第四章细胞质膜

1、PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES 内容提要：内容提要： 掌握掌握细胞膜的结构与功能细胞膜的结构与功能以及相关研究技术。以及相关研究技术。 细胞膜细胞膜 细 胞 表 面 细细 胞胞 内内 膜膜 细 胞 膜 细 胞 外 被 表 层 胞 质 溶 胶 生物膜 v质膜质膜（plasma membrane）包在细胞外面）包在细胞外面 所以又称所以又称细胞膜细胞膜。围绕各种细胞器的膜，。围绕各种细胞器的膜， 称为细胞称为细胞内膜内膜。 v生物膜生物膜（biomembrane）质膜和内膜的总）质膜和内膜的总 称称, 在起源、结构和化学组成的等方面具有在起源、

2、结构和化学组成的等方面具有 相似性。生物膜是细胞进行生命活动的重相似性。生物膜是细胞进行生命活动的重 要物质基础。要物质基础。 第一节第一节 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型 一、质膜的结构模型一、质膜的结构模型 1.E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过 植物的细胞膜，而不溶于脂肪的 物质不易透过细胞膜，因此 推测细胞膜由连续的脂类 物质组成。 2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人的红细胞用有机溶剂提取了人的红细胞 质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积

3、二倍 于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。 Langmuir水盘中展 现单脂层 v3. J. Danielli Danielli & H. Davson 1935 发现质膜发现质膜 的表面张力比油的表面张力比油-水界面的张力低得多，推测膜中含水界面的张力低得多，推测膜中含 有蛋白质。并提出有蛋白质。并提出“蛋白质蛋白质-脂质脂质-蛋白质蛋白质”三明治式三明治式 结构模型。结构模型。1959年在上述基础上提出了修正模型，年在上述基础上提出了修正模型， 认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水

4、物质通过。物质通过。 脂滴表面 如吸附有 蛋白成分 则表面张 力降低！ 4. J. D. Robertson 1959 4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰用超薄切片技术获得了清晰 的细胞膜照片，显示的细胞膜照片，显示暗暗- -明明- -暗三暗三层结构，它由厚约层结构，它由厚约 3.5nm3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约的双层脂分子和内外表面各厚约2nm2nm的蛋白质构成，的蛋白质构成， 总厚约总厚约7.5nm7.5nm。 5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀 刻技术的研究结果，提出了“流动 镶嵌模

5、型”。 根据根据Fluid-mosaic model： v细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组 成。成。 v磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水 相组成生物膜骨架；相组成生物膜骨架； 1.蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或 横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。 二二 、质膜的化学组成、质膜的化学组成 质膜的组成质膜的组成: v主要由主要由膜脂和膜蛋白膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖组成，另外还有少量糖 （10%），主要以糖

6、脂和糖蛋白的形式存在。），主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。 v膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要 体现者。体现者。 v动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。 (一一)、膜脂、膜脂 膜脂主要包括：膜脂主要包括： 磷脂（phospholipid） 糖脂（glycolipid） 胆固醇（cholesterol） 三种类型 磷脂（phospholipid） 糖脂（glycolipid） 胆固醇（cholesterol） 三种类型 是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。 主要特征是： 具有一个极性头和两个非极性的尾

7、（脂肪酸链），线 粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子 组成。 1) 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。 1、磷脂（phospholipid） Phospholipids 胆碱 磷酸 甘油 极性 头 部 （亲 水 ） 脂肪酸 脂肪酸 磷脂酰碱基磷脂酰碱基 非极性尾部 （疏水） 胆碱 磷酸 甘油 胆碱 磷酸 甘油 磷脂酰胆碱（卵 磷脂） 脂肪酸 脂肪酸 脂肪酸 脂肪酸 (1)、甘油磷脂 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个 磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基 团连接到脂分子上。主要类型有： 磷脂酰胆碱phospha

8、tidylcholine，PC，旧称卵磷脂 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称 脑磷脂 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧称心磷 脂 Phospholipids in plasmamembranes O P O OO- CH2 CH2 +NH 3 CH2HCH2C OO CO CO O P O OO- CH2 C +NH 3 CH2HCH2C OO CO CO O P O OO- CH2 CH2 +N CH2

