细胞生物学-细胞膜和细胞表面
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蛋白质-脂质-蛋白质 球形蛋白质对称分布
X-Ray电子密度图提供的证据
细胞膜的分子结构模型
❖ 单位膜模型 （1959年）
膜两侧蛋白质为β折叠，不对称分布
细胞膜的分子结构模型
❖ 流动镶嵌模型 （1972年）
特点：流动性和不对称性
冰冻蚀刻技术揭示镶嵌蛋白
铂
金属复制品 扫描电镜观察
碳
冰冻蚀刻技术
1. 细胞膜的化学组成是什么?
❖膜脂 ❖膜蛋白 ❖膜糖类
1.1 膜脂
❖ 膜脂：磷脂、胆固醇、糖脂
脂肪酸1 脂肪酸2
甘油
磷酸
碱基
A Closer Look…磷脂酰胆碱
脂肪酸
Can interact with water?
甘油 磷酸
磷脂酰胆碱
疏水性尾部 Can interact with water?
❖ 内在蛋白的疏水区与磷脂分子的疏水尾部相互作 用，亲水区与磷脂分子的极性头部相互作用，通 常暴露在膜的一侧或两侧表面。只有加入表面活 性剂或有机溶剂，才能把内在蛋白从膜上溶解下 来。
❖ 膜蛋白的分子结构特点 极性氨基酸和疏水氨基酸的分布
如何纯化 和研究 膜蛋白?
蛋白质-脂质去污剂复合物
去污剂
脂质-去污剂 胶粒
两种常用 去污剂的
结构 SDS,
Triton X-100
十二烷基硫酸钠 (离子型去污剂)
疏水性尾部
亲水性头部
曲利通X-100 (非离子型去污剂)
蛋白质跨膜区为α螺旋
疏水氨基酸 侧链
氢键
膜蛋白与脂双分子层的结合方式
膜蛋白结构和功能的多样性
物质 跨膜 运输
锚定 作用
细胞 信号 转导
催化 作用
细胞膜的化学组成是什么?
胞间连丝（植物细胞）
3.1 紧密连接
❖ 将相邻细胞的细胞膜密 切地连接在一起阻止溶 液中的分子沿细胞间隙 渗入体内，起隔离和支 持作用
❖ 上皮细胞层对小分子的 封闭程度与嵴线的数量 有关，嵴线由成串排列 的特殊跨膜蛋白组成
Tight junctions
3.2 锚定连接
❖ 锚定连接通过细胞骨架系统将细胞与相 邻细胞或细胞与细胞外基质之间连接起 来。
细胞膜的分子结构模型
❖ 晶格镶嵌模型 (1975年)
膜脂处于无序(液态)和有序(晶态)之间的动态转变 界面脂受蛋白质的影响而不流动
钙泵周围有30个磷脂分子作为界面脂，细胞色素氧化酶周围有 52个磷脂分子作为界面脂，对维持酶活性有一定作用。
细胞膜的分子结构模型
❖ 板块镶嵌模型 (1977年)
细胞膜由流动性程度不同的“板块”镶嵌而成，而且在不同 的相变温度下会发生分相现象。外界环境、pH值和金属离 子都可以引起板快的形成。
细胞膜和细胞表面
plasma membrane and cell surface
细胞表面
❖ 细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系 ❖ 细胞膜是细胞表面的核心结构
糖被（cell coat） 细胞膜（cell membrane,plasma membrane） 膜下溶胶层 (cytosol) 细胞表面的特化结构 （微绒毛、鞭毛、纤毛） 细胞连接 （cell junction） 植物细胞与细菌的细胞壁 (cell wall)
胆碱
亲水性头部 Can interact with water?
为什么说磷脂是兼性分子?
亲水性头部 疏水性尾部
磷脂分子在水溶液中
磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向 外面，将疏水尾部藏在里面
在水溶液中形成微团或脂双分子层
磷脂单分子层
liposome
磷脂双分子层
胆固醇是兼性分子吗?
wk.baidu.com 磷脂分子在水溶液中
总结：细胞膜结构的特点
2.1 膜的不对称性
膜蛋白的不对称分布 膜脂的不对称分布 膜糖的不对称分布
2.2 膜的流动性
❖ 膜脂的流动性 侧向移动，旋转运动， 伸缩振荡，尾部摆动， 翻转运动
❖ 膜蛋白的流动性 侧向移动，旋转运动
荧光淬灭恢复实验证明了什么?
