第四章细胞质膜——翟中和细胞生物学

1、第四章第四章 细胞质膜细胞质膜本章内容 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型 生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能 膜骨架膜骨架v细胞质膜细胞质膜曾称细胞膜：是指围绕在细胞最外曾称细胞膜：是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。v生物膜生物膜：真核细胞内部存在着由膜围绕构建：真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器。细胞内的膜系统与细胞膜统的各种细胞器。细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜。称为生物膜。第一节第一节 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型 一、一、生物生物膜的结构模型膜的结构模型 二、二、膜脂膜脂 三、三、膜蛋白膜蛋白 一、生物膜的结

2、构模型一、生物膜的结构模型戈特戈特 (Gorter)和格兰戴尔和格兰戴尔( Grendel)(1925年年),脂双层模型脂双层模型 戴夫森戴夫森(Davson)和丹尼利和丹尼利(Daniellie) (1935年年),三明治模型三明治模型罗伯逊(Robertson)(1959年年),单位膜模单位膜模型型辛格(Singer)和和尼科尔森(Nicolson) (1972年年),流动镶嵌模型流动镶嵌模型脂筏模型脂筏模型:在生物膜上富含胆固醇, 形成有序的脂相，如同“脂筏”一样, 并载有各种蛋白。研究简史目前对生物膜结构的认识可归纳如下：目前对生物膜结构的认识可归纳如下： (1) 膜脂主要由磷脂分子构

3、成, 磷脂分子具有极性头部和非极性尾部。在水相中以疏水性非极性尾部相对、极性头部朝向水相自发形成磷脂双分子层的封闭的膜系统。(2) 蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不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。(3) 在膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与膜两侧其他生物大分子之间的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。二、膜二、膜 脂脂、成成 分分 膜脂是生物膜的基本组成成分。 主要包括：磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。、膜脂的运动方式膜脂的运动方式、脂质体脂质体、膜脂成分、膜脂成分1、磷脂磷脂：膜脂的基本成分，占整个

4、膜质的：膜脂的基本成分，占整个膜质的5050以上。以上。1.1 1.1 类型类型: : 分为甘油磷脂和鞘磷脂二类分为甘油磷脂和鞘磷脂二类甘油磷脂甘油磷脂磷脂酰胆碱（卵磷脂PC）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂PE）磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇（PI）鞘磷脂鞘磷脂磷脂磷脂 1.2 1.2 主要特征主要特征 具有一个极性头和两个非极性的尾具有一个极性头和两个非极性的尾( (脂肪酸链脂肪酸链) )（心磷脂心磷脂双双磷脂酰甘油（磷脂酰甘油（DPGDPG）除外）；除外）； 脂肪酸碳链碳原子为偶数脂肪酸碳链碳原子为偶数, , 多数碳链由多数碳链由16,1816,18或或2020个组成；个组成； 除饱和脂肪酸外，还常

5、含有除饱和脂肪酸外，还常含有 不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸(如油酸如油酸)，不饱，不饱 和脂肪酸多为顺式，顺式双键和脂肪酸多为顺式，顺式双键 在烃链中产生约在烃链中产生约30弯曲。弯曲。 2、糖脂（、糖脂（Sphingolipid） ：普遍存在于原核和真核细胞膜：普遍存在于原核和真核细胞膜上上, 占膜脂的占膜脂的5%以下；如脑苷脂、神经节苷脂和人的以下；如脑苷脂、神经节苷脂和人的ABO血型抗原。血型抗原。（由糖残基与神经酰胺连接）（由糖残基与神经酰胺连接）、膜脂成分、膜脂成分、膜脂成分、膜脂成分 3 3、胆固醇、胆固醇v分布：分布：胆固醇存在于动物细胞和少数植物细胞质膜上（30% 以下），细菌质膜

6、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。v功能：功能：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、膜脂的运动方式、膜脂的运动方式1.沿膜平面的侧向运动 其扩散系数为10-8cm2/s,相当于每秒移动2m的距离。由于侧向运动产生分子间的换位，其交换频率在106次/s以上。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。 2.脂分子围绕轴心的自旋运动 3.脂分子尾部的摆动 脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆动较大。X射线衍射分析显示，在距头部第9个碳原子以后的脂肪酸链已由较为有序变成无序状态。 4双层脂分子之间的翻转运动 一般情况下翻转运动极少发生。但在细胞某

