細胞生物學第四章細胞質膜

第一節細胞質膜的結構模型第二節生物膜基本特征與功能第三節膜骨架細胞生物學質膜（plasmamembrane）包在細胞外面所以又稱細胞膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內膜。質膜和內膜在起源、結構和化學組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎。質膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現者。動物細胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質。細胞生物學第一節細胞質膜的結構模型一、細胞膜的結構模型E.Overton1895發現溶于脂肪的物質易透過植物的細胞膜，不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，推測細胞膜由連續的脂類物質組成。E.Gorter&F.Grendel1925

用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，推測細胞膜由雙層脂分子組成。細胞生物學3、J.Danielli&H.Davson1935發現質膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質。提出了“蛋白質-脂質-蛋白質”的三明治式的結構模型；1959年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過。細胞生物學4、J.D.Robertson1959用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成，總厚約7.5nm。細胞生物學5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。細胞生物學６、脂筏模型(lipidraftsmodel)

即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一樣載著各種蛋白。脂筏是質膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域。脂筏就像一個蛋白質停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。細胞生物學公認生物膜結構應具有的特點細胞膜由流動雙脂層和嵌在其中蛋白質組成。具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中自發形成生物膜的性質。以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內部，或橫跨整個雙脂層，表現出分布的不對稱性。細胞生物學二、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。1、磷脂是構成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：1）具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內膜上的心磷脂具有4個非極性尾部。2）脂肪酸碳鏈為偶數，多數碳鏈由16，18或20個碳原子組成。3）常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。細胞生物學細胞生物學Diphosphatidylglycerol（DPG

）細胞生物學鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經細胞膜中特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部含膽堿與磷酸。原核細胞、植物中沒有鞘磷脂。細胞生物學2、糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5％以下，在神經細胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，其結構與鞘磷脂很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；變化最多、最復雜的糖脂是神經節苷脂，其頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。神經節苷脂是神經元質膜中具有特征性的成分。細胞生物學細胞生物學細胞生物學3、膽固醇含量一般不超過膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學穩定性，調節雙脂層流動性，降低水溶性物質的通透性。在缺少膽固醇培養基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發生自溶。細胞生物學（二）膜脂的運動方式側向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。是在翻轉酶（flippase）的催化下完成。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉。細胞生物學（三）脂質體（liposome）1)是一種人工膜。在水中，攪動后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質體，直徑25~1000nm不等。2)人工脂質體可用于：轉基因制備的藥物研究生物膜的特性細胞生物學細胞生物學三、膜蛋白（一）類型是膜功能的主要體現者。據估計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。根據膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。細胞生物學（二）膜內在蛋白與膜脂結合的方式膜蛋白的跨膜結構域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。跨膜結構域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。

某些膜蛋白在細胞質基質一側的半胱氨酸殘基共價結合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進一步加強膜蛋白與脂雙層的結合力,還有少數蛋白與糖脂共價結合。細胞生物學細胞生物學(三)去垢劑整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是兩性分子。與膜的結合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。細胞生物學第二節生物膜基本特征與功能一、膜的流動性（一）膜脂的流動

膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。溫度對膜脂的運動有明顯的影響。在細菌和動物細胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調節膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細胞中，膽固醇對膜的流動性起重要的雙向調節作用。

細胞生物學影響膜脂流動性的因素：1)膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。2)脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。3)脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。4)卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5)其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。細胞生物學(二)膜蛋白流動性主要有側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式。可用光脫色恢復技術和細胞融合技術檢測側向擴散。膜蛋白的側向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側向運動。細胞生物學細胞生物學細胞生物學（三）熒光漂白恢復技術細胞生物學膜流動性的生理意義質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。細胞生物學二、膜的不對稱性（一）細胞膜各部分的名稱質膜內外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。樣品經冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質小頁斷面（protoplasmicface）。細胞生物學（二）膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對稱性還表現在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結構域。糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。

（三）膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有特定的方向性和分布的區域性。如各種激素的受體具有極性，細胞色素C位于線粒體內膜M側。細胞生物學細胞生物學三、細胞膜的功能1)為細胞的生命活動提供相對穩定的內環境；2)選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產物的排出；3)提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳遞；4)為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行；5)介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；6)參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。7)膜蛋白與某些疾病的發生有關，可以藥物的靶點細胞生物學第三節膜骨架細胞質膜與膜下結構相互聯系，協同作用并形成細胞表面的特化結構如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細胞的變形足等等，分別與細胞形態的維持、細胞運動、細胞的物質交換等功能有關。細胞生物學一、膜骨架指細胞質膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網架結構,它參與維持細胞質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能。膜骨架是質膜下纖維蛋白組成的網架結構；位于細胞質膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能。細胞生物學二、紅細胞的生物學特性膜骨架賦予紅細胞質膜既有很好的彈性又具有較高強度。成熟的哺乳動物血紅細胞沒有核和內膜系統，是研究膜骨架的理想材料。紅細胞經低滲處理，細胞破裂釋放出內容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。細胞生物學三、紅細胞質膜蛋白及膜骨架經SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由結構相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（