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1、第四章 细胞质膜,知识点：,1细胞质膜的结构模型 2生物膜基本特征与功能 3膜骨架的生物学特性,第一章 生物膜：结构，化学与功能,需掌握的内容： 质膜结构的研究简史 质膜的结构模型 质膜的化学成分 生物膜的基本特性 生物膜功能总览,第一节 质膜结构的研究简史,A. 概念: 质膜 （细胞膜）； 细胞间膜； 生物膜。 B. 研究历史 Overton (1890s): 脂溶性物质容易透过细胞 质膜的脂本质 E. Gorter S.J.Singer and G.Nicolson (1972): 流动马赛克模型； K.Simons et al (1997): 脂筏模型（细胞膜上的功能脂筏）; Natur
2、e 387: 569-572,电镜超薄切片显示质膜“暗-亮-暗”条带,单位膜结构模型,膜结构的“流动马赛克模型”,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。,The Fluid Mosaic Model, proposed in 1972 by Singer and Nicolson, had two key features, both implied in its name.,流动镶嵌模型与“单位膜”模型的比较,流动镶嵌模型,强调了膜的流动性 强调
3、了膜的不对称性 忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用 忽视了膜各部分流动的不均一性。,流动镶嵌模型的优缺点,冰冻蚀刻技术揭示的膜结构,其他的细胞膜结构模型,是对流动镶嵌模型的充实 ，完善和补充,板块镶嵌模型,脂筏模型,1、脂筏：膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些特定的蛋白质。这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。 2、外层脂筏：主要含有鞘脂、胆固醇和GPI-锚定蛋白 3、内层脂筏：此区有许多酰化的蛋白质，特别是信号转导蛋白（如：蛋白激酶等）。 4、脂筏在膜内形成一个平台，具有以下特点： 许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用； 提供了一个有利于蛋白质变构的微环境。,脂筏与糖尿病,生物
4、膜结构的特征,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； 膜的流动性：生物膜可看成蛋白质在双层脂分子中的二维溶液中，其相互作用复杂并与膜蛋白和膜脂的流动性相关。是生物膜的基本特征之一, 是细胞进行生命活动的必要条件。 膜的不对称性； 膜的分相现象。,生物膜结构的共性: (1) 磷脂双分子层和蛋白质或复合体, 按二维排成相互交替的镶嵌面。 (2) 膜内在蛋白质与磷脂以疏水键结合, 对形成稳定的膜结构中起主要作用。 (3) 分布于膜两侧表面的蛋白质、脂质和糖类等组分和性质是
5、不同的，脂质双分子层的各“半”层也可以彼此单独运动。 (4) 膜结构的相对流动性，随着环境的变化，脂质分子的晶态和液晶态是互变的，表现出相变和分相现象。 (5) 膜中各组分，在细胞中经常处于不断更新的状态。 (6) 膜中各组分的排列是不对称的。,（一）膜的化学组分,A. 膜脂: 模型的液态部分,磷脂: 甘油磷脂和鞘磷脂 50% 糖脂： 已发现40余种 5-10% 胆固醇：主要存在于动物细胞 1/3,膜脂是双极性的； 膜脂分为三大类：,1. 磷脂 phospholipids（甘油磷脂+鞘磷脂） 生物膜磷脂特征： (1) 1极性头+2非极性尾； (2) 脂肪酸碳链为偶数； (3) 饱和脂肪酸根（如
6、软脂酸） +不饱和脂肪酸（如油酸）顺式双键，300弯曲,磷脂的结构,磷脂的分子结构。卵磷脂的结构, 分别以图示(A)，分子式(B)，空间填充模型(C)以及符号(D)进行演示。,哺乳动物质膜中的4种主要磷脂。除了鞘磷脂来源于丝氨酸外，其余三种磷脂均来源于甘油。,磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 卵磷脂 鞘磷脂,2. 糖脂（glycolipid） 不同细胞中所含糖脂的种类不同 如：神经细胞的神经节苷脂类， 人红细胞表面的ABO血型糖脂,糖脂只存在于质膜的外层，其碳氢部分暴露在细胞的表面。 糖脂的含量相对较少，只占质膜总脂含量的5%以下。,细胞膜中常见的七种糖类,糖与多肽连接的两种方式,O-连接:是糖链与
7、肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连，O-连接糖链较短，约含4个糖基。 N-连接: 是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。,3. 胆固醇和中性脂,胆固醇存在于真核细胞膜上； 细菌质膜不含胆固醇， 但某些细菌膜脂中含甘油等中性脂。 作用： 调节膜的流动性 增强膜的稳定性 降低水溶性物质的通透性,胆固醇的结构示意图,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。,构成膜的基本骨架,去除膜脂,则使膜解体; 是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能; 膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现
8、活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); 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。,膜脂的功能,（二）膜脂的运动,膜脂运动方式,(1) 侧向运动: 基本运动方式,交换 频率106次/S以上 (2)自旋运动: 脂分子围绕轴心的 自旋运动。 (3) 尾部摆动：有助 于解释极性的水分子 比较容易通过细胞质 膜现象。 (4) 翻转运动：一般是侧向交换频率的10-10 但在某些膜系统中发生频率很高（ER) (5) 伸缩振动,（三）脂质体（liposome),概念：是根据磷脂分子在水相中，经搅动后，形成稳定的双层脂分子的球形脂质体，直径2
