细胞生物学第三章细胞膜与细胞表面
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第三章 细胞膜与细胞表面
第一节 细胞膜的化学组成和分子结构 第二节 细胞膜与细胞内外物质转运 第三节 膜抗原和膜受体
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1
细胞膜(cell membrane)/质膜(plasma membrane)：
是细胞的重要组分，是包围在细胞外周的一层界膜。 它是一层极薄的膜，将细胞与外界微环境分隔，从而 形成一道特殊屏障。
➢结构：膜脂均为水、脂兼性分子(amphipathic molecule)，即它们都是由一个亲水的极性头部 和一个疏水的非极性尾部组成。
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7
由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自动 聚拢，使亲水的头部暴露在外边，与水接触，疏水的尾 部埋藏在里边，并可形成两种形式：
球状的胶态分子团 （lipid micell）
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4
第一节 细胞膜的化学组成和分子结构
一、细胞膜的化学组成
脂类
主体
蛋白质
糖类：多以复合糖形式存在
水：结合态
无机盐
金属离子：与膜蛋白的功能
相关 Ca离子
膜糖脂 膜糖蛋白
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5
（一）膜脂（membrane lipid ）
➢定义：生物膜上的脂类称为膜脂。 ➢类型：
磷脂：最为丰富 胆固醇 糖脂
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二、细胞膜的特性
细胞膜具有两个明显的特性：膜的不对称 性和膜的流动性。
（一）细胞膜的不对称性
细胞膜内外两层的结构和功能有很大的差 异，我们称这种差异为细胞膜的不对称性 (asymmetry) 。
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23
1、膜脂分布的不对称性
膜脂的不对称性是相对的，表现在膜内外 两层分布的脂类分子的含量和比例不同。
➢类型：根据蛋白分离的难易及其在膜中的 位置，将其分为两类：外在膜蛋白和内在膜 蛋白。
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l、外在蛋白（external membrane protein）/ 外 周蛋白（peripheral protein）
❖ 约占膜蛋白的20％~30％，分布在膜的内外表面，主 要在内表面，为水溶性的。 ❖ 通过静电作用及氢键、离子键与膜脂的极性头部相结 合，或通过与内在蛋白的相互作用，间接与膜结合。 ❖ 外在蛋白的结合力较弱。一般用温和的方法，如改变 溶液的离子强度或浓度，即可将他们从膜上分离下来， 而不破坏膜的其它结构。
2、膜蛋白分布的不对称性
膜蛋白的不对称性是绝对的。
①内、外两层蛋白的数量不同 ②内、外两层蛋白的种类不同 ③跨膜蛋白突出在膜内外表面的亲水端的长度 和氨基酸的种类与顺序差异悬殊。
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24
样品经冰冻断裂处理
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25
兔红细胞的冰冻断裂电镜照片
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（二） 细胞膜的流动性
➢ 定义：生物膜是一种动态的结构，具有膜脂 的 流 动 性 （ fluidity） 和 膜 蛋 白 的 运 动 性 （mobility）。膜的流动性是指膜内部的脂类 和蛋白质两类分子的运动性。
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（三）膜糖类
细胞膜中都含都有一定的糖类。它们大多是与蛋 白质或脂类分子以共价键相结合的低聚糖，以糖蛋白 或糖脂的形式存在于膜的外表面，在细胞表面形成细 胞外衣或称糖被 。
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Simplified diagram of the cell coat (glycocalyx)
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膜外在蛋白
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2、内在膜蛋白（ internal membrane protein）/ 镶嵌蛋白（mosaic protein）
❖约占膜蛋白的70％~ 80％，它们以不同深度嵌入脂质双 分子层内部。 ❖有的贯穿全膜，两端暴露于膜的内外表面，称跨膜蛋白 （transmembrane protein）。
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32
✓生物膜结构不对称性的生物学意义：
生物膜结构上的不对称性，保证了膜功能的方 向性。如膜内、外两层的流动性不同，物质及离子 的传递有一定的方向，信号的接受与传递也具有方 向性，使膜两侧具不同功能。
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2、膜蛋白的运动性
