第四章细胞质膜12

第四章细胞质膜

真核细胞内部存在由膜分隔成的各种细胞器，这些细胞器的膜和结构与质膜相似，但功能有所不同。

习惯上把细胞中所有的膜结构统称为生物膜，实际上它是细胞内的膜系统和质膜的总称。

细胞质膜又称细胞膜，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同?第一节细胞质膜的结构模型一、生物膜的结构模型（一）细胞膜结构的研究的历史

关于膜的化学组成和结构的研究，始于18世纪90年代，开拓者是E.Overton。他意识到细胞似乎是由一层具有选择性和渗透性的外被包裹的，它只允许某些物质通过。

推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

他用植物根毛作实验，发现脂溶性物质很容易进入细胞，而水溶性的物质却不能。实际上他发现了亲脂性物质与细胞的关系

关于膜的化学组成和结构研究的第二个重要进展是Langmuir提出的脂单层的设想。他将脂铺展Langmuir水盘的水面上，研究脂的展层行为，发现脂在水面上形成一薄层。脂单层概念是20世纪初膜结构研究的基础，导致了脂双层的发现。红细胞膜脂双层概念的提出

1925年两位荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel用有机溶剂抽提红细胞膜的膜脂成分并测定膜脂单层分子在水面的铺展面积，发现为红细胞表面积的1.8-2.2倍，首次提出质膜的基本结构是双脂分子层。

从上述关于膜结构的研究中只认识到膜脂的存在，没有将蛋白质与膜的功能真正联系起来，直到1935年人们才认识到膜蛋白的存在，提出膜脂和膜蛋白的结构模型。J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。1959年提出了修正模型，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。

◆片层结构模型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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。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。

◆单位膜模型这种模型强调:蛋白质为单层伸展、

折叠片状，膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白，而且膜蛋白在两侧的分布是不对称的。不足之处：①把膜看成是静止的，无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化。②不同的膜厚度不都是7.5nm。③如果蛋白质是伸展的，则不能解释酶的活性与构型的关系。④不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。Singer和Nicolson1972年根据免疫荧光、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。◆流动镶嵌模型

流动镶嵌模型内容：认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。

强调：①膜的流动性②膜蛋白分布的不对称性蛋白质是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，有的附在内外表面，有的全部或部分嵌入膜中，有的贯穿膜的全层，表现出分布的不对称性。强调:1、膜的流动性。2、膜蛋白分布的不对称性。膜结构模型的发展其他模型：液晶态模型

脂筏模型脂筏模型（lipidraftsmodel）脂筏：是指富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（DRMs）。就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、物质的跨膜运输、蛋白质分选、病毒的入侵均有密切的关系。生物膜结构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；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。

二、膜的化学组成

通过对红细胞生物学特性和膜结构的研究，了解到细胞质膜的主要成分是脂，同时结合一些蛋白质，或是穿过膜，或是附着在质膜的外面。膜脂生物膜基本骨架膜蛋白多种方式与脂双层结合膜糖质膜表面磷脂糖脂胆固醇膜内在蛋白（整合膜蛋白）膜外在蛋白（外周膜蛋白）与脂类结合-糖脂与蛋白结合-糖蛋白细胞膜的基本组成

（一）膜脂生物膜上的脂类统称为膜脂，其分子排列呈连续的双层，构成了生物膜的基本骨架。所有的膜脂都具有双亲媒性，即这些分子都具有一个亲水末端(极性端)和一个疏水末端(非极性端)。这种性质使生物膜具有屏障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只允许亲脂性物质通过。★膜脂：约占膜的50%。主要类型：1、磷脂：是膜脂的基本成分（50％以上），含有磷酸基团 分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：①具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；③有饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；糖脂普遍存在于原核和真核的细胞膜上，约占膜脂总量的5%以下，在神经细胞膜上含量较高，约占5%~10%。目前已发现40余种糖脂，不同的细胞中所含糖脂的种类不同。人红细胞表面含有ABO血型糖脂，髓鞘中含有一种高浓度糖脂为半乳糖脑苷脂2、糖脂：3、胆固醇存在真核细胞膜上，含量约为膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，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。

