第四章细胞质膜

1、 第四章第四章 细胞质膜细胞质膜第一节第一节 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型第二节第二节 生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能第三节第三节 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一、一、生物膜的结构模型生物膜的结构模型二、二、膜脂膜脂三、三、膜蛋白膜蛋白一、生物膜的结构模型一、生物膜的结构模型 1、膜为脂双层的猜想和证明、膜为脂双层的猜想和证明 2、三明治结构模型、三明治结构模型 3、单位膜模型、单位膜模型 4、流动镶嵌模型、流动镶嵌模型 5、液晶态模型、液晶态模型 6、板块镶嵌模型、板块镶嵌模型 7、脂筏模型、脂筏模型1 1、膜为脂双层的猜想和证明、膜为脂双

2、层的猜想和证明1899年，年，overton研究化学物质对植物细胞研究化学物质对植物细胞的通透性，发现疏水性物质易进入细胞，推的通透性，发现疏水性物质易进入细胞，推测细胞表面有类脂层。测细胞表面有类脂层。1925年，荷兰的年，荷兰的Gorter和和Grendel用人的红用人的红细胞进行研究，用丙酮提取脂类，然后将脂细胞进行研究，用丙酮提取脂类，然后将脂类铺散在空气和水的界面上，测其表面积，类铺散在空气和水的界面上，测其表面积，发现是红细胞表面积的两倍，推测膜是脂双发现是红细胞表面积的两倍，推测膜是脂双层的。层的。1935年，年，Danielli发现膜的表面张力比纯脂类发现膜的表面张力比纯脂类低

3、，推测有蛋白质成分。低，推测有蛋白质成分。2 2、三明治结构模型、三明治结构模型 1935年，年，Davson和和 Danielli提出提出蛋白质蛋白质脂质脂质蛋白质模型，双层脂分蛋白质模型，双层脂分子被球形蛋白覆盖。子被球形蛋白覆盖。 三明治模型三明治模型3 3、单位膜模型、单位膜模型 1959年，年，Roberston提出。提出。由于电镜由于电镜技术的发展，在电镜下观察质膜呈暗、明、暗技术的发展，在电镜下观察质膜呈暗、明、暗三层结构，称为单位膜。暗层由三层结构，称为单位膜。暗层由折叠蛋白组折叠蛋白组成，明层为脂质成，明层为脂质 。 4 4、流动镶嵌模型、流动镶嵌模型1972年，年，Sing

4、er和和Nicolson根据各种实验技根据各种实验技术的证明提出流动镶嵌模型术的证明提出流动镶嵌模型 强调膜的强调膜的流动性流动性和膜蛋白分布的和膜蛋白分布的不对称性不对称性。内容：内容：1、细胞膜是由流动的脂双分子层、细胞膜是由流动的脂双分子层和嵌和嵌在其中的蛋白质组成；在其中的蛋白质组成；2、 磷脂分子以疏水性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尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；（自发形成的、封闭的）架；（自发形成的、封闭的）3、蛋白质或嵌、蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性脂双层，表

5、现出分布的不对称性 。5、液晶态模型液晶态模型 1975年年Kanderkooi提出，认为生物膜处于提出，认为生物膜处于无序（液态）和有序（晶态）之间的动态转变无序（液态）和有序（晶态）之间的动态转变6、板块镶嵌模型板块镶嵌模型 由于组成膜的脂类不同，相变温度不同，形由于组成膜的脂类不同，相变温度不同，形成不同状态的板块。成不同状态的板块。 7、脂筏模型脂筏模型 脂筏（脂筏（lipid raft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域脂的微结构域( (microdomain)。富含蛋白。富含蛋白。我们对生物膜的认识我们对生物膜的认识1、组成生物膜基本结构的是磷脂双分子层

