第2章生物膜讲述

上课了！细胞生物学生命科学与技术学院张晓军教授细胞cell

膜性结构（生物膜）biomembrane非膜性结构细胞膜或细胞质膜（plasmamembrane）

细胞内膜（endomembrane）内质网高尔基体溶酶体核膜液泡和小泡叶绿体线粒体过氧化物酶体粗面内质网滑面内质网细胞壁细胞核核糖体细胞骨架第二章生物膜

生物膜的组成成分细胞质膜的结构模型生物膜的性质细胞质膜的功能膜骨架第一节生物膜组成成分生物膜脂类：50%蛋白质：40%糖类：2-10%少量的水无机盐微量核酸为什么没有水就没有生命？功能复杂：蛋白质/脂类的比值大

功能简单：蛋白质/脂类的比值小膜的来源蛋白质（%）脂类（%）蛋白质/脂类

脑髓质膜

一般动物细胞细菌质膜线粒体内膜20

50758080

5025200.25

134膜脂是生物膜的基本骨架膜蛋白是膜功能的体现者第二节细胞质膜的结构模型膜结构的研究简史及结构模型生物膜结构的中心法则

一、膜结构的研究简史及结构模型

1899年，ChalesOverton通过物质进入细胞的速度提出：

细胞膜由一层连续的脂类物质组1925年，E.Gorter和F.Grendel，通过单分子技术提出：

细胞膜由双层脂类分子构成的1935年，Danielli和Davson通过测定膜的表面张力提出：“蛋白质-磷脂-蛋白质”三明治或三夹板质膜结构模型1959年，J.D.Robertson通过X射线衍射技术和电镜观察发展了三明治或三夹板质膜结构模型提出：

单位膜模型(unitmembranemodel)

1972

年，S.J.Singer和G.Nicolson通过冰冻蚀刻技术、示踪技术提出：生物膜的“流动镶嵌模型”(fluidmosaicmodel)1977年，Jain和White提出：生物膜的“板块镶嵌模型”1997年，K.Simonsetal提出：

脂筏模型（lipidraftsmodel）

FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572板块镶嵌模型

主要内容膜中具有高度流动性的区域和非随机分布的区域同时存在生，生物膜是由具有不同流动性的“板块”镶嵌而成的动态结构。

主要依据

各种不同的脂类分子分别具有各自的相变温度。在一定的温度下，有的膜脂处于流动的液晶态，有的处于不流动的晶态。这样生物膜就形成了流动性程度不同的板块镶嵌分布。细胞膜中的功能筏筏概念的形成传统的细胞膜结构观点认为，脂类在双层膜中主要是作为膜蛋白的溶剂，不同的膜蛋白决定了细胞膜具有不同的功能。随着研究的深入，人们逐渐认识到细胞膜上可以由特定的脂成分形成微小的脂质功能区，这些脂质微区可以“筛选”其中的蛋白质组分，一些蛋白质倾向于在脂微区中富集，而另一些蛋白质被排斥在外。搭载着蛋白质的由鞘脂类和胆固醇动态聚集而成的，组成了相对稳定的具有一定功能的微区漂浮在二维流动的细胞膜中，人们形象地称之为“功能筏”（functionalrafts）细胞膜中的功能筏筏的起源

在细胞内的形成可能起源于高尔基体上特定膜微畴结构的产生。筏的功能

可作为细胞内膜泡运输和信号传导过程中蛋白质的停靠站。

膜泡运输信号传导：可能是在膜的两侧将受体浓缩，以加速其与配体以及效应子之间的结合。另外可以阻止各种信号途径之间的不恰当交叉，保证信号传导的准确性。

生物合成运输：高尔基体的TGN区胞吞运输：受调控的没有笼形蛋白介导的内吞二、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，但脂筏中存在某些有助于其结构相对稳定的功能蛋白。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各自的特性与功能。

生物膜是双层脂分子中嵌有蛋白质的二维溶液。

“Centraldogma”ofmembranebiology（三）膜的流动性膜脂的流动性膜蛋白的流动性膜流动的生理意义荧光脱色恢复技术

1、膜脂的流动性

1.1膜脂分子的４种热运动方式沿膜平面的侧向运动：基本运动方式其扩散系数为10-8cm2/s；膜脂的流动性主要是指脂分子的侧向运动脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部的摆动

双层脂分子之间的翻转运动：发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。

1、膜脂的流动性1.2

影响膜脂流动性的因素（1）脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。（2）温度对膜脂的运动有明显的影响。在相变温度以上：膜脂呈液晶态、易流动在相变温度以下：膜脂呈晶态、不易流动在细菌和动物细胞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。1.2

