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细胞生物学-5细胞膜与细胞表面 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望重点与难点重点与难点细胞膜、膜骨架、细胞连接和细胞外基质细胞膜、膜骨架、细胞连接和细胞外基质的结构与功能的结构与功能生物膜上蛋白质的构筑状况及运动的测量生物膜上蛋白质的构筑状况及运动的测量学习要求学习要求掌握细胞膜的结构与功能以及相关研究技术的掌握细胞膜的结构与功能以及相关研究技术的知识知识理解细胞表面的特化结构和细胞黏附分子的知理解细胞表面的特化结构和细胞黏附分子的知识识掌握细胞连接和细胞外基质等内容，并在此基掌握细胞连接和细胞外基质等内容，并在此基础上形成础上形成“单个细胞是如何构成多细胞有机体单个细胞是如何构成多细胞有机体的的”整体的、概括的印象整体的、概括的印象细胞质膜与细胞表面特化结构细胞质膜与细胞表面特化结构 细胞外被与细胞外基质细胞外被与细胞外基质 细胞连接细胞连接第一节第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构细胞质膜与细胞表面特化结构 细细胞胞质质膜膜(plasma membrane)是是指指包包围围在在细细胞胞表表面面的的一一层层极极薄薄的的膜膜，基基本本作作用用是是保保持持细细胞胞内内微微环环境境的的相相对对稳稳定定，并并参参与与同同外外界界环环境境进进行行物物质质交交换换、能能量量和和信信息息传传递递。另另外外，细细胞胞质质膜膜在在细细胞胞的的生生存存、生生长长、分分裂裂、分分化中起重要作用。化中起重要作用。胞质膜胞质膜(cytoplasmic membrane)存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜，包括核膜、存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜，包括核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、线粒体膜、叶绿内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、线粒体膜、叶绿体膜、过氧化物酶体膜等。体膜、过氧化物酶体膜等。细胞内主要的胞质膜细胞内主要的胞质膜 由于细菌没有由于细菌没有内膜，所以细内膜，所以细菌的细胞质膜菌的细胞质膜代行胞质膜的代行胞质膜的作用。作用。生物膜生物膜(biomembrane，or biological membrane)是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它不仅具有界膜的功能，还参与全部的生命活动。不仅具有界膜的功能，还参与全部的生命活动。细胞膜的结构模型细胞膜的结构模型膜脂膜脂生物膜的基本组成成分生物膜的基本组成成分膜糖膜糖膜蛋白膜蛋白膜的流动性膜的流动性膜的不对称性膜的不对称性确定膜蛋白方向的实验程序确定膜蛋白方向的实验程序确定膜脂方向的实验程序确定膜脂方向的实验程序分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用细胞质膜的功能细胞质膜的功能骨架与细胞表面的特化结构骨架与细胞表面的特化结构一、细胞质膜的结构模型一、细胞质膜的结构模型一、细胞质膜的结构模型一、细胞质膜的结构模型研究研究简史简史结构模型结构模型生物膜结构的生物膜结构的特征特征1.E.Overton 1895 发发现现凡凡是是溶溶于于脂脂肪肪的的物物质质很很容容易易透透过过植植物物的的细细胞胞膜膜，而而不不溶溶于于脂脂肪肪的的物物质质不不易易透透过过细细胞胞膜膜，因因此此推推测测细细胞胞膜膜由由连连续的脂类物质组成续的脂类物质组成。2.E.Gorter&F.Grendel 1925 用用有有机机溶溶剂剂提提取取了了人人的的红红细细胞胞质质膜膜的的脂脂类类成成分分，将将其其铺铺展展在在水水面面，测测出出膜膜脂脂展展开开的的面面积积二二倍倍于于细细胞胞表表面面积积，因因而而推推测测细细胞胞膜膜由由双双层层脂脂分子组成分子组成。3、J.Danielli&H.Davson 1935 发发现现质质膜膜的的表表面面张张力力比比油油水水界界面面的的张张力力低低得得多多，推推测测膜膜中中含含有有蛋蛋白白质质。1954年年在在上上述述基基础础上上提提出出了了修修正正模模型型，认认为为膜膜上上还还具具有有贯贯穿穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。4、J.D.Robertson 1959 用用超超薄薄切切片片技技术术获获得得了了清清晰晰的的细细胞胞膜膜照照片片，显显示示暗暗-明明-暗暗三三层层结结构构，它它由由厚厚约约3.5nm的的双双层层脂脂分分子子和和内内外外表表面面各各厚厚约约2nm的的蛋蛋白白质质构构成成，总厚约总厚约7.5nm。