荧光 标记
荧 光 强 度
荧光 淬灭
荧光 恢复
漂白区
时间
膜蛋白侧向移动实验
影响膜流动性的因素有哪些?
❖ 胆固醇：保持膜的机械稳定性 ❖ 不饱和键含量和链的长度
不饱和脂肪酸的存在增加膜的流动性，短 链能降低脂肪酸链尾部的相互作用，使膜 流动性增强 ❖ 脂质和蛋白质的相互作用 内在蛋白越多，界面脂越多，膜的流动性 降低
限制膜蛋白侧向移动的4种方式
细胞膜中蛋白质和脂质，蛋白质和蛋白质的相互作用， 可引起分子间的聚集，形成分子区域或板快
脂筏模型（Lipid rafts model)
Lipid rafts (orange) and associated proteins (yellow) within the plasma membrane background (black)
葡萄糖 半乳糖
岩藻糖
N-乙酰葡萄糖胺 N-乙酰半乳糖胺
How are blood groups determined?
Cell surface proteins are modified with:
Do you know your blood type???
2. 细胞膜的分子结构模型
❖ 脂双分子层 ❖ 三夹板模型
❖膜脂
磷脂、胆固醇、糖脂
❖膜蛋白
外在蛋白 、内在蛋白
❖膜糖
1.3 膜糖类
❖ 膜糖类：糖脂、糖蛋白 糖脂和糖蛋白的糖链分布在膜的外表面 糖被除了具有保护和润滑作用外，与细胞 的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别 以及细胞癌变都有密切关系
细胞被
糖脂和糖蛋白
跨膜糖蛋白 吸附的糖蛋白
磷脂双 分子层
糖脂
EXAMPLE :Human ABO bloodgroup antigens
膜流动性的生物学意义
是表现生物膜正常功能的必要条件 例如物质运输、细胞识别、细胞信号转导等， 与细胞生长发育，抗寒性有关
讨论题
❖ 具体说明细胞膜的不对称性 ❖ 具体说明细胞膜的流动性
3. 细胞连接的种类
❖ 封闭连接： 紧密连接 ❖ 锚定连接： 桥粒和半桥粒（中间纤维）
粘着斑和粘着带（微丝） ❖ 通讯连接： 间隙连接，化学突触，
寡糖链
糖蛋白 糖脂
外在蛋白
内在蛋白
磷脂双 分子层
内在蛋白
外在蛋白
What are the properties of these proteins which allow them to interact in this fashion?
膜蛋白有哪些特点?
❖ 外在蛋白通过静电作用和离子键等较弱的非共价 键与膜脂或膜蛋白结合，改变介质的离子强度、 pH值或加入螯合剂等即可把外在蛋白分离下来。
粘着带
3.3 通讯连接
❖ 间隙连接 ❖ 化学突触 ❖ 胞间连丝（植物细胞）
间隙连接
构成间隙连接 的连接子由6 个跨膜蛋白亚 单位环绕而成， 相邻细胞膜上 的两个连接子 对接。
间隙连接
❖ 每个连接子蛋白具有4个α螺旋的跨膜区， 这是该蛋白家族最保守的区域。
❖ 间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通 过，其通透性是可以调节的。
❖ 桥粒和半桥粒（中间纤维） ❖ 粘着斑和粘着带（微丝）
桥粒
桥粒在两个细胞之 间形成纽扣式的结 构，将相邻细胞铆 接在一起，桥粒也 是细胞内中间纤维 的锚定位点。
半桥粒
半桥粒将上皮 细胞固着在基 底膜上。
粘着带
❖ 与粘着带相连的微丝 在细胞中形成平行于 细胞膜的可收缩的纤 维束，粘着斑和粘着 带均起着细胞附着与 支持的功能。
细胞膜的分子结构模型
脂筏模型(1997年)
❖ 脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结 构域，大小约70nm 左右，位于质膜的外 小页。
❖ 由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分 子间的作用力较强，所以这些区域结构致 密，介于无序液体与液晶之间，称为有序 液体。
❖ 脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，推测一 个100nm大小的脂筏可能载有600个蛋白 分子。
磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向 外面，将疏水尾部藏在里面
在水溶液中形成微团或脂双分子层
磷脂单分子层
liposome
磷脂双分子层
胆固醇是兼性分子吗?
糖脂是兼性分子吗?
细胞膜的化学组成是什么?
