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1、1,第三章 细胞质膜与细胞表面,第一节 细胞质膜的结构模型 第二节 生物膜的基本特征与功能 第三节 细胞表面的特化结构及细胞外被,2,【要点综述】 生物膜的结构模型、基本结构、膜的化学组成及其与膜功能的关系和生物膜的基本特征。 细胞表面的特化结构。 细胞外被的组成与功能。,3,第一节 细胞质膜结构模型,细胞质膜 细胞内的膜系统 生物膜,细 胞 的 生 物 膜 体 系,4,一、 生物膜的结构模型 生物膜结构模型的发展历程 1935年 Davson和 Danielli提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治结构（或叫双分子片层结构）模型。 是第一次用分子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物学理化
2、性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。,5, 1959年Robertson提出单位膜模型。 J.D.Robertson利用电子显微镜技术详细研究各种膜结构，发现电镜下的细胞膜是类似铁轨样的结构，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗明暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。 他推测：暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜。,6, 1972年S.J.Singer和G.Nicolson总结了当时有关膜结构模型及各种研究的新成就，提出了生物膜的流动镶嵌模型。 该模型强调了膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性，较好地体现了细胞膜的功能特点，被广泛接受，也得到许多实
3、验结果的支持。,7, 1988年Simon提出脂筏模型。 生物膜上存在有胆固醇、鞘磷脂等形成的相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样承载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。 已有研究发现不同类型的脂筏在细胞信号转导、物质跨膜运输及HIV等病原体侵染细胞过程中起重要作用。,8,Work by Dr. James Hildreth of Johns Hopkins University, and others, has shown that over 90% of HIV budding out of cells occurs at a region of the cell rich
4、in adhesion molecules, called lipid rafts（脂筏）. These lipid rafts are important for several functions that include transporting materials into, out of and throughout cells. Theyre not only important for HIV, but for other viruses such as influenza and measles (麻疹). Understanding the role of lipid raf
5、ts in HIV may have important implications for developing new therapies（疗法）.,9, 生物膜的结构特点 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子以非极性尾部相对，极性头部朝向水相形成可运动的脂质双分子层，它是组成生物膜的基本结构成分。 可运动的蛋白质以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面。 生物膜可以看成是在脂双层分子中镶嵌蛋白质的二维溶液。,10,二、 生物膜的化学组成,膜脂 膜蛋白 膜脂 主要种类包括： 磷脂 糖脂 胆固醇和中性脂质,11,磷脂：,甘油磷脂： 磷脂酰胆碱（卵磷脂）：PC 磷脂酰丝氨酸：PS 磷脂酰乙醇胺
6、（脑磷脂）：PE 磷脂酰肌醇：PI 鞘磷脂：SM,12, 磷脂分子主要的结构特征 磷脂分子具有双亲媒性，称为双亲媒性分子； 磷脂分子的亲水端（即极性端）是磷脂酰碱基，称为头部； 磷脂分子的亲脂端（即疏水端或非极性端）是两条长短不一的脂肪酸链（心磷脂除外）, 称为尾部,一般含有1424个偶数碳原子； 如果脂肪酸链含有一个或数个双键,双键的存在会导致不饱和链有一定程度的扭转和弯曲。,13, 甘油磷脂分子结构特征,14, 鞘磷脂分子结构特征,15,糖脂,细胞膜中的糖类通过共价键同膜脂相连即为糖脂； 糖脂在细胞膜上存在具有普遍性,其含量占膜脂总量的5%以下，在神经细胞膜上含量较多，约5%10%； 最简
7、单的糖脂是脑苷脂类,仅有一个半乳糖或葡萄糖残基作为极性头部； 最复杂的糖脂是神经节苷脂,可含多达7个糖残基，是神经原细胞膜中具特征性的成分；,16,17,胆固醇：CI,动物细胞膜上胆固醇含量较高，少数植物细胞膜上也含有，细菌细胞膜中没有； 分子较小，具较低的双亲媒性 具有调节膜的流动性、增加膜的稳定性、降低水溶性物质的通透性等作用。 是脂筏的基本结构成分。,18,典型的胆固醇分子结构,具刚性的平面的类固醇环状结构,19,膜脂的运动方式, 膜脂分子的运动与脂分子类型、脂分子同膜蛋白及膜两侧的生物大分子之间的相互作用以及温度条件有关。,20,脂质体,定义：,21, 膜蛋白, 种类繁多，约占细胞总蛋
