第三章细胞膜与细胞表面

1、第三章 细胞质膜,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 第三节 膜骨架,第一节 细胞质膜的结构模型,一、生物膜的结构模型 二、膜脂 三、膜蛋白,细胞膜：又称质膜是指围绕在细胞最外层的薄膜，由脂质和蛋白质组成。 细胞内膜：除质膜外，真核细胞内围绕细胞器的膜称为细胞内膜。,一、生物膜的结构,（一）细胞膜结构的研究历史 （二）对生物膜结构的归纳总结,（一） 细胞膜结构的研究历史,1.E. Gorter & F. Grendel 1925 推测细胞膜由双层脂分 子组成。 2. J. Danielli & H. Davson 1935 推测膜中含有蛋白质， 提出了”蛋白质-脂类-蛋白

2、质”的双分子片层或三明治模型。 3.J. D. Robertson 1959 提出“单位膜”模型。 4. S. J. Singer & G.Nicolson1972提出”流动镶嵌模型” 5. Simon 提出脂筏模型。,图3-1 双层脂分子的膜结构模型,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。,图3-2 质膜的片层结构模型,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-脂类-蛋白质”的三明治模型。,图3-3 质膜的单位膜结构模型,用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗

3、-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“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。,图3-4 细胞膜的流动镶嵌模型,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”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。,流动镶嵌模型突出了生物膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。 细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。 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。 蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个 脂双层，表现出分布的不对称性。 膜脂与膜脂，膜蛋白与膜蛋白以及膜蛋白与膜脂之间的复杂相互作用，在

4、一定程度上限制了膜蛋白与膜脂的流动性。,脂筏模型：即在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行特定生物学功能的各种膜蛋白。,（二）对生物膜结构的归纳总结,具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子形成可运动的磷脂双层。 可运动的蛋白质以非对称方式镶嵌在磷脂双层中或结合于表面。 生物膜可以看做是在磷脂双层中镶嵌蛋白质的二维溶液。,二、膜 脂,（一）成分 （二）运动方式 （三）脂质体,（一） 成 分,磷脂（Phospholipid)：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂。 糖脂(Glycolipid)：存

5、在于原核和真核细胞的细胞质膜上，其含量占膜脂总量的5以下，在神经元质膜上糖脂含量较高，占5%10%，是含糖而不含磷酸的脂类。 胆固醇(Cholesterol)：仅存在真核细胞膜上(动物细胞和少数植物细胞脂膜），含量一般不超过膜脂1/3。,图3-5 不同类型的甘油磷脂,甘油磷脂（phosphoglyceride)：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，乙醇胺、丝氨酸、胆碱、或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上 。,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）phosphatidyl ethanolamine ，PE 磷脂酰丝氨酸 phosphatidyl serine，PS 磷脂酰胆碱（卵磷脂

6、）phosphatidyl choline，PC 磷脂酰肌醇 phosphatidyl inositol，PI,磷脂的特点： 具有一个极性头和两个非极性的尾(心磷脂除外） 脂肪酸碳链为偶数；常含不饱和脂肪酸，多为顺式,图3-6 磷脂酰胆碱的分子结构,鞘磷脂（SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，它是以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。,图3-7 鞘磷脂,糖脂,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；较复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含

7、一个或几个唾液酸和糖的残基。,图3-8 糖脂的结构 1. 半乳糖脑苷脂，2. GM1神经节苷脂，3. 唾液酸,胆固醇：胆固醇分子分为3部分：羟基团组成的极性头部、非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。 调节膜的流动性，增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通透性；是脂筏的基本结构成分。,图3-9 胆固醇的结构,图3-12 膜脂的分子运动,侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置，其交换频率在106次/s以上。 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转

8、到另一层,1 侧向扩散运动 2 旋转运动 3 摆动运动 4 伸缩震荡运动5 翻转运动,（二）膜脂的运动方式,（三）脂质体,脂质体（liposome）是根据磷脂分子在水相中形成稳定脂双层膜的趋势而制备的人工膜。 脂质体可作为生物膜的研究模型，也可作为生物大分子和药物的载体。（脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。）,脂质体,在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。,球形脂质体 用于靶向药物治疗的脂质体,三 、膜蛋白：膜功能的主要体现者,（一）膜蛋白的类型 （二）内在膜蛋白与膜脂

9、结合的方式 （三）去垢剂,（一） 膜蛋白的类型,外在(外周)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极性头部非共价结合，易分离,根据膜蛋白与脂分子的结合方式分为外周膜蛋白、内在膜蛋白、脂锚定蛋白,内在（整合）膜蛋白： 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离,脂锚定蛋白(又称脂连接蛋白) 通过共价键的方式同脂分子结合，从而锚定在细胞质膜上 与脂肪酸结合的脂锚定蛋白多分布在质膜内侧； 与糖脂结合的脂锚定蛋白多分布在质膜外侧,图3-11 蛋白与膜的结合方式 整合蛋白 脂锚定蛋白 外周蛋白,内在膜蛋白多数为跨膜蛋白（tansmembrane p