（1）横向扩散 （侧向扩散）：指膜蛋白在膜平 面上做横向运动，膜蛋白横向扩散的速度比膜脂 慢得多。如小鼠细胞和人细胞的融合实验。
（2）旋转扩散：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直 的轴进行旋转运动，但旋转运动速度比侧向扩散 更为缓慢。
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wenku.baidu.com
利用细胞融合技术观察蛋白质运动
细胞膜的厚度约为7nm。
光镜下：观察到的所谓细胞膜，实际上是细胞与
周围介质的界面。
低倍率电镜下：膜呈一致密的细线条。
高倍率电镜下：显示出“两暗一明” 的三层结 构—
单位膜。教学ppt
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3
细胞表面(cell surface) : 以质膜为主体,包括质膜
和质膜外表面的细胞被或糖被以及质膜内侧的膜下胞质 溶胶，它们共同组成了一个多功能复合体系。对于维持 细胞内微环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交换、 能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重要的 作用，是细胞进行生命活动的重要结构基础。
➢ 特点：在生理状态下，细胞膜是液晶态 （liquid-crystal），即介于晶态与液态之间的 过渡状态。
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1．膜脂分子的运动
在相变温度以上的条件下，膜脂分子运动 方式有：
（1）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
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脂质双分子层 （lipid bilayer）
脂质体 （liposome）
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胆固醇散布在磷脂分子之间
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糖脂由脂类和寡 糖构成
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（二）膜蛋白（membrane protein）
➢定义：生物膜所含的蛋白质叫膜蛋白。
➢功能：是细胞膜功能的主要承担者，是细 胞膜最为重要的组分。
单次穿膜（single pass）：以单条α螺旋穿过脂双层； 多次穿膜（multiple pass）：以数条α螺旋数次折返穿 越脂双层。 ❖内在蛋白主要以疏水键或疏水键和离子键两种作用与膜 较牢固地结合，不容易分离和纯化。
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①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein ； ⑤,⑥ peripheral protein
第一节 细胞膜的化学组成和分子结构 第二节 细胞膜与细胞内外物质转运 第三节 膜抗原和膜受体
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细胞膜(cell membrane)/质膜(plasma membrane)：
是细胞的重要组分，是包围在细胞外周的一层界膜。 它是一层极薄的膜，将细胞与外界微环境分隔，从而 形成一道特殊屏障。
➢结构：膜脂均为水、脂兼性分子(amphipathic molecule)，即它们都是由一个亲水的极性头部 和一个疏水的非极性尾部组成。
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由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自动 聚拢，使亲水的头部暴露在外边，与水接触，疏水的尾 部埋藏在里边，并可形成两种形式：
球状的胶态分子团 （lipid micell）
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第一节 细胞膜的化学组成和分子结构
一、细胞膜的化学组成
脂类
主体
蛋白质
糖类：多以复合糖形式存在
水：结合态
无机盐
金属离子：与膜蛋白的功能
相关 Ca离子
膜糖脂 膜糖蛋白
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（一）膜脂（membrane lipid ）
➢定义：生物膜上的脂类称为膜脂。 ➢类型：
磷脂：最为丰富 胆固醇 糖脂
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二、细胞膜的特性
细胞膜具有两个明显的特性：膜的不对称 性和膜的流动性。
（一）细胞膜的不对称性
细胞膜内外两层的结构和功能有很大的差 异，我们称这种差异为细胞膜的不对称性 (asymmetry) 。
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1、膜脂分布的不对称性
膜脂的不对称性是相对的，表现在膜内外 两层分布的脂类分子的含量和比例不同。
➢类型：根据蛋白分离的难易及其在膜中的 位置，将其分为两类：外在膜蛋白和内在膜 蛋白。