5、S.J.Singer&G.Nicolson 1972根据免疫荧光技术、根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。结构模型结构模型 E.Gorter和和FGrendel（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u1935年年James Daniellie和和Hugh Davson片片层层结结构构模模型型或或三三明明治治式式模模型型 质膜的片层结构模型 该模型认为膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构,脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被,即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构,内外两层的蛋白质层都非常薄。并且,蛋白层是以非折叠、完全伸展的肽链形式包在脂双层的内外两侧。1954年对该模型进行了修改：膜上有一些二维伸展的孔,孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性,可提高水对膜的通透性。这一模型是第一次用分子术语描述的结构 J.D.Robertson（1959年年）：单单位位膜膜模模型型(unit membrane model)类类似似铁铁轨轨结结构构(railroad track)，两两条条暗暗线线被被一一条条明明亮亮的的带带隔隔开开，显显示示暗暗明明暗暗的的三三层层，总总厚厚度度为为7.5nm，中中间间层层为为3.5nm，内内外外两两层层各各为为2nm。并并推推测测:暗暗层层是是蛋蛋白白质质，透透明明层层是是脂脂，并建议将这种结构称为单位膜并建议将这种结构称为单位膜质膜的单位膜模型质膜的单位膜模型 单位膜不足单位膜不足首首先先，该该模模型型把把膜膜看看成成是是静静止止的的,无无法法说说明明膜膜如何适应细胞生命活动的变化；如何适应细胞生命活动的变化；其其二二，不不同同的的膜膜其其厚厚度度不不都都是是7575 一一般般在在50-50-100100 之间；之间；其其三三，如如果果蛋蛋白白质质是是伸伸展展的的,则则不不能能解解释释酶酶的的活性同构型的关系；活性同构型的关系；该该模模型型也也不不能能解解释释为为什什么么有有的的膜膜蛋蛋白白很很容容易易被分离，有些则很难。被分离，有些则很难。S.J.Singer和和G.Nicolson（1972）：其一）：其一,蛋白质不是伸展的片层蛋白质不是伸展的片层,而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中,蛋白质与膜脂的结合程度取决蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特点就是膜具有一定的流动性于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特点就是膜具有一定的流动性,不再是封闭的片状结构不再是封闭的片状结构,以适应细胞各种功能的需要。这一模型强以适应细胞各种功能的需要。这一模型强调了膜的流动性和不对称性调了膜的流动性和不对称性,较好地体现细胞的功能特点较好地体现细胞的功能特点 生物膜结构的特征生物膜结构的特征磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,未发现膜中起组织作用的蛋白；未发现膜中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,赋予生物膜的功能；赋予生物膜的功能；膜的流动性：生物膜的基本特征之一膜的流动性：生物膜的基本特征之一,细胞进行生命活动的必要条件。细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性膜的不对称性 目前细胞膜结构主要用目前细胞膜结构主要用Singer 和和 Nicolson于于1972年提出的流动镶嵌模型解释，下面我们以流动镶年提出的流动镶嵌模型解释，下面我们以流动镶嵌模型为基础，总结细胞膜的结构的主要特征：嵌模型为基础，总结细胞膜的结构的主要特征：1.脂类物质，主要是磷脂脂类物质，主要是磷脂 构成生物膜的骨架，在膜构成生物膜的骨架，在膜中，磷脂以双分子层的形式存在，在双分子层中，中，磷脂以双分子层的形式存在，在双分子层中，磷脂的疏水基团（脂肪酸链）向内，亲水基团向磷脂的疏水基团（脂肪酸链）向内，亲水基团向外。外。2生物膜中含有蛋白质，蛋白质有两种存在方式，生物膜中含有蛋白质，蛋白质有两种存在方式，一种吸附在脂类双层两侧，称为外在蛋白或周边一种吸附在脂类双层两侧，称为外在蛋白或周边蛋白，另一种镶嵌在脂类双层中，称为内在蛋白蛋白，另一种镶嵌在脂类双层中，称为内在蛋白或整合蛋白，内在蛋白有的部分嵌入膜脂双层中，或整合蛋白，内在蛋白有的部分嵌入膜脂双层中，有的贯穿脂类双层。