10、roteins），也有些插入脂双层中，与膜结合方式有： 1.膜蛋白的跨膜结构域与脂双层的疏水中心的相互作用。 2.跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸、赖氨酸等，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。,（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式,3.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，还有少数蛋白与糖脂共价结合。,膜内在蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式有： （1）跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成螺旋，其外部疏水

11、侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用。 （2）某些螺旋（双性）既具有极性侧链又具有非极性侧链，螺旋的外侧是非极性侧链，内侧是极性侧链，形成特异性分子的跨膜通道与脂双层相互作用。 （3）某些跨膜蛋白（如大肠杆菌外膜上的孔蛋白和线粒体内膜上的孔蛋白，其跨膜结构域常常仅有1012个氨基酸残基）形成折叠片结构，反向平行的折叠形成非特异的跨膜通道与脂双层相互作用。,（三）去垢剂（detergent）,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，可分为离子型去垢剂与非离子型去垢剂。 常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS），可以使细胞膜崩解，与膜蛋白结合使其分离，破坏蛋白质内部

12、的非共价结构。（作用剧烈，引起蛋白质变性） 非离子型去垢剂Triton-X100，也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用温和，用于研究细胞骨架蛋白。,第二节 生物膜基本特征与功能,一、膜的流动性 二、膜的不对称性 三、细胞质膜的基本功能,一、膜的流动性,膜的流动性是生物膜的基本特征之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。 （一）膜脂的流动性 （二）膜蛋白的流动性 （三）荧光漂白修复技术,膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它在很大程度上由脂分子本身的性质决定，是生长细胞完成多种生理功能所必需的。 膜脂既可以是晶态,又可以液态存在。在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。 影响膜脂流动性的因素主要有

13、以下几个方面 （1）脂肪酸链的长度。长链脂肪酸相变温度高，膜的流动性降低。 （2）脂肪酸链的饱和度。脂肪酸链所含双键越多，膜的流动性越大。 （3）温度。各种膜脂具有不同的相变温度。 （4）胆固醇含量。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性发挥双重调节作用。,（一）膜脂的流动性,一系列实验证明膜蛋白有流动性：细胞融合技术、成斑和成帽反应。 影响膜蛋白流动性的因素： 1、抑制细胞能量转换、蛋白质合成代谢途径，对膜蛋白运动没有影响；降低温度，膜蛋白的扩散效率降低至原来的1/20-1/10。说明膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向运动），不需要代谢产物的参加，也不需要提供能量。 2、细胞

14、骨架与某些膜蛋白结构相结合，限制了某些蛋白的流动。,（二） 膜蛋白的流动性,图3-13 利用细胞融合技术观察蛋白质运动,将抗鼠细胞膜的荧光抗体（显绿色荧光）标记小鼠细胞表面，将抗人细胞膜荧光抗体（显红色荧光）标记人细胞表面，用灭活的仙台病毒处理使两种细胞融合。融合细胞表面绿色与红色荧光蛋白均匀分布，显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动 。,图3-14 淋巴细胞的成斑和成帽反应,在某些细胞如血液白细胞中荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，称成斑现象（patching）；聚集在细胞的一端称成帽现象（capping），均说明膜蛋白的流动性。,图

15、3-15 荧光脱色恢复技术,（三）荧光漂白恢复技术 （fluorescence recovery after photobleaching, FRAP）,荧光漂白恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗，由于膜的流动性，淬灭区域亮度逐渐增加，最后恢复到与周围荧光强度熄灯。 荧光恢复的速率间接反映出膜蛋白或膜脂扩散的速率。,质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。 膜脂、膜蛋白在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的

16、接受和传递也有一定方向等。 （一）细胞质膜各部分的名称 （二）膜脂的不对称性 （三）膜蛋白的不对称性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,二、膜的不对称性,图3-17 膜各个断面的名称,ES（extrocytopasmic surface）：与细胞外环境接触的膜面； PS（protoplasmic surface）：与细胞质基质接触的膜面； 冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂 EF（extrocytopasmic face）：质膜的细胞外小页断裂面； PF（protoplasmic face）：原生质小页断裂面。,图3-18 膜脂的不对称分布,膜脂的

17、不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同。,图3-12 糖脂的不对称分布,糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其它内膜的ES面上。 糖脂只分布于细胞膜的外表面。,（三） 膜蛋白的不对称性,所有的膜蛋白，无论是外在膜蛋白还是内在膜蛋白，在质膜上都呈不对称分布。 每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和区域性。 各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的。 膜蛋白的不对称性是生物膜执行复杂的、时空调控有序的各种生理活动的保证。,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 选择性物质运输 提供细胞识别位点，

18、并完成细胞内外跨膜信息传递 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效有序 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构 某些膜蛋白的异常与疾病直接相关，可以作为疾病治疗的药物靶点,图3-20 细胞膜的功能,第三节 膜骨架,一、膜骨架 二、红细胞的生物学特性 三、红细胞质膜蛋白及膜骨架,一、膜骨架,指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，位于质膜下约0.2m厚的溶胶层。 它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 至今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。,二、红细胞的生物学特性,特性及研究原因： 成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，是最简单、最易研究的生物膜。 红细胞质膜既有很好的弹性又有较高的强度，这些特性在很大程度上是由膜骨架赋予的。