第4章细胞质膜

1、plasma membrane and its surface structures本章内容提要本章内容提要第一节第一节 质膜的化学组成质膜的化学组成一、膜脂一、膜脂二、膜蛋白二、膜蛋白第二节第二节 质膜的结构质膜的结构一、质膜结构的研究历史一、质膜结构的研究历史二、质膜的流动镶嵌模型二、质膜的流动镶嵌模型三、细胞膜的功能三、细胞膜的功能第三节第三节 细胞表面的分化细胞表面的分化一、细胞外被一、细胞外被二、膜骨架二、膜骨架三、质膜的特化结构三、质膜的特化结构 膜的概念：膜的概念： 细胞膜细胞膜( (cell membrane) ) ：是包围在细胞质外：是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜。它

2、既是细胞质与外环境周的一层界膜，又称质膜。它既是细胞质与外环境之间的一道屏障，又是细胞与外环境之间进行物质、之间的一道屏障，又是细胞与外环境之间进行物质、能量的交换和信息传递的特别通道。能量的交换和信息传递的特别通道。 内膜系统内膜系统( (endomembrane system) )细胞膜外的细胞膜外的其他膜结构，是许多细胞器的界膜。其他膜结构，是许多细胞器的界膜。 生物膜生物膜(biomembrane) ：细胞膜和细胞内膜统：细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。称为生物膜。 单位膜单位膜(unit membrane)：在透射电镜下呈现：在透射电镜下呈现为为“两暗夹一明两暗夹一明”的三层结构。的三

3、层结构。 细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定， 并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、 分化中起重要作用。细胞质膜模式图 红细胞膜的结构红细胞膜的结构 显示暗显示暗-明明-暗三层结构暗三层结构 第一节第一节 质膜的化学组成质膜的化学组成 质膜主要由膜脂膜脂和膜蛋白膜蛋白组成，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。 膜脂生物膜生物膜基本骨架基本骨架 膜蛋白多种方式多种方式与脂双

4、层结合与脂双层结合 膜糖质膜表面质膜表面磷脂糖脂胆固醇与脂类结合- 糖脂与蛋白结合- 糖蛋白细胞膜的基本骨架一、膜脂一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂磷脂、糖脂和胆固醇胆固醇三种类型。（一）、磷脂（一）、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）。1、甘油磷脂、甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子磷酸基团连接到脂分子上

5、。主要类型有： 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，pc，旧称卵磷脂 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，ps 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，pe，旧称脑磷脂 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，pi 双磷脂酰甘油diphosphatidylglycerol, dpg，旧称心磷脂磷脂酰乙醇胺的分子结构 phospholipids in plasmamembranesopooo-ch2ch2+nh3ch2hch2cooco coopooo-ch2c+nh3ch2hch2coococoopooo-ch2ch2+nch2hc

6、h2coocococoo-hch3ch3h3cr1r2r1r2r1r2pooo-ch2hch2coococor1r2hohohhohohhhohohohpepspcpi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双磷脂酰甘油diphosphatidylglycerolochcor2ch2ch2ocor1opooohch2cohhch2opooohch2chocor4ch2ocor32、鞘磷脂、鞘磷脂 鞘磷脂（鞘磷脂（sphingomyelin，sm）在脑和神经细胞）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为

7、骨架，）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。与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。 糖脂是含有糖脂是含有1个或几个糖基的脂类。个或几个糖基的脂类。 分子组成：主要是鞘氨醇的衍生物。分子组成：主要是鞘氨醇的衍生物。 糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的含量约占膜脂总量的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5-10。糖脂也是两性分子。结糖脂也是两性

8、分子。结构与鞘磷脂（构与鞘磷脂（ sm ）相似，）相似，只是由一个或多个糖残基代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。替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 分布：均位于膜的非细胞质侧的单层分布：均位于膜的非细胞质侧的单层, ,糖基暴露在细胞表面，与细胞识别及信糖基暴露在细胞表面，与细胞识别及信息传导有关。息传导有关。功能：功能：1. 膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，它们可以提高膜的稳定性，膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，它们可以提高膜的稳定性，2. 增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，3. 帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确