7、些膜系统中发生的频率很高，特别是在内质网膜上，新合成的磷脂分子经几分钟后，将有半数从双层脂分子的一侧通过翻转运动转向另一侧。 脂分子的运动不仅与脂分子的类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜周围的生物大分子之间的相互作用以及温度等环境条件有关。 、脂、脂 质质 体体 脂质体脂质体是根据磷脂分子可在水是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。势而制备的人工膜。 脂质体的类型脂质体的类型 脂质体的应用脂质体的应用脂质体的类型脂质体的类型单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面。搅单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾

8、部面向空气界面。搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团(a)(a)或形成双或形成双层脂分子的球形脂质体层脂分子的球形脂质体(b)(b) 。球形脂质体直径为。球形脂质体直径为251000nm不等，控制形成条不等，控制形成条件可获得大小均一的脂质体，同样的原理还可以制备平面的脂质体膜件可获得大小均一的脂质体，同样的原理还可以制备平面的脂质体膜(c) 。 用于用于疾病治疗的脂质体的示意图疾病治疗的脂质体的示意图(d）。）。脂质体的应用脂质体的应用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；脂质体中裹入

9、脂质体中裹入DNADNA可用于基因转移；可用于基因转移；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三、膜三、膜 蛋蛋 白白、膜蛋白的类型膜蛋白的类型、内在膜蛋白与膜脂结合的方式内在膜蛋白与膜脂结合的方式、去垢剂去垢剂(detergent)(detergent)外在外在( (外周外周) )膜蛋白：膜蛋白： 水溶性蛋白水溶性蛋白, ,靠离子键或其它弱键与膜靠离子键或其它弱键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子极性头部非表面的膜蛋白分子或膜脂分子极性头部非共价结合，易分离。共价结合，易分离。 内在（整合）膜蛋白内在（整合）膜蛋白 ： 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜水不溶性

10、蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密结合紧密,需用去垢剂使膜崩解后才可分离。需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 脂锚定蛋白：脂锚定蛋白： 通过与之共价相连的脂分子插入膜的通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，从而锚定在细胞质膜上。脂双分子中，从而锚定在细胞质膜上。 、膜蛋白的类型、膜蛋白的类型、内在膜蛋白与膜脂结合的方式内在膜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。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的氨基酸残基与磷脂分子带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负

11、电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 CaCa2+2+、MgMg2+2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。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 合脂肪酸分子合脂肪酸分子, ,插入脂双层之间插入脂双层之间, ,进一步加强膜蛋白与脂进一步加强膜蛋白与脂 双层的结合力双层的结合力, ,还有少数蛋白与糖脂共价结合。还有少数蛋白与糖脂共价结合。内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式如下：(1)跨膜结构域形成螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用。(2)

12、某些螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，螺旋的外侧是非极性链，内侧是极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。(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。螺旋中相邻二个氨基酸残基的轴向距离为0.15nm，而在折叠片中为0.35nm。反向平行的折叠片相互作用形成非特异的跨膜通道，可允许相对分子质量小于104的小分子自由通过。、去垢剂、去垢剂去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子, ,是分离是分离与研究膜蛋白的常用试剂。与研究膜蛋白的常用试剂。 离子型去垢剂离子型去垢剂( (十二

13、烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠 SDS)SDS)：它可使细胞膜崩解，它可使细胞膜崩解，与膜蛋白疏水部分结合使其分离，还可破坏蛋白内部非共价键，与膜蛋白疏水部分结合使其分离，还可破坏蛋白内部非共价键，甚至改变亲水部分的构象。甚至改变亲水部分的构象。 非离子型去垢剂非离子型去垢剂（Triton X-100Triton X-100）：）：也可使细胞膜崩解，也可使细胞膜崩解，但对蛋白作用较温和，用于膜蛋白的分离与纯化，也用于除去细但对蛋白作用较温和，用于膜蛋白的分离与纯化，也用于除去细胞膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白进行研究。胞膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白进行研究。 第二节第二节 生物膜结构的