有的贯穿脂类双层。二、膜脂二、膜脂生物膜的基本组成成分生物膜的基本组成成分二、膜脂二、膜脂生物膜的基本组成成分生物膜的基本组成成分成成 分分：膜膜 脂脂 主主 要要 包包 括括 磷磷 脂脂、糖糖 脂脂 和和 胆胆 固固 醇醇三种类型三种类型。脂双层的脂双层的二维流动性二维流动性成成 分分磷脂、糖脂、胆固醇磷脂、糖脂、胆固醇磷脂：膜脂的基本成分（磷脂：膜脂的基本成分（5050以上）以上）分分为为二二类类:甘甘油油磷磷脂脂（磷磷脂脂酰酰乙乙醇醇胺胺、磷磷脂脂酰酰胆胆碱碱(卵卵磷磷脂脂)、磷脂酰肌醇）和鞘磷脂、磷脂酰肌醇）和鞘磷脂 主要特征：主要特征：属属于于双双亲亲性性(amphipathic molecule)具具有有一一个个极极性性头头和和两两个非极性的尾个非极性的尾(心磷脂除外）；心磷脂除外）；脂脂肪肪酸酸碳碳链链碳碳原原子子多多为为偶偶数数,16-24C；不不饱饱和和键键成成30 的的弯曲；弯曲；在水相中在水相中,具有自组装和自封闭形成脂双层的能力具有自组装和自封闭形成脂双层的能力.磷磷脂脂烃烃链链的的长长度度和和不不饱饱和和度度的的不不同同可可以以影影响响磷磷脂脂的的相相互互位位置置，进进而而影影响响膜膜的的流流动动性性。各各种种磷磷脂脂头头部部基基团团的的大大小小、形形状状、电荷的不同则与磷脂电荷的不同则与磷脂-蛋白质的相互作用有关。蛋白质的相互作用有关。胆固醇胆固醇:于真核细胞膜于真核细胞膜,极性头部为极性头部为-OH基基极性的头部、非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。胆固醇的分子较极性的头部、非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。胆固醇的分子较其他膜脂要小其他膜脂要小,双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧,疏水的尾部疏水的尾部埋在脂双层的中央。胆固醇分子是扁平和环状的埋在脂双层的中央。胆固醇分子是扁平和环状的,对磷脂的脂肪酸尾部的运动具对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用有干扰作用,所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。胆固醇的分子较其他膜脂要小，胆固醇的分子较其他膜脂要小，双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央 4种运动种运动方式方式研究生物膜特性的材料研究生物膜特性的材料脂质体脂质体(liposome)影响膜脂流动性的影响膜脂流动性的因素因素运动方式运动方式沿沿膜膜平平面面的的侧侧向向运运动动（基基本本运运动动方方式式）,其其扩扩散散系系数数为为10-8cm2/s；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动；脂分子尾部的摆动；双双层层脂脂分分子子之之间间的的翻翻转转运运动动(flip-flop)，发发生生频频率率还还不不到到脂脂分分子子侧侧向向交交换换频频率率的的1010。但但在在内内质质网网膜膜上上,新新合合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高成的磷脂分子翻转运动发生频率很高(flippase)。脂质体（脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。双层膜的趋势而制备的人工膜。脂质体的脂质体的类型类型。脂质体的脂质体的应用应用 (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脂质体的应用脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；红细胞膜上的钠钾离子通道红细胞膜上的钠钾离子通道线线粒粒体体膜膜上上的的ATP酶酶的的研研究究（人人工工制制备备的的具具有有生生物物功功能能的的发发电机电机日本）日本）眼镜蛇毒蛋白确定了神经信号转导上的钠离子通道眼镜蛇毒蛋白确定了神经信号转导上的钠离子通道脂质体中裹入脂质体中裹入DNADNA可用于基因转移；可用于基因转移；在临床治疗中在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体脂质体作为药物或酶等载体影响膜脂的流动性的因素影响膜脂的流动性的因素温度温度脂分子本身的性质决定的脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短脂肪酸链越短,不饱和程不饱和程度越高度越高,膜脂的流动性越大。膜脂的流动性越大。