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1、,细胞生物学,第四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,细胞生物学,质膜（plasma membrane）包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。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。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一、细胞膜的结构模型E. Overton 1895 发现溶于脂肪
2、的物质易透过植物的细胞膜，不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物质组成。E. Gorter & F. Grendel 1925 用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分子组成。,细胞生物学,3、J. 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。提出了“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的结构模型；1959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。,细胞生物学,4、J. D. Robertson 195
3、9 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，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，总厚约7.5nm。,细胞生物学,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“流动镶嵌模型”。,细胞生物学,、脂筏模型(lipid rafts model)即在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相,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。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、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细胞膜由流动双脂层和嵌在
4、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相中自发形成生物膜的性质。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。,细胞生物学,二、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。1、磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。磷脂分子的主要特征是：1）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4个非极性尾部。2）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。3）常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,细胞生物学,细胞生物学,Diphosphatidylglycerol
5、 （ DPG ）,细胞生物学,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，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。,细胞生物学,2、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。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，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。
6、,细胞生物学,细胞生物学,细胞生物学,3、胆固醇含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。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。,细胞生物学,（二）膜脂的运动方式侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。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C-C键旋转。,细胞生物学,（三）脂质体
7、（liposome）1)是一种人工膜。 在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。2)人工脂质体可用于：转基因制备的药物研究生物膜的特性,细胞生物学,细胞生物学,三、膜蛋白（一）类型 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。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：整合蛋白（integral protein）外周蛋白（peripheral protein）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。,细胞生物学,（二）膜内在蛋白与膜脂结合的方式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。 跨膜结构域两端携带正电荷
8、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。 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,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。,细胞生物学,细胞生物学,(三)去垢剂整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），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。,细胞生物学,第二节生物膜基本特征与功能一、膜的流动性（一）膜脂的流动膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质
9、决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,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：1)胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。2)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。3)脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。4)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。5)其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。,细胞生物学,(二) 膜蛋白流动性主要有侧向扩散和旋转扩
10、散两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。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B能促进膜蛋白的侧向运动。,细胞生物学,细胞生物学,细胞生物学,（三）荧光漂白恢复技术,细胞生物学,膜流动性的生理意义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。,细胞生物学,二、膜的不对称性（一）细胞膜各部分的名称质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。 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：ES，细胞外表面（extrocytoplasmic s
11、urface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；PS，原生质表面（protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。,细胞生物学,（二）膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%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。 （三）膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布
12、的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。,细胞生物学,细胞生物学,三、细胞膜的功能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；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。7)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、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维
13、持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,细胞生物学,一、膜骨架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,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。膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2m厚的溶胶层。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。,细胞生物学,二、红细胞的生物学特性膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。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。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。,细胞生物学,三、红细胞质膜蛋白及膜骨架经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由结构相似的链、链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl，使HCO 3 进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。,细胞生物学,细胞生物学,