胆固醇在脂双层中的位置

胆固醇可有效防止碳氢链互相凝聚，抑制由温度引起的相变★膜脂的特性

是两性物质，具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾，有自我封闭的特性，大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。所以膜没有自由的边缘，它们总是形成连续的不破裂的结构。脂的这种性质使得它们在细胞内形成较大的网络结构。脂双层具有伸缩性，使得细胞在运动和分裂时膜得以变形、解体和重建。脂的双层性和可塑性，也有利于细胞的融合和生殖。膜脂具有伸缩性、双层性和可塑性。脂质体（liposome）是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的一种人工膜。

借助不同的制备方法可以制备不同结构的脂质体。

★脂质体（Liposomes）

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；在膜研究中，膜蛋白可以插入脂质体，使对于它们的功能研究能在比天然膜简单得多的环境下进行。如Na-K泵的功能研究。脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体即将DNA或药物包装于脂质体的囊泡中，再运载到体内的靶细胞。膜脂的功能：

1)构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体2）维持膜蛋白构象并为膜蛋白行使功能提供环境；一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);3）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

虽然膜脂构成膜的基本结构，但是生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。膜蛋白约占膜的40%-50%。有50多种膜蛋白。在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。

1、外在(外周)膜蛋白

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。

2、内在（整合）膜蛋白

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。

（一）类型3、脂锚定蛋白

通过糖脂或脂肪酸锚定，共价结合。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。

蛋白质跨膜结构域两端所带电荷与磷脂极性头部相互作用膜蛋白胞质侧与脂质分子作用内在膜蛋白与膜脂结合的方式跨膜蛋白与膜脂作用的方式

内在蛋白的跨膜结构域往往是疏水区，与脂双层分子内部的疏水区具有亲和力

内在蛋白形成亲水通道有两种形式，一是由多个α螺旋组成特异极性分子跨膜通道；二是由β折叠组成非特异的跨膜通道。膜蛋白的功能运输蛋白：转运特殊的分子和离子进出细胞酶：催化与酶有关的代谢反应。连接蛋白：起连接作用。受体：起信号接收和传递作用等。细胞质膜有着许多重要的生物学功能，这些功能大多数是由膜蛋白来执行的。MembraneProteinFunctions细胞识别细胞连接去垢剂是一端亲水、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（TritonX-100）图

去垢剂在膜蛋白分离中的作用(a)去垢剂分子，具有极性和非极性端;(b)去垢剂包裹在膜蛋白的疏水区，极性区朝向外侧，形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀，从而与膜分离。（三）膜糖真核细胞表面均有糖类，位于膜的非胞质侧膜糖类存在的形式:1.单个糖链共价结合于膜脂分子形成糖脂

2.单个糖链共价结合于膜蛋白分子形成糖蛋白

3.多个糖链共价结合于膜蛋白分子形成蛋白多糖

糖蛋白是细胞膜中最为丰富的蛋白质，糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。在动物细胞中，糖蛋白是糖萼的主要成分，而在植物细胞中，主要是糖脂构成膜包被。内膜系统中的内质网和高尔基体是糖蛋白和糖脂的合成场所。◆帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。膜糖功能：◆提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性。◆参与细胞的信号识别、细胞的粘着。◆糖蛋白的糖基还帮助新合成的蛋白质进行正确的运输和定位。一、膜的流动性膜的流动性主要由膜脂和膜蛋白质的流动引起的。第二节生物膜基本特征与功能侧向运动：同一单脂层内的脂分子互相换位。膜脂的运动方式自转运动：每个脂分子围绕其长轴做快速旋转。翻转运动：脂分子从脂双层的一个层面翻转到另一个层面的运动，较少发生，最为剧烈。保证了膜的不对称性。摆动：极性头部摆动较小，尾部摆动较大。膜蛋白的运动：膜蛋白的相对分子质量较大，不可能象膜脂那样进行翻转运动。随机移动定向移动局部扩散其运动方式有：膜流动性的研究☆荧光漂白恢复技术☆人、鼠细胞融合实验光脱色荧光恢复技术①用荧光染料标记膜蛋白②用激光束在细胞表面产生圆形漂白斑③随着时间的推移，漂白斑逐渐恢复荧光影响膜流动性的因素（1）温度：是影响膜流动的最主要的因素。膜的骨架成分是脂，在温度低时以晶态存在，在温度高时以液态存在，由液态变为晶态的温度是相变温度，相变温度越低，膜从液态转变为固态的速度越慢，膜的流动性越能保持。脂肪酸链的不饱和程度大，膜的流动性增加。（2）膜脂的组成对流动性的影响①脂肪酸链的长度对流动性的影响：含较多的长链脂肪酸，膜的流动性就低。②脂肪酸链的不饱和程度对流动性的影响：胆固醇插在磷脂之间，在相变温度以下，胆固醇可增加膜的流动性，在相变温度以上，胆固醇则限制膜的流动性。③胆固醇对膜流动性的调节作用：卵磷脂所含脂肪酸链的的不饱和程度高，链较短，相变温度低，因此，若卵磷脂含量高，则流动性大，鞘磷脂则与之相反。④卵磷脂/鞘磷脂比值对流动性的影响：⑴脂肪酸链的饱和度

