第四章细胞质膜

1、 第四章第四章 细胞质膜细胞质膜细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能膜骨架膜骨架 第一节第一节 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型 细胞膜细胞膜(cell membrane),(cell membrane),又称质膜又称质膜(plasma (plasma membrane)membrane)指围绕在细胞最外层指围绕在细胞最外层, , 由由脂类和蛋白质脂类和蛋白质组组成的薄膜成的薄膜. . 细胞内膜细胞内膜 生物膜生物膜(biomembrane) 。 细胞膜的结构模型细胞膜的结构模型(流动镶嵌模型流动镶嵌模型) 膜脂膜脂生物膜的基本组成成分生物膜的基本组

2、成成分 膜蛋白膜蛋白 一、生物膜的结构模型一、生物膜的结构模型 1890s,e.overton 发现脂溶性物质容易透过发现脂溶性物质容易透过细胞细胞, 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。推测细胞膜由连续的脂类物质组成。 1925年年, 荷兰的两位科学家荷兰的两位科学家e.gorter和和f.grendel根据对红细胞的研究，提出质膜根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层的脂双层(lipid bilayer)结构结构电镜下的红细胞电镜下的红细胞 实验结果证明实验结果证明红细胞膜脂与表面红细胞膜脂与表面 积之比约为积之比约为1.81.82.212.21。 但细胞质膜的表面张力比油水界但细胞质膜的表面张

3、力比油水界面的表面张力小得多面的表面张力小得多, 加入蛋白质则加入蛋白质则降低了表面张力降低了表面张力.( ? )蛋白质蛋白质- -脂类脂类- -蛋白质蛋白质三明治三明治质膜结构模质膜结构模型型j.f.danielli&h.davsonj.f.danielli&h.davson(1935(1935年年) )单位膜模型单位膜模型蛋白质蛋白质- -脂类脂类- -蛋白质蛋白质暗暗- -亮亮- -暗暗 1959年年, j.d.robertson在在电电子显微镜子显微镜下发现细下发现细胞膜是暗胞膜是暗-明明-暗暗的三层，总厚度为的三层，总厚度为7.5nm，中间层为，中间层为3.5nm，内

4、外两层，内外两层各为各为2.0nm。并推。并推测测:暗层是蛋白质暗层是蛋白质,透明层是脂透明层是脂,这就这就是通用的是通用的单位膜模单位膜模型型。 流动镶嵌模型流动镶嵌模型(fluid mosaic model)1972年年, sj singer & g. nicolson 根据根据免疫荧光技免疫荧光技术和冰冻蚀刻技术术和冰冻蚀刻技术的研究结果的研究结果, 在单位膜模型的基在单位膜模型的基础上提出的础上提出的, 强调强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性称性.11 fluid mosaic model1 1 膜的流动性膜的流动性 膜蛋白和膜脂均可侧向运动膜蛋白

5、和膜脂均可侧向运动2 2 膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性12 冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术揭示的膜结构揭示的膜结构 其他的细胞膜结构模型其他的细胞膜结构模型是对流动镶嵌模型的充实是对流动镶嵌模型的充实 ，完善和补充，完善和补充液晶态模型液晶态模型板块镶嵌模型板块镶嵌模型脂筏模型脂筏模型脂筏模型脂筏模型脂筏区域富含胆固醇脂筏区域富含胆固醇 生物膜结构的特征生物膜结构的特征1 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,尚未尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；发现膜结构中起组织作用的蛋白； 2 蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合蛋白分子以不同方式镶嵌在

6、脂双层分子中或结合在其表面在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者； 3 膜的流动性：生物膜可看成蛋白质在双层脂分子膜的流动性：生物膜可看成蛋白质在双层脂分子中的二维溶液，其相互作用复杂并与膜蛋白和膜脂中的二维溶液，其相互作用复杂并与膜蛋白和膜脂的流动性相关。是生物膜的基本特征之一的流动性相关。是生物膜的基本特征之一, 是细胞进是细胞进行生命活动的必要条件。行生命活动的必要条件。 二、膜脂二、膜脂（一）成分（一）成分1.1.磷脂磷脂 50%50%以上以上2.2.糖脂糖脂 5%-10%5%-10%3.3.胆固醇和中性脂胆固醇和中性脂1/31/3 是生物膜的

