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1、第四章 细胞质膜(PLASMA MEMBRANE),细胞质膜(plasma membrane),细胞内膜(intracellular membrane)生物膜(biomembrane)第一节 细胞质膜的结构模型第二节 生物膜结构特征与功能第三节 膜骨架,第一节 质膜的结构模型,一、生物膜的结构模型,E.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，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
2、膜由双层脂分子组成。,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。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。,4、J.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，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。,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”。,质膜的流动镶嵌模型,根据Fluid-mosaic mo
3、del：细胞膜由流动的双脂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。,是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。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。,脂筏模型（lipid rafts
4、 model）,生物膜结构示意图,生物膜结构的认识,磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维溶液。“Central dogma”of membrane biology,二 膜脂生物膜的基本组成成分,成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇三种类型。膜脂的种热运动方式 脂质体（liposome）,膜脂成分,磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链
5、碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；除饱和脂肪酸(如软脂酸)外，还有不饱和脂肪酸(如油酸)；糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。,磷脂酰胆碱的结构,Phospholipids in plasmamembranesPE:磷脂酰乙醇胺 PS:磷脂酰丝氨酸 PC:磷脂酰胆碱 PI:磷脂酰肌醇,Phospholipids in plasmamembranes,鞘 脂 类,鞘脂类分子由 3个基本结构成份组成：一是鞘氨醇，是长链的带有氨基的二醇，
6、链长约18碳原子左右；二是长链脂肪酸，链长约1826碳原子，以酰胺键与鞘氨醇相结合，称为神经酰胺；三是极性基团的头部，通常联接在鞘氨醇第一个碳原子的羟基上。因极性基团不同，形成不同类型的鞘脂，如：含有磷酸的称为鞘磷脂，含有糖基的，称为鞘糖脂。鞘糖脂分子中的糖基数目不等。仅含一个糖基的鞘糖脂统称脑苷脂。含多个糖基的鞘糖脂又分为两大类：不含唾液酸的中性鞘糖脂和含有唾液酸的酸性鞘糖脂。,鞘磷脂：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，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。,2.糖脂,糖和脂质结合所形成的物质的总称。种类多，在生
7、物体分布甚广，但含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。研究得较为深入的是糖鞘脂。糖脂也是两性分子，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，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。,糖脂的结构 1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸,3.胆固醇,主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，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。
8、,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。,(二)膜脂的运动方式,1.侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置，其扩散系数为10-8cm2/s。2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4 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.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。5 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。6 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动,（三）脂质体（lipos
9、ome）,概念：是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。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25-1000nm不等。脂质体的类型。脂质体的应用,脂质体的类型,(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图,脂质体的应用,研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体,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（integr
10、al protein）外周蛋白（peripheral protein）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）,（一）膜蛋白类型整合膜蛋白（内在膜蛋白）：为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子,整合蛋白约占膜蛋白的70-80%。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。,SDS,Triton-X100,整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成亲水通道；二是由两性折叠组成亲水通道。外周膜蛋白（外在膜蛋白）：
11、靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或膜脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质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。,脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）:又称脂连接蛋白,可以分为两类：1.一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；2.一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。,integral protein；,peripheral protein；,lipid-anchored protein,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
12、。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。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。,（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式,去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂曲拉酮（Triton X-100）SDS:CH3-(CH2)11-OSO3-Na+,（三）去垢剂,Triton-X100,第二节 生物膜基本特征与功能,一 膜的
13、流动性 膜脂的流动性、膜蛋白的流动性、膜流动性的研究方法荧光漂白恢复技术二 膜的不对称性 膜脂的不对称性、膜蛋白的不对称性三 细胞质膜的基本功能,一 膜的流动性,膜脂的流动性：主要是侧向扩散膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的.胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。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。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。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。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。,（二）膜蛋白的流动,膜蛋白的流动:主要是侧向扩散和旋转扩散侧向扩散：光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向
14、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。旋转扩散：指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动 荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping)荧光漂白恢复技术：研究膜脂或膜蛋白流动性的基本实验技术之一。,荧光抗体标记免疫实验,荧光脱色恢复技术(fiurorescence recovery after photobleaching,FRAP),二 膜的不对称性,细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性膜蛋白与糖蛋白的不对称性,2.膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。
15、PC和SM主要分布在外小页，而PE和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脂筏。3.膜蛋白的不对称性：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。4.糖脂和糖蛋白: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。,膜的不对称性：1.细胞膜各部分的名称ES质膜的细胞外表面；PS 质膜的原生质表面；EF 质膜的细胞外小页断裂面；PF原生质小页断裂面。,磷脂在红细
16、胞膜上分布的不对称性,膜蛋白和糖蛋白的不对称性,确定膜蛋白方向的实验程序,胰酶消化法 同位素标记法,胰酶消化法,同位素标记法,三 细胞质膜的功能,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,包括代谢底物的输入与代谢 产物的排除,其中伴随着能量的传递;提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;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。,第三节 膜骨架,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。红细胞的寿命约为12
17、0天，一生中要行走500，000米。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）。,电镜下的红细胞,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。肌动蛋白：构成微丝的主要成分锚蛋白（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3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
18、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。带4.1蛋白：与血型糖蛋白或带3蛋白结合，使膜骨架与质膜蛋白相连。血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白等构成了膜支架蛋白。,红细胞膜骨架的构成：血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。,红细胞膜蛋白,？,1.何谓膜内在蛋白？膜内在蛋白以什么方式与膜脂相结合？2.细胞的流动性如何用实验证明？请举两例。,习 题,
