第4章 细胞质膜
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第四章 细胞质膜
影响中枢神经系统，甚至危及生命。
糖脂
其极性头部共价结合到鞘氨醇上的糖分子或寡糖链。 普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，约占膜脂总 量的5％以下，但神经细胞膜上糖脂含量较高，约 5-10％。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂；最复杂的糖脂是神 经节苷脂。家族性白痴病和神经节苷脂的异常降解 有关。
糖脂，是鞘氨醇的衍生物
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.
流动性过高，又会造成膜的溶解。
（二）细胞膜的不对称性
膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。 （二）细胞膜的不对称性 样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：ES，细胞外表面；
EF ，细胞外小页断面； PS ，原生质表面； PF ，原生质小
甘油磷脂
（3-磷酸甘油的衍生）
2、鞘脂
主要在高尔基体合成。 是含有鞘氨醇骨架的两性脂，具有一条 长链脂肪酸，一条烃链 ，和一个头部。 根据头部基团的不同，可分鞘磷脂、脑 苷脂以及神经节苷脂三种；其中，鞘磷 脂中含有磷酸基团，脑磷脂和神经节苷 脂中含糖残基而不含磷酸基团。
鞘 磷 脂 p56
鞘磷脂（sphingomyelin）是最普通的鞘脂，其极 性头是磷酰胆碱或磷酰乙醇胺。 在高等动物的组织中含量极为丰富，细胞内鞘磷脂 的水解有赖于磷脂酶，磷脂酶的先天性缺损便导致 鞘磷脂在组织内堆积，可造成肝、脾肿大，严重者
白比较容易纯化、分析。
红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物释放，留下一 个保持原形的壳，称为红细胞影（血影）。红细胞是研究膜 骨架的理想材料。
（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架
SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析：血影的蛋白成 分包括：血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1 蛋白、肌动蛋白和血型糖蛋白。
第4章-细胞质膜(翟中和第四版)
6197–202.
Simons K, Ikonen E (June 1997). "Functional rafts in cell membranes". Nature,387 (6633): 569–72.
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13
脂筏结构模型
脂筏模型（lipid rafts）：脂质双分子层不是一个完全 均匀的二维流体，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区。 特点：这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较 少 流动性。其周围是流动性较高的液态区。 功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固 醇代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。
帽现象（capping）
Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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41
（二）膜蛋白的流动性
• 膜蛋白流动性受 多种因素限制： 如紧密连接、细 胞骨架的影响等
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42
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第4章 细胞质膜
1
细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系，细胞膜是细胞表
面的核心结构。
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2
基本概念
• 细胞质膜（plasma membrane）又称质膜，曾称 细胞膜（cell membrane)，是围绕在细胞最外层 ，由脂质、蛋白质和糖类组成的生物膜。
• 脂筏基本结构成分， 还是很多重要生物活 性分子的前体化合物
Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
细胞生物学 名词解释 第四章 细胞质膜
脂锚定膜蛋白
lipid anchored protein
通过与之共价连接的脂分子插入膜的脂双分子层中，从而锚定在细胞质膜上。与脂肪酸结合的脂锚定蛋白分布在质膜内测，与糖脂结合的脂锚定蛋白分布在质膜外侧，GPI脂锚定膜蛋白分布在质膜外侧。
研究膜蛋白的分析技术
低温电镜、X射线晶体衍射技术、电镜三维重构
研究膜蛋白的难处
1、表达量低
2、分离纯化困难
3、难以形成三维晶体
细胞膜流动性பைடு நூலகம்
胆固醇含量减低，脂肪酸链短，不饱和度高，相变温度低，PC/SM比例高，流动性大（胆固醇即可增强流动性，又可降低流动性），由此可得流动性与胆固醇含量、脂肪酸链长短、饱和程度、PC/SM比值有关。
研究膜蛋白流动性（侧向运动）的实验
荧光抗体免疫标记细胞融合：用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合，10min后，不同颜色的荧光开始在融合细胞的表面扩散，40min后分辨不出融合细胞表面的绿色荧光和红色荧光区域，两种荧光均匀的分布在融合细胞表面。这一实验证明膜蛋白在脂膜上的运动。
带3蛋白
band3 protein
是红细胞质膜Cl-/HCO3-阴离子运输的载体蛋白，带3蛋白的N末端伸向细胞质膜基质面折叠成不连续的水不溶性的区域，为膜支架蛋白提供结合位点，多次跨膜蛋白，内在膜蛋白
细胞质膜的功能
1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，2、选择性的物质运输，3、提供细胞识别位点，4、为多种酶提供结合位点；5、介导细胞与细胞，细胞与胞外基质之间的连接；6、质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；7、膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病有关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
lipid anchored protein
通过与之共价连接的脂分子插入膜的脂双分子层中，从而锚定在细胞质膜上。与脂肪酸结合的脂锚定蛋白分布在质膜内测，与糖脂结合的脂锚定蛋白分布在质膜外侧，GPI脂锚定膜蛋白分布在质膜外侧。
研究膜蛋白的分析技术
低温电镜、X射线晶体衍射技术、电镜三维重构
研究膜蛋白的难处