8、白类别的30%； 不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%, 有的达到75%； 各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的； 一般来说,功能越复杂的膜, 膜蛋白的种类和数量越多。,22,膜蛋白的种类, 内在膜蛋白(整合膜蛋白) 部分或全部镶嵌在细胞膜中的蛋白质； 与膜结合非常紧密，不易分离下来，只有使用去垢剂使膜崩解后，才可被分离下来； 内在膜蛋白大多为跨膜蛋白； 跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚单位跨膜等；跨膜蛋白的跨膜区一般为螺旋, 也有的是折叠； 内在膜蛋白约占膜蛋白的70-80%。,23,内在膜蛋白,24, 外在膜蛋白(外周膜蛋白), 完全外露在质双层的
9、内外两侧，主要通过非共价键附着在脂分子的极性头部或整合膜蛋白的亲水区一侧； 与膜结合不紧密，只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可从膜上分离下来，并不破坏膜结构； 外在膜蛋白为水溶性蛋白，占膜蛋白总量的20%30%。,25,外在膜蛋白,26, 脂锚定蛋白,又称脂连接蛋白, 是通过与之共价键结合的脂分子结合而插入膜的脂双层中，从而锚定在细胞膜的内外两侧。 通过糖分子间接同脂双层中的脂分子结合的脂锚定蛋白多分布在质膜内侧； 通过脂肪酸锚定在质膜上脂锚定蛋白多分布在质膜外侧。,27,脂锚定蛋白,28,第二节 生物膜的基本特征及细胞膜主要功能,一、膜的流动性 生物膜的基本特征之一 细胞进行生命活动的必
10、要条件 （一）膜脂的流动 膜脂的物理状态 膜脂的相变 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。,29,相变温度 在生理条件下, 膜脂多呈拟液态，温度下降至某点, 则变为拟晶态。一定温度下, 拟晶态又可溶解再变成拟液态，这种临界温度称为相变温度。 不同的膜脂分子由于成分不同而各有其相变温度。 生物膜中膜脂的相变温度由组成生物膜的各种脂分子的相变温度决定的。,30,影响膜脂的流动的因素 脂肪酸链的影响 膜脂肪酸链的不饱和程度和链的长短 卵磷脂/鞘磷脂比值的影响 卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大; 鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,
11、鞘磷脂的含量高,流动性低。,31,胆固醇的影响 在相变温度以上,可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。 在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。 外界环境条件 温度影响膜脂流动,32,（二）膜蛋白的流动 1970年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明了膜蛋白的流动性。,鼠人细胞融合实验,33,淋巴细胞的成帽效应 通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑、成帽的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。,成 帽 反 应,34,实验表明，膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要是侧向运动），不需要代谢
12、产物的参加，也不需要提供能量。 膜蛋白的流动性是相对的。有些膜蛋白被某些特殊的结构限定在细胞表面的某个区域，甚至有的膜蛋白是不流动的。,35,限制膜蛋白移动的因素 膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合 膜蛋白与膜脂分子的相互作用 膜骨架的限制 细胞外基质的影响 相邻细胞的影响 细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响,36,细胞外基质对内在膜蛋白移动的影响,37,膜骨架对膜蛋白流动性的影响,38,二、膜的不对称性 (一) 膜脂的不对称性 不对称性的研究方法-冰冻蚀刻技术,冰冻蚀刻技术揭示的膜结构,39,40,膜质的不对称性： 指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布,或者说脂双层两小页中分布的各类脂的
13、含量不同。 例如在红细胞膜中： 外层含鞘磷脂(SM)、磷脂酰胆碱(PC)较多； 内层含磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰丝氨酸(PS)较多。,41,(二) 膜蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性： 指每种膜蛋白分子在膜上分布都具有明确的方向性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。 某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能 。 各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白决定的。 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的、在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。,42,（三）膜糖的不对称,所有膜糖类（糖脂和糖蛋白）的分布表现出完全的不对称,其糖基侧链均分布在质膜的ES面和内膜的ES面。,43,膜不对称性的生
14、物学意义 膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。 膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。 细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持依靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。,44,三、 细胞质膜的主要功能 为细胞生命活动提供相对稳定的内环境； 选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出； 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递； 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行； 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；
