第4章细胞质膜

1、第第4 4章章 细胞质膜细胞质膜本章内容提要l细胞质膜细胞质膜的结构模型的结构模型l生物膜的结构模型生物膜的结构模型l膜脂膜脂l膜蛋白膜蛋白l生物膜基本结构与功能生物膜基本结构与功能l膜的流动性膜的流动性l膜的不对称性膜的不对称性l细胞质膜细胞质膜的基本功能的基本功能l膜骨架膜骨架l膜骨架膜骨架l红细胞的生物学特征红细胞的生物学特征l红细胞红细胞质膜蛋白及骨架质膜蛋白及骨架lplasma membrane = cell membranel细胞质膜细胞质膜= =细胞膜细胞膜l主要功能：主要功能：l分隔分隔l物质运输物质运输l能量转换能量转换l信息传递信息传递l生物膜生物膜= =细胞内的膜细胞内的

2、膜+ +细胞质膜细胞质膜lbiomembrane= plasma membrane + intracellular membrane第一节第一节 细胞质膜细胞质膜的结构模型的结构模型l生物膜的结构模型生物膜的结构模型l膜脂膜脂l膜蛋白膜蛋白一、生物膜的结构模型一、生物膜的结构模型生物膜的研究史生物膜的研究史ne. 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推测细胞膜由连续的脂类物质组成类物质组成。ne. gorter & f. grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水

3、面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成推测细胞膜由双层脂分子组成。三明治模型三明治模型nj. danielli & h. davson 1935 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了“蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。n1959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，供亲水物质通过。单位膜模型单位膜模型nj. d. robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是

4、所谓的“蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质蛋白质”“单位膜单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。n这一假说得到了电镜和x射线衍射分析的支持。n单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描述成静止的,不变的。流动镶嵌模型ns. j. singer & g. nicolson 1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。n流动镶嵌模型流动镶嵌模型主要强调：（1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动。（2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。n技术进步带来对于膜的新的认识：n

5、液晶态模型液晶态模型 无序（流动态）有序（结晶态）n板块镶嵌模型板块镶嵌模型 流动性不同的板块n对流动镶嵌模型的补充和完善脂筏模型（simon, 1988）n脂筏是细胞质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，如同小船一样载着各种执行特定生物学功能的蛋白。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。 原子力显微镜照片原子力显微镜照片n脂筏最初可能在内质网或高尔基体上形成,最终转运到细胞膜上。n有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联。n推测一个100nm大小的脂筏可能载有600个蛋白分子。n脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、物质跨膜运输、蛋白质分选均有密切的关系。膜的研究

6、历史：1.膜的脂类性质2.脂单层3.脂双层4.三明治模型5.单位膜模型6.流动镶嵌模型目前对生物膜结构的认识n1. 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，尚未发现在生物膜中起组织作用的蛋白。n2.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的蛋白的类型类型，蛋白，蛋白分布的不对称性分布的不对称性及其及其与与脂分子的协同作用脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能赋予生物膜具有各自的特性与功能。n3.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其它生物大分子的复杂的相互作用，限制了膜

7、蛋白和膜脂的流动性流动性。细胞质膜的化学构成n质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。n膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。n一般，脂类约占50，蛋白质约40，糖类约210，不同的膜含量不同。n蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，n如线粒体内膜是电子传递链所在。n功能活动较弱的膜，蛋白质含量就低，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。n神经鞘的蛋白含量低，脂类含量高二、膜脂二、膜脂（membrane lipids） n磷脂phospholipids n甘油磷脂和鞘

8、磷脂 n糖脂glycolipids n胆固醇cholesterol 1 磷脂phospholipidsn含有磷酸基团的膜脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。n磷脂，是膜脂的基本成分，约占膜脂的 50以上。n磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。n分两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。n甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇、磷脂酰丝氨酸等。磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱甘油磷脂甘油磷脂n以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，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

9、。n主要类型有：q磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，pc，旧称卵磷脂）、q磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，ps）q磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，pe，旧称脑磷脂）q磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，pi）q双磷脂酰甘油（dpg，旧称心磷脂）等。鞘磷脂鞘磷脂n鞘磷脂（sphingomyelin，sm）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂。n它以鞘胺醇（sphingosine）为骨架，与一条脂肪酸链共同组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。n原核细胞和植物中没有鞘磷脂。胆碱胆碱磷脂特征：

10、磷脂特征：n1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。n2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。n3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30弯曲。2 糖脂glycolipidsn糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上。n其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。n糖脂的结构与鞘磷脂很相似，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。gal半乳糖，glu葡萄糖，sia唾液酸，galnac:n-乙酰半乳糖胺神经节苷脂a脑苷脂a鞘胺醇 神经