越不饱和相变温度膜流动性⑵脂肪酸链的链长

链越短相变温度膜流动性⑶胆固醇

含量越多膜流动性⑷卵磷脂/鞘磷脂

比例越高膜流动性⑸其他因素：温度，离子强度等影响膜脂流动性的因素②细胞质膜下的骨架结构与膜整合蛋白结合限制膜蛋白移动

（3）影响膜蛋白运动的因素：①细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合限制膜蛋白的移动

③

膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身的移动;④膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。①细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。②酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。③如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。④膜流动性与信息传递有着极大的关系。⑤如果没有流动性，能量转换是不可能的。⑥膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。膜流动性的意义膜的流动性与信息传递有着极大的关系细胞膜上有些蛋白可作为信号分子的受体，它可同细胞外的分子结合，然后以某种运动方式，将信号传递到细胞内，如果没有膜的流动性，信号则无法向细胞内传递。下列哪一种生物膜的不饱和脂肪酸含量最高？A.北冰洋的鱼B.胡萝卜C.从热泉水中分离的耐热细菌D.人思考题二、膜的不对称性流动镶嵌模型强调了膜的不对称性。细胞膜的不对称性是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量的不均匀。（一）细胞质膜各部分的名称细胞外表面(ES)细胞外小页断裂面（EF）原生质表面（PS)原生质小页断裂面（PF）

表现在：

1.脂双层所含磷脂种类有极大不同，同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布（相对）

2.糖脂均分布于生物膜的非胞质侧（绝对）（二）膜脂的不对称：如在红细胞膜脂双层中，外侧含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多，而在内侧含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸较多。（三）膜蛋白的不对称：1.整合膜蛋白跨越脂双层有一定方向2.膜外在蛋白在膜内外的分布不对称3.糖蛋白的糖残基均位于膜的非胞质侧膜脂、膜蛋白分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的有序性。◆膜不对称的意义细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性，这些方向性的维持依赖于膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性。

细胞是被一层质膜把它与外界隔开，细胞和它的周围环境发生的一切联系和反应，都必须通过膜来完成。

1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。2、具有选择性的物质运输。3、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递。五、质膜的功能

分隔细胞内外环境是细胞膜的主要生物学作用。除了膜的物质转运功能，细胞膜的另一重要功能则是通过膜上一些高度特异的结构识别和传递细胞外的信息。

6、质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。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细胞膜的功能第三节膜骨架细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,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。

一、膜骨架

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,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

红细胞的寿命约为120天，★行程：大约480，000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。

什么在起作用？研究发现红细胞质膜的内侧有一种特殊的结构，是由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架，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，这种结构被称为膜骨架。将红细胞放入稀释的盐溶液中，红细胞就会吸水膨胀，并发生溶血作用，释放出仅有一种蛋白质——血红蛋白，最后形成红细胞血影。

血影SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析：红细胞质膜蛋白主要包括：血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白和血型糖蛋白。改变处理的离子强度：血影蛋白和肌动蛋白条带消失，血影的形状改变，膜的流动性增强。用TritonX-100处理：带3蛋白和血型糖蛋白消失，血影的形状基本不变。膜骨