15、 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,45,胞膜窖（caveolae）： 是1953年由Palade在电子显微镜下发现的，两年后，Yamada将其命名为Caveolae，用以描述这种细颈瓶状的细胞膜内陷。 胞膜窖是细胞膜上特有的，直径约50-100nm的微区域（microdomain），富含胆固醇、鞘磷脂和鞘糖脂，形成一个去垢剂不溶性的膜区域，并且以存在窖蛋白分子为特征。 胞膜窖在细胞信号传递和物质运输等很多生命活动中都起重要作用。,46,A 胞膜窖在质膜上的形成，从这个角度无法观察到窖蛋白 B 像刻上一个“卷心菜”花纹的是包被了窖蛋白的胞膜窖，右上角是包被网格蛋白的内吞体,47,第三节
16、 细胞表面的特化结构膜骨架 一、细胞表面特化结构的类型： 膜骨架 鞭毛 纤毛 微绒毛 细胞变形足 二、膜骨架 定义 哺乳动物红细胞膜 是结构最简单、最易研究的细胞膜 人们对膜结构的认识，大多来自于对 红细胞膜结构的研究。 红细胞的质膜与膜骨架容易纯化和分析,48,电镜下的红细胞,49, 红细胞血影,50, 红细胞质膜蛋白及膜骨架 血影的蛋白成分，即红细胞膜蛋白组成： 血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、 肌动蛋白和一些血型糖蛋白。 血影蛋白、肌动蛋白、带3蛋白和一些血型糖蛋白与红细胞形态维持的关系：P97 带3蛋白的结构与作用： 红细胞膜骨架蛋白的主要成分： 血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、
17、带4.1蛋白和内收蛋白（adducin）等，这些都是外周膜蛋白。,51,血影蛋白(Spectrin) 又称收缩蛋白，有两条相似的亚基 亚基和亚基； 链和链反向平行排列, 扭曲成麻花状，形成异二聚体； 两个异二聚体头-头连接成200nm长的四聚体； 五个或六个四聚体的尾端一起连接于短的肌动蛋白纤维和带4.1蛋白, 形成“连接复合物”； 这些血影蛋白在整个细胞膜的细胞质一侧膜下面形成有韧性的网架结构。,连接复合物,原肌球蛋白,52, 肌动蛋白 肌动蛋白纤维链长约35nm（结合一分子原肌球蛋白），在肌动蛋白纤维上有多个(一般为5个左右)与血影蛋白结合的位点,通过与血影蛋白游离端相连，参与膜骨架结构的
18、形成； 锚蛋白 锚蛋白一方面与血影蛋白相连,另一方面与跨膜的带3蛋白的细胞质区域相连, 将血影蛋白连接到细胞膜上，从而将膜骨架锚定到质膜上。,53,带4.1蛋白(Band 4.1 Protein) 与血影蛋白结合，促使血影蛋白与肌动蛋白结合；而4.1蛋白本身并不与肌动蛋白相连。 与细胞膜上的血型糖蛋白或带3蛋白结合，使膜骨架与质膜相连。 内收蛋白(Adducin) 由两个亚基组成的二聚体，形态似不规则的盘状物； 与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并且通过ca2+和钙调蛋白的作用影响膜骨架的稳定性,从而影响红细胞的形态。,54,血影蛋白、肌动蛋白、带4.1蛋白连接成网, 红细胞膜骨架网络与细胞膜的
19、连接：P97,55,三、细胞外被与细胞外基质 细胞外被 又称糖萼，是细胞膜的正常结构组分。 由细胞外表面覆盖的碳水化合物形成的 质膜保护层，又称为多糖包被。 对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别 中起重要作用。,56,电镜下的细胞表面,57,细胞外被结构,58,细胞外基质,典型的细胞外基质结构,59,细胞外基质定义： 是分布于细胞外空间,由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的复杂的网架结构；它将细胞粘连在一起构成组织,同时,提供一个细胞外网架,在组织中或组织之间起支持作用； 其三维结构及其成分的变化可改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要调控作用。 关于细胞外基质的研究焦点： 细胞外
20、基质的信号功能及其与疾病之间的关 系的研究,60,细胞外基质的基本组成成分 胶原 蛋白聚糖 层粘连蛋白和纤连蛋白 弹性蛋白,61,胶原的组装,62,胶原酶遗传缺陷,某些人胶原酶的遗传缺陷使胶原纤维不能正确地装配，结果使皮肤和各种其它的结缔组织降低强度而变得非常的松弛。,63,皮肤过渡松弛症,64,蛋白聚糖,透明质酸,核心蛋白,硫酸角质素,硫酸软骨素,多 聚 体,蛋白聚糖单体,65,层粘连蛋白(laminin, LN) 是动物基膜(basal lamina)的主要结构组分之一； 是细胞与基膜中的型胶原或蛋白聚糖相结合的“纽带” RGD三肽序列：即Arg-Gly-Asp序列,66,基膜的结构组成,
21、67,纤连蛋白(Fibronectin,FN),68,纤连蛋白的每个亚单位由多个结构域构成，具有与细胞表面受体、胶原、纤维蛋白和蛋白聚糖高亲和性的结合部位； 纤连蛋白与细胞膜蛋白结合区的结构域中，RGD三肽序列是细胞识别的最小结构单位，即RGD三肽序列负责同细胞表面的结合； 纤连蛋白的膜受体是整联蛋白家族成员之一，在其细胞外功能区有与RGD三肽序列高亲和性的结合部位。,69,整联蛋白与细胞外受体相连,70,弹性蛋白(Elastin) 是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。 功能：能够赋予组织以弹性。,71,第三章 思考题 一、名词解释 细胞外被；生物膜；脂质体；膜骨架；膜脂的不对称性；膜蛋白的不对称性；细胞外基质；血影；RGD三肽序列 二、简述细胞膜的化学组成和基本特征，并说明膜脂、膜蛋白和糖糖类在膜上的分布特点？ 三、膜蛋白的类型、主要特征以及膜蛋白与生物膜功能的关系？ 四、影响膜脂和膜蛋白流动的因素？如何影响？ 五、红细胞膜骨架的组成成分 六、红细胞膜骨架结构？ 七、细胞外基质的组成成分？ 拓展1：胞膜窖与肿瘤研究进展 拓展2：细胞外基质与疾病发生,