9、的三维构型。帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。4. 膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样，膜蛋白中的膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样，膜蛋白中的糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。5. 糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位 glycolipids鞘氨醇glycolipids abo血型决定子(determinant)，即abo血型抗原，它是一种糖脂， 其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用 血型抗原 （三）、胆固醇（三）、胆固醇 主要存

10、在真核细胞膜上，含主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的量一般不超过膜脂的1/3，植，植物细胞膜中含量较少，其功物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。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。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。 胆固醇在脂双层中的位置胆固醇在脂双层中的位置 （四）、脂质体（四）、脂质体（liposome） 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。 人工脂质

11、体可用于：1.转基因(脂质体中裹入脂质体中裹入dnadna可用于基因转移可用于基因转移) )2.制备的药物(在临床治疗中在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体脂质体作为药物或酶等载体)3.研究生物膜的特性(研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质) ) 膜脂的功能：膜脂的功能：1. 支撑，膜脂是细胞的骨架；支撑，膜脂是细胞的骨架；2. 维持构象并为膜蛋白行使功维持构象并为膜蛋白行使功 能提供环境；能提供环境；3. 是部分酶行使功能所必需的。是部分酶行使功能所必需的。二、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是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质

12、中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： 外周蛋白（peripheral protein） 整合蛋白（integral protein） 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein） 蛋白与膜的结合方式蛋白与膜的结合方式 、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白二、膜蛋白1. 外周蛋白特点：占膜蛋白的占膜蛋白的20%30%，分布在膜的内外表面，是水溶性蛋白，分布在膜的内外表面，是水溶性蛋白，它通过离子键、氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过内在它通过离子键、氢键与膜脂分子

13、的极性头部相结合，或通过内在蛋白与膜结合。蛋白与膜结合。外在膜蛋白的结合力较弱，一般用一些温和的方法既可将他们从外在膜蛋白的结合力较弱，一般用一些温和的方法既可将他们从膜上分离下来而不破坏膜的其他结构。膜上分离下来而不破坏膜的其他结构。 二、膜蛋白2.内在蛋白特点：占膜蛋白的占膜蛋白的70%80%，可不同程度地嵌入脂质双分子层中，根，可不同程度地嵌入脂质双分子层中，根据嵌入程度的不同有：嵌入蛋白和跨膜蛋白。跨膜蛋白根据其跨据嵌入程度的不同有：嵌入蛋白和跨膜蛋白。跨膜蛋白根据其跨膜次数的不同有：单次跨膜蛋白和多次跨膜蛋白。膜次数的不同有：单次跨膜蛋白和多次跨膜蛋白。内在膜蛋白的结合力较强，以非极

14、性氨基酸与脂双分子层的非极内在膜蛋白的结合力较强，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用只有用去垢剂处理，破坏膜结构，才能将他们性疏水区相互作用只有用去垢剂处理，破坏膜结构，才能将他们分离出来。分离出来。跨膜蛋白（跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常），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，非离子型去垢剂子型去垢剂triton-x100。工作原理：去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子，工作原理：去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子

15、， 它们具有极性它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中， 形成溶于水的去垢剂形成溶于水的去垢剂-膜膜蛋白复合物，蛋白复合物， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀 h3c(ch2)11oso3na+h3ccch3ch2ch3cch3ch3(och2ch2)10ohsdstriton-x100去垢剂在膜蛋白分离中的作用去垢剂在膜蛋白分离中的作用 外在外在( (外周外周) )膜蛋白膜蛋白

16、(extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表 面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合， 易分离。 内在（整合）膜蛋白内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 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。 脂质锚定蛋白脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过糖脂、长烃链或脂肪酸锚定，共价结合。总结总结第二节 质膜的结构1. e. overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过发现凡是溶于

17、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，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。因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。一、质膜结构的研究历史一、质膜结构的研究历史2. e. gorter & f. grendel 1925 用有机溶剂提取了人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。膜由双层脂分子组成。一、质膜结构的研究历史一、质膜结构的研究历史3

18、、j. danielli & h. davson 1935 发现质膜的表面张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。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。有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。 一、质膜结构的研究历史一、质膜结构的研究历史4、j. d. robertson 1959 用超薄切片技术获得了清用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗晰的细胞膜照片，显示暗-明明-暗三层结构，它由厚约暗三层结构，它由厚约3.