1、表达量低
2、分离纯化困难
3、难以形成三维晶体
细胞膜流动性பைடு நூலகம்
胆固醇含量减低，脂肪酸链短，不饱和度高，相变温度低，PC/SM比例高，流动性大（胆固醇即可增强流动性，又可降低流动性），由此可得流动性与胆固醇含量、脂肪酸链长短、饱和程度、PC/SM比值有关。
研究膜蛋白流动性（侧向运动）的实验
荧光抗体免疫标记细胞融合：用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合，10min后，不同颜色的荧光开始在融合细胞的表面扩散，40min后分辨不出融合细胞表面的绿色荧光和红色荧光区域，两种荧光均匀的分布在融合细胞表面。这一实验证明膜蛋白在脂膜上的运动。
带3蛋白
band3 protein
是红细胞质膜Cl-/HCO3-阴离子运输的载体蛋白，带3蛋白的N末端伸向细胞质膜基质面折叠成不连续的水不溶性的区域，为膜支架蛋白提供结合位点，多次跨膜蛋白，内在膜蛋白
细胞质膜的功能
1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，2、选择性的物质运输，3、提供细胞识别位点，4、为多种酶提供结合位点；5、介导细胞与细胞，细胞与胞外基质之间的连接；6、质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；7、膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病有关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
第四章：细胞质膜
的脂双层中呈不均
匀分布，如：PC和
SM主要分布在外小
叶，PE和PS分布在
内小叶。
镰刀形红细胞与荧光标记的 annexinV共孵育的荧光显微镜照片
流式细胞仪检测到的PS暴露
于表面的红细胞的百分比
2，膜蛋白的不对称性 包括：整合蛋白插入的深度不同； 穿过蛋白质两侧的基团不同；
两侧表面边周蛋白的性质种类不同。
1，2：膜整合蛋白 3，4：脂锚定蛋白 5，6：外周蛋白
1、整合膜蛋白（integral membrane protein） 1）也称跨膜蛋白(transmembrane proteins)，为两 性分子，非极性区（疏水区）插在脂双层分子之间， 极性区（亲水区）则朝向膜的表面，占70%～80%。 2）主体穿过细胞膜脂双层，分为单次跨膜、多次跨 膜和多亚基跨膜蛋白三种。 3）单次跨膜蛋白肽链穿过脂双层一次，有胞外、胞 质和跨膜三个结构域，跨膜域含有20～30个疏水性 氨基酸，以α螺旋构象穿越脂双层。穿膜的方式包 括：
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。
有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一
个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋
白，有的则结合在膜的外部。
附着
膜蛋白
膜蛋白
周边蛋白
周边蛋白
附着在其他膜蛋白上的周边蛋白
3、脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）
滑入细胞质或在脂肪双层翻转，也可能参与环境相互
作用，细胞识别。
二、细胞膜的特性 （一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 膜组分分布不对称性与膜功能的不对称性，使生 命活动高度有序。 1、膜脂的不对称性 1）膜脂内外层化学组成不对称 2）不同膜性细胞器中脂类成分组成不同
第四章 细胞质膜
种去极化波，沿着轴突迅速传播，称为动作电位。由于Na+通道开放后不久即失活，通 过电压门控K+通道和K+渗漏通道的作用，兴奋后的膜可迅速恢复原来的静息状态。 9. [题解]细胞膜是细胞膜结构的总称，包括细胞外层的膜和细胞质内的膜。膜是由膜脂与 蛋白质组成的。质膜为双层脂结构，膜蛋白分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。细 胞膜的功能包括：界膜及区室化，生命活动的基础；调节物质运输；提供了功能区室化 的条件；参与信号的检测与传递；参与细胞间相互作用；能量转换。
第四章 细胞质膜
一、填空题 1. 流动镶嵌模型强调生物膜的主要基本特征是＿＿＿＿和＿＿＿＿。 2. 膜脂主要的3种类型是＿＿＿＿、＿＿＿＿和＿＿＿＿。 3. 生物膜上的磷脂分为＿＿＿＿和＿＿＿＿两类，甘油磷脂包括：＿＿＿＿、＿
＿＿＿、＿＿＿＿和＿＿＿＿。 4. 糖脂是细胞膜的重要组分，其中＿＿＿＿是最简单的糖脂，只有1个葡萄糖或半乳糖残
9. 1935 年 Danielli 和 Davson 根据膜＿＿＿＿＿＿＿＿，提出质膜的外面有一层蛋白质 的存在。
10. 1925 年 Gorter 和 Grendel 提出膜的双分子层的结构设想的依据是：＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿。
11. 成熟的红细胞是研究细胞质膜的好材料，它不仅没有细胞核和线粒体，而且也没有＿＿ ＿＿＿＿＿＿。
三、判断题 1. 生物膜是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的膜。 2. 胆固醇在动物细胞膜中含量较高，但不存在于植物和原核生物细胞膜中。 3. 膜蛋白的跨膜区均呈α 螺旋结构。 4. 为获得有生物活性的膜蛋白，常采用离子去垢剂。 5. 膜脂和膜蛋白都处于流动状态，两者互不影响。 6. 细胞内的囊泡，与细胞质基质接触的膜面为PS面，而与囊泡腔内液体接触的面为ES面。 7. 改变处理血影的离子强度，则血影蛋白和肌动蛋白条带消失，说明两种蛋白不是膜内在
细胞生物学第四章细胞质膜
（1）磷脂(phospholipids) 含有磷酸基团的脂称为磷脂，是细胞膜中含量
最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部 和一个疏水的尾部。
(internal membrane)， 习惯上把细胞所有膜 结构统称为 生物膜 (biomembrane)。
细胞生物学第四章细胞质膜
虽然细胞很早就在光镜下被发现,但其是否有明确的边界结构,尚 未可知,直到电镜发明发现质膜的超微结构,但人们并不惊奇,因 为在此之前已侦知。
1、关于膜的化学组成的早期研究: 18世纪90年代，Overton 用植物的根毛作实验，
第四章、细胞质膜
知识要点： 1 、掌握几种膜分子结构模型学说，并评价之。 2 、了解膜结构的组成成分和组成方式。 3 、理解质膜流动性和不对称性两大特点。 4、了解红细胞膜骨架的组成和功能。
细胞生物学第四章细胞质膜
第一节、细胞膜结构模型与成分 一、细胞膜结构
膜(membrane)是细胞 的重要结构， 包括细 胞质膜 (plasma membrane)、内膜
高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物 和原核生物)的不同而不同。
一般而言ห้องสมุดไป่ตู้膜脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约1-10%
细胞生物学第四章细胞质膜
1、膜脂
膜脂都具有双亲性，这种性质使生物膜具有屏 障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只 允许亲脂性物质通过。
