细胞生物学 第4章 细胞质膜

第四章细胞质膜PLASMAMEMBRANE教学目的要求1.了解生物膜的结构模型2.掌握生物膜的化学组成3.掌握生物膜的基本特征与功能本章内容提要第一节细胞质膜的结构模型第二节生物膜的基本特征与功能第三节膜骨架第一节细胞质膜的结构模型一、细胞膜与生物膜二、细胞膜的结构模型三、生物膜的化学组成一、细胞膜与生物膜1.细胞质膜(plasmamembrane)或细胞膜(cellmembrane)：围绕在细胞最外层的由脂质和蛋白质组成的生物膜。2.生物膜(biomembrane)：细胞的所有膜结构的统称，包括细胞膜和细胞内膜。二、细胞膜的结构模型(一)脂膜结构的研究历史(二)生物膜的结构E.Overton1895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.Grendel1925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，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。(一)脂膜结构的研究历史3.J.Danielli&H.Davson1935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。提出了“蛋白质——脂质——蛋白质”的三明治模型。4.J.D.Robertson1959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。并提出了“单位膜模型”。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972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”。

生物膜是由磷脂双分子层和蛋白质构成,膜蛋白和膜脂均可侧向运动，膜蛋白是镶嵌于脂双分子层中，是不对称分布的。脂筏模型（lipidraftsmodel）：在生物膜上胆固醇富集而形成有序的脂相，如同“脂筏”一样载着各种蛋白。Overton(1890s):LipidnatureofPM;19591972三、生物膜结构特征1、细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。膜的流动性是生物膜的基本特征之一,是细胞进行生命活动的必要条件。2、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；3、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。膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；4、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；三、生物膜的化学组成(一)膜脂：基本骨架(二)膜蛋白：功能的体现者(一)膜脂1.磷脂(phospholipids)

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是：具有一个极性头部和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性尾部。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。(一)膜脂2.糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，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％。半乳糖脑苷脂:最简单的糖脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；神经节苷脂:变化最多、最复杂的糖脂，是神经元质膜中具有特征性的成分。是众多成分的受体，例如：破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素。家族性白痴病：由于缺乏氨基己糖酯酶，不能将胞质中的神经节苷脂GM2，转化为质膜上的GM3，结果使GM2大量积累，导致中枢神经退化。(一)膜脂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。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。3.胆固醇(Cholesterol)胆固醇分子包括三部分：极性的头部：羟基非极性的类固醇环结构一个非极性的碳氢尾部(一)膜脂4.脂质体是一种人工膜。在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。人工脂质体可用于：转基因制备药物研究生物膜的特性(一)膜脂4.膜脂的功能构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境,一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。(二)膜蛋白1.膜周边蛋白(外在膜蛋白)靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合为水溶性蛋白占膜蛋白总量的20%～30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。(二)膜蛋白2.内在膜蛋白(整合蛋白)部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧的蛋白质；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。Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.3.脂锚定膜蛋白

通过与之共价相连的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂双分子中蛋白与膜的结合方式

①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白第二节生物膜的基本特征与功能一、膜的流动性二、膜的不对称性三、细胞膜的功能一、膜的流动性(一)膜脂的流动1.膜脂分子的运动侧向扩散运动：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。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。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C-C键旋转。膜脂分子的运动一、膜的流动性(一)膜脂的流动2.影响膜脂流动性的因素胆固醇：胆固醇对膜脂流动性的调节作用随温度的不同而改变。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。在一定温度下，脂分子从液晶态(能流动具有一定形状和体积的物态)转变为凝胶状(不流动)的晶态。这一能引起物相变化的温度称为相变温度。当环境温度在相变温度以上时，膜脂分子处于流动的液晶态；而在相变温度以下时，则处于不流动的晶态。膜脂相变温度越低，膜脂流动性就越大；反之，相变温度越高，膜脂的流动性也就越小。

胆固醇：胆固醇对膜脂流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，从而降低膜脂的流动性。而在相变温度以下时，胆固醇可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的膜脂流动性剧烈下降。

一、膜的流动性(二)膜蛋白的流动

主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。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。利用细胞融合技术观察蛋白质运动Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑现象(patching)或成帽现象(capping)ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

用光脱色恢复技术根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。一、膜的流动性(三)膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。二、膜的不对称性(一)概念质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。(二)细胞膜各部分的名称ES，细胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmicface）；PS，原生质表面（protoplasmicsurface）；PF，原生质小页断面（protoplasmicface）。兔红细胞的冰冻断裂电镜照片EF细胞外小页断裂面；PF，原生质小页断面。

二、膜的不对称性(三)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。二、膜的不对称性(四)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。

(五)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。(六)不对称的意义膜脂、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。保证了生命活动的高度有序性膜的不对称性膜脂的不对称膜蛋白的不对称膜糖的不对称磷脂与糖脂分布的不对称性

三、细胞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出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；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；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。膜蛋白的异常与某些疾病相关，可作为药物靶标膜功能第三节膜骨架一、膜骨架二、红细胞的生物学特性三、红细胞质膜蛋白及膜骨架一、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成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7μm,厚度1.7μm,表面积为145μm2；红细胞的主要功能是携带O2和运输CO2，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500,000米。要多次穿过小于自身直径一半的微小通道;要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件;又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终保持结构的完整。红细胞的质膜既有良好的弹性又具有较高强度红细胞经低渗处理，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）。大约有15种主要的蛋白带，主要蛋白:血影蛋白(Spectrin)、锚蛋白（ankyrin）、肌动蛋白（actin）、带3蛋白(Band3protein)血型糖蛋白(Glycophorin)带4.1蛋白三、红细胞质膜蛋白及膜骨架1.红细胞质膜蛋白血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。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。带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO3－进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。三、红细胞质膜蛋白及膜骨架1.红细胞质膜蛋白血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸，N端在膜外侧，结