第四章 细胞质膜

第四章细胞质膜要点综述本章主要介绍了细胞膜的基本结构特征及其与其生理功能的联系、膜的化学组成和分子结构模型、特点及功能。通过本章的学习、重点掌握细胞膜的分子结构模型、化学组成和功能特点。考点分析细胞膜、生物膜、单位膜、脂质体等基本概念常以名词解释的形式进行考查。流动镶嵌模型的要点、膜脂的类型及运动方式、膜蛋白的类型及与膜脂的结合方式常以简答或填空的方式。膜的流动性和不对称性及其生物学意义、细胞膜的功能等内容多以论述题的形式进行考查。第四章细胞质膜细胞质膜的结构模型生物膜基本特征与功能膜骨架第一节细胞质膜的结构模型一、生物膜的结构模型二、膜脂三、膜蛋白nextnextnext一、生物膜的结构模型(P83)1.结构模型的研究简史2.模型的综述3.目前对生物膜结构的认识nextnextupnext1.结构模型的研究简史(1)Gorter&Grendel(1925)发现质膜为双层脂分子构成；(2)Danielli和Davson(1935)提出双分子片层结构质膜模型(3)Robertson(1959)提出“单位膜结构模型”(4)Singer和Nicolson（1972）提出流动镶嵌结构模型(5)Wallach(1975)提出晶格镶嵌模型(6)Jain和White（1977）提出板块镶嵌结构模型(7)近年来，脂筏(1988)模型荣获1972年诺贝尔奖！暗线明线暗线横切面蛋白质脂类双分子片层结构模型②

流动性：②流动性：构成膜的蛋白质分子和脂类分子在膜中的位置不断发生变化，脂类分子可发生侧向流动和倒翻等变化，蛋白质分子在膜中的位置亦可发生变动。①

镶嵌性：①镶嵌性：膜的基本结构是由脂双分子层镶嵌以蛋白质构成。双层脂分子以疏水尾相对，极性头朝向膜外水相；蛋白质则以不同程度镶嵌在脂双层中。④蛋白质极性：④蛋白质极性：膜整合蛋白多肽链的极性区露出膜表面，而非极性区则埋在脂双层的内部，故蛋白质分子既与水溶性分子结合，也可与脂溶性分子亲和。③

不对称性：③不对称性：膜两侧的分子性质和结构不同，包括膜蛋白和膜脂在脂双层中的不对称分布。2.模型的综述：各类生物膜的四大特征3.目前对生物膜结构的认识1、具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭膜系统的性质，疏水的非极性头部相对，极性头部朝向水相，这种磷脂双分子层是组成磷脂双分子层的基本结构。2、蛋白分子以不同方式镶嵌在膜质双分子层中或其表面，蛋白分子类型，蛋白分布的不对称性及其与磷脂分子的协同作用赋予生物膜各自不同的特性与功能。3、生物膜可看成是蛋白质在磷脂双分子中的二维溶液。二、膜脂（一）膜脂成分（二）膜脂运动方式（三）脂质体亲水头端疏水尾端亲水头端疏水尾端亲水头端（一）膜脂成分总体功能：提供膜蛋白或酶的支架，为膜蛋白维持构象、表现活性及酶存活并发挥作用创造条件。为细胞提供进行生命活动的稳定环境。磷脂酰胆碱

磷脂酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸磷脂酰甘油结构特点：具有极性的头和非极性的尾所含的两个长的烃链使整个分子的一部分带有非极性的性质，称为非极性的尾。而甘油分子的第三个羟基与磷酸形成酯键，因而具有极性，把这个极性部分称为极性头。鞘脂类动物和植物细胞膜的重要的组分。也具有极性的头和非极性的尾。包括鞘磷脂、脑苷脂、神经节苷脂类。例鞘磷脂类是由鞘氨醇（２－氨基－４－十八碳－１，３－二醇）的氨基与一脂肪酸以酰胺键相联，它的羟基与磷酸胆碱以酯键相连构成。其结构如下：具有极性的头和非极性的尾鞘氨醇磷脂的结构返回

糖脂（Glycosphingolipids）糖脂：一个或多个单糖残基与脂类部分、单脂酰或二脂酰甘油以糖苷键相连所形成的化合物，也是构成双层脂膜的结构物质。糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。结构为：半乳糖R-Glu-Gal-GlcNAc-Gal