膜脂是生物膜的基本组成成分， 主要有三大类 型:磷脂、糖脂、胆固醇。
质膜的片层结构模型
细胞生物学第四章细胞质膜
5、单位膜模型(unit membrane model)
1959年，J.D.Robertson在电子显微镜下发现细胞膜是类似 铁轨结构，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗—明— 暗三层，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，并建议将这种 结构称为单位膜。
最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部 和一个疏水的尾部。
(internal membrane)， 习惯上把细胞所有膜 结构统称为 生物膜 (biomembrane)。
细胞生物学第四章细胞质膜
虽然细胞很早就在光镜下被发现,但其是否有明确的边界结构,尚 未可知,直到电镜发明发现质膜的超微结构,但人们并不惊奇,因 为在此之前已侦知。
1、关于膜的化学组成的早期研究: 18世纪90年代，Overton 用植物的根毛作实验，
第四章、细胞质膜
知识要点： 1 、掌握几种膜分子结构模型学说，并评价之。 2 、了解膜结构的组成成分和组成方式。 3 、理解质膜流动性和不对称性两大特点。 4、了解红细胞膜骨架的组成和功能。
细胞生物学第四章细胞质膜
第一节、细胞膜结构模型与成分 一、细胞膜结构
膜(membrane)是细胞 的重要结构， 包括细 胞质膜 (plasma membrane)、内膜
高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物 和原核生物)的不同而不同。
一般而言ห้องสมุดไป่ตู้膜脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约1-10%
细胞生物学第四章细胞质膜
1、膜脂
膜脂都具有双亲性，这种性质使生物膜具有屏 障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只 允许亲脂性物质通过。
膜脂是生物膜的基本组成成分， 主要有三大类 型:磷脂、糖脂、胆固醇。
质膜的片层结构模型
细胞生物学第四章细胞质膜
5、单位膜模型(unit membrane model)
1959年，J.D.Robertson在电子显微镜下发现细胞膜是类似 铁轨结构，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗—明— 暗三层，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，并建议将这种 结构称为单位膜。
细胞生物学第四章 细胞质膜及其表面
① 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷 脂 ② 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS 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
磷脂与糖脂分布的不对称性
2．复合糖 的不对称性
• 膜糖以糖 蛋白或糖脂 的形式存在， 无论是糖蛋 白还是糖脂 的糖基都是 位于膜的外 表面
膜糖分布的不对称性
3、膜蛋白的 不对称性：
每种膜蛋白分子在 细胞膜上都具有特 定的方向性和分布 的区域性。 膜蛋白的不对称性 包括外周蛋白分布 的不对称以及整合 蛋白内外两侧氨基 酸残基数目的不对 称。
①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein； ⑤,⑥ peripheral protein
膜蛋白的功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 细胞膜的结构 一、细胞膜结构的研究历史
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。
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，磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇 等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：
• 细胞膜、 细胞外被和表层胞质溶胶构成细胞表面。
磷脂与糖脂分布的不对称性
2．复合糖 的不对称性
• 膜糖以糖 蛋白或糖脂 的形式存在， 无论是糖蛋 白还是糖脂 的糖基都是 位于膜的外 表面
膜糖分布的不对称性
3、膜蛋白的 不对称性：
每种膜蛋白分子在 细胞膜上都具有特 定的方向性和分布 的区域性。 膜蛋白的不对称性 包括外周蛋白分布 的不对称以及整合 蛋白内外两侧氨基 酸残基数目的不对 称。
①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein； ⑤,⑥ peripheral protein
膜蛋白的功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 细胞膜的结构 一、细胞膜结构的研究历史
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。
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，磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇 等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：
• 细胞膜、 细胞外被和表层胞质溶胶构成细胞表面。
细胞质膜
只存在于细胞膜的外表面，组成红细胞表面的ABO血型抗原。
最简单的糖脂：半乳糖脑苷脂
最复杂多变的糖脂：神经节苷脂
可多达7个糖残基，其中 含有不同数目的唾液酸
神经 酰胺
半乳糖脑苷脂
神经节苷脂
唾液酸
3、胆固醇
存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量 较少。是脂筏的基本结构成分。
功能：提高膜的稳定性、调节流动性、降低水溶性物质的通
道，供亲水物质通过。
一、细胞膜的结构模型
1959 年J.D. Robertson 利用电子显微镜技术对 各种膜结构进行了详细研究，在电镜下膜显示暗-
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， 并提出了单位膜模型。
一、细胞膜的结构模型
1972，S.J. Singer 和 G. Nicolson 根据免疫荧 光技术和冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流
根据恢复速度，计算
膜蛋白或膜脂的扩散
速度。
二、膜的不对称性
（一）细胞质膜各部分的名称
质膜的细胞外表面（ES）
质膜的细胞外小页断裂面（EF）
原生质小页断裂面（PF）。
质膜的原生质表面（PS）
（二）膜脂的不对称性
膜脂的不对称性 —— 同一种膜脂分子在膜的脂双 层中呈不均匀分布。