19、5nm的双层脂分子和内外表面各厚约的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质的蛋白质构成，总厚约构成，总厚约7.5nm。5、s. j. singer & g. nicolson 1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”。 、脂筏模型（、脂筏模型（lipid rafts） 生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同“脂筏脂筏”一样载一样载着各种蛋白质。着各种蛋白质。富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示70nm 左右，左右，是

20、一种动态结构是一种动态结构1、细胞膜具有流动性 定义： 生物膜内部的黏滞特性。与膜脂肪酸的饱和度和胆固醇含量密切有关。膜流动性使膜内分子可侧向移动,有的还能翻转移动。 2、细胞膜具有不对称性 定义：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。二、生物膜的特征二、生物膜的特征（一）、膜的流动性（一）、膜的流动性 质膜流动性的影响因素：质膜流动性的影响因素：（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

21、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。二、生物膜的特征二、生物膜的特征人-鼠细胞融合实验 标记：用发绿光的荧光素标记能小鼠细胞表面抗标记：用发绿光的荧光素标记能小鼠细胞表面抗原结合的抗体；用发红光的荧光素标记能与人体原结合的抗体；用发红光的荧光素标记能与人体细胞表面抗原结合的抗体；细胞表面抗原结合的抗体； 融合：将两种细胞混合（加入仙台病毒即可实融合：将两种细胞混合（加入仙台病毒即可实现）。现）。培养：在不同的培养时间下取样观察。培养：在不同的培养时间下取样观察。 培养之初观察：标记物分别在各自细胞膜上分布。培养之初观察：标记物分别在各自细胞膜

22、上分布。 37孵育孵育40分钟观察：两种标记物分别移到对分钟观察：两种标记物分别移到对方细胞膜中。方细胞膜中。 膜蛋白的流动具有区域性。这与细胞功能密切相膜蛋白的流动具有区域性。这与细胞功能密切相关。关。淋巴细胞成班成冒反应荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching frap)-细胞膜蛋白运动动力学参数细胞膜蛋白运动动力学参数 定义：是使用亲脂性或亲水性的荧光分子，如荧光素、绿色荧光蛋白等与蛋白或脂质耦联，用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部运动及其迁移速率。原理：用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细

23、胞表面某一区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。膜脂分子的运动方式膜脂分子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。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。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。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。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。翻转运动：膜脂分子

24、从脂双层的一层翻转到另一层。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。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-c键旋转。键旋转。（二）、膜的不对称性（二）、膜的不对称性 质膜内外两层的组分和功能的差异，称为质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。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：断面命名为：es，细胞外表面（，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；）；ef，细胞外小页断面（，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；）；p

25、s，原生质表面（，原生质表面（protoplasmic surface）；）；pf，原生质小页断面（，原生质小页断面（protoplasmic face） 。 冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术(freeze-etching)原理：标本置于-100c的干冰或-196c的液氮中，进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华，暴露出断面结构，称为蚀刻（etching）。蚀刻后，向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂，再以90度角喷涂一层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中

26、细胞断裂面处的结构。 1、膜脂的不对称性：、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脂筏。 2复合糖的不对称性：复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。 3、膜蛋白的不对称性：、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。三、细胞膜的功能三、细胞膜的功能1.为细胞的生命活动提

27、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。第三节 细胞表面特化结构 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持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。一、细胞外被 动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。 作用：作用：保护，细胞通

28、信，并与细胞表面的抗原性有关。 红细胞质膜上的糖鞘脂是ab0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。a型血的糖链末端为n-乙酰半乳糖；b型血为半乳糖；o型血则缺少这两种糖基。simplified diagram of the cell coat (glycocalyx) 二、膜骨架二、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。 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）。红细胞膜骨架 指质膜下与膜蛋白相连由纤维蛋白组成的网架结构红细胞膜骨架包括：红细胞膜骨架包括： 血影蛋白血影蛋白 肌动蛋白肌动蛋白 锚定蛋白锚定蛋白 带带4.14.1蛋白蛋白 带带3 3蛋白蛋白三、质膜的特化结构 质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