FucO抗A和抗B无OR-A型和B型抗原序列所有无A和BABR-Glu-Gal-GlcNAc-Gal-Gal

FucB和O抗ABBR-Glu-Gal-GlcNAc-Gal-GalNAc

FucA和O抗BAA糖链序列可受血型血浆抗体细胞表面抗原血型红细胞质膜上的糖鞘脂是ABO血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。第一节质膜的分子结构注：Fuc，岩藻糖；Gal，半乳糖；GalNAc，乙酰半乳糖返回例题决定A血型和其它血型差异是由于A血型外被寡糖链末端是（）。A.岩藻糖B.半乳糖C.N-乙酰半乳糖胺D.N-乙酰葡萄糖胺胆固醇

Sterols胆固醇是一种类脂化合物,在生物膜中含量较多。胆固醇以中性脂的形式分布在双层脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用，有利于保持膜的流动性和降低相变温度。（二）膜脂运动方式1.膜脂分子在膜内的运动方式ⅰ侧向扩散或侧向转移（基本运动方式）,其扩散速率为10-8cm2/s；ⅱ自旋运动;ⅲ脂分子尾部的摆动;ⅳ翻转运动:发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。膜的运动方式①脂肪酸链的不饱和程度(不饱和脂肪酸越多,流动性越大)②脂肪酸链的长度(脂肪酸链短，相变温度低，流动性大)③胆固醇/磷脂的比值(胆固醇含量增加，膜脂流动性降低)④卵磷脂/鞘磷脂比值(鞘磷脂含量高，流动性低)⑤膜蛋白的影响(结合蛋白质，影响其流动性)此外，膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。第一节质膜的分子结构2.膜脂分子运动性的影响因素下一页例题1.简述新生儿呼吸窘迫症同细胞膜的关系。新生儿呼吸窘迫症与其细胞质膜中卵磷脂/鞘磷脂比值过低有关，限制了膜流动性，影响02/co2的交换。2.动脉硬化的细胞学基础是什么？膜脂组成成分发生改变，使得膜的流动性降低。如胆固醇比值升高、卵磷脂/鞘磷脂比值过低等。（中山大学2004）从不同的环境中分离到两种细菌：一种是从平均温度为40℃的温泉中分离的，另一种是从平均温度为-4℃的冷水湖中分离的。问：A.推测两种细菌的细胞质膜中，哪一种具有较多的不饱和脂肪酸？B.哪一种细菌质膜中的脂肪酸链较长？C.在27℃时哪一种细菌质膜的流动性高？在低温时，提高培养细胞质膜的胆固醇的量，将会（）A.提高膜的流动性B.降低膜的流动性C.提高水的通透性D.可以稳定蛋白脂质体的概念:脂质体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。脂质体的类型。脂质体的应用（三）脂质体(liposomep88)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；生物膜研究脂质体中裹入DNA可用于基因转移；转基因在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体.医学小知识：脂质体的药用脂质体是一种定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。它可以将药物粉末或溶液包埋在直径为纳米级的微粒中，这种微粒具有类细胞结构，进入人体内主要被网状内皮系统吞噬而激活机体的自身免疫功能，并改变被包封药物的体内分布，使药物主要在肝、脾、肺和骨髓等组织器官中积蓄，从而提高药物的治疗指数，减少药物的治疗剂量和降低药物的毒性。三、膜蛋白膜脂构成了膜的基本框架，但膜的许多功能是由膜蛋白来执行的——蛋白质是构成膜的另一种主要成分。（一）膜蛋白类型（二）膜内在蛋白与膜脂结合的方式（三）去垢剂（一）膜蛋白类型1.根据与磷脂互作方式和在磷脂中的位置，分为（1）膜周边蛋白(外在膜蛋白)（2）膜整合蛋白(内在膜蛋白)（3）脂锚定蛋白2.根据功能分为(1)受体蛋白(2)载体蛋白(3)酶蛋白(4)链接蛋白质膜的标志酶：Na-K-MgATPasenext整合膜蛋白膜蛋白的存在形式外在蛋白脂锚定蛋白请简述脂锚蛋白的来源与形成。（中山大学2005）答：新合成的蛋白质除了跨膜或ER腔中的游离蛋白外，还会通过酰基化与ER膜上的糖脂结合，将自己锚定在ER膜上。新合成的ER蛋白被信号肽酶从ER上切割之后，立即通过羧基端与存在于ER上糖脂PI结合，形成脂锚定蛋白的简化过程。形成的该蛋白进一步的运输成为质膜外侧的膜蛋白。（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。（三）去垢剂1.离子型(SDS)去垢剂2.非离子型（TritonX-100）用途：分离纯化膜蛋白；去除生物膜去垢剂是一端亲水、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（TritonX-100）SDS:CH3-(CH2)11-OSO3-Na+