糖脂的不对称性：都分布在质膜或其他内膜的ES 面——是执行其生理功能的结构基础。
一、细胞膜的结构模型
1925, E. Gorter和F. Grendel 用有机溶剂提取了人类红细 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。
第四章 细胞质膜 南开大学细胞生物学课件
鞘氨醇 神经酰胺
神经鞘磷脂，SM 脑苷脂A
神经节苷脂A
ABO 血 型 糖
3. 固醇
胆固醇及其类似物统称固醇。胆固醇是中性脂类，存在于动 物细胞和少数植物细胞质膜上，含量不超过膜脂的1/3。胆固 醇包括三部分：羟基团代表极性的头部，非极性的甾环结构和 一个非极性的碳氢尾部。胆固醇在调节膜的流动性、加强膜的 稳定性、降低水溶物质的通透性方面都起重要作用。
（3）生物膜可以看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。 即膜的流动性。
（4）在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空 间上可出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化中。
二、膜脂
通过对血影的分析，一般情况下： 脂 类 占 40% 蛋白质 占 50% 糖 类 占 1-10%
膜中脂类和蛋白质的含量变化与膜的功能有关。膜中含蛋白 质越多，膜的功能越复杂；所含的蛋白质种类和数量越少，膜 的功能越简单。如神经髓鞘，它的作用是起绝缘作用，所以蛋 白质的含量显著低于脂类。
（二）膜脂的不对称性
膜脂的不对称性是指同一种膜脂分 子在膜的脂双层中呈不均匀分布。 糖脂的分布表现出完全不对称性
（三）膜蛋白的不对称性
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在质膜上都 具有确定的方向性；
所有膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，膜蛋白的不 对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种 生理功能的保证。
2. 内在膜蛋白
（intrinsic membrane protein）
又称整合膜蛋白（integral membrane protein）。 整合膜蛋白均为双性分子，非极性区插在脂双层分子之间，极性区则朝 向膜的表面，它们通过很强的疏水或亲水作用力同膜脂牢固结合，一般不易 分离开来，只有用去垢剂(detergent)使膜崩解后才可分离出来。 内在膜蛋白占整个膜蛋白的70%~80%。估计人类基因组中，1/4~1/3基因 编码的蛋白为内在膜蛋白。
细胞生物学 第四章细胞质膜
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（integral proteins）
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（tansmembrane proteins）。膜蛋白为
两性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）
5.血型糖蛋白(glycophorin ) 血型糖蛋白又称涎糖蛋白(sialo glycoprotein),因 它富含唾液酸。血型糖蛋白是第一个被测定氨 基酸序列的蛋白质,有几种类型，包括A、B、C、 D。血型糖蛋白B、C、D在红细胞膜中浓度较 低。血型糖蛋白A是一种单次跨膜糖蛋白, 由 131个氨基酸组成, 其亲水的氨基端露在膜的外 侧, 结合16个低聚糖侧链。血型糖蛋白的基本 功能可能是在它的唾液酸中含有大量负电荷,防 止了红细胞在循环过程中经过狭小血管时相互 聚集沉积在血管中。
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。
细胞融合技术观察蛋白质运动
光脱色恢复技术（FRAP）
4．膜流动性的意义
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 动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造
第四章 细胞质膜
膜脂— 二、膜脂—生物膜的基本组成成分
磷脂、 胆固醇三种类型 （一）成分：主要包括磷脂、糖脂 胆固醇三种类型。 成分：主要包括磷脂 糖脂和胆固醇三种类型。 磷脂（phospholipid)：膜脂的基本成分（50％以上）； 1、 磷脂 （ phospholipid) 分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂，其中甘油磷脂又包括： 磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺 (脑磷脂）和磷脂酰肌醇等，磷脂的主要特征：
根据Fluid-mosaic model： 根据 ：
1. 2.
细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。 细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。 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， 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； 物膜骨架；
3.
蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部， 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 不对称性。 双脂层，表现出分布的不对称性。
甘油磷脂
以甘油 甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸 两个脂肪酸链一 甘油 两个脂肪酸 个磷酸基团 磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子靠磷 磷酸基团 酸基团连接到脂tidylcholine，PC，旧称卵磷脂 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧称心磷脂
具有一个极性头部和两个非极性尾部（心磷脂除外） ① 具有一个极性头部和两个非极性尾部（心磷脂除外）； 脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16 18或20个组成 16, 个组成； ② 脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16,18或20个组成； 含有饱和脂肪酸(如软脂酸)和不饱和脂肪酸(如油酸) ③ 含有饱和脂肪酸(如软脂酸)和不饱和脂肪酸(如油酸)；
第四 章 细胞(质)膜与细胞表面(1)讲解
三 锚定连接
中间纤维
肌动蛋白
桥粒和半桥粒
粘着带和粘着斑
锚定连接广泛存在于上皮组织,心肌和子宫颈中
结构组成： a)细胞内附着蛋白(attachment proteins)：
将细胞骨架与连接蛋白相连 b)跨膜连接糖蛋白：其胞内端与附着蛋白相连, 胞 外端与相邻细胞的连接糖蛋白或胞外基质相连。
1 桥粒与半桥粒
磷脂脂肪酸链具有流动性； 荧光抗体标记的融合细胞 质膜具流动性 …..