9、HCH2C OO COCO COO-H CH3 CH3H3C R1R2R1R2R1R2 P O OO- CH2HCH2C OO CO CO R1R2 H OH OH H OH OH H H OH O H OH PEPSPCPI (2)、鞘磷脂、鞘磷脂 v鞘磷脂（鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜）在脑和神经细胞膜 中特别丰富。以鞘胺醇（中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与）为骨架，与 一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷 酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。 2

10、、糖脂、糖脂 是含糖而不含磷酸的脂类，含量 约占脂总量的5以下，在神经细 胞膜上糖脂含量较高，约占5-10 。 糖脂也是两性分子，其结构与SM 很相似，只是由一个或多个糖残基 代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟 基结合。 最简单的糖脂是脑苷脂，在髓鞘 的多层膜中含量丰富； 变化最多、最复杂的糖脂是神经 节苷脂，其头部包含一个或几个唾 液酸和糖的残基。神经节苷脂是神 经元质膜中具有特征性的成分。 glycolipid s 人红细胞膜的血型糖蛋白人红细胞膜的血型糖蛋白 为膜内在蛋白（跨膜蛋白），决定血型。为膜内在蛋白（跨膜蛋白），决定血型。 红细胞质膜中糖蛋白对红细胞质膜中糖蛋白对ABO血型的决定作用

11、血型的决定作用 v人的血型是人的血型是A A型、型、B B型、型、ABAB型还是型还是O O型，是由红细胞型，是由红细胞 膜脂或膜蛋白中的糖基（也称为膜脂或膜蛋白中的糖基（也称为ABOABO血型抗原，血型抗原， ABOABO血型决定子）决定的。血型决定子）决定的。 vABOABO血型决定子，即血型决定子，即ABOABO抗原抗原. .它是一种糖脂，它是一种糖脂， 其寡糖其寡糖 部分具有决定抗原特异性的作用。部分具有决定抗原特异性的作用。 vA A型：抗原未端具型：抗原未端具N-N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺，有抗，有抗B B抗体抗体 vB B型：抗原未端具型：抗原未端具半乳糖半乳糖，有抗，有抗A

12、A抗体抗体 vABAB型：以上两种都有，两种抗体都没有型：以上两种都有，两种抗体都没有 vO O型：以上两种都没有，抗型：以上两种都没有，抗A A、抗、抗B B两种抗体两种抗体 v差别是由基因决定了相应的酶引起差别是由基因决定了相应的酶引起. 血型抗原 3、胆固醇、胆固醇 v主要存在真核细胞膜上，含主要存在真核细胞膜上，含 量一般不超过膜脂的量一般不超过膜脂的1/3，植，植 物细胞膜中含量较少，其功物细胞膜中含量较少，其功 能是能是提高双脂层的力学稳定提高双脂层的力学稳定 性，性，调节双脂层流动性调节双脂层流动性，降，降 低水溶性物质的通透性。低水溶性物质的通透性。 在缺少胆固醇培养基中，不能

13、合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。 胆固醇在脂双层中的位置 4、脂质体（、脂质体（liposome） v是一种人工膜。是一种人工膜。 v在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质 体，直径体，直径251000nm不等。不等。 v应用：应用： 转基因转基因 制备药物制备药物 1.研究生物膜的特性研究生物膜的特性 脂在水中的行为 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组 编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。 (二)、膜蛋白 (二二)、膜蛋白、膜蛋白 1. 膜蛋白的类型膜蛋白的类型: 根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：

14、 u外在膜蛋白外在膜蛋白（extrinsic membrane protein） 外周膜蛋白外周膜蛋白 u内在膜蛋白内在膜蛋白（intrinsic membrane protein） 整合蛋白整合蛋白 u脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白（lipid anchored protein） 外在膜蛋白：外在膜蛋白： 特点：特点： u水溶性蛋白，靠水溶性蛋白，靠离子键离子键或其它较弱的键与膜表面的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。蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合。 u通过改变溶液的离子强度或提高温度就可使其从膜通过改变溶液的离子强度或提高温度就可使其从膜 上分离下来。上分离下来。 u

15、膜结构不被顺坏。膜结构不被顺坏。 内在膜蛋白： 特点： u整合蛋白的跨膜结构域一般含有20个疏水氨基酸残 基，形成螺旋。 u螺旋的外侧是疏水侧链（非极性链）通过范德华 力与脂双层分子的脂肪酸链相互作用。内侧是极性 链，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域。 u线粒体外膜和大肠杆菌细胞膜上的孔蛋白，其跨膜 区域形成折叠片结构。 2 . 内在膜蛋白与膜脂结合的方式: 内在膜蛋白： 多为跨膜蛋白是两性分子。与膜的结合非常 紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如 离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton- X100。 H3C(CH2)11OSO3Na+ SDS H3CC CH3 CH2 CH3 C