6、，、组成生物膜基本结构的是磷脂双分子层，磷脂双分子层极性头部朝向水相，非极性尾部磷脂双分子层极性头部朝向水相，非极性尾部相对。相对。2、蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层或结、蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层或结合在其表面。蛋白质的类型、蛋白质分布的不合在其表面。蛋白质的类型、蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。有各自的特性与功能。3、生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的、生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液，膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋二维溶液，膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其它一些生物大

7、分子的相白之间及其与膜两侧其它一些生物大分子的相互作用，在不同程度上限制了膜脂和膜蛋白的互作用，在不同程度上限制了膜脂和膜蛋白的流动性，同时也形成了赖以完成多种膜功能的流动性，同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏等结构。脂筏等结构。生物膜的化学成分生物膜的化学成分以人以人的红的红细胞细胞为例为例脂类脂类 50%蛋白蛋白40%糖糖210%水、无机盐微量水、无机盐微量不同的细胞类型，化学组成有差异：同一细胞的不同部不同的细胞类型，化学组成有差异：同一细胞的不同部位，化学组成不同：同一细胞处于不同生长发育阶段化位，化学组成不同：同一细胞处于不同生长发育阶段化学组成不同学组成不同二、膜脂二、膜脂1、膜

8、脂的成分膜脂的成分2、膜脂的运动方式膜脂的运动方式3、脂质体脂质体膜脂的成分膜脂的成分1、成分、成分磷脂磷脂50% 甘油磷脂甘油磷脂：磷脂酰肌醇、：磷脂酰肌醇、磷脂磷脂 酰胆碱、磷脂酰丝氨酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺等酸、磷脂酰乙醇胺等鞘磷脂鞘磷脂糖脂糖脂5%，含糖而不含磷酸的脂类，含糖而不含磷酸的脂类，神经细胞膜上较多神经细胞膜上较多胆固醇胆固醇30%磷脂的特征磷脂的特征（1）具有一个极性头部和两个非极性尾部）具有一个极性头部和两个非极性尾部（心磷脂有四个非极性尾部）（心磷脂有四个非极性尾部）（2）脂肪酸碳链为偶数）脂肪酸碳链为偶数（3）有饱和脂肪酸，还有不饱和脂肪酸，且）有饱和脂肪酸

9、，还有不饱和脂肪酸，且多为顺式，产生多为顺式，产生30度弯曲度弯曲磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇甘油磷脂分子甘油磷脂分子鞘磷脂鞘磷脂(sphingomyelin,SM)糖脂糖脂1. 半乳糖脑苷脂，半乳糖脑苷脂， 2. GM1神经节苷脂，神经节苷脂， 3. 唾液酸唾液酸胆固醇胆固醇胆固醇在细胞膜中的位置胆固醇在细胞膜中的位置2 2、膜脂的运动方式、膜脂的运动方式 （1）沿膜平面的侧向运动）沿膜平面的侧向运动 （2）脂分子围绕轴心的回旋运动）脂分子围绕轴心的回旋运动 （3）脂分子尾部的摆动）脂分子尾部的摆动 （4）双层脂分子间的翻转运动）双

10、层脂分子间的翻转运动膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式3 3、脂质体、脂质体定义：根据磷脂分子在水相中能形成稳定义：根据磷脂分子在水相中能形成稳定的脂双层的趋势而制备的人工膜。定的脂双层的趋势而制备的人工膜。分为球形脂质体和平面脂质体分为球形脂质体和平面脂质体是研究膜与蛋白质的好材料，还可用于是研究膜与蛋白质的好材料，还可用于基因转移，临床上用于携带药物。基因转移，临床上用于携带药物。三、膜蛋白三、膜蛋白1、膜蛋白的类型膜蛋白的类型2、膜内在蛋白与膜脂的结合方式膜内在蛋白与膜脂的结合方式3、去、去垢剂垢剂1 1、膜蛋白的类型、膜蛋白的类型膜蛋白的类型膜蛋白的类型外在膜蛋白外在膜蛋白：分布在膜

