第4章-细胞质膜

H3C
(CH2)11
CH3 CH2 C CH3
OSO3 Na
+
SDS
CH3 H3C C CH3
(O
CH2 CH2)10 OH
Triton-X100
去垢剂在膜蛋白分离中的作用
总结
外在(外周)膜蛋白
(extrinsic/peripheral membrane proteins )；
水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表 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 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 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。 脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过糖脂、长烃链或脂肪酸锚定，共价结合。
• 膜脂的功能：
1. 支撑，膜脂是细胞的骨架； 2. 维持构象并为膜蛋白行使功 能提供环境； 3. 是部分酶行使功能所必需的。
二、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。根据膜蛋白与脂分子的结合方式， 可分为：
– 外周蛋白（peripheral protein） – 整合蛋白（integral protein） – 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）
O P OO CH2 H2C O C O HC O O
CH2
O C O
C O
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
PE
PS
PC
PI
磷脂酰乙醇胺
磷脂酰丝氨酸
磷脂酰胆碱
磷脂酰肌醇
双磷脂酰甘油
Diphosphatidylglycerol
OH O O CH2 C H CH2 O O O CH2 O C R3
CH2 O C R1 O O
标记：用发绿光的荧光素标记能小鼠细胞表面抗 原结合的抗体；用发红光的荧光素标记能与人体 细胞表面抗原结合的抗体； 融合：将两种细胞混合（加入仙台病毒即可实 现）。 培养：在不同的培养时间下取样观察。 培养之初观察：标记物分别在各自细胞膜上分布。 37℃孵育40分钟观察：两种标记物分别移到对 方细胞膜中。 膜蛋白的流动具有区域性。这与细胞功能密切相 关。
•
•
跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常 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。
•
工作原理：去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子， 它们具有极性 端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白 质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中， 形成溶于水的去垢剂-膜 蛋白复合物， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀
3．糖脂
糖脂是含有1个或几个糖基的脂类。
分子组成：主要是鞘氨醇的衍生物。
糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍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。结构与鞘磷脂（ SM ）相似，只是由一个或多个糖残基代 替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，基本作用是保持细胞内微环境的相 对稳定， 并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 细胞质膜在细胞的生存、生长、 分裂、 分化中起重要作用。
细 胞 质 膜 模 式 图
红细胞膜的结构 显示暗-明-暗三层结构
第一节 质膜的化学组成
③ 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂
④ 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI ⑤ 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧称心磷脂
磷 脂 酰 乙 醇 胺 的 分 子 结 构
Phospholipids in plasmamembranes
的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出
膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞 膜由双层脂分子组成。
一、质膜结构的研究历史 • 3、J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张 力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。 1959 年在上述基础上提出了修正模型，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。
刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
６、脂筏模型（Lipid Rafts） 生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同“脂筏”一样载 着各种蛋白质。
70nm 左右， 是一种动态结构
富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示
二、生物膜的特征 1、细胞膜具有流动性
定义： 生物膜内部的黏滞特性。与膜脂肪酸的饱和度和胆固醇含量密切有关。 膜流动性使膜内分子可侧向移动,有的还能翻转移动。
第二节 质膜的结构
一、质膜结构的研究历史
1. E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过
植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，
因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
一、质膜结构的研究历史
2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人
• 质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，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体现者。动物细胞膜通常含有等
量的脂类和蛋白质。
• 膜脂
生物膜 基本骨架
磷脂
糖脂
胆固醇 膜内在蛋白（整合膜蛋白） • 膜蛋白
多种方式 与脂双层结合
膜外在蛋白（周边膜蛋白）
• 膜糖
质膜表面
性，调节双脂层流动性，降 低水溶性物质的通透性。
•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。
胆固醇在脂双层中的位置
（四）、脂质体（liposome）
• 是一种人工膜。 • 在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径 25~1000nm不等。 • 人工脂质体可用于：
1. 转基因(脂质体中裹入DNA可用于基因转移) 2. 制备的药物(在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体) 3. 研究生物膜的特性(研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质)
+
NH3 CH2 CH2 H
+
H3C C CH2 COO-
NH3
CH3 CH3 + N CH2 CH2 O P OO