7、基本组成成分是生物膜的基本组成成分, , 每个动物每个动物细胞膜上约有细胞膜上约有10109 9个脂分子个脂分子膜脂膜脂1.1.磷脂磷脂 phospholipids, 50%, phospholipids, 50%, 含有磷酸基团含有磷酸基团 （甘油磷脂甘油磷脂, ,鞘磷脂鞘磷脂）生物膜磷脂特征生物膜磷脂特征：(1)1(1)1极性头极性头+2+2非极性尾；非极性尾；(2)(2)脂肪酸碳链为偶数脂肪酸碳链为偶数(14, 16, 18 (14, 16, 18 或或2020个碳原个碳原 子子) )；(3)(3)饱和脂肪酸根（如软脂酸）饱和脂肪酸根（如软脂酸） 常含不饱和脂肪酸（如油酸常含不饱和脂肪酸

8、（如油酸, 30, 300 0弯曲）弯曲）磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱, (, (卵磷脂卵磷脂) )甘油磷脂包括甘油磷脂包括: :磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇等磷脂酰肌醇等分为分为: : 甘油磷脂和鞘磷脂甘油磷脂和鞘磷脂2.2.糖脂（糖脂（glycolipidglycolipid）, 5%-10%, , 5%-10%, 含糖含糖 不同细胞中所含糖脂的种类不同不同细胞中所含糖脂的种类不同 如：神经细胞的神经节苷脂类，如：神经细胞的神经节苷脂类， 人红细胞表面的人红细胞表面的aboabo血型糖脂血型糖脂糖脂糖脂细菌、植物细胞糖脂：由甘油酯类衍生来。细菌、植物细胞糖脂：由甘油酯

9、类衍生来。动物细胞糖脂：几乎由鞘氨醇衍生来动物细胞糖脂：几乎由鞘氨醇衍生来- -鞘糖脂鞘糖脂糖基糖基-头、两条烃链头、两条烃链-尾尾半乳糖脑苷脂半乳糖脑苷脂神经节苷脂神经节苷脂糖脂糖脂(glycolipid(glycolipid) ) 糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量含量约占膜脂的约占膜脂的5%-10%; 最简单的糖脂是最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂半乳糖脑苷脂,它仅有一个它仅有一个半乳糖作为极性头部半乳糖作为极性头部; 变化最多、最复杂的是变化最多、最复杂的是神经节苷脂神经节苷脂,它是神它是神经原质膜具特征性的成分经原质膜具特征性的成分; glycolipi

10、dsglycolipids半乳糖脑甘脂半乳糖脑甘脂 gm1神经节甘脂神经节甘脂 唾液酸唾液酸 blood group antigens. aboabo血型抗原是血型抗原是一种糖脂一种糖脂, , 其寡其寡糖部分决定抗原糖部分决定抗原特异性特异性3.3.胆固醇和中性脂胆固醇和中性脂1/31/3胆固醇存在于动物和少数植物细胞膜上胆固醇存在于动物和少数植物细胞膜上，细菌细胞不含胆固醇，某些细菌膜中含甘油细菌细胞不含胆固醇，某些细菌膜中含甘油作用：作用：调节膜的流动性调节膜的流动性增强膜的稳定性增强膜的稳定性降低水溶性物质的通透性降低水溶性物质的通透性* steroid* amphipathic(两性分

11、子两性分子)* animal cells* membrane fluidity “buffer”胆固醇胆固醇固醇环固醇环膜脂的功能膜脂的功能构成膜的基本骨架构成膜的基本骨架,去除膜脂去除膜脂,则使膜解体则使膜解体; 是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能特殊的功能; 膜脂为某些膜蛋白膜脂为某些膜蛋白(酶酶)维持构象、表现活维持构象、表现活性提供环境性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应一般膜脂本身不参与反应(细细菌的膜脂参与反应菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存

12、在。膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。在时才有功能。（二）膜脂的运动方式（二）膜脂的运动方式六种主要方式六种主要方式侧向扩散运动；侧向扩散运动；旋转运动；旋转运动；摆动运动摆动运动伸缩震荡运动；伸缩震荡运动；翻转运动；翻转运动；旋转异构化运动旋转异构化运动。 是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层的趋势而制备的人工膜双层的趋势而制备的人工膜. 分子分子团团脂质脂质体体(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)

13、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生物学性质研究膜生物学性质基因转移基因转移作为药物载体作为药物载体 三、膜蛋白三、膜蛋白 是膜功能的主要体现者是膜功能的主要体现者 占核基因组编码蛋白质的占核基因组编码蛋白质的30%30%。（一）、类型：（一）、类型： 外在外在( (外周外周) )膜蛋白膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane (extrinsic/peripheral membrane proteins )proteins )内在（整合）膜蛋白：内在（整合）膜蛋白：(intr