❖膜脂
磷脂、胆固醇、糖脂
❖膜蛋白 ❖膜糖类
1.2 膜蛋白
❖ 膜蛋白：外在蛋白 20-30% 内在蛋白 70-80%
电突触
化学 突触
胞间连丝
总 结
X-Ray电子密度图提供的证据
细胞膜的分子结构模型
❖ 单位膜模型 （1959年）
膜两侧蛋白质为β折叠，不对称分布
细胞膜的分子结构模型
❖ 流动镶嵌模型 （1972年）
特点：流动性和不对称性
冰冻蚀刻技术揭示镶嵌蛋白
铂
金属复制品 扫描电镜观察
碳
冰冻蚀刻技术
1. 细胞膜的化学组成是什么?
❖膜脂 ❖膜蛋白 ❖膜糖类
1.1 膜脂
❖ 膜脂：磷脂、胆固醇、糖脂
脂肪酸1 脂肪酸2
甘油
磷酸
碱基
A Closer Look…磷脂酰胆碱
脂肪酸
Can interact with water?
甘油 磷酸
磷脂酰胆碱
疏水性尾部 Can interact with water?
❖ 内在蛋白的疏水区与磷脂分子的疏水尾部相互作 用，亲水区与磷脂分子的极性头部相互作用，通 常暴露在膜的一侧或两侧表面。只有加入表面活 性剂或有机溶剂，才能把内在蛋白从膜上溶解下 来。
❖ 膜蛋白的分子结构特点 极性氨基酸和疏水氨基酸的分布
如何纯化 和研究 膜蛋白?
蛋白质-脂质去污剂复合物
去污剂
脂质-去污剂 胶粒
两种常用 去污剂的
结构 SDS,
Triton X-100
十二烷基硫酸钠 (离子型去污剂)
疏水性尾部
亲水性头部
曲利通X-100 (非离子型去污剂)
蛋白质跨膜区为α螺旋
疏水氨基酸 侧链
氢键
膜蛋白与脂双分子层的结合方式
膜蛋白结构和功能的多样性
物质 跨膜 运输
锚定 作用
细胞 信号 转导
催化 作用
细胞膜的化学组成是什么?
胞间连丝（植物细胞）
3.1 紧密连接
❖ 将相邻细胞的细胞膜密 切地连接在一起阻止溶 液中的分子沿细胞间隙 渗入体内，起隔离和支 持作用
❖ 上皮细胞层对小分子的 封闭程度与嵴线的数量 有关，嵴线由成串排列 的特殊跨膜蛋白组成
Tight junctions
3.2 锚定连接
❖ 锚定连接通过细胞骨架系统将细胞与相 邻细胞或细胞与细胞外基质之间连接起 来。
细胞膜的分子结构模型
❖ 晶格镶嵌模型 (1975年)
膜脂处于无序(液态)和有序(晶态)之间的动态转变 界面脂受蛋白质的影响而不流动
钙泵周围有30个磷脂分子作为界面脂，细胞色素氧化酶周围有 52个磷脂分子作为界面脂，对维持酶活性有一定作用。
细胞膜的分子结构模型
❖ 板块镶嵌模型 (1977年)
细胞膜由流动性程度不同的“板块”镶嵌而成，而且在不同 的相变温度下会发生分相现象。外界环境、pH值和金属离 子都可以引起板快的形成。
细胞膜和细胞表面
plasma membrane and cell surface
细胞表面
❖ 细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系 ❖ 细胞膜是细胞表面的核心结构
糖被（cell coat） 细胞膜（cell membrane,plasma membrane） 膜下溶胶层 (cytosol) 细胞表面的特化结构 （微绒毛、鞭毛、纤毛） 细胞连接 （cell junction） 植物细胞与细菌的细胞壁 (cell wall)
胆碱
亲水性头部 Can interact with water?
为什么说磷脂是兼性分子?
亲水性头部 疏水性尾部
磷脂分子在水溶液中
磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向 外面，将疏水尾部藏在里面
在水溶液中形成微团或脂双分子层
磷脂单分子层
liposome
磷脂双分子层
胆固醇是兼性分子吗?
wk.baidu.com 磷脂分子在水溶液中
总结：细胞膜结构的特点
2.1 膜的不对称性
膜蛋白的不对称分布 膜脂的不对称分布 膜糖的不对称分布
2.2 膜的流动性
❖ 膜脂的流动性 侧向移动，旋转运动， 伸缩振荡，尾部摆动， 翻转运动
❖ 膜蛋白的流动性 侧向移动，旋转运动
荧光淬灭恢复实验证明了什么?
荧光 标记
荧 光 强 度
荧光 淬灭
荧光 恢复
漂白区
时间
膜蛋白侧向移动实验
影响膜流动性的因素有哪些?