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。调节作用。卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂，比例越大，流动性越大；比例越小，鞘磷脂，比例越大，流动性越大；比例越小，流动性降低流动性降低构成膜的基本骨架构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体去除膜脂，则使膜解体;是是膜膜蛋蛋白白的的溶溶剂剂，一一些些蛋蛋白白通通过过疏疏水水端端同同膜膜脂脂作作用用，使使蛋蛋白白镶镶嵌嵌在在膜膜上上，得得以以执执行行特特殊殊的的功功能能;膜膜脂脂为为某某些些膜膜蛋蛋白白(酶酶)维维持持构构象象、表表现现活活性性提提供供环环境境,一一般般膜膜脂脂本本身身不不参参与与反反应应(细细菌菌的的膜膜脂脂参与反应参与反应););膜膜上上有有很很多多酶酶的的活活性性依依赖赖于于膜膜脂脂的的存存在在。有有些些膜膜蛋蛋白白只只有有在在特特异异的的磷磷脂脂头头部部基基团团存存在在时时才才有有功能。功能。膜脂的功能膜脂的功能膜脂的不对称性膜脂的不对称性细胞质膜各部分的名称细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性膜脂与糖脂的不对称性 糖脂仅存在于质膜的糖脂仅存在于质膜的ESES面，是完成其生理功能的结构基础面，是完成其生理功能的结构基础非对称性形成原因非对称性形成原因:磷脂磷脂:ER胞质半膜合成胞质半膜合成,Flippase选择性转运选择性转运糖糖脂脂:催催化化糖糖基基化化反反应应的的酶酶位位于于Golgi非非胞胞质质半半膜膜,转转运运不不变变存在于原核和真核细胞的质膜上（存在于原核和真核细胞的质膜上（5 5以下）以下）,神经细胞糖神经细胞糖脂含量较高；细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，脂含量较高；细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖膜糖自然界存在的单糖及其衍生物有自然界存在的单糖及其衍生物有200多种多种,但存在于膜的但存在于膜的糖类只有其中的糖类只有其中的9种种,而在动物细胞膜上的主要是而在动物细胞膜上的主要是7种：种：D-葡萄糖（葡萄糖（D-Glucose)D-半乳糖半乳糖(D-galactose)D-甘露糖甘露糖(D-mannose)L-岩藻糖岩藻糖(L-fucose)N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺(N-acetyl-D-galactosamine)N-乙酰基葡萄糖胺乙酰基葡萄糖胺(N-acetyl-glucosamine)唾液酸唾液酸(sialic acid膜糖的存在方式膜糖的存在方式 通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。白的形式存在于细胞质膜上。O-连接连接:是糖链与肽链中的是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸丝氨酸或苏氨酸残基相连，残基相连，O-连接糖链较短，连接糖链较短，约含约含4个糖基。个糖基。N-连接连接:是糖链与肽链中是糖链与肽链中天冬酰胺天冬酰胺残基相连，残基相连，N-连接连接的糖链一般有的糖链一般有10个以上的糖基。另外，个以上的糖基。另外，N连接的方式较连接的方式较O连接普遍。连接普遍。糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-O-连接和连接和N-N-连接连接膜糖的功能膜糖的功能 细胞与环境的相互作用（保持各种组织细胞与环境的相互作用（保持各种组织的相对独立）的相对独立）接触抑制接触抑制 蛋白质分选蛋白质分选 信号转导信号转导 保护作用等保护作用等糖脂决定血型糖脂决定血型 血型是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。血型是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A A血型的人红细血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是胞膜脂寡糖链的末端是N-N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺(GalNAc)(GalNAc)，B B血型的人红血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)(Gal)，O O型则没有这两种糖基，型则没有这两种糖基，而而ABAB型的人则在末端同时具有这两种糖。型的人则在末端同时具有这两种糖。