第4章 细胞质膜11

第四章细胞膜

细胞质膜：指包围在细胞最外层的生物膜。生物膜：由脂质和蛋白组成的薄膜，是细胞内膜系统与细胞质膜的统称。4.1细胞膜4.1.1膜的结构模型■膜脂双层概念的提出1925年两位荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel分离纯化了红细胞,，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按展层的方法进行比较，发现展层后的脂单层的面积同实际测量的红细胞的表面积之比约为1.8～2.2:1，为了解释这一结果，他们提出红细胞膜的基本结构是脂双层(lipidbilayer)。■

三明治结构模型(Lamellastructuremodel)1935年J.Daniellie和H.Davson提出“蛋白--质脂---蛋白”三明治结构模型,该模型是第一次用分子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。图4-2三明治结构模型

■单位膜模型(unitmembranemodel)1959年，J.D.Robertson在电子显微镜下,发现细胞膜是类似铁轨结构(“railroadtrack”)，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗---明---暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂，建议将这种结构称为单位膜。

■流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)

1972年Singer和Nicolson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”。该模型主要强调两点：第一膜的流动性第二膜的不对称性。

液晶相:

脂双层中的脂类分子在一定温度范围内,既呈晶体规律排列，同时又具液态可流通性的特征，即液晶相。

相变温度:当温度低于某一特定温度时,液晶态转为完全的晶态,膜也丧失其正常的功能,此时的温度为相变温度。

生物膜的模型历史认识脂筏模型胆固醇、鞘磷脂等形成相对有序脂相，脂筏载着执行特定生物学功能的各种膜蛋白，膜下细胞支架蛋白交联。

4.1.2质膜的化学组成脂和蛋白质是膜的主要成分，同时还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜、高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞、叶肉细胞、导管细胞)、生物类型(动物、植物和原核生物)的不同而不同。一般而言，碳水化合物约占1-10%。

4.1.2.1膜脂

■成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种

●磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）a、分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂b、主要特征：

①具有一个极性头和两个非极性的尾（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饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；

●糖脂：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；

●胆固醇：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类。图3-12磷脂酰乙醇胺的分子结构图3-14胆固醇在脂双层中的位置

■膜脂功能

膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架。此外还有其他一些重要功能。膜糖脂(membranecarbohydrates)真核细胞质膜中的糖类是通过共价键同膜脂或膜蛋白相连,即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上,占膜重量的2-10%。

膜糖脂的分布特征

细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面。

膜糖脂的种类主要有中性糖和氨基酸糖。中性糖包括D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖；氨基酸糖包括N-乙酰半乳糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰神经氨糖酸。

膜糖脂的功能

可以提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。参与细胞的信号识别、细胞的粘着。有些糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位。

例如

ABO血型抗原，它是一种糖脂,其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。A型:红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)B型:是半乳糖(Gal),AB型:N-乙酰半乳糖胺+半乳糖(Gal)O型:没有

4.1.2.2膜脂的运动方式沿膜平面的侧向运动基本运动方式脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部的摆动距头部第9个碳原子以后的脂肪酸链已接近无序状态，对水分子的透过有利双层脂分子之间的翻转运动除内质网膜之外，一般不发生

●脂质体（liposome）

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。脂质体的应用

a、可以将脂质体嵌入不同的膜蛋白研究膜脂与膜蛋白的生物学性质；

b、脂质体中裹入DNA可用于基因转移；

c、在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等的载体。

4.1.3

膜蛋白(membrane

protein)

生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。功能越复杂的膜，其上的蛋白质种类越多。膜蛋白的分类

根据膜蛋白与膜脂的关系分为内在蛋白和外周蛋白:

●内在蛋白(intrinsicprotein)：又称整合蛋白(integralprotein)，跨膜蛋白(transmembraneprotein)，以单体或多聚体形式部分或全部镶嵌在细胞膜中。

●外周蛋白(protein-attached)

完全外露在脂双层的内外两侧。

膜蛋白与膜脂的结合方式

①膜蛋白以单

螺旋横过脂双层；②多个

螺旋横过脂双层；③由β片排列成封闭的筒状结构横过脂双层（β筒）；④通过共价连接到膜脂的脂肪酸链；⑤经寡糖连到非胞质面的脂单层磷脂和磷脂酰肌醇；⑥许多膜蛋白通过非共价键与其它跨膜蛋白相互作用连到膜上。

膜蛋白的功能胞质膜有着许多重要的生物学功能，

膜蛋白的分离

去垢剂的作用机理：去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲性分子。类型：

离子型去垢剂:SDS和非离子型去垢剂:（TritonX-100）。

去垢剂在膜蛋白分离中的作用

鉴定膜运输蛋白的方法细胞膜上有很多蛋白，如何鉴定膜运输蛋白?目前常用的有两种鉴定方法：亲和标记法(affinitylabeling)；膜重建实验(membranereconstitution)第二节生物膜基本特征与功能膜的流动性膜的不对称性细胞质膜的基本功能4.1.3膜的流动性(membranefluidity)膜的流动性是指构成膜的脂和蛋白质分子的运动性。

■流动性的表现形式

●膜脂的运动方式：脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的主要运动方式有四种。①侧向扩散(lateraldiffusion):同一平面上相邻的脂分子交换位置②旋转运动(rotation):围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。③尾部摆动:围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动④翻转扩散(transversediffusion):膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。膜脂的几种主要流动方式●

膜蛋白的运动膜蛋白由于分子量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。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。■膜流动性的研究方法

●人、鼠细胞融合实验人-鼠细胞融合实验小鼠-人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散

●淋巴细胞的成斑和成帽反应通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是证明膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。淋巴细胞的成斑和成帽反应成斑现象与成帽现象

●光脱色荧光恢复技术(fluorescencerecoveryafterphotobleachingFRAP)这种方法不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。光脱色荧光恢复技术检测膜流动性■

影响流动性的因素

●限制膜脂运动的因素：

①胆固醇：在相变温度以上，可以加强膜双层的稳定性,增加膜脂的有序性和降低其流动性；在相变温度以下，可以增强膜的流动性。

②脂肪酸链的饱和度：不饱和脂肪酸相变温度低。膜脂中不饱和脂肪酸含量越高、越不饱和的，膜的流动性就高；否则，相反。

③脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。

④卵磷脂/鞘磷脂：比例高，膜流动性高。

⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。温度对膜运动性影响●

限制膜蛋白运动的因素：

①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;

②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。

■膜的流动性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。

●酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。

●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,同时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。

●

膜流动性与信息传递有着极大的关系。

●如果没有流动性，能量转换是不可能的。

●膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。4.1.4膜的不对称性(membraneasymmetry)

细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。

■不对称性的表现●膜脂的不对称性；

●

膜蛋白的不对称；

●

膜糖脂的不对称。不对称性：生物膜各膜面的名称ES（extro’cytoplasmicsurface）细胞外表面PS（’protoplasmicsurface）原生质表面EF（extrocytoplasmicface）胞外小页断面PF（protoplasmicface）原生质小页断面磷脂与糖脂分布的不对称性

膜糖分布的不对称性