❖ 胆固醇：保持膜的机械稳定性 ❖ 不饱和键含量和链的长度
不饱和脂肪酸的存在增加膜的流动性，短 链能降低脂肪酸链尾部的相互作用，使膜 流动性增强 ❖ 脂质和蛋白质的相互作用 内在蛋白越多，界面脂越多，膜的流动性 降低
限制膜蛋白侧向移动的4种方式
细胞膜中蛋白质和脂质，蛋白质和蛋白质的相互作用， 可引起分子间的聚集，形成分子区域或板快
脂筏模型（Lipid rafts model)
Lipid rafts (orange) and associated proteins (yellow) within the plasma membrane background (black)
葡萄糖 半乳糖
岩藻糖
N-乙酰葡萄糖胺 N-乙酰半乳糖胺
How are blood groups determined?
Cell surface proteins are modified with:
Do you know your blood type???
2. 细胞膜的分子结构模型
❖ 脂双分子层 ❖ 三夹板模型
❖膜脂
磷脂、胆固醇、糖脂
❖膜蛋白
外在蛋白 、内在蛋白
❖膜糖
1.3 膜糖类
❖ 膜糖类：糖脂、糖蛋白 糖脂和糖蛋白的糖链分布在膜的外表面 糖被除了具有保护和润滑作用外，与细胞 的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别 以及细胞癌变都有密切关系
细胞被
糖脂和糖蛋白
跨膜糖蛋白 吸附的糖蛋白
磷脂双 分子层
糖脂
EXAMPLE :Human ABO bloodgroup antigens
膜流动性的生物学意义
是表现生物膜正常功能的必要条件 例如物质运输、细胞识别、细胞信号转导等， 与细胞生长发育，抗寒性有关
讨论题
❖ 具体说明细胞膜的不对称性 ❖ 具体说明细胞膜的流动性
3. 细胞连接的种类
❖ 封闭连接： 紧密连接 ❖ 锚定连接： 桥粒和半桥粒（中间纤维）
粘着斑和粘着带（微丝） ❖ 通讯连接： 间隙连接，化学突触，
寡糖链
糖蛋白 糖脂
外在蛋白
内在蛋白
磷脂双 分子层
内在蛋白
外在蛋白
What are the properties of these proteins which allow them to interact in this fashion?
膜蛋白有哪些特点?
❖ 外在蛋白通过静电作用和离子键等较弱的非共价 键与膜脂或膜蛋白结合，改变介质的离子强度、 pH值或加入螯合剂等即可把外在蛋白分离下来。
粘着带
3.3 通讯连接
❖ 间隙连接 ❖ 化学突触 ❖ 胞间连丝（植物细胞）
间隙连接
构成间隙连接 的连接子由6 个跨膜蛋白亚 单位环绕而成， 相邻细胞膜上 的两个连接子 对接。
间隙连接
❖ 每个连接子蛋白具有4个α螺旋的跨膜区， 这是该蛋白家族最保守的区域。
❖ 间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通 过，其通透性是可以调节的。
❖ 桥粒和半桥粒（中间纤维） ❖ 粘着斑和粘着带（微丝）
桥粒
桥粒在两个细胞之 间形成纽扣式的结 构，将相邻细胞铆 接在一起，桥粒也 是细胞内中间纤维 的锚定位点。
半桥粒
半桥粒将上皮 细胞固着在基 底膜上。
粘着带
❖ 与粘着带相连的微丝 在细胞中形成平行于 细胞膜的可收缩的纤 维束，粘着斑和粘着 带均起着细胞附着与 支持的功能。
细胞膜的分子结构模型
脂筏模型(1997年)
❖ 脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结 构域，大小约70nm 左右，位于质膜的外 小页。
❖ 由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分 子间的作用力较强，所以这些区域结构致 密，介于无序液体与液晶之间，称为有序 液体。
❖ 脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，推测一 个100nm大小的脂筏可能载有600个蛋白 分子。
磷脂分子聚集在一起，将亲水头部朝向 外面，将疏水尾部藏在里面
在水溶液中形成微团或脂双分子层
磷脂单分子层
liposome
磷脂双分子层
胆固醇是兼性分子吗?
糖脂是兼性分子吗?
细胞膜的化学组成是什么?
❖膜脂
磷脂、胆固醇、糖脂
❖膜蛋白 ❖膜糖类
1.2 膜蛋白
❖ 膜蛋白：外在蛋白 20-30% 内在蛋白 70-80%
电突触
化学 突触
胞间连丝
总 结