OH H H H OH O P OO H2C O C HC O O C O CH2
H OH OH OH OH H
O
O O P OO H2C O C HC O O C O CH2 H2C O C HC O O
•
4、J. D. Robertson 1959 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，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，总厚约7.5nm。
5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972
根据免疫荧光技术、冰冻蚀
与脂类结合- 糖脂
与蛋白结合- 糖蛋白
细 胞 膜 的 基 本 骨 架
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。 磷脂分子的主要特征是：
1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线 粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性尾部。 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. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
1、甘油磷脂
• 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一 个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子磷酸 基团连接到脂分子上。主要类型有：
① 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂
② 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS
第四章 细胞质膜及其表面结构
PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES
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本章内容提要
• 第一节 质膜的化学组成 • 一、膜脂 • 二、膜蛋白
• 第二节 质膜的结构
• 一、质膜结构的研究历史 • 二、质膜的流动镶嵌模型
• 三、细胞膜的功能
• 第三节 细胞表面的分化 • 一、细胞外被 • 二、膜骨架 • 三、质膜的特化结构
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
二、膜蛋白
1. 外周蛋白特点：
• 占膜蛋白的20%~30%，分布在膜的内外表面，是水溶性蛋白， 它通过离子键、氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过内在
蛋白与膜结合。
• 外在膜蛋白的结合力较弱，一般用一些温和的方法既可将他们从 膜上分离下来而不破坏膜的其他结构。
人 鼠 细 胞 融 合 实 验
-
淋巴细胞成班成冒反应
荧光漂白恢复技术(fluorescence recovery after
photobleaching FRAP)-细胞膜蛋白运动动力学参数
• 定义：是使用亲脂性或亲水性的荧光分子，如荧光素、绿色荧光蛋白等 与蛋白或脂质耦联，用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部运 动及其迁移速率。 • 原理：用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细胞表面某一 区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性, 漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使 淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。
分布：均位于膜的非细胞质侧的单层,糖基暴露在细胞表面，与细胞识别及信 息传导有关。 功能： 1. 膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，它们可以提高膜的稳定性， 2. 增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性， 3. 帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。 4. 膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样，膜蛋白中的 糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。 5. 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
膜的概念： 细胞膜(cell membrane) ：是包围在细胞质外 周的一层界膜，又称质膜。它既是细胞质与外环境 之间的一道屏障，又是细胞与外环境之间进行物质、 能量的交换和信息传递的特别通道。 内膜系统(endomembrane system)细胞膜外的 其他膜结构，是许多细胞器的界膜。 生物膜(biomembrane) ：细胞膜和细胞内膜统 称为生物膜。 单位膜 (unit membrane) ：在透射电镜下呈现 为“两暗夹一明”的三层结构。
二、膜蛋白
2.内在蛋白特点：
• 占膜蛋白的70%~80%，可不同程度地嵌入脂质双分子层中，根 据嵌入程度的不同有：嵌入蛋白和跨膜蛋白。跨膜蛋白根据其跨 膜次数的不同有：单次跨膜蛋白和多次跨膜蛋白。 内在膜蛋白的结合力较强，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极 性疏水区相互作用只有用去垢剂处理，破坏膜结构，才能将他们 分离出来。
2、细胞膜具有不对称性
定义：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。
二、生物膜的特征 （一）、膜的流动性
质膜流动性的影响因素： （1）. 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。 （2）. 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增 加。 （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：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵 磷脂。 （5）. 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。
R2 C O CH CH2
P OH O O
P OH R4 C O CH O CH2
2、鞘磷脂
• 鞘磷脂（ sphingomyelin ， SM ）在脑和神经细胞
膜中特别丰富。以鞘胺醇（ sphingoine ）为骨架， 与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱 与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。
glycolipids
鞘 氨 醇
Glycolipids
ABO血型决定子(determinant)，即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
血型抗原
（三）、胆固醇
• 主要存在真核细胞膜上，含
量一般不超过膜脂的 1/3，植 物细胞膜中含量较少，其功
能是提高双脂层的力学稳定
膜脂分子的运动方式
• • • • • • 侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。 旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。