11、的内外表面，：分布在膜的内外表面，水溶性水溶性 易被提纯，以离子键或弱键与易被提纯，以离子键或弱键与表面蛋表面蛋 白或脂分子结合。白或脂分子结合。 内在膜蛋白内在膜蛋白：不同程度嵌入脂双：不同程度嵌入脂双层内部，亲水区暴露在表面，结合紧层内部，亲水区暴露在表面，结合紧密。密。脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白：通过共价结合脂分子：通过共价结合脂分子插入膜的脂双层分子中。插入膜的脂双层分子中。2 2、膜内在蛋白与膜脂的结合方式、膜内在蛋白与膜脂的结合方式1）膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的）膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用。疏水核心相互作用。2）跨膜结构域两端通过离子键与脂分子）跨膜结构域

12、两端通过离子键与脂分子极性头部相互作用。极性头部相互作用。3）某些膜蛋白通过自身在细胞质基质一）某些膜蛋白通过自身在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基共价结合脂肪酸分子，侧的半胱氨酸残基共价结合脂肪酸分子，插入脂双层，进一步加强膜蛋白和脂双插入脂双层，进一步加强膜蛋白和脂双层的结合力。层的结合力。膜内在蛋白跨膜结构域与膜脂结合的具体作用方式膜内在蛋白跨膜结构域与膜脂结合的具体作用方式（1） 螺旋跨膜螺旋跨膜单次跨膜（单次跨膜（如血型糖蛋白），多次跨膜如血型糖蛋白），多次跨膜（如斑细菌视紫红质（如斑细菌视紫红质7次跨膜）。次跨膜）。（2）由）由 螺旋形成特异性亲水通道（内螺旋形成特异性亲水通道（内侧极

13、性侧链，外侧非极性侧链），如带侧极性侧链，外侧非极性侧链），如带III蛋白。蛋白。（3）由多次跨膜的）由多次跨膜的 片层形成片层形成非特异性非特异性跨膜通道。跨膜通道。脂锚蛋白脂锚蛋白在细胞质基质侧共价结合脂肪酸分子或在细胞质基质侧共价结合脂肪酸分子或其它类型的脂链。其它类型的脂链。在胞外侧通过寡糖链连接到磷脂酰肌醇在胞外侧通过寡糖链连接到磷脂酰肌醇分子，锚定在脂双层。分子，锚定在脂双层。膜蛋白结合方式膜蛋白结合方式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、一、膜的流动性膜的流动性二、二、膜的不对称性膜的不对称性三、三、细胞质膜的基本功能细胞质膜的基本功能一、膜的流动性一、膜的流

14、动性1、膜脂的流动性、膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。主要指脂分子的侧向运动。影响膜脂流动性的因素？影响膜脂流动性的因素？膜脂流动性的调节膜脂流动性的调节:调节不饱和脂肪酸的含量；调节不饱和脂肪酸的含量；胆固醇的稳定作用。胆固醇的稳定作用。影响膜流动性的因素影响膜流动性的因素（1）脂肪酸链的长度和饱和度。越短流动性越脂肪酸链的长度和饱和度。越短流动性越大，不饱和程度越高流动性越大大，不饱和程度越高流动性越大（2）胆固醇）胆固醇/磷脂的比值。胆固醇含量的增加可磷脂的比值。胆固醇含量的增加可提高膜脂的有序性，降低膜脂的流动性。提高膜脂的有序性，降低膜脂的流动性。（3）卵磷脂）卵磷脂/鞘磷脂的比

15、值，卵磷脂不饱和程度鞘磷脂的比值，卵磷脂不饱和程度高，相变温度低，鞘磷脂相反。比值越低，流高，相变温度低，鞘磷脂相反。比值越低，流动性越差。动性越差。（4）膜蛋白与膜脂的结合。当膜脂发生相变时，）膜蛋白与膜脂的结合。当膜脂发生相变时，蛋白质会影响脂分子的协调效应，使相变温度蛋白质会影响脂分子的协调效应，使相变温度变宽。变宽。2、膜蛋白的流动性、膜蛋白的流动性膜蛋白主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式膜蛋白主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。膜蛋白具流动性的证明：膜蛋白具流动性的证明：荧光抗体免疫标记实验荧光抗体免疫标记实验成斑、成帽现象成斑、成帽现象荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术限制膜蛋白