16、CH3 CH3 (OCH2CH2)10OH TritonX-100 膜蛋白的某些功能 u生物膜具有液晶态结构（介于液态与晶态之间的生物膜具有液晶态结构（介于液态与晶态之间的 过渡状态）。过渡状态）。 u在生理常温下呈液晶态，当温度下降到某一点时，在生理常温下呈液晶态，当温度下降到某一点时， 液晶态转变为晶态，温度上升时又转变为液晶态，液晶态转变为晶态，温度上升时又转变为液晶态， 这一引起相变的温度称为这一引起相变的温度称为相变温度相变温度。 u液晶态的膜有流动性。液晶态的膜有流动性。 一、膜的流动性一、膜的流动性 第二节 生物膜的基本特征与功能 流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。流动

17、性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。 1、膜脂分子的运动、膜脂分子的运动 l侧向扩散运动侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 l旋转运动旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 l左右摆动左右摆动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 l伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。 l翻转运动翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。 l旋转异构化运动：脂肪酸链围绕旋转异构化运动：

18、脂肪酸链围绕C-C键旋转。键旋转。 2、影响膜脂流动性的因素、影响膜脂流动性的因素 v胆固醇：胆固醇：双重作用。双重作用。 v脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和， 膜流动性越强。膜流动性越强。 v脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降 低。低。 v卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷 脂粘度高于卵磷脂。脂粘度高于卵磷脂。 v其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。 3、膜蛋白的分子运动

19、、膜蛋白的分子运动 v主要有主要有侧向扩散侧向扩散和和旋转扩散旋转扩散两种运动方式。两种运动方式。 v可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩 散。散。 v膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝 的药物的药物(如细胞松弛素如细胞松弛素B)能促进膜蛋白的侧向运动。能促进膜蛋白的侧向运动。 光脱色荧光恢复技术检测膜流动性 利用细胞融合技 术观察蛋白质 运动 4、膜流动性的生理意义、膜流动性的生理意义 v质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。 v当膜的流动性低于一定的阈

20、值时，许多酶的活动当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动 和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会 造成膜的溶解。造成膜的溶解。 二、膜的不对称性二、膜的不对称性 v质膜内外两层的质膜内外两层的组分和功能组分和功能的差异，称为膜的不对称性。的差异，称为膜的不对称性。 v样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央（样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央（疏水端疏水端） 断开，各断面命名为：细胞外表面（断开，各断面命名为：细胞外表面（extrocytoplasmic surface ， ES ）；细胞外小页断面（）；细胞外小页断面（extrocy

21、toplasmic face ， EF ）；原生质小页断面（）；原生质小页断面（protoplasmic face ， PF ）；原生质表面（）；原生质表面（protoplasmic surface ， PS） 。 冰冻断裂技术显 示的脂双层 及膜蛋白分布的 不对称性 放射性标记法测定膜蛋 白分布的不对称性 EF PF 小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻 1 1、膜脂的不对称性膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均：同一种脂分子在脂双层中呈不均 匀分布匀分布. . 膜脂的不对 称分布 2膜糖的不对称性膜糖的不对称性 膜糖分布的不对 称性 糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外

22、表面 磷脂与糖脂分布的 不对称性 3、膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有 特定的方向性和分布的区域性。特定的方向性和分布的区域性。 红细胞血型糖蛋白A在质 膜中不对称分布 五、细胞膜的功能五、细胞膜的功能 v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； v选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排 出，其中包括能量的传递；出，其中包括能量的传递； v提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；

23、 v为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行； v介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接；介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接； v参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 v膜蛋白的异常与某些遗传疾病、恶性肿瘤有关。膜蛋白的异常与某些遗传疾病、恶性肿瘤有关。 第三节第三节 膜骨架膜骨架 定义：定义： 指细胞质膜下与膜蛋白相连的有纤维蛋白组指细胞质膜下与膜蛋白相连的有纤维蛋白组 成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协 助质膜完成多种生理功能。助质膜完成多种生理功能。 红细胞血影及封闭 v经经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电