三、膜蛋白三、膜蛋白基本基本类型类型膜蛋白的分离提取膜蛋白的分离提取去垢剂去垢剂(detergent)膜蛋白功能及研究方法膜蛋白功能及研究方法外周蛋白外周蛋白(peripheral protein)又称附着蛋白。这种蛋白完全又称附着蛋白。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧外露在脂双层的内外两侧,主要是通过非共价健附着在脂的极主要是通过非共价健附着在脂的极性头部性头部,或整合蛋白亲水区的一侧或整合蛋白亲水区的一侧,间接与膜结合。间接与膜结合。水溶性蛋白水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表靠离子键或其它弱键与膜表 面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。基本类型基本类型整合蛋白整合蛋白(integral protein)(integral protein)又称内在蛋白、跨膜蛋白，部分又称内在蛋白、跨膜蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。实际上层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。实际上,整合蛋白整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白,亲水部分暴露在膜的一侧或两亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面侧表面;疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用 水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂锚定蛋白脂锚定蛋白通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合。结合。去去垢垢剂剂是是一一端端亲亲水水一一端端疏疏水水的的两两性性小小分分子子,是是分分离与研究膜蛋白的常用试剂。离与研究膜蛋白的常用试剂。离离子子型型去去垢垢剂剂(SDS)和和非非离离子子型型去去垢垢剂剂（Triton X-100）非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，指向水中，形成溶于水的去垢剂形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，膜蛋白复合物，从从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀 去垢剂在膜蛋白分离中的作用 膜蛋白的功能膜蛋白的功能运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊转运特殊的分子和离子进出细胞的分子和离子进出细胞;酶：有些是酶，催化相关的代谢反应酶：有些是酶，催化相关的代谢反应;连接蛋白：有些是连接蛋白连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用；起连接作用；受体：起信号接收和传递作用。受体：起信号接收和传递作用。功能蛋白功能蛋白 示例示例 作用方式作用方式 运输蛋白运输蛋白 Na泵泵 主动将主动将Na+泵出细胞，泵出细胞，K+泵入细胞泵入细胞 连接蛋白连接蛋白 整合素整合素 将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连 受体蛋白受体蛋白 血小板生长因子血小板生长因子 同细胞外的同细胞外的PDGF结合、在细胞质内结合、在细胞质内 产生信产生信 号，号，引起细胞的生长与分裂引起细胞的生长与分裂 酶酶 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 在细胞外信号作用下，导致细胞内在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生产生 膜蛋白的研究方法膜蛋白的研究方法用用去去垢垢剂剂分分离离小小的的跨跨膜膜蛋蛋白白,是是膜膜蛋蛋白白研研究的重要手段：究的重要手段：当当去去除除去去垢垢剂剂并并加加入入磷磷脂脂后后,可可使使膜膜蛋蛋白白复性并恢复功能。复性并恢复功能。有有人人用用这这种种方方法法研研究究了了膜膜中中Na+-K+-ATP酶的功能酶的功能。钠钠钾钾ATPATP酶酶的的功功能能研研究究四、膜的流动性四、膜的流动性(membrane fluidity)膜脂的运动方式膜脂的运动方式脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有四种。膜脂的运动方式主要有四种。