14、insic/ integral (intrinsic/ integral membrane proteins)membrane proteins) 脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid-anchored proteinlipid-anchored protein）how proteins associate with the membrane、整合蛋白；整合蛋白；、脂锚定蛋白；脂锚定蛋白；、外周蛋白外周蛋白 外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。

15、就可以从膜上分离下来。 一个蛋白可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜一个蛋白可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。蛋白，有的则结合在膜的外部。外周蛋白外周蛋白离子键离子键氢键氢键1. 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用 (1)1(1)1至多个至多个a-a-螺旋形成跨膜结构域螺旋形成跨膜结构域 (2)b(2)b片层形成疏水通道片层形成疏水通道 2. 2. 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与带负电荷的磷脂跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与带负电荷的磷脂分子头部结合分子头部结合, , 或带负电荷的氨基酸残基通

16、过钙离子等与磷或带负电荷的氨基酸残基通过钙离子等与磷脂头部相互作用脂头部相互作用. .3. 3. 某些膜蛋白在细胞质基质恻的某些膜蛋白在细胞质基质恻的半胱氨酸残基半胱氨酸残基上结合脂肪酸分上结合脂肪酸分子子, , 插入脂双层间插入脂双层间, , 加强膜蛋白与膜脂的结合加强膜蛋白与膜脂的结合（二）内在蛋白与膜脂结合的方式（二）内在蛋白与膜脂结合的方式膜内在蛋白（膜内在蛋白（intrinsic proteins）两亲分子两亲分子螺旋如如: : 带三蛋白带三蛋白 脂锚定蛋白分为两类：脂锚定蛋白分为两类： 糖磷脂酰肌醇糖磷脂酰肌醇(gpi)连接的蛋白位于细胞膜的外连接的蛋白位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶

17、小叶，用磷脂酶c处理细胞，能释放出结合蛋白。处理细胞，能释放出结合蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子都是许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子都是这类蛋白。这类蛋白。 另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。链结合。 脂锚定蛋白脂锚定蛋白gpi（三）去垢剂（三）去垢剂（detergent)detergent) 去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子, ,是分离与是分离与研究膜蛋白的常用试剂。研究膜蛋白的常用试剂。 离子型去垢剂离子型去垢剂(sds)(sds)和非离子型去垢剂和非离子型去垢剂（triton x

18、-triton x-100100） 离子型离子型 十二烷基磺酸钠（十二烷基磺酸钠（sds) sds) 作用剧烈，引起蛋白质变性作用剧烈，引起蛋白质变性 非离子型非离子型 triton x-100triton x-100 作用较温和作用较温和h3ccch3ch2ch3cch3ch3(och2ch2)10ohh3ccch3ch2ch3cch3ch3(och2ch2)10ohh3c(ch2)11oso3na+sdst triton x-100膜蛋白的功能膜蛋白的功能1、转运分子进出细胞、转运分子进出细胞2、接受并传递信号、接受并传递信号3、支撑连接细胞骨架成分和细胞间质成分、支撑连接细胞骨架成分和细

19、胞间质成分4、与细胞分化及细胞间连接有关、与细胞分化及细胞间连接有关糖脂与糖蛋白糖脂与糖蛋白糖糖- -共价键共价键- -脂脂糖糖- -共价键共价键- -蛋白蛋白 第二节第二节 生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能膜的流动性膜的流动性膜的不对称性膜的不对称性基本功能基本功能一一 膜的流动性膜的流动性 膜脂的流动性和膜蛋白的流动性膜脂的流动性和膜蛋白的流动性 , 主要由膜主要由膜脂双层的变化引起脂双层的变化引起（一）膜脂的流动（一）膜脂的流动脂分子的侧向运动脂分子的侧向运动 1. 脂肪酸链长短脂肪酸链长短 越短，流动性越大越短，流动性越大2. 脂肪酸不饱和度脂肪酸不饱和度 越高，流动性越大越高

20、，流动性越大3. 相变温度相变温度 在细菌和动物细胞中常通过增加不在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性维持膜脂的流动性。4. 胆固醇胆固醇: 防止膜脂由液相防止膜脂由液相 固相。固相。 在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起 重要的双向调节作用。重要的双向调节作用。5. 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂鞘磷脂：该比例高则膜流动性：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 其他因素其他因素:酸碱度、离子强度等酸碱度、离子强度等。the struct