9、51000nm不等。可作为一种人工膜。,脂分子在水中自发形成热动力稳态结构，楔形脂分子形成微囊（上图），而圆柱形磷脂形成双层结构（下图）。,电镜照片显示水中未固定及染色的脂质体，双层结构清晰可见。 球状脂质体的图示。,平面脂质体膜（黑膜）。 此平面脂双层形成于两个水相界面的小孔上，通常黑膜用于测量人工膜的穿透性。,脂质体的应用,研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料。 脂质体中裹入DNA可用于基因转移 (转染)。 在临床治疗中, 脂质体作为药物或酶等载体。,三、膜蛋白,是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。,（一）、类型： 外在(外周)膜蛋白(extri
10、nsic/peripheral membrane proteins )：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结合，易分离。 内在（整合）膜蛋白：(intrinsic/ integral membrane proteins) 水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂 使膜崩解后才可分离。 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。,外周蛋白,内在蛋白,脂锚定蛋白,（二）内在蛋白与膜脂结合的方式,1. 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用 (1)1至多个-螺旋形成跨膜结构域 (2)片层形成疏水通道 2. 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与带负电
11、荷的磷脂分子头部结合, 或带负电荷的氨基酸残基通过钙离子等与磷脂头部相互作用. 3. 某些膜蛋白在细胞质基质恻的半胱氨酸残基上结合脂肪酸分子, 插入脂双层间, 加强膜蛋白与膜脂的结合,a-螺旋 b-片层,The beta-sheet,（三）去垢剂（detergent),去垢剂是一端亲水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(Triton X-100) 离子型 十二烷基磺酸钠（SDS) 作用剧烈，引起蛋白质变性 非离子型 Triton X-100 作用较温和,整合蛋白为跨膜蛋白(transmembrane proteins)，是两性分子。与膜
12、的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。,SDS,Triton-X100,（二）、膜蛋白的流动,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。 1. 膜蛋白运动的动力： 膜蛋白自身的热力学运动：扩散、旋转。 随着膜脂运动而运动，如“脂筏”。扩散、旋转、翻转等。 膜骨架牵引：主要是侧向扩散。 成斑现象(patching), 成帽现象(capping),2. 膜流动性的生理意义 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。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。,1970年，Larry
13、 Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。,鼠人细胞融合实验,淋巴细胞的成帽效应,通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。,成帽反应,光脱色恢复技术 (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP),用荧光染料标记膜脂或膜蛋白用激光束照射使表面形成漂白斑通过扩散，标记分子进入漂白斑，反差减小标记分子进一步扩散，斑点消失。,根据荧光恢复的速度, 可推算膜脂或膜蛋白的扩散速度,电子自旋共振谱技术 （electron spi
14、n-resonance spectrocopy, SER）,在该技术中将一个含有不配对的电子基团(通常是硝基氧基团)加到磷脂的脂肪酸尾端，这就是所谓的自旋标记(spin-label)。当将这种脂暴露于外加磁场时，由于不配对电子基团的存在，它能够自旋产生顺磁场信号，这种共振能够被仪器检测获得共振谱。如果被标记的脂位于脂双层，根据共振谱就可以判断膜脂的流动性。,五、膜的不对称性,质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为： ES,细胞外表面(extrocytoplasmic surface); EF,细胞外小页断面(extroc
15、ytoplasmic face); PS, 原生质表面(protoplasmic surface); PF, 原生质小页断面(protoplasmic face).,1. 膜脂的不对称,同一种膜脂在膜的双分子层中呈不均匀分布,磷脂在红细胞膜上的分布不对称性,质膜内小页,质膜外小页,SM:鞘磷脂 PC: 卵磷脂 PS:磷脂酰丝氨酸 PE: 磷脂酰乙醇胺 PI: 磷脂酰肌醇 CI:胆固醇,2. 膜蛋白的分布不对称,红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内，外侧面的氨基酸残基的数目不对称。 血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。 一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如： 5-核苷酸酶、磷酸脂
16、酶、Mg2+-ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面； 腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。,3. 膜糖的完全不对称 糖侧链都在ES面上,膜不对称性的生物学意义,膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。 膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。 细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。,六、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,并伴随着能量的传递; 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。,七、骨架与细胞表面的特化结构,细胞表面的特化结构如： 膜骨架(溶胶层) 鞭毛和纤毛 微绒毛 细胞变形足 分别与
