生物膜的化学组成和分子结构一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性三、细胞膜的结构模型复习题88一、细胞膜的化学组成•细胞膜的主要化学成分有脂质(lipid)、蛋白质(protein)和糖类(sugar)。99(一)膜脂(membranelipid)•生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂的种类：：分子结构共同特点：分子排列特点：磷脂(含量最丰富)；胆固醇；糖脂双亲性(水脂兼性)分子头部亲水，尾部疏水球形分子团；脂质双分子层1.磷脂磷脂是生物膜中含量最高的脂类。最简单的磷脂是磷脂酰甘油（磷脂酸）。常见的磷脂有：①磷脂酰胆碱：胆碱（choline)+磷脂酸②磷脂酰乙醇胺：乙醇胺（ethanolamine)+磷脂酸③磷脂酰丝氨酸：丝氨酸（serine)+磷脂酸④磷脂酰肌醇：肌醇（inositol)+磷脂酸⑤鞘磷脂：胆碱或乙醇胺+鞘氨醇+磷酸+脂肪酸1111POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经酰胺O鞘磷脂POCH2H—C—COOHNH2OCOCH—CH—CH2OOCOO脂肪酸脂肪酸磷脂酰丝氨酸OCH—CH—CH2OC磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）POCH2CH2NH2OOCOOO脂肪酸脂肪酸OCH3POCH2CH2NCH—CH—CH2OOCOOCOO脂肪酸脂肪酸CH3CH3磷脂酰胆碱（卵磷脂）O结构特点：亲水性头部：疏水尾部：一般两条脂肪酸链，每条14~24个碳原子。一条饱和，一条不饱和。排列特点：逐个相依地整齐排列脂双分子层，构成膜主体结构。1.磷脂1313磷脂分子聚集排列特点：球形分子团1414脂质双分子层在水中形成一种自我封闭的结构——脂质体（Liposome)胆固醇15152.胆固醇分子结构:极性头部：羟基团非极性尾部：脂肪酸链固醇环连接头部与尾部极性头部非极性尾部类固醇环1616分布:分布于磷脂分子中，极性头部紧靠磷脂的极性头部，类固醇环固定于磷脂的烃链上。作用：可调节膜的流动性，加强膜的稳定性。2.胆固醇17173.糖脂分子结构：极性头部：由1~数个糖基构成非极性尾部：两条脂肪酸链1818磷脂糖脂胆固醇1919(2)分布：所有糖脂都分布在膜的非胞质面脂双分子层单层。2020(二)膜蛋白(membraneprotein)生物膜所含的蛋白称膜蛋白。是膜特定功能的主要承担者和执行者。种类：外在膜蛋白；内在膜蛋白2121脂质双层非胞质面胞质面12345(1)外在膜蛋白：分布在膜的内外表面，主要在内表面。通过内在蛋白间接与膜连接，或与脂类分子的极性头部直接结合。(2)内在膜蛋白：单次或多次穿过脂双分子层，与膜结合紧密。2222膜蛋白的分离内在膜蛋白:它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，常用SDS和Triton-X100。外在膜蛋白:靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。2323膜糖类糖类+膜脂共价键糖脂糖类+膜蛋白糖蛋白共价键（三）膜糖类磷脂糖脂糖蛋白24242.种类：存在于膜的糖类只有9种。动物细胞膜上的糖主要有7种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖氨、唾液酸。3.分布特点：绝对不对称。糖链只分布在膜的非细胞质侧脂双分子层单层。25252626膜成分含量血红细胞脂类:蛋白质=4：1脂类:蛋白质=1：4线粒体1：1神经髓鞘2727二、细胞膜的特性不对称性(asymmetry)流动性(fluidity)：生物膜的基本特征之一,是细胞进行生命活动的必要条件。2828（一）细胞膜的不对称性EF和PF的界定：冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称：质膜的原生质表面(protoplasmicsurface,PF)和质膜的细胞外小页断裂面(extrocytopasmicface,EF)。生物膜的不对称性指细胞膜内外两层的结构和功能有差异。PFEF29291.膜脂分布的不对称磷脂种类、数量分布不对称胆固醇集中在细胞膜的外层糖脂不对称:糖链在细胞膜的外层3030总磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸占总磷脂的%1.膜脂分布的不对称磷脂酰肌醇细胞外小叶细胞质小叶31312.膜蛋白分布的不对称性每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向是膜蛋白不对称性的主要因素;外周蛋白种类和数量分布的不对称;整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面。结构与功能相适应红细胞膜的冰冻蚀刻断裂方法细胞质侧（2800个/μm2）蛋白质含量高于外侧(1400/μm2)3232（二）细胞膜的流动性膜的流动性：即构成膜的脂类和蛋白质分子的运动。膜的流动性是保证正常膜功能的重要条件。表现为：膜脂分子的运动膜蛋白分子的运动3333（二）细胞膜的流动性液晶态：相变：当温度降至某一点时，细胞膜可从流动的液晶态转变为晶态；温度升高时，晶态也可再熔融为液晶态，这种变化叫相变。