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l、外在蛋白（external membrane protein）/ 外 周蛋白（peripheral protein）
❖ 约占膜蛋白的20％~30％，分布在膜的内外表面，主 要在内表面，为水溶性的。 ❖ 通过静电作用及氢键、离子键与膜脂的极性头部相结 合，或通过与内在蛋白的相互作用，间接与膜结合。 ❖ 外在蛋白的结合力较弱。一般用温和的方法，如改变 溶液的离子强度或浓度，即可将他们从膜上分离下来， 而不破坏膜的其它结构。
2、膜蛋白分布的不对称性
膜蛋白的不对称性是绝对的。
①内、外两层蛋白的数量不同 ②内、外两层蛋白的种类不同 ③跨膜蛋白突出在膜内外表面的亲水端的长度 和氨基酸的种类与顺序差异悬殊。
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（二） 细胞膜的流动性
➢ 定义：生物膜是一种动态的结构，具有膜脂 的 流 动 性 （ fluidity） 和 膜 蛋 白 的 运 动 性 （mobility）。膜的流动性是指膜内部的脂类 和蛋白质两类分子的运动性。
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（三）膜糖类
细胞膜中都含都有一定的糖类。它们大多是与蛋 白质或脂类分子以共价键相结合的低聚糖，以糖蛋白 或糖脂的形式存在于膜的外表面，在细胞表面形成细 胞外衣或称糖被 。
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膜外在蛋白
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2、内在膜蛋白（ internal membrane protein）/ 镶嵌蛋白（mosaic protein）
❖约占膜蛋白的70％~ 80％，它们以不同深度嵌入脂质双 分子层内部。 ❖有的贯穿全膜，两端暴露于膜的内外表面，称跨膜蛋白 （transmembrane protein）。
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✓生物膜结构不对称性的生物学意义：
生物膜结构上的不对称性，保证了膜功能的方 向性。如膜内、外两层的流动性不同，物质及离子 的传递有一定的方向，信号的接受与传递也具有方 向性，使膜两侧具不同功能。
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2、膜蛋白的运动性
（1）横向扩散 （侧向扩散）：指膜蛋白在膜平 面上做横向运动，膜蛋白横向扩散的速度比膜脂 慢得多。如小鼠细胞和人细胞的融合实验。
（2）旋转扩散：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直 的轴进行旋转运动，但旋转运动速度比侧向扩散 更为缓慢。
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细胞膜的厚度约为7nm。
光镜下：观察到的所谓细胞膜，实际上是细胞与
周围介质的界面。
低倍率电镜下：膜呈一致密的细线条。
高倍率电镜下：显示出“两暗一明” 的三层结 构—
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细胞表面(cell surface) : 以质膜为主体,包括质膜
和质膜外表面的细胞被或糖被以及质膜内侧的膜下胞质 溶胶，它们共同组成了一个多功能复合体系。对于维持 细胞内微环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交换、 能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重要的 作用，是细胞进行生命活动的重要结构基础。
➢ 特点：在生理状态下，细胞膜是液晶态 （liquid-crystal），即介于晶态与液态之间的 过渡状态。
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1．膜脂分子的运动
在相变温度以上的条件下，膜脂分子运动 方式有：
（1）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
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脂质双分子层 （lipid bilayer）
脂质体 （liposome）
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胆固醇散布在磷脂分子之间
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糖脂由脂类和寡 糖构成
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（二）膜蛋白（membrane protein）
➢定义：生物膜所含的蛋白质叫膜蛋白。
➢功能：是细胞膜功能的主要承担者，是细 胞膜最为重要的组分。
单次穿膜（single pass）：以单条α螺旋穿过脂双层； 多次穿膜（multiple pass）：以数条α螺旋数次折返穿 越脂双层。 ❖内在蛋白主要以疏水键或疏水键和离子键两种作用与膜 较牢固地结合，不容易分离和纯化。
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①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein ； ⑤,⑥ peripheral protein