流动镶嵌模型(fluid mosaic model) SJ Singer&G Nicolson(1972)
单位膜模型
寡糖 糖脂
流动镶嵌模型
胆固醇
磷脂
现今广泛接受的模型
流动镶嵌模型
要点
1)镶嵌性：脂双分子层是膜的“构架”，双层脂 分子以疏水尾部相对，极性头部朝外；膜蛋白 镶在其表面、或部分或全部嵌入其内、或横跨 整个脂双层；
4）与生物的耐寒性有关：耐寒品种中脂肪的不饱和程 度较高，流动性较大。
5）在发育过程中细胞膜的流动性有明显变化:随年龄 增加，细胞中饱和脂肪酸增多，膜流动性较低。
6）细胞周期中膜的流动性有变化:分裂期(M)流动性高； G1和S期膜流动性最低。
五 膜的不对称性
1 膜脂分布的不对称性
胆固醇
外层: 鞘磷脂
封闭连接 紧密连接
锚定连接
中间纤维 相关
肌动蛋白纤 维相关
间隙连接 通讯连接 胞间连丝
化学突触
桥粒(desmosome) 半桥粒hemidesmosome)
粘着带(adhesion belt) 粘着斑(focal adhesion)
动物上皮中的细胞连接
二 封闭连接
细胞生物学[第四章细胞质膜]课程预习
![细胞生物学[第四章细胞质膜]课程预习](https://img.taocdn.com/s3/m/1328c96458fafab069dc0245.png)
第四章细胞质膜细胞膜(cell membrane)又称质膜(plasma membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。
细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过程中也起着决定性的作用。
生物膜(biomembrane)：真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器，细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜。
一、细胞质膜的结构模型(一)生物膜的结构模型目前对生物膜结构的认识可归纳如下：(1)膜脂主要由磷脂分子构成，磷脂分子具有极性头部和非极性尾部。
在水相中以疏水性非极性尾部相对、极性头部朝向水相自发形成磷脂双分子层的封闭的膜系统。
(2)蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。
(3)在膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与膜两侧其他生物大分子之间的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。
(二)膜脂膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞膜上约有109个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5×106个脂分子。
1．成分膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
(1)磷脂。
磷脂是膜脂的基本成分，占膜脂的50％以上。
组成生物膜的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)，但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有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除饱和脂肪酸根外，还常含有不饱和脂肪酸(如油酸)，不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30。
弯曲。
(2)糖脂。
在原核和真核细胞的膜上，糖脂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％。
已发现40余种糖脂，不同细胞中的糖脂种类不同。
如神经细胞的神经节苷脂，红细胞表面的ABO血型糖脂。
第四章 细胞质膜
水性头部朝向水相。
2. 三明治模型
• 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， 提出三明治模型（蛋 白质-脂类-蛋白质）。
3. 单位膜模型
• JD. Robertson 1959
根据电镜观察提出单 位 膜 模 型 。 厚 约 7.5 nm。
5. 脂筏 （ lipid raft ）
• 生物膜上富含鞘磷脂和胆固醇的相对有 序的微小区域，与生物膜某些特定功能 的发挥有关。
细胞膜的脂筏模型示意图
病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化
二、膜脂
（一）、成分
（二）、膜脂的运动方式
（三）、脂质体
（一）、成分
1. 甘油磷脂 2. 糖脂
3.胆固醇
膜脂的基本类型
• 胆固醇起束尾（与磷脂尾部结合）和疏开（将磷脂分
子隔开）的双重作用，但通常胆固醇起到防止膜脂由
液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。
膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定。
（二）、膜蛋白的流动性
• 荧光抗体免疫标记实验：两种荧光标记→细胞融合→对
半→均匀→成斑→成帽 • 膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动 • 细胞骨架既限制膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的
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。
• 某些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 , 进一步加强膜蛋白与脂
双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。
内在膜蛋白与膜脂结合方式示意图
2） 跨膜结构域与膜脂的作用方式
2. 三明治模型
• 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， 提出三明治模型（蛋 白质-脂类-蛋白质）。
3. 单位膜模型
• JD. Robertson 1959
根据电镜观察提出单 位 膜 模 型 。 厚 约 7.5 nm。
5. 脂筏 （ lipid raft ）
• 生物膜上富含鞘磷脂和胆固醇的相对有 序的微小区域，与生物膜某些特定功能 的发挥有关。
细胞膜的脂筏模型示意图
病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化
二、膜脂
（一）、成分
（二）、膜脂的运动方式
（三）、脂质体
（一）、成分
1. 甘油磷脂 2. 糖脂
3.胆固醇
膜脂的基本类型
• 胆固醇起束尾（与磷脂尾部结合）和疏开（将磷脂分
子隔开）的双重作用，但通常胆固醇起到防止膜脂由
液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。
膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定。
（二）、膜蛋白的流动性
• 荧光抗体免疫标记实验：两种荧光标记→细胞融合→对
半→均匀→成斑→成帽 • 膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动 • 细胞骨架既限制膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的
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。
• 某些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 , 进一步加强膜蛋白与脂
双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。
内在膜蛋白与膜脂结合方式示意图
2） 跨膜结构域与膜脂的作用方式
第四章 细胞质膜
第四章细胞质膜第一节细胞质膜的结构模型与基本成分一细胞质膜的结构模型发现过程：1925年，E.Gorter和F.Grendel通过对红细胞质膜的研究揭示了质膜是由双层脂分子构成的。