CH3CH3

CH3

–C

–CH2

–C

–(O-CH2-CH2)10-OH

CH3CH3返回

膜蛋白功能如何测定？以钠/钾泵为例利用脂质体法：用TritonX-100使膜脂溶解，分离到有生物功能的膜蛋白。制备人工脂质体时，加入纯化的膜蛋白，膜蛋白就会插入到脂质体中，接着用透析法除掉去垢剂，即可形成脂质体小泡。如果分离的膜蛋白是钠/钾泵成分，这些重建的小泡在镁离子和ATP的存在下，可进行钠/钾的主动运输，通过对脂质体内外钠离子和钾离子浓度的测定即可确定加入到人工脂质体上的蛋白是否是钠/钾泵。第二节生物膜基本特征与功能一、膜的流动性二、膜的不对称性三、细胞质膜的基本功能一、膜的流动性（一）膜脂的流动性（二）膜蛋白的流动性（三）光脱色恢复技术（一）膜脂的流动1.运动方式（见前文说明）主要是侧向运动。2.影响流动的因素（见下一页）3.膜脂流动的意义

保障细胞生理功能的完成。①脂肪酸链的不饱和程度(不饱和脂肪酸越多,流动性越大)2.影响膜脂分子流动性的因素②脂肪酸链的长度(脂肪酸链短，相变温度低，流动性大)③胆固醇/磷脂的比值(胆固醇含量增加，膜脂流动性降低)④卵磷脂/鞘磷脂比值(鞘磷脂含量高，流动性低)⑤膜蛋白的影响(结合蛋白质，影响其流动性)此外，膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。（二）膜蛋白的流动1.膜蛋白运动方式2.影响膜蛋白流动的因素3.膜蛋白流动的意义1.细胞融合实验2.淋巴细胞的成斑和成帽反应膜的流动性不是质膜所独有的属性，细胞内的各种膜，如内质网膜、线粒体膜等也都具有流动性。有许多实验结果支持了膜具有流动性的观点。下一页鼠抗体人抗体仙台病毒融合细胞细胞融合实验返回成斑成帽成斑反应成帽反应1.膜蛋白运动方式侧向扩散：膜蛋白沿膜的二维表面运动；旋转：绕与膜平面相垂直的轴线旋转。①周围膜脂的性质和相态：处于晶态脂质之滞流区中的膜蛋白不易运动；处于液态脂质区的膜蛋白则易于发生运动。2、膜蛋白的运动性的制约因素：②质膜相关结构的作用：膜蛋白在膜中的运动并不是随脂质随机漂流，它还要受膜相关结构的影响。③细胞骨架的作用：细胞质中的细胞骨架对膜蛋白的运动性具有动态控制作用（微管可固定膜蛋白的位置；而微丝可引起膜蛋白的运动）。在膜蛋白运动方面必然存在着一种跨膜的控制系统!3.膜蛋白流动的意义保障细胞生理功能的完成。1.膜蛋白酶活性：适宜的膜流动性是维持酶构象的必要条件;2.物质运输：载体蛋白,受体介导内吞等均需要膜的流动性;3.细胞的信息传递：细胞的传递系统在膜上(激素及药物的作用需要适宜的膜流动性才能进行信号传递);4.细胞周期：分裂期最高,G1、S期最低;5.发育：一般,成体细胞的膜流动性要小于幼体细胞;经代谢来进行调节控制。(如贫血RBC低;癌细胞高)6.植物耐寒性：与在低温下能否保持生物膜的流动性有关。总结：膜的流动性的生理意义（三）光脱色恢复技术(fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP)1.技术流程(1)荧光标记(2)激光处理（脱色）(3)荧光恢复(4)结果计算2.用途研究膜的流动性二、膜的不对称性(一)质膜各部分名称(二)膜脂的不对称性(三)膜蛋白的不对称性(一)质膜各部分名称ES(细胞外表面)EFPS(原生质表面)PF细胞质细胞外(二)膜脂的不对称性1.含义：同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布.外脂单层主要由磷脂酰胆碱和鞘磷脂组成；内脂单层则是由磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺组成；糖脂的糖侧链都分布在质膜外表面(ES)。在人RBC质膜中，卵磷脂(lecithin)(磷脂酰胆碱)和鞘磷脂(sphingomyelin)存在于脂双层的外单层。脂双分子层的内外两层是不对称的：而含氨基的脂类（如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸）则主要存在于质膜脂双层的内单层。外层内层脂双层磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺镰刀状贫血病糖尿病红细胞未分化肿瘤细胞……等疾病2.膜脂双层的不对称性的维持有着重要的生理意义！