影响膜脂流动性的因素（3）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。

在相变温度以上：与磷脂分子结合限制其运动的作用

在相变温度以下：将磷脂分子隔开增加流动性，防止膜脂从液晶态向晶态的转变1.2

影响膜脂流动性的因素（4）膜蛋白

内在性膜蛋白对其周围的单层脂质分子的运动有影响，使它不能运动，称为界面脂质。（5）遗传因子、pH值、离子强度、细胞骨架的影响2、膜蛋白的流动性

2.1膜蛋白的运动方式限制性扩散：某些膜蛋白与与膜下细胞骨架结构（微丝）相结合限制了膜蛋白的运动。自由扩散：有些细胞90%，有些细胞30%的膜蛋白是自由运动的。侧向扩散旋转运动：围绕着与膜平面垂直的轴旋转被动扩散：随着脂类分子的扩散而扩散边旋转边侧向扩散2.2限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素被膜骨架固定或被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动在Motorprotein的牵引下定向运动其运动受其它膜蛋白的限制或影响其运动受细胞外基质限制2、膜蛋白的流动性2.3膜蛋白流动的证据---荧光抗体免疫标记实验自发的热运动不需要细胞代谢产物的参加，也不需要提供能量。成斑现象(patching)或成帽现象(capping)

在某些细胞中，当荧光抗体标记的时间继续延长时，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，即所谓成斑现象；或聚集在细胞的一端，即成帽现象。

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。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。3、膜流动的生理意义

细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。（1）为膜蛋白变构提供了空间上的可能（2）酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。（3）为细胞的融合创造了条件（4）膜间流动为受体的激活以及受体的复合体执行功能提供了条件（5）与细胞内外物质运输、能量传递、信息转导有关（6）膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。

（四）膜的不对称性细胞质膜各部分的名称

膜脂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明确的方向性；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理功能的保证。膜糖的不对称性

糖脂仅存在于质膜的ES面，糖蛋白糖残基均分布在质膜的

ES面，是完成其生理功能的结构基础

讨论：膜的不对称性有何生物学意义？（一）膜脂——生物膜的基本组成成分

成分

膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇

三种类型。

脂质体（liposome）磷脂1、膜脂成分1.1磷脂：膜脂的基本成分，50％以上1.1.1类型:

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）磷脂酰甘油（PG）鞘磷脂（SM）PC/SM减少，使膜的流动性降低，被认为是衰老与发生动脉硬化的原因之一1.1.2主要特征①具有一个极性头部和两个非极性的尾部(脂肪酸链)。[心磷脂—双磷脂酰甘油（DPG）除外]②脂肪酸碳链为偶数,多数碳链由16,18或20个碳原子组成。③饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)，不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30℃角的弯曲。1、膜脂成分1.2糖脂组成：含有寡聚糖的脂类分布：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高5-10％功能：主要与膜受体有关例如：人红细胞表面的ABO血型由糖脂决定A型血：N-乙酰半乳糖胺；B型血:半乳糖1、膜脂成分

1.3胆固醇和中性脂质分布：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂质。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例如

2、脂质体（liposome）脂质体的概念脂质体的类型脂质体的应用(1)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。(2)脂质体的类型(a)水溶液中的磷脂分子团(b)平面脂质体膜(c)球形脂质体(3)脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质。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。

用于疾病治疗的隐形脂质体(stealthliposome)的示意图

治疗卡珀斯肿瘤的含有阿霉素的隐形脂质体已经应用于临床（二）膜蛋白——膜功能的体现者膜蛋白的基本类型内在膜蛋白与膜脂结合的方式膜蛋白的功能

去垢剂(detergent)外在(外周)膜蛋白（20-30％）

(extrinsic/peripheralmembraneproteins)

水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。

内在（整合）膜蛋白（70-80％）

(intrinsic/integralmembraneproteins)

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。1、基本类型脂锚定膜蛋白（lipid-anchoredprotein）

与糖脂结合的脂锚定膜蛋白：

多分布于质膜的外表面，与包埋在脂双层外小叶中的甘油磷脂酰肌醇（GPI）分子连接的寡糖链结合到质膜的外表面。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。

例如一种罕见的贫血病（间歇性夜间血红蛋白尿），因为GPI合成缺陷，导致红细胞容易破裂。

与脂肪酸结合的脂锚定膜蛋白：多分布于质膜的内表面通过长长的包埋在脂双层内小叶中的碳氢链锚定在质膜的胞质侧。

例如，Src和Ras两类蛋白，涉及正常细胞的恶性转化。

1、基本类型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。2、结合方式去垢剂是一端亲水、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

CH3CH34、去垢剂

（三）膜糖1、存在形式：糖蛋白：糖类+蛋白质糖脂：糖类+脂类2、存在部位：糖基部分位于非细胞质的表面3、功能：人体内许多重要的生活活性物质

例如：免役球蛋白、激素、酶、干扰素、凝集因子、血浆中的转运蛋白、凝集素、膜表面的抗原、受体和转运蛋白3、膜蛋白的功能有些是具有催化作用的酶。有些是物质运输的载体。接受信号的受体。有些与细胞的运动、支持和保护有关。四、确定膜蛋白方向的实验程序

胰酶消化法

同位素标记法4、荧光脱色恢复技术

(fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP)

研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一

程序：

根据荧光恢复的速度可推算出 膜蛋白或膜脂扩散速度。

第三节生物膜的性质（一）镶嵌性（二）选择通透性（三）膜的流动性（四）膜的不对称性（五）膜的分相现象第四节细胞质膜的功能

为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。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，很多膜蛋白可以作为疾病治疗的药物靶标。第五节膜骨架

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）膜骨架的概念

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