之后，Davson和Danielli推测出质膜中含有蛋白质成分，并提出三明治式模型—蛋白质-脂质-蛋白质1959年，Robertson提出单位膜模型，并大胆推测所有的生物膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质的单位膜构成。
这一推测得到了X射线分析结果的支持Singer和Nicolson在1972年提出生物膜的流动镶嵌模型，该模型得到了各种实验结果的支持。
1975年Uuwin和Henderson首次报道了质膜蛋白菌紫红质的三维结构，他是一个跨膜蛋白镶嵌在膜上。
流动镶嵌模型强调：1，膜的流动性，即膜蛋白和膜脂都可以流动；2.膜蛋白分布的不对称性，有的在膜表面，有的镶嵌，有的跨膜。
Simons在1988年提出了脂筏模型。
脂筏模型—在生物膜上胆固醇，鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的脂筏一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。
生物膜结构归纳总结：1.具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子以疏水性的尾部相对，极性头部朝向水相形成脂双分子层，每层磷脂分子称为一层小叶。
2.蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。
3.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子之中的二维溶液。
膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用，在不同成度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。
4.在细胞生长和分裂整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲，折叠，延申等改变，处于不断的动态变化中。
二、膜脂（一）成分1.甘油磷脂构成了膜脂的基本成分，占整个膜脂的一半以上。
是3-磷酸甘油的衍生物.主要在内质网合成主要特征：1，具有一个与磷酸基团相结合的极性头部和两个非极性的尾部，但是存在于线粒体和某些细菌质膜上的心磷脂除外，它有4个尾部。
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• 荧光漂白恢复(FRAP)
Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
二、膜的不对称性
• 膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布。 同一种膜脂在脂双层中的分布不同；同一 种膜蛋白在脂双层中的定向或其拓扑学结
构完全不同，糖蛋白和糖脂的糖基部分均
（二）膜蛋白的流动性
• 荧光标记的人-鼠细
胞融合实验显示膜蛋
白的流动性
Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
• 膜蛋白流动性受多种因素限制： 如紧密连接、细胞骨架的影响等
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
位于细胞质膜的外侧
（一）生物膜各膜面的名称
ES--外小叶 PS--内小叶
EF--外小叶断面 PF--内小叶断面
（二）膜脂的不对称性
• 膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的 脂双层中呈不均匀分布 • 糖脂的分布表现出完全不对称性：非胞质侧
SM：鞘磷脂；PC：卵磷脂；PE：磷脂酰丝氨酸；PS：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇
作业：
一、解释 1、生物膜系统 2、流动镶嵌模型 3、血影 4、膜骨架 二、简答题或论述题 1、从生物膜结构模型的演化，谈谈人们对生物膜的 认识过程。 2、膜脂有哪几种基本类型？它们各自的结构特征与 功能是什么？ 3、何谓内在膜蛋白？它以什么方式与脂双层膜相结 合？ 4、生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理 功能有什么联系？ 5、细胞表面有哪几种常见的特化结构？红细胞膜骨 架的基本结构与功能是什么？
（一）膜骨架
• 细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白 组成的网架结构，参与维持质膜形状并 协助质膜完成多种生理功能 • 哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度
Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
图4-18 人的ABO血型抗原寡 糖链结构的比较
（三）膜蛋白的不对称性
• 所有的膜蛋白在质膜上
都呈不对称分布，每种
膜蛋白分子在质膜上都
具有明确的方向性
• 糖蛋白的糖残基均分布
在生物膜的非胞质一侧
Figure 10-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
三、细胞质膜相关的膜骨架
PE 极性头较 小，更多地分 布在脂双层曲 度较小的一侧
2、鞘脂
• 主要在高尔基体合成 • 鞘磷脂形成的脂双层的厚度较甘油磷脂的 厚度更大
A.卵磷脂 PC B.鞘磷脂 SM C.卵磷脂和胆固醇 D.鞘磷脂和胆固醇
3、固醇：胆固醇及其类似物
• 与磷脂不同，本身不能形成脂双层，只能 参与生物膜的形成 • 调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降 低水溶性物质的通透性 • 是脂筏的基本结构成分，还是很多重要的 生物活性分子的前体化合物
离子型去垢剂：十二烷基硫酸钠（SDS） 非离子去垢剂：Triton X-100
• 离子型去垢剂如SDS可破坏蛋白质中的离 子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质 亲水部分的构象 • 非离子去垢剂Triton X－100对蛋白质作用 比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化
用不同去垢剂处理膀 胱上皮细胞质膜，所 萃取的膜蛋白的SDS
（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架
• 红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨 架复合体的相互作用来实现 • 红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架 纤维参与
A.红细胞血影；B.SDS-聚丙酰胺凝胶电泳对血影成分的分析；C.血影的负染 色电镜照片，显示出网状的膜骨架结构；D.膜骨架与膜蛋白结合的示意图
• 根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层 膜的现象而制备的人工膜 • 可以嵌入不同的膜蛋白, 是研究膜脂与膜蛋 白生物学性质以及基因、药物靶向的好材料
三、膜蛋白(membrane protein)
• 膜蛋白的种类繁多。酵母基因组中约1/3 的 基因编码膜蛋白，多细胞有机体膜蛋白的 种类更多, 赋予生物膜非常重要的生物学功
• 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 • 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基 或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与 带负电的磷脂极性头部相互作 • 半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上
内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合：
• 跨膜结构域形成α 螺旋 • 跨膜结构域主要由β 折叠片组成 • 跨膜区域非极性氨基酸残基朝外，与膜脂作 用，极性氨基酸朝内，可形成极性通道
Thanks for your attention!