保障细胞生理功能的完成。如有一些疾病，在膜脂双层的不对称方面有所反映：由质膜脂双层不对称性发生紊乱的现象(三)膜蛋白的不对称性1.含义：每种膜蛋白在质膜上有明确方向性；内层膜多于外层膜如：糖蛋白的糖残基都分布在质膜外表面(ES);腺苷酸环化酶主要分布在膜内表面;非专一性的Mg2+-ATP酶,乙酰胆碱酯酶等分布在膜外表面.2.意义

保障细胞生理功能的完成。三、细胞质膜的基本功能1、为细胞生命活动提供相对稳定的内环境；2、选择性物质运输（有时伴随能量传递）；3、提供细胞识别位点，完成跨膜信息传递；4、提供酶结合位点，保证酶促反应进行；5、介导细胞与细胞、细胞与基质间的联系；6、参与形成各种细胞表面特化结构。7、膜蛋白的异常与某些遗传病、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。返回第三节膜骨架要求掌握：一、膜骨架什么是膜骨架二、红细胞的生物学特性什么是血影?三、红细胞质膜蛋白及膜骨架SDS电泳显示红细胞膜蛋白的组成？膜骨架蛋白组成？各组成蛋白的主要作用？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。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。当细胞经过低渗处理后,质膜破裂,同时释放出血红蛋白和其他胞内可溶性蛋白,这时红细胞仍然保持原来的形状和大小,这种结构为血影.三、红细胞质膜蛋白及膜骨架nextSDS电泳分析血影的蛋白成分为:红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白,肌动蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白,带4.1蛋白和锚蛋白。膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白,肌动蛋白,

带4.1蛋白和锚蛋白等。例题：为什么带3蛋白又叫阴离子传递蛋白？答：红细胞质中水溶性的HCO3-阴离子通过红细胞质膜中的带3蛋白，同氯离子进行交换排出红细胞，所以带3蛋白称为阴离子交换蛋白。膜骨架(membraneskeleton)哺乳动物红细胞膜骨架的电镜照片锚定蛋白ankyrin肌动蛋白接点复合体actininJunctionalcomplex血影蛋白spectrinupup要点:肌动蛋白纤维(结合位点为5个左右)与血影蛋白结合形成一个网络状的膜骨架结构；膜骨架网络与细胞膜间的连接主要通过锚蛋白（10万/细胞）；锚蛋白有两个功能结构域;带4.1蛋白与血型糖蛋白的细胞质结构域(C端)或带3蛋白结合。真题示例名词解释：细胞系、脱分化、对向运输、同向运输、胞吐作用、相变温度：指物质在不同相之间转变时的临界温度。或者指膜脂发生相态转变的温度。在相变温度时，膜脂的流动性会随之改变，由液相转变为凝胶相或由凝胶相转变为液相。判断题：1.胆固醇对膜流动性发挥双重调节作用。2.载体蛋白只介导主动运输。3.V-型质子泵与P-型质子泵一样都形成磷酸化中间产物。4.细胞膜的ES面和PS面都有糖链分布。5.简单扩散（自由扩散）存在最大转运速率。6.动物、植物、真菌和细菌细胞膜均有Na+-K+泵。组成生物膜中胆固醇成份对于生物膜的主要作用是（）和（）。问答题：试述细胞内的膜泡运输。比较协助扩散与协同运输的异同点。细胞膜的运输有哪几种形式？简述协助扩散的特点。什么叫脂质体？举例说明脂质体技术在基因工程及其它研究领域的应用。论述生物膜的流动性与膜组份的相互关系，以及生物膜的流动性在细胞生命活动中的重要意义。（或者论述组成生物膜的膜脂分子和膜蛋白分子的运动方式以及生物膜的流动性与膜组份的关系。）一、名词解释band3protein带Ⅲ蛋白Biomolecularleafletmodel双分子片层模型blockmosaicmodel板块镶嵌模型extrinsicprot