相变温度：引起相变的温度称相变温度。不同磷脂的相变温度不同。几个概念34341.横向扩散2.旋转3.摆动4.翻转1.膜脂分子的运动35351.横向扩散运动；2.旋转运动；3.摆动运动；4.伸缩振荡运动；5.翻转运动；6.旋转异构运动36362.膜蛋白的分子运动旋转扩散：膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴旋转侧向扩散：膜蛋白在膜脂中自由漂浮并在膜表面扩散3737小鼠细胞标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B抗人膜蛋白抗体+荧光素A标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）人细胞孵育（370C,40分钟）膜蛋白(抗原）383839393.影响膜脂流动的因素(1)磷脂分子结构•烃链长短：短，尾部不易发生相互作用，易流动。•烃链的不饱和程度：不饱和程度高，排列疏松，易流动。4040(2)胆固醇含量：相变温度以下：阻止磷脂分子聚集晶态结构，增加膜流动性。相变温度以上，增加磷脂分子的有序性，限制膜流动。4141胆固醇对生物膜稳定性的意义举例一种突变细胞系，细胞自身不能合成胆固醇，在无胆固醇培养液中培养该细胞株，细胞膜自溶而致细胞死亡；若在培养液中加适量胆固醇，细胞可摄取胆固醇到膜上，使膜结构稳定，细胞得以存活。42423.影响膜脂流动的因素(3)卵磷脂/鞘磷脂的比值细胞衰老的过程中，细胞中卵磷脂/鞘磷脂的比值逐渐下降，细胞膜的流动性降低。(4)蛋白质的影响内在蛋白越多，生物膜的流动性越小。4343三、细胞膜的结构模型James和HughDavson提出的(1935)片层结构模型（lamellastructuralmodel)J.D.Robertson(1959年)：单位膜模型(unitmembranemodel)S.J.Singer和G.Nicolson(1972)：生物膜的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)K.Simonsetal(1997):脂筏模型（lipidraftmodel）1935年由James和HughDavson提出的第一个细胞膜的分子模型。双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相对，亲水端朝向膜的内外表面球形蛋白质附着在脂双层的两侧表面，形成蛋白质-磷脂-蛋白质三层甲板式结构片层结构模型（lamellastructuralmodel）（二）单位膜模型1959年，J.D.Robertson在电镜下观察了细胞膜和细胞内膜呈暗-明-暗(厚约7.5nm)，提出该模型。4646暗层：2nm明层：3.5nm暗层：2nm(1)脂质：磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外与附着的蛋白质构成暗带，疏水尾部向内构成明带。(2)蛋白质：膜蛋白是单层肽链以β折叠通过静电作用与磷脂极性端结合。（二）单位膜模型4747单位膜模型的进步之处：第一次描述了膜的厚度描述蛋白质是β折叠以上两种学说的不足：把所有的膜都视为千篇一律，无法解释不同膜的不同功能。4848（三）流动镶嵌模型S.J.Singer&G.Nicolson1972年根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。断裂平面膜的冰冻蚀刻断裂方法49491．流动镶嵌模型的内容要点(1)脂双层构成膜的连续的主体，具有液体的流动性；(2)膜中球形蛋白质分子不同程度嵌在脂双层中，分为内在蛋白和外在蛋白。50502．流动镶嵌模型的优缺点优点：强调膜的流动性强调镶嵌在膜脂中的蛋白质分布不对称性缺点：忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用。忽视了膜的各部分流动性的不均匀性。5151晶格镶嵌模型1975年提出。晶格界面脂质生物膜中的脂类是处在无序(液态)和有序(晶态)之间的动态转变；膜蛋白对脂类分子的运动具限制作用。3．流动镶嵌模型的补充模型5252•1977年提出。认为膜的脂双层有两种形式：•刚性较大、能独立移动的脂质板块(有序板块)；•能流动的脂质区(无序板块)。两者之间处于连续的动态平衡。3．流动镶嵌模型的补充模型板块镶嵌模型5353（四）脂筏模型（lipidraftmodel）近年发现含生物膜上胆固醇和鞘磷脂富集形成有序脂相，膜其它部位厚，更有序，较少流动，如同脂筏一样载着各种蛋白，称脂筏，是一种动态结构。5454鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子之间的作用力较强胆固醇与鞘磷脂的亲和力高（像胶水)脂筏是蛋白质停泊聚集的平台，便于蛋白质相互作用；也提供蛋白质变构环境，形成有效变构。5555脂筏的功能与信号转导、蛋白质分选、物质内吞、胆固醇代谢等有关；脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、老年痴呆、疯牛病等5656膜的化学组成与分子结构复习题1.生物膜是由哪几种物质构成的？2.磷脂的结构特点是怎样的？它是以什么样的形式构成膜的主体的？3.生物膜上的蛋白质有几种类型？4.细胞膜的特性。5.描述液态镶嵌模型。6.影响膜脂运动的因素有哪些？7.膜的不对称性包括哪些内容？5757