细胞生物学_翟中和_第四章

1、细胞生物学第四章细胞质膜第四章细胞质膜第一节细胞质膜的结构模型第一节细胞质膜的结构模型第二节生物膜基本特征与功能第二节生物膜基本特征与功能第三节膜骨架第三节膜骨架细胞生物学质膜质膜（plasma membraneplasma membrane）包在细胞外面所以又）包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为有相似性，故总称为生物膜生物膜（biomembranebiomembrane）。生）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。物膜

2、是细胞进行生命活动的重要物质基础。质膜主要由质膜主要由膜脂膜脂和和膜蛋白膜蛋白组成，另外还有少量糖，组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。通常含有等量的脂类和蛋白质。细胞生物学第一节细胞质膜的结构模型第一节细胞质膜的结构模型一、细胞膜的结构模型一、细胞膜的结构模型E. Overton 1895 E. Overton 1895 发现溶于脂肪的发现溶于脂肪的物质易透过植物的细胞膜，不物质易透过植物的细胞膜，不溶于

3、脂肪的物质不易透过细胞溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，推测细胞膜由连续的脂类膜，推测细胞膜由连续的脂类物质组成。物质组成。E. Gorter & F. Grendel 1925E. Gorter & F. Grendel 1925 用用有机溶剂提取了人的红细胞质有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分铺展在水面，测膜的脂类成分铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成分子组成。细胞生物学3 3、J. Danielli & H. Davson 1935 J. Danielli & H. Davson 1935 发现质

4、膜发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测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。提出了膜中含有蛋白质。提出了“”的三明治式的结构模型；的三明治式的结构模型；19591959年在上述基年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂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。双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。细胞生物学4 4、J. D. Robertson 1959 J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗得了清晰的细胞膜照片，显示暗- -明明- -暗三层结暗三层结构，它由厚约构，

5、它由厚约3.5nm3.5nm的双层脂分子和内外表面各的双层脂分子和内外表面各厚约厚约2nm2nm的蛋白质构成，总厚约的蛋白质构成，总厚约7.5nm7.5nm。细胞生物学5 5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972S. J. Singer & G. Nicolson 1972根据免根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。细胞生物学、脂筏模型、脂筏模型(lipid rafts model)(lipid rafts model)即在即在生物膜生物膜上上胆固醇胆固醇富集而形成有序脂相富集而形成有序

6、脂相, ,如同脂筏一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上如同脂筏一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。脂筏就像富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。脂筏就像一个一个蛋白质蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。蛋白质分选均有密切的关系。细胞生物学公认生物膜结构应具有的特点公认生物膜结构应具有的特点 细胞膜由流动双脂层和嵌在其中蛋白质组成。细胞膜由流动双脂层和嵌在其中蛋白质组成。 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中自发形成生物膜的性质。以疏水性尾部相中自发形成生物膜的性质。以疏水性尾部相对，极性头

7、部朝向水相组成生物膜骨架；相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架； 蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，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。或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。细胞生物学二、膜脂二、膜脂膜脂主要包括膜脂主要包括磷脂、糖脂磷脂、糖脂和和胆固醇胆固醇三种类型。三种类型。1 1、磷脂、磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的5050以以上。磷脂分子的上。磷脂分子的主要特征主要特征是：是：1 1）具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸）具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有链

8、），线粒体内膜上的心磷脂具有4 4个非极性尾部。个非极性尾部。2 2）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由1616，1818或或2020个个碳原子组成。碳原子组成。3 3）常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。）常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。细胞生物学细胞生物学OCHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR3Diphosphatidylglycerol （ DPG ）细胞生物学鞘磷脂（鞘磷脂（sphingomyelinsphingomyelin，SMSM）在脑和神经细胞）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以膜中特别丰富

9、。以鞘胺醇鞘胺醇（sphingoinesphingoine）为骨架，）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部含胆碱与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部含胆碱与磷酸。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。与磷酸。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。细胞生物学2 2、糖脂、糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5 5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-105-10。糖脂也是糖脂也是两性分子两性分子，其结构与其结构与鞘磷脂鞘磷脂很相似，只是很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇由一个或多个糖残基代替了磷脂

10、酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，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，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。苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。细胞生物学细胞生物学细胞生物学3、胆固醇、胆固醇含量一般不超过膜脂的含量一般不超过膜脂的1/31/3，植物细胞膜中含量较少，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流学稳定性

11、，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的动性，降低水溶性物质的通透性。通透性。在缺少胆固醇培养基中，在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。胞株很快发生自溶。细胞生物学（二）膜脂的运动方式（二）膜脂的运动方式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。旋转运动旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：摆动运动：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。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。是在翻：膜脂分子从脂双层的一层翻