11、酰胺 鞘磷脂n最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；n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。n神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂gm2 加工成为gm3，结果大量的gm2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。abo血型糖脂nabo血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用：na型：膜脂寡糖链的末端是n-乙酰半乳糖胺，galnac。nb型：末端是半乳糖，gal。no型：末端没有这两

12、种糖基。nab型：末端同时具有这两种糖基。fucose：海藻糖3 3 胆固醇胆固醇cholesteroln胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。n其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。n如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。胆固醇与脂分子的关系胆固醇与脂分子的关系膜脂的运动方式膜脂的运动方式 沿膜平面的侧向运动沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）, 每秒2微米； 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； 双层脂分子之间的翻转运动双层脂分子之间的翻转运

13、动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。膜脂的4种运动方式脂质体脂质体脂脂 质质 体体 的的 应应 用用n研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；n脂质体中裹入dna可用于基因转移；n在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体 三、膜蛋白三、膜蛋白 n（一）类型（一）类型n外在外在(外周外周)膜蛋白膜蛋白：水溶性蛋白,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（通过改变溶液的离子强度或温度即可）。n脂锚定蛋白脂锚定蛋白：共价结合脂肪酸或糖脂，插入磷脂分子层n内在（整合）膜蛋白内在（整合）膜蛋白 ：水不溶性蛋白，以非极性氨基酸与脂

14、双分子层的非极性区相互作用而紧密结合在质膜上 ，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。蛋白与膜的结合方式、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白（二）内在蛋白与膜脂的结合方式n1.膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。q1至多个疏水的螺旋形成跨膜结构域。q折叠片组成折叠片桶( barrel)，形成亲水通道 。n2.跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 ca2+、mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。n3.某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋

15、白与糖脂共价结合。去垢剂去垢剂n去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。n离子型去垢剂(sds)和非离子型去垢剂（triton x-100）。n非离子型去垢剂对蛋白的作用比较温和。the structures of two commonly used detergents. sds is an anionic detergent, and triton x-100 is a nonionic detergent. the hydrophobic portion of each detergent is shown in green, and the hydrophi

16、lic portion is shown in blue. solubilizing membrane proteins with a mild detergent. the detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes. the phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent. 第二节第二节 生物膜基本结构与功能生物膜基本结构与功

17、能一、膜的流动性（一）膜脂的流动性影响膜脂流动性的因素影响膜脂流动性的因素n影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括：q胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。q脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。q脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。q卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。q其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。（二）膜蛋白的流动性n主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。n可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。 n膜蛋白的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白

18、的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。膜蛋白的运动荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验示意图荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验示意图荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术four ways in which the lateral mobility of specific plasma membrane proteins can be restricted. the proteins can self-assemble into large aggregates (such as bacteriorhodopsin in the purple memb

19、rane of halobacterium) (a); they can be tethered by interactions with assemblies of macromolecules outside (b) or inside (c) the cell; or they can interact with proteins on the surface of another cell (d). 膜蛋白的流动性的几种限制膜蛋白的流动性的几种限制思考：膜的流动性有何生物学意义？思考：膜的流动性有何生物学意义？n质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细

20、胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。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，又会造成膜的溶解。n 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。n 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。n 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，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。n 膜流动性与信息传递有着极大的关系。n 如果没有流动性，能量转换是不可能的。n 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。二、膜的不对称性（一）细胞质膜各部分的名称（一）细胞质膜各部分的名称eses，

21、质膜的细胞外表面（，质膜的细胞外表面（extrocytoplasmic surfaceextrocytoplasmic surface）；）；psps，质膜的原生质表面（，质膜的原生质表面（protoplasmic surfaceprotoplasmic surface）；）；efef（extrocytoplasmic faceextrocytoplasmic face），质膜的细胞外小页断裂），质膜的细胞外小页断裂面；面；pfpf（protoplasmic faceprotoplasmic face），），原生质小页断裂面。原生质小页断裂面。磷脂酰胆碱pc和鞘磷脂sm主要分布在外小页，而磷脂

22、酰乙醇胺pe和磷脂酰丝氨酸ps主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的pc降解，而pe和ps分别只有20%和10%的被解。生物学意义不明膜脂的不对称性膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性n膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。n某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶c结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用。糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。 思考：膜的不对称性有何生物学意义？思考：膜的不对称性有何生物学意义？n膜脂、膜蛋白

23、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。n膜脂在膜中的分布是不对称的，虽然这种不对称性的生物学作用还了解得很少，但已经取得了不少进展。n如糖脂是位于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。n磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。n磷脂酰肌醇主要集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中起关键作用。n膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。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。n细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。三、细胞质膜的基本功能三、细胞质膜的基本功能n细胞质膜的主要功能概括如下：1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；2.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，伴随着能量传递；3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；5. 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。膜膜 功功 能能第三节第三节 膜骨架膜骨架一、膜骨架 概念：指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,