21、ure of the lipid bilayer depends on the temperature. （二）、膜蛋白的流动性（二）、膜蛋白的流动性主要有主要有侧向扩散和旋转扩散侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。两种运动方式。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鼠、人鼠、人细胞融合细胞融合实验实验淋巴细胞的成帽效应淋巴细胞的成帽效应光脱色恢复技术光脱色恢复技术 1970年，年，larry frye和和michael edidin 进行了鼠、人进行了鼠、人细胞融合细胞融合实验，令人信服地实验，令人信服地证明膜的流动性。证明膜的流动性。人鼠细胞融合实验人鼠细

22、胞融合实验淋巴细胞的成帽效应淋巴细胞的成帽效应 通过抗体交联通过抗体交联膜蛋白分子聚集膜蛋白分子聚集成成斑斑(patching)、成帽、成帽(capping)的现象也的现象也是膜蛋白在膜平面是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。侧向扩散的例子。55 （frap) 光脱色恢复技术光脱色恢复技术二、膜的不对称性二、膜的不对称性 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，称为膜的不的差异，称为膜的不对称性。对称性。 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断 开 ， 各 断 面 命 名 为 ：断 开 ， 各 断 面 命 名 为 ： e s ， 细

23、胞 外 表 面， 细 胞 外 表 面（extrocytoplasmic surface）；）；ef，细胞外小页断，细胞外小页断面（面（extrocytoplasmic face）；）；ps，原生质表面，原生质表面（protoplasmic surface）；）；pf，原生质小页断面，原生质小页断面（protoplasmic face） 。 1 膜脂的不对称膜脂的不对称同一种膜脂在膜的双分子层中呈不均匀分布同一种膜脂在膜的双分子层中呈不均匀分布糖脂的分布完全不对称糖脂的分布完全不对称磷脂在红细胞膜上的分布不对称性磷脂在红细胞膜上的分布不对称性质膜内小页质膜内小页质膜外小页质膜外小页sm:鞘磷脂鞘

24、磷脂pc: 卵磷脂卵磷脂ps:磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸pe: 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺pi: 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇ci:胆固醇胆固醇2 膜蛋白的分布不对称膜蛋白的分布不对称 在膜两侧分布不对称，如：在膜两侧分布不对称，如： 红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧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。面的氨基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,一些一些酶和受体多处于外表面酶和受体多处于外表面,如：如： 5-核苷酸酶、磷酸脂酶、核苷酸酶、磷酸脂酶、mg2+ -

25、atp酶、酶、激素受体、生长因子受体位于外表面；激素受体、生长因子受体位于外表面； 腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。3 膜糖的不对称膜糖的不对称 the biological role of asymmetry 膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜脂、膜蛋白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膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动保证了生命活动的高度有序性。的高度有序性。 膜不仅内外两侧的功能不同膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分

26、布不对称引起的。蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。 细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递细胞间的识别、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靠分等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。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 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, ,并伴随着能量的传递并伴随着能量的传递; ; 提供细胞识别位点提供细胞识别位点, ,并

27、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使酶促反应高效而有序 地进行地进行; ; 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。第三节第三节 膜骨架膜骨架 细胞表面的特化结构如：细胞表面的特化结构如： 膜骨架膜骨架(溶胶层溶胶层) 鞭毛和纤毛鞭毛和纤毛 微绒毛微绒毛 细胞变形足细胞变形足 分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。的物质交换

28、等功能有关。 膜骨架的概念：膜骨架的概念：指细胞质膜下与膜蛋白相连的指细胞质膜下与膜蛋白相连的由由纤维蛋白纤维蛋白组成的网架结构组成的网架结构, ,位于细胞质膜下约位于细胞质膜下约0.2m厚的溶胶层。厚的溶胶层。它参与维持细胞质膜的形状并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。协助质膜完成多种生理功能。一、膜骨架膜骨架生物学功能和意义：膜骨架赋予细胞质膜既生物学功能和意义：膜骨架赋予细胞质膜既有很好的有很好的弹性弹性又具有较高又具有较高强度强度。维持质膜。维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。的形状并协助质膜完成多种生理功能。 成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。是研究膜骨架的理想材料。1. 1. 红细胞的生物学特性红细胞的生物学特性 无核和内膜体系无核和内膜体系 膜强度大且有弹性膜强度大且有弹性 质膜与膜骨架易分离质膜与膜骨架易分离2. 2. 血影血影 (ghost) (ghost) 红细胞红细胞 低渗处理低渗处理 质膜破裂质膜破裂（释放内容物）（释放内容物） 红细胞仍保持原来表面形态结