12、转到另一层。是在翻转酶（转酶（flippaseflippase）的催化下完成。）的催化下完成。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。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-CC-C键旋转。键旋转。细胞生物学（三）脂质体（三）脂质体（liposomeliposome）1)1)是一种人工膜。是一种人工膜。 在水中，搅动后磷脂形成双层脂分在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径子的球形脂质体，直径251000nm251000nm不等。不等。2)2)人工脂质体可用于：人工脂质体可用于：l转基因转基因l制备的药物制备的药物l研究生物

13、膜的特性研究生物膜的特性细胞生物学细胞生物学三、膜蛋白三、膜蛋白 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中中30%30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：可分为：整合蛋白整合蛋白（integral proteinintegral protein）外周蛋白外周蛋白（peripheral proteinperipheral protein）脂锚定蛋白脂锚定蛋白（lipid-anchored proteinlipid-anchored protein）。）。细胞生物学膜蛋白的跨

14、膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相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。互作用。 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分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基通过Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。互作用。 某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基共价某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基共价结合脂肪酸分子结合脂肪酸分子, ,插入脂双层之间插入脂双层之间, ,进一步加强膜蛋白进一步加强膜蛋白与脂双层的结

15、合力与脂双层的结合力, ,还有少数蛋白与糖脂共价结合还有少数蛋白与糖脂共价结合。细胞生物学细胞生物学H3C(CH2)11OSO3Na+H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10O H( (三三) )去垢剂去垢剂整合蛋白为跨膜蛋白（整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembrane tansmembrane proteinsproteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，），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，如离子型去只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂垢剂SDSSDS，非离子型去垢剂，非离子型去垢剂Triton-X100Triton-X

16、100。细胞生物学第二节生物膜基本特征与功能第二节生物膜基本特征与功能一、膜的流动性一、膜的流动性（一）（一）膜脂的流动膜脂的流动膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的, ,脂肪酸链越短脂肪酸链越短, ,不饱和程度越高不饱和程度越高, ,膜脂的流动性越大。膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细温度对膜脂的运动有明显的影响。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维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重

17、要的双向调节作用。固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 细胞生物学影响膜脂流动性的因素：影响膜脂流动性的因素：1)1)胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。2)2)脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。越不饱和，使膜流动性增加。3)3)脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。动性降低。4)4)卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5

18、)5)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。细胞生物学( (二二) ) 膜蛋白流动性膜蛋白流动性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。可两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩检测侧向扩散。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破散。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素坏微丝的药物如细胞松弛素B B能促进膜蛋白的能促进膜蛋白的侧向运动。侧向运动。细胞生物学细胞生物学细胞生物学（三）荧光漂白恢复技术（三）荧光漂白恢复技术细胞生物学膜流动性的生理意义膜流动性的生理意义质膜的流

19、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。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的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。高，又会造成膜的溶解。细胞生物学二、膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。称为膜的不对称性。 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可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：从脂双层中央断开，各断面命名为：ESES，细胞外表面，细胞外表面（extrocytoplasmic extroc

20、ytoplasmic surfacesurface）；）；EFEF，细胞外小页断面，细胞外小页断面（extrocytoplasmic faceextrocytoplasmic face）；）；PSPS，原生质表面，原生质表面（protoplasmic protoplasmic surfacesurface）；）；PFPF，原生质小页断面，原生质小页断面（protoplasmic protoplasmic faceface） 。细胞生物学同一种脂分子在脂双层中呈同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：不均匀分布，如：PCPC和和SMSM主要分布在外小叶，主要分布在外小叶，PEPE和和PSPS分布

21、在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%80%的的PCPC降解，降解，PEPE和和PSPS分别只有分别只有20%20%和和10%10%的被降解。的被降解。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域。等形成的微结构域。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表面。 每种膜蛋白分子在细胞膜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。如各种激素上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素的受体具有极性，细胞色素C C位于

22、线粒体内膜位于线粒体内膜M M侧。侧。细胞生物学细胞生物学三、细胞膜的功能1)1)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；2)2)选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；产物的排出；3)3)提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；传递；4)4)为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；地进行；5)5)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；6)6)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。7)7)膜蛋白与某些疾病的发生有关，可以药物的靶点膜蛋白与某些疾病的发生有关，可以药物的靶点细胞生物学第三节膜骨架第三节膜骨架细胞质膜与膜下结构相互联系，协同作用细胞质膜与膜下结构相互联系，协同作用并形成细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭并形成细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分毛和纤毛、微绒毛及细胞的