16、流动的因素限制膜蛋白流动的因素:膜蛋白的流动是受限制膜蛋白的流动是受限制的，与膜骨架的结合、与脂分子的相互作用是的，与膜骨架的结合、与脂分子的相互作用是主要因素。主要因素。人鼠细胞融合实验证明膜蛋白的运动人鼠细胞融合实验证明膜蛋白的运动荧光漂白恢复技术证荧光漂白恢复技术证明膜的流动性明膜的流动性二、膜的不对称性二、膜的不对称性1、膜可分为细胞外表面、膜可分为细胞外表面ES，原生质表面，原生质表面PS断裂后分页和页。断裂后分页和页。2 2、 膜的不对称性膜的不对称性(membrane asymmetry)(membrane asymmetry) 细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种细胞质膜

17、的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。 不对称性的表现不对称性的表现膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不对称性主膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不对称性主要是指这些成分分布的不对称以及这些分子在方要是指这些成分分布的不对称以及这些分子在方向上的不对称。向上的不对称。 膜脂的不对称性：膜脂的不对称性： 膜脂的不对称性表现在脂双膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，层中分布的各类脂的比例不同， 各种细胞的膜脂不各种细胞的膜脂不对称性差异很大。对称性差异很大。 膜脂的不对称分布膜脂的不对称分布 膜蛋白的不

18、对称：膜蛋白的不对称： 每种膜蛋白在膜中都有每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称。内外两侧氨基酸残基数目的不对称。 红细胞血型糖蛋白红细胞血型糖蛋白A在质膜中不对称分布在质膜中不对称分布 膜糖的不对称：膜糖的不对称： 膜糖以糖蛋白或糖脂的膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面都是位于膜

19、的外表面 磷脂与糖脂分布的不对称性磷脂与糖脂分布的不对称性 膜糖分布的不对称性膜糖分布的不对称性 不对称性的意义：不对称性的意义： u膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的膜脂、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不对称性和方向性, ,保证了生命活动的高度有序性。保证了生命活动的高度有序性。膜不仅内外两侧的功能不同膜不仅内外两侧的功能不同, , 不同区域的功能也不相不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异同。造成这种功能上的差异, ,主要是膜蛋白、膜脂和膜主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有

20、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布不对称的膜蛋白、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。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产物的、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；排出；3 3、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4 4、为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序进行；、为多种酶提

21、供结合位点，使酶促反应高效而有序进行；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、膜蛋白的异常与某些疾病相关。、膜蛋白的异常与某些疾病相关。化结构。化结构。脂筏与胞膜窖脂筏与胞膜窖 脂筏脂筏（lipid raft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域构域( (microdomain)。相对稳定、分子排列较紧密、流。相对稳定、分子排列较紧密、流动性较低。动性较低。 由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力由于鞘磷脂具有较长

22、的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（间，称为有序液体（Liquid-ordered）。脂筏的脂双层）。脂筏的脂双层厚度比质膜其它部位厚。脂筏就像一个蛋白质停泊的平厚度比质膜其它部位厚。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，台，与膜的信号转导、胞吞作用、蛋白质分选、病原微与膜的信号转导、胞吞作用、蛋白质分选、病原微生物的入侵均有密切的关系。生物的入侵均有密切的关系。 胞膜窖：胞膜窖：一种特殊形式的一种特殊形式的脂筏，具窖蛋白。脂筏，具窖蛋白。囊状凹陷囊状凹陷。脂筏模型脂筏模型第三节第三节 膜骨架膜骨架一、一、膜骨架的定义膜骨架的定义二、二、红细胞的生物学特征红细胞的生物学特征三、三、红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架膜骨架的定义膜骨架的定义是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持细胞膜的形状并协成的网架结构，参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特征红细胞的生物学特