• 胆固醇、鞘磷脂等 富集区域形成相对 有序的脂相，如同 漂浮在脂双层上的 “脂筏” • 脂筏载着执行特定 生物学功能膜蛋白
对生物膜结构的认识:
（1）具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相 中具有自发形成封闭的膜系统的性质
核移植后“创伤”会自动愈合
（2）蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中
凝胶电泳图谱
第二节 细胞质膜的基本 特征与功能
一、生物膜的流动性
• 膜的流动性是所有的生物膜的基本特征 ，是细胞生长增殖等生命活动的必要条 件
• 膜的流动状态受细胞代谢过程的调节
（一）膜脂的流动性
• 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流 动性越大 • 温度对膜脂的运动有明显的影响 • 胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用
二、膜脂(membrane lipid)
• 膜脂主要包括甘油磷 脂、鞘脂和固醇三种 基本类型
（一）成分
1、甘油磷脂
• 甘油磷脂构成了膜脂的基本成分 • 甘油磷脂特征：
①具有一个极性头和两个 非极性的尾 ②脂肪酸碳链为偶数 ③除饱和脂肪酸外常含1-2 个双键的不饱和脂
脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响
• 跨膜蛋白既有疏水区域(跨膜区)，也有亲水 区域(膜表面区)，其结构解析主要是应用低 温电镜技术和X射线晶体衍射技术
图4-12 转运甘油的水孔蛋 白Glpf的三维结构图像
图4-13 3-磷酸甘油转 运蛋白的三维结构图像
（三）去垢剂
• 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 • 插入膜脂与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等 疏水部位结合，形成可溶性的微粒
第4章 细胞质膜
内容：
细胞质膜的结构模型与基本成分
细胞质膜的基本特征与功能
• 细胞质膜在结构上作为细胞的界膜，使细
胞具有一个相对稳定的内环境
• 在细胞与环境之间的物质运输、能量转换
及信息传递过程中也起着重要的作用
第一节 细胞质膜的结构模型 与基本成分
一、细胞质膜的结构模型
• 1959 年，Robertson 根据电子显微镜观察结 果提出了单位膜模型(unit membrane model)
或结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不 对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的 特性与功能
（3）生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中
的二维溶液。膜蛋白、
（4）在细胞生长和分裂等生命活动中，生物 膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸 等改变，处于不断的动态变化中
（二）膜脂的运动方式(4种)
（1）沿膜平面的侧向运动
（2）脂分子围绕轴心的自旋 运动 （3）脂分子尾部的摆动 （4）双层脂分子之间的翻转 运动
Figure 10-11b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（三）脂质体(liposome)
• 除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在 与锚蛋白、血影蛋白及带4.1 蛋白类似的蛋 白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构
细胞质膜的基本功能
• • • • • • 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 提供细胞识别位点，完成信息跨膜传导 为多种酶提供结合与反应位点 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间连接 参与形成细胞表面特化结构
能。
（一）膜蛋白的类型
• 根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子 的结合方式，膜蛋白可分为3 种基本类型
• 脂锚定膜蛋白与膜脂分子共价相连，有3类
A：脂肪酸结合到膜
蛋白N端的甘氨
酸残基上 B：烃链结合到膜蛋
白C端的半胱氨
酸残基上 C：通过糖脂锚定在
细胞质膜上
（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式
• 内在膜蛋白为跨膜蛋白, 在结构上可分为： 胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构 域等3 个组成部分
电镜超薄切片中的细 胞质膜显示出暗－亮 －暗三条带
• 1972年Singer 和Nicolson提出了生物膜的 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)
①膜的流动性，即膜蛋白和膜脂均可侧向运动 ②膜蛋白分布的不对称性，有的结合在膜表面，有 的嵌入或横跨脂双分子层
• 脂筏模型(lipid raft model, Simons, 1988)
Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
二、膜的不对称性
• 膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布。 同一种膜脂在脂双层中的分布不同；同一 种膜蛋白在脂双层中的定向或其拓扑学结
构完全不同，糖蛋白和糖脂的糖基部分均
（二）膜蛋白的流动性
• 荧光标记的人-鼠细
胞融合实验显示膜蛋
白的流动性
Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
• 膜蛋白流动性受多种因素限制： 如紧密连接、细胞骨架的影响等
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
位于细胞质膜的外侧
（一）生物膜各膜面的名称
ES--外小叶 PS--内小叶
EF--外小叶断面 PF--内小叶断面
（二）膜脂的不对称性
• 膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的 脂双层中呈不均匀分布 • 糖脂的分布表现出完全不对称性：非胞质侧
SM：鞘磷脂；PC：卵磷脂；PE：磷脂酰丝氨酸；PS：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇
作业：
一、解释 1、生物膜系统 2、流动镶嵌模型 3、血影 4、膜骨架 二、简答题或论述题 1、从生物膜结构模型的演化，谈谈人们对生物膜的 认识过程。 2、膜脂有哪几种基本类型？它们各自的结构特征与 功能是什么？ 3、何谓内在膜蛋白？它以什么方式与脂双层膜相结 合？ 4、生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理 功能有什么联系？ 5、细胞表面有哪几种常见的特化结构？红细胞膜骨 架的基本结构与功能是什么？
（一）膜骨架
• 细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白 组成的网架结构，参与维持质膜形状并 协助质膜完成多种生理功能 • 哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度
Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
图4-18 人的ABO血型抗原寡 糖链结构的比较
（三）膜蛋白的不对称性
• 所有的膜蛋白在质膜上
都呈不对称分布，每种
膜蛋白分子在质膜上都
具有明确的方向性
• 糖蛋白的糖残基均分布
在生物膜的非胞质一侧
Figure 10-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
三、细胞质膜相关的膜骨架
PE 极性头较 小，更多地分 布在脂双层曲 度较小的一侧
2、鞘脂
• 主要在高尔基体合成 • 鞘磷脂形成的脂双层的厚度较甘油磷脂的 厚度更大