侧向扩散侧向扩散(lateral diffusion)；旋转运动旋转运动(rotation)；伸缩运动（伸缩运动（flex）；）；翻转扩散翻转扩散(transverse diffusion)，又称为翻转又称为翻转膜蛋白的运动膜蛋白的运动 由于膜蛋白的相对分子质量较大，由于膜蛋白的相对分子质量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。主要有以下几种运动形式：运动。主要有以下几种运动形式：随机移动随机移动 有些蛋白质能够在整个膜上随机移有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。定向移动定向移动 有些蛋白比较特别，在膜中作定向有些蛋白比较特别，在膜中作定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头部移向尾部。部移向尾部。局部扩散局部扩散 有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内扩散。但只能在局部范围内扩散。膜的流动性的生理意义膜的流动性的生理意义 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。件。酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。膜流动性与信息传递有着极大的关系。膜流动性与信息传递有着极大的关系。如果没有流动性，能量转换是不可能的。如果没有流动性，能量转换是不可能的。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。人鼠细胞融合试验：人鼠细胞融合试验：1970年，年，Larry Frye和和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。服地证明膜的流动性。膜流动性研究方法膜流动性研究方法 淋巴细胞的成帽效应淋巴细胞的成帽效应通通过过抗抗体体交交联联膜膜蛋蛋白白分分子子聚聚集集成成 斑斑(patching)、成成 帽帽(capping)的的现现象象也也是是膜膜蛋蛋白白在在膜平面侧向扩散的例子。膜平面侧向扩散的例子。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度或膜脂扩散速度光脱色荧光恢复技术光脱色荧光恢复技术膜流动性的研究方法膜流动性的研究方法 膜的流动性受多种因素影响膜的流动性受多种因素影响影响膜流动性的因素主要来自膜本身的组影响膜流动性的因素主要来自膜本身的组成成分、遗传因子及环境的理化因素成成分、遗传因子及环境的理化因素(如温如温度、度、pHpH、离子强度、药物等、离子强度、药物等)。温度温度 温度是影响膜流动性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如温度是影响膜流动性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物质一样，既可以晶态，又可以液态存在，主要是同其他的物质一样，既可以晶态，又可以液态存在，主要是根据温度的变化而定。根据温度的变化而定。相变温度（相变温度（transition temperature）在生理条件下在生理条件下,膜脂多呈拟液态（膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降）。温度下降至某点至某点,则变为晶态（则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下）。一定温度下,晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。温度对膜运动性影响 胆固醇胆固醇在相变温度以上在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小末端的运动减小,即限制膜的流动性。即限制膜的流动性。在相变温度以下在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的可增加脂类分子脂酰链的运动运动,这样可以增强膜的流动性这样可以增强膜的流动性膜脂的组成对流动性的影响膜脂的组成对流动性的影响 脂的组成对膜流动性的影脂的组成对膜流动性的影响主要在三个方面响主要在三个方面:脂肪脂肪酸链的长度、脂肪酸链的酸链的长度、脂肪酸链的饱和程度、脂中卵磷脂和饱和程度、脂中卵磷脂和鞘磷脂的比例。鞘磷脂的比例。