14、特征与功能生物膜结构的特征与功能膜的膜的流动性流动性：生物膜的基本特征之一：生物膜的基本特征之一, , 细胞进行生命活动的必要条件。细胞进行生命活动的必要条件。 膜的膜的不对称性不对称性一、膜的流动性一、膜的流动性、膜脂的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它主要是由膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它主要是由脂分子本身的性质决定的脂分子本身的性质决定的 。脂肪酸链越短脂肪酸链越短, ,不饱和程度越高不饱和程度越高, ,膜脂的流动性越大。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

15、量来调节膜脂的相变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。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。节作用。 一、膜的流动性一、膜的流动性、膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性荧光抗体免疫标记实验荧光抗体免疫标记实验 成斑现象成斑现象(patching)(patching)或成帽现象或成帽现象(capping) (capping) 膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动

16、。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。性的重要因素。、荧光漂白恢复技术、荧光漂白恢复技术 程序程序： 用荧光素标记膜蛋白或用荧光素标记膜蛋白或膜质，然后用激光束照射细膜质，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，变暗区域的亮度的流动性，变暗区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。围的荧光强度相等。 根据荧光恢复的速度可推根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。算出膜蛋白或膜脂扩散速度。一、膜的流动性一、膜的流动

17、性研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。术之一。、细胞质膜各部分名称、细胞质膜各部分名称与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(ES)与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(PS)。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，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(EF)和原生质小页断裂面(PF)。二、膜的不对称性二、膜的不对称性、膜脂的不对称性、膜脂的不对称性膜质的不对称性：指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础。磷脂分子不对称分布的生物学意义还不清楚，有人推测可能与其合成部位有关，

18、还有可能与膜蛋白的不对称分布有关。 磷脂在红细胞质膜上的分布SM：鞘磷脂；PC:卵磷脂；PS：磷脂酰丝氨酸；PE ：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇二、膜的不对称性二、膜的不对称性质膜外小页质膜外小页质膜内小页质膜内小页占膜质总量的百分数占膜质总量的百分数二、膜的不对称性二、膜的不对称性、膜蛋白的不对称性、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确定的方向性； 例如：糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面； 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上 有序的各种生理功能的保证。三、细胞质膜的功能三、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为细

19、胞的生命活动提供相对稳定的内环境; ; 选择性的物质运输选择性的物质运输, ,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除包括代谢底物的输入与代谢产物的排除, ,其中伴随其中伴随着能量的传递着能量的传递; ; 提供细胞识别位点提供细胞识别位点, ,并完成细胞内外信息跨膜转导并完成细胞内外信息跨膜转导; ; 为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点, ,使酶促反应高效而有序地进行使酶促反应高效而有序地进行; ; 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接; ; 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构； 膜蛋白的遗传与某些遗传病、

20、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病相关，膜蛋白的遗传与某些遗传病、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。第三节第三节 膜骨架膜骨架 细胞质膜常常与膜下结构细胞质膜常常与膜下结构( (主要是细胞骨架系统主要是细胞骨架系统) )相互联系、相互联系、 协同作用协同作用, , 并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。 一、膜骨架膜骨架膜骨架的概念膜骨架的概念 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

21、并协助质膜完成多种生理功能。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。 二、红细胞的生物学特性红细胞的生物学特性 三、红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架v哺乳动物成熟的红细胞没有哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核细胞核和和内膜系统内膜系统，细胞膜既有良好的弹，细胞膜既有良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较容易纯化、分析。性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较容易纯化、分析。v当细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可当细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白。这时红细胞仍然保持原来的形状和大小，这种结构称为红溶性蛋白。这时红细胞仍然保持原来的形状和大小，这种结构称为红细胞影（又称血影）。因此红细胞为研究质膜的结构及其与膜骨架的细胞影（又称血影）。因此红细胞为研究质膜的结构及其与膜骨架的关系提供了理想的材料。关系提供了理想的材料。 二、红细胞的生物学特性红细胞的生物学特性 红细胞膜蛋白红细胞膜蛋白 ( (包括膜骨架蛋白包括膜骨架蛋白) ) SDS-聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺凝胶电泳分析显凝胶电泳分析显示约有示约有15种主要种主要的蛋白带的蛋白带: 三、三、红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