A.卵磷脂 PC B.鞘磷脂 SM C.卵磷脂和胆固醇 D.鞘磷脂和胆固醇
3、固醇：胆固醇及其类似物
• 与磷脂不同，本身不能形成脂双层，只能 参与生物膜的形成 • 调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降 低水溶性物质的通透性 • 是脂筏的基本结构成分，还是很多重要的 生物活性分子的前体化合物
离子型去垢剂：十二烷基硫酸钠（SDS） 非离子去垢剂：Triton X-100
• 离子型去垢剂如SDS可破坏蛋白质中的离 子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质 亲水部分的构象 • 非离子去垢剂Triton X－100对蛋白质作用 比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化
用不同去垢剂处理膀 胱上皮细胞质膜，所 萃取的膜蛋白的SDS
（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架
• 红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨 架复合体的相互作用来实现 • 红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架 纤维参与
A.红细胞血影；B.SDS-聚丙酰胺凝胶电泳对血影成分的分析；C.血影的负染 色电镜照片，显示出网状的膜骨架结构；D.膜骨架与膜蛋白结合的示意图
• 根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层 膜的现象而制备的人工膜 • 可以嵌入不同的膜蛋白, 是研究膜脂与膜蛋 白生物学性质以及基因、药物靶向的好材料
三、膜蛋白(membrane protein)
• 膜蛋白的种类繁多。酵母基因组中约1/3 的 基因编码膜蛋白，多细胞有机体膜蛋白的 种类更多, 赋予生物膜非常重要的生物学功
• 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 • 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基 或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与 带负电的磷脂极性头部相互作 • 半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上
内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合：
• 跨膜结构域形成α 螺旋 • 跨膜结构域主要由β 折叠片组成 • 跨膜区域非极性氨基酸残基朝外，与膜脂作 用，极性氨基酸朝内，可形成极性通道
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• 胆固醇、鞘磷脂等 富集区域形成相对 有序的脂相，如同 漂浮在脂双层上的 “脂筏” • 脂筏载着执行特定 生物学功能膜蛋白
对生物膜结构的认识:
（1）具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相 中具有自发形成封闭的膜系统的性质
核移植后“创伤”会自动愈合
（2）蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中
凝胶电泳图谱
第二节 细胞质膜的基本 特征与功能
一、生物膜的流动性
• 膜的流动性是所有的生物膜的基本特征 ，是细胞生长增殖等生命活动的必要条 件
• 膜的流动状态受细胞代谢过程的调节
（一）膜脂的流动性
• 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流 动性越大 • 温度对膜脂的运动有明显的影响 • 胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用
二、膜脂(membrane lipid)
• 膜脂主要包括甘油磷 脂、鞘脂和固醇三种 基本类型
（一）成分
1、甘油磷脂
• 甘油磷脂构成了膜脂的基本成分 • 甘油磷脂特征：
①具有一个极性头和两个 非极性的尾 ②脂肪酸碳链为偶数 ③除饱和脂肪酸外常含1-2 个双键的不饱和脂
脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响
• 跨膜蛋白既有疏水区域(跨膜区)，也有亲水 区域(膜表面区)，其结构解析主要是应用低 温电镜技术和X射线晶体衍射技术
图4-12 转运甘油的水孔蛋 白Glpf的三维结构图像
图4-13 3-磷酸甘油转 运蛋白的三维结构图像
（三）去垢剂
• 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 • 插入膜脂与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等 疏水部位结合，形成可溶性的微粒
第4章 细胞质膜
内容：
细胞质膜的结构模型与基本成分
细胞质膜的基本特征与功能
• 细胞质膜在结构上作为细胞的界膜，使细
胞具有一个相对稳定的内环境
• 在细胞与环境之间的物质运输、能量转换
及信息传递过程中也起着重要的作用
第一节 细胞质膜的结构模型 与基本成分
一、细胞质膜的结构模型
• 1959 年，Robertson 根据电子显微镜观察结 果提出了单位膜模型(unit membrane model)
或结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不 对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的 特性与功能
（3）生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中
的二维溶液。膜蛋白、
（4）在细胞生长和分裂等生命活动中，生物 膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸 等改变，处于不断的动态变化中
（二）膜脂的运动方式(4种)
（1）沿膜平面的侧向运动
（2）脂分子围绕轴心的自旋 运动 （3）脂分子尾部的摆动 （4）双层脂分子之间的翻转 运动
Figure 10-11b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（三）脂质体(liposome)
• 除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在 与锚蛋白、血影蛋白及带4.1 蛋白类似的蛋 白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构
细胞质膜的基本功能
• • • • • • 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 提供细胞识别位点，完成信息跨膜传导 为多种酶提供结合与反应位点 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间连接 参与形成细胞表面特化结构
能。
（一）膜蛋白的类型
• 根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子 的结合方式，膜蛋白可分为3 种基本类型
• 脂锚定膜蛋白与膜脂分子共价相连，有3类
A：脂肪酸结合到膜
蛋白N端的甘氨
酸残基上 B：烃链结合到膜蛋
白C端的半胱氨
酸残基上 C：通过糖脂锚定在
细胞质膜上
（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式
• 内在膜蛋白为跨膜蛋白, 在结构上可分为： 胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构 域等3 个组成部分
电镜超薄切片中的细 胞质膜显示出暗－亮 －暗三条带
• 1972年Singer 和Nicolson提出了生物膜的 流动镶嵌模型(fluid mosaic model)
①膜的流动性，即膜蛋白和膜脂均可侧向运动 ②膜蛋白分布的不对称性，有的结合在膜表面，有 的嵌入或横跨脂双分子层
• 脂筏模型(lipid raft model, Simons, 1988)