加强膜脂双层的稳定性，加强膜脂双层的稳定性，增加增加膜脂有序性并降低其流动性，膜脂有序性并降低其流动性，调节膜的机械性能调节膜的机械性能 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂比值的影响鞘磷脂比值的影响哺乳动物膜中哺乳动物膜中,卵磷脂卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷和鞘磷脂脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的的含量约占整个膜脂的50%;卵卵磷磷脂脂所所含含的的脂脂肪肪酸酸链链的的不不饱饱和和程程度度高高,链链较较短短,相相变温度低变温度低,因此卵磷脂含量高因此卵磷脂含量高,流动性大流动性大;而而鞘鞘磷磷脂脂的的脂脂肪肪酸酸链链的的饱饱和和程程度度高高,相相变变温温度度也也高高,因此因此,鞘磷脂的含量高鞘磷脂的含量高,流动性低。流动性低。影响膜蛋白运动的因素影响膜蛋白运动的因素 膜膜骨骨架架对对膜膜蛋蛋白白流流动动性性的的影影响响细胞外基质对整合蛋白移动的影响细胞外基质对整合蛋白移动的影响 膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身的移动自身的移动;膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。五、膜的不对称性五、膜的不对称性质质膜膜不不对对称称性性是是指指细细胞胞质质膜膜脂脂双双层层中中各各种种成成分分不不是是均均匀匀分分布的，包括种类和数量的不均匀。布的，包括种类和数量的不均匀。样样品品经经冰冰冻冻断断裂裂处处理理后后，细细胞胞膜膜可可从从脂脂双双层层中中央央断断开开，各各断断面面命命名名为为：ES，细细胞胞外外表表面面（extrocytoplasmic surface）；EF，细细胞胞外外小小页页断断面面（extrocytoplasmic face）；PS，原原生生质质表表面面（protoplasmic surface）；PF，原原生生质质小小页页断断面面（protoplasmic face）。冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术揭示的膜结构揭示的膜结构膜脂的不对称性膜脂的不对称性 膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，各类脂的比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大各种细胞的膜脂不对称性差异很大 膜脂的不对称分布 膜蛋白的不对称膜蛋白的不对称 每种膜蛋白在膜中都有特定的排布每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称 红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。酸残基的数目不对称。血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。一般说一般说,细胞质面的蛋白比外表面少细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体一些酶和受体多处于外表面多处于外表面,如：如：膜糖的不对称膜糖的不对称 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面 磷脂与糖脂分布的不对称性磷脂与糖脂分布的不对称性 膜糖分布的不对称性膜糖分布的不对称性 膜的不对称性的意义膜的不对称性的意义膜膜脂脂、膜膜蛋蛋白白及及膜膜糖糖分分布布的的不不对对称称性性导导致致了了膜膜功功能能的的不不对称性和方向性对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。保证了生命活动的高度有序性。膜膜不不仅仅内内外外两两侧侧的的功功能能不不同同,不不同同区区域域的的功功能能也也不不相相同同。造造成成这这种种功功能能上上的的差差异异,主主要要是是膜膜蛋蛋白白、膜膜脂脂和和膜膜糖糖分分布不对称引起的。布不对称引起的。细细胞胞间间的的识识别别、运运动动、物物质质运运输输、信信号号传传递递等等都都具具有有方方向向性性。这这些些方方向向性性的的维维持持就就靠靠分分布布不不对对称称的的膜膜蛋蛋白白、膜脂和膜糖来提供。膜脂和膜糖来提供。五、确定膜蛋白方向的实验程序五、确定膜蛋白方向的实验程序 胰酶消化法胰酶消化法 同位素标记法同位素标记法用乳过氧化物酶进行膜用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。过氧化物酶蛋白标记。过氧化物酶的分子较大而不能透过的分子较大而不能透过细胞膜，这样可以用于细胞膜，这样可以用于标记膜外表面的蛋白，标记膜外表面的蛋白，标记后，分离膜蛋白，标记后，分离膜蛋白，电泳分离和放射自显影电泳分离和放射自显影进行鉴定进行鉴定。放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性 确定膜脂方向的实验程序确定膜脂方向的实验程序脂酶处理法脂酶处理法 由于红细胞具有血影现象，只由于红细胞具有血影现象，只要将红细胞置于低离子浓度的要将红细胞置于低离子浓度的溶液中，红细胞就会发生渗漏溶液中，红细胞就会发生渗漏释放出内含物，得到只有红细释放出内含物，得到只有红细胞膜的空壳。