细胞生物学 第四章细胞质膜

第四章细胞质膜

细胞膜(cellmembrane)又称质膜（plasmamembrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（biomembrane）包括细胞的内膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cellmembrane）。第一节细胞膜与细胞表面的特化结构

细胞膜的化学组成

细胞膜的结构模型及特点

骨架与细胞表面的特化结构细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。（一）磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。磷脂为双型性分子（amphipathicmolecules）或双亲媒性分子或兼性分子。细胞膜的化学组成磷脂的结构亲水的头部疏水尾部心磷脂

磷脂分子的结构特征：

a.一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两个非极性的尾（脂肪酸链）；b.脂肪酸碳链为偶数；c.含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。（二）糖脂存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子，结构与磷脂相似，由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）和神经节苷脂有关。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。1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸

（三）胆固醇只存在于真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。它是一种双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。

（四）脂质体脂质体（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将少量的磷脂放在水溶液中,它能够自我装配成脂双层的球状结构,这种结构称为脂质体，所以脂质体是人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊。脂质体可作为生物膜的研究模型，并可作为生物大分子(DNA分子)和药物的运载体，因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料。在构建导弹人工脂质体时,不仅要将被运载的分子或药物包入脂质体的内部水相,同时要在脂质体的膜上做些修饰,如插入抗体便于脂质体进入机体后寻靶。

膜脂的功能：1）支撑，膜脂是细胞膜结构的骨架；2）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；3）是部分酶行驶功能所必需的。二、膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要体现者。核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为内在（integralprotein）、外周蛋白（peripheralprotein）和脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。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（一）内在蛋白（integralproteins）内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白（tansmembraneproteins）。膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，常用SDS和Triton-X100。

内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式，一是由多个α螺旋组成亲水通道；二是由β折叠组成亲水通道。

内在蛋白与脂膜的结合方式：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。

跨膜结构域两端带正电荷的aa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。

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,还有少数蛋白与糖脂共价结合。（二）外周蛋白（peripheralprotein）外周蛋白又称为外在蛋白（extrinsicprotein），为水溶性的，分布在细胞膜的表面，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，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。（三）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）脂锚定蛋白通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。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就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。附注:朊病毒蛋白(prionprotein,prp)是由一种分子量为33—35kD的正常细胞蛋白PrPc或PrPc33—35发生构型转变形成的

细胞膜的结构模型及特点一、细胞膜结构的研究历史1.

E.Overton1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。疏水(hydrophobic)

2.

E.Gorter&F.Grendel1925推测细胞膜由双层脂分子组成。3.

J.Danielli&H.Davson1935提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。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。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，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。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，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。二、质膜的流动镶嵌模型的特点组成成分：主要组成成分为脂类和蛋白质，还含有少量的糖类。不对称性：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。膜脂的分子运动1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2.影响膜流动的因素主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。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。可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。3．膜蛋白的流动细胞融合技术观察蛋白质运动光脱色恢复技术（FRAP）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