第4章 细胞质膜

Chapter4:CellMembraneandCellSurface细胞质膜第一节质膜的结构一、质膜结构的研究历史二、质膜的流动镶嵌模型第二节质膜的化学组成一、膜脂二、膜蛋白第三节、细胞膜的基本特征与功能第四节、细胞表面的分化一、细胞外被二、膜骨架三、质膜的特化结构质膜（plasmamembrane）又称细胞膜。围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。内膜：形成各种细胞器的膜。生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。细胞外被、质膜构成细胞表面。第一节质膜的结构一、质膜结构的研究历史E.Overton1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter等1925推测细胞膜由双层脂分子组成。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，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。4、JD.Robertson1957根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972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”。Fluid-mosaicmodel6.K.Simonset(1997):FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572lipidraftsmodel（脂筏模型）;是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，称为抗去垢剂膜就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。lipidraftsmodel（脂筏模型）二、质膜的流动镶嵌模型细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。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；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。A:LipidsB:Proteins第二节质膜的化学组成一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。（一）磷脂约占膜脂的50％以上。主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。Phospholipids1、甘油磷脂以甘油为骨架，主要有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembrane2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。（二）糖脂约占5％以下，神经细胞膜含量高，约占5-10％。两性分子，含糖而不含磷酸，结构与SM相似，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元之膜中的特征性成分。glycolipids1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸

神经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂（三）胆固醇存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。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脂筏的机构成分（四）脂质体（liposome）是一种人工膜。在水中搅动后形成双层或单层脂分子球体，直径25~1000nm。人工脂质体可用于：转基因制备的药物研究生物膜的特性ThetypesofmovementpossibleforPhospholipidmoleculesinalipidbilayer.（五）、LipidMobility1侧向扩散运动2旋转运动3摆动运动4伸缩震荡运动5翻转运动6旋转异构化运动（六）、影响膜脂流动性的因素胆固醇脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的链长卵磷脂/鞘磷脂其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。A:LipidsB:ProteinsMembrane(1).Membranescontainperipheral,lipid-anchoredandintegralproteins:Rolled-upsheethelixAmphipathichelix

lipid-anchoredproteins二、膜蛋白外周膜蛋白

PeripheralMembraneProteinsPeripheralproteinsareattachedtothemembranebyweakbondsandareeasilysolubilized.脂锚定膜蛋白

Lipid-anchoredMembraneProteinsLipid-anchoredmembraneproteinsaredistinguishedbyboththetypesoflipidanchorandtheirorientation.脂锚定蛋白分为两类：糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白。许多细胞表面的受体、酶和细胞粘附分子都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。两性分子。跨膜结构域为1至多个疏水的α螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X100整合膜蛋白IntegralMembraneProteinsAsegmentofatransmembranepolypeptidechaincrossingthelipidbilayerasanahelix.Onlythea-carbonbackboneofthepolypeptidechainisshown,withthehydrophobicaminoacidsingreenandyellow.(J.Deisenhoferetal.,Nature318:618-624andH.Micheletal.,EMBOJ.5:1149-1158)Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.(2).Identificationoftransmembranedomainscanbepredictedfromtheaminoacidsequenceusingahydropathyplot.Analysisofmembraneproteinsbyusingofmoleculebiologicaltechnique（3)、膜蛋白的分子运动侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。第三节、细胞膜的基本特征与功能A.DynamicnatureofcellmembraneB.Theasymmetryofcellmembranes

—Thefoundationofmembranefunction一．细胞膜基本特征二．细胞膜的功能A.DynamicnatureofcellmembraneFluidityofmembranelipid.Itgivemembranestheabilitytofuse,formnetworks,andseparatecharge;Motilityofmembraneprotein.ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

一．细胞膜基本特征Themobilityofmembraneproteinscanbeshownexperimentallybythemixingofmembraneproteinsthatoccurswhentwocellsaretaggedwithdifferentfluorescentlabelsandtheninducedtofuse.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑,成帽现象质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。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。膜流动性的意义B.Theasymmetryofcellmembranes

—ThefoundationofmembranefunctionTheasymmetryofmembranelipids:Theinnerandoutermembraneleafletswereshowntohavedifferentlipidcompositions.

Phospholipidasymmetrygivesthemembraneleafletsdifferentphysicalandchemicalpropertiesappropriateforthedifferentinteractionsoccurringatthetwomembranefaces.TheasymmetricdistributionofPLinHETheasymmetryofmembraneproteinandglycoprotein:Lipid-anchoredandperipheral

proteinsattachtothebilayerasymmetrically,givingthemembraneadistinct“sidedness”.

IntegralproteinshaveorientationwithinMembranes.

Thedistributionofintegralproteinscanbeanalyzedbyfreeze-fractureandfreeze-etchingtechniques.二.FunctionsofcellmembranesFunctionsofBiomembranes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除,其中伴随着能量的传递;提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;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;质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构;膜蛋白的异常与遗传病,恶性肿瘤,神经