然后调整溶液中胞膜的空壳。然后调整溶液中的的Mg2+离子浓度，改变红细胞离子浓度，改变红细胞小泡的状态。若是从溶液中除小泡的状态。若是从溶液中除去去Mg2+，则形成外翻的小泡，则形成外翻的小泡，若是加入若是加入Mg2+则是正常方向的则是正常方向的小泡，小泡，然后用脂酶分别处理这然后用脂酶分别处理这两种红细胞膜。常用的脂酶是两种红细胞膜。常用的脂酶是磷脂酶磷脂酶(phospholipase)，这种，这种酶也是因为相对分子质量大而酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。的定向。七、细胞质膜的七、细胞质膜的功能功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;选择性的物质运输选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢 产物的排除产物的排除,其中伴随着能量的传递其中伴随着能量的传递;提供细胞识别位点提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递并完成细胞内外信息跨膜传递;为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行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介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。细胞膜的功能细胞膜的功能 界膜和区室化界膜和区室化调节运输调节运输 功能区室化功能区室化 信号的检测与传递信号的检测与传递 参与细胞间的相互作用参与细胞间的相互作用 能量转换能量转换 骨架与细胞表面的特化结构骨架与细胞表面的特化结构 质质膜膜常常与与膜膜下下结结构构(主主要要是是细细胞胞骨骨架架系系统统)相相互互联联系系,协协同同作作用用,并并形形成成细胞表面的某些特化结构完成特定的功能。细胞表面的某些特化结构完成特定的功能。膜骨架膜骨架 膜骨架的概念膜骨架的概念 指指细细胞胞质质膜膜下下与与膜膜蛋蛋白白相相连连的的由由纤纤维维蛋蛋白白组组成成的的网网架架结结构构,它它参参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特性红细胞的生物学特性 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白的红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架的结构红细胞膜骨架的结构 红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步：结合过程大致分为三步：首先是血影蛋白与首先是血影蛋白与4.14.1蛋白、肌动蛋白的蛋白、肌动蛋白的相互作用相互作用 4.1 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用蛋白同血型糖蛋白相互作用 第三是锚定蛋白与血影蛋白、带第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3 3蛋白的蛋白的相互作用相互作用第二节第二节 细胞连接细胞连接(Cell junctions)细胞连接的功能分类细胞连接的功能分类封闭连接封闭连接锚定连接锚定连接通讯连接通讯连接 细胞表面的粘连分子细胞表面的粘连分子 细胞连接细胞连接细胞连接是细胞间的联系结构，是细胞质细胞连接是细胞间的联系结构，是细胞质膜局部区域特化形成的，在结构上包括膜膜局部区域特化形成的，在结构上包括膜特化部分、质膜下的胞质部分及质膜外细特化部分、质膜下的胞质部分及质膜外细胞间的部分。细胞连接是多细胞有机体中胞间的部分。细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系,协协同作用的重要基础。同作用的重要基础。一、一、细胞连接细胞连接的的功能分类功能分类封闭连接封闭连接(occluding junctions)紧密连接紧密连接(tight junction)锚定连接锚定连接(anchoring junctions)通讯连接通讯连接(communicating junctions)间隙连接间隙连接(gap junction)；神经细胞间的化学突触神经细胞间的化学突触(chemical synapse)；植物细胞中的胞间连丝植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。二、紧密连接二、紧密连接紧紧密密连连接接是是封封闭闭连连接接的的主主要要形形式式，存存在在于于上上皮皮细胞之间细胞之间紧密