细胞膜与细胞表面

saturated 饱和的
fatty acyl chain.
极性（亲水头）
胆碱
磷酸 甘油
非极性（疏水尾）
双键
Figure Phosphatidylcholine is the most common phospholipid in cell membrane.磷脂酰胆碱是细胞膜中最常见的磷脂。
unsaturated（不饱和的） fatty acyl chain.
转运蛋白
连接体
受体
酶
Figure Plasma membrane proteins have a variety of functions. 质膜蛋白有多种功能
Figure 11-20 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
1. 膜蛋白的类型
膜脂的性质 The Nature of the Lipid
膜脂的基本性质是两性物质, 能够自
我装配成双层结构或自我封闭成球状。
Self Assemble OF Lipid Bilayer
膜脂的功能
◆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);
Membranes also contain proteins
J.D.Robertson(1959):
单位膜模型(Unit membrane model)
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。
saturated（饱和的） fatty acyl chain.
Lipid Bilayer Provides the Basic Structure of all Cell Membrane
Because Phospholipids can Form Bilayer
糖脂（ glycolipids） ：

在动物细胞的胞质和内质网合成。 在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质
的通透性方面起主要作用，又是脂筏的基本结构成分。
极性头
胆固醇变 硬区 更多的流体区
small hydrophilic （亲水性）hydroxyl group （羟基） toward the membrane surface 亲水的羟基对着膜表面 the remainder of the molecule embedded in the lipid bilayer 其余的部分埋在脂双 层间

生物膜的结构模型 细胞膜的化学组成 细胞质膜的基本特征与功能
一、生物膜的结构模型
1.研究简史 A brief history of studies on the structrure of
the plasma membrane
Overton(1890s):
Lipid nature of PM;
第四章 细胞膜与细胞表面
Learning objectives:
1. A brief history of studies on the structrure of the plasma membrane 2. Model of membrane structure: an experimental perspective
◆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。
2. 膜脂的运 动 方 式 Movement of Membrane lipids
Four kinds of movement:
• 侧向扩散 (Lateral diffusion): 基本运动方式,其扩散系数为 10-8cm2/s； • 旋转运动 (Rotation)； • 弯曲运动(Flexion)； • 翻转运动 ( flip-flop): 发生频率还不到脂分子侧向交换频率 的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生 频率很高。
biology.
Jain and White (1977)
板块镶嵌模型：生物膜是由具有不同流动性的“板块”
镶嵌而成的动态结构。
Experimental evidence for the “mosaic” property of membranes Freeze-fracture the membrane and observe protein “bumps”
3. The chemical composition of membranes
4. Characteristics of biomembrane
5. An overview of the functions of biomembranes
第一节 细胞膜
细胞质膜（plasm membrane)曾称细胞膜(cell membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质、蛋 白质和糖类组成的生物膜。 质膜不仅是细胞结构的边界，使细胞具有一个 相对稳定的内环境，同时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作用。 细胞内的膜（internal membrane）与细胞质膜 统称为生物膜（biomembrane)。
Singer and Nicolson’s Model of membrane structure (1972) “生物膜的流动镶嵌模型”（ fluid-mosaic model ）
这种模型认为细胞膜是由流动的脂双分层子和嵌在其中的 蛋白质构成的。
膜的流动性
膜蛋白分布的不对称性
The fluid-mosaic model is the “central dogma” of membrane
Figure Phospholipids can move within the plane of the membrane.磷脂分子在膜 平面内运动.
3. 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现 象而制备的人工膜。
脂质体的应用：
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质； 脂质体中裹入DNA可用于基因转移； 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
内在膜蛋白(integral protein)
又称整合膜蛋白，约占膜蛋白总量的70％～80％。 全部或部分插入细胞膜内，直接与脂双层的疏水区域相互
作用。
两亲性(Amphipathic) 亲水性( Hydrophilic)： forming functional domains outside of the bilayer 疏水性( Hydrophobic)： anchoring them in the bilayer
表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
The basis of membrane structure is a lipid bilayer.
H.Davson and J.Danielli(1935)
双分子片层模型：认为质膜是由双层脂类分子及其内
外表面附着的蛋白质构成的。
“sandwich model”
主要包括磷脂（glycerophosphatide）、糖脂 （ sphingolipid）和胆固醇（ sterol）三种类型
1. 成分
磷脂（phospholipids）：膜脂的基本成分（50％以上）
主要特征： ①具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）；
②脂肪酸碳链碳原子为偶数,碳原子数目在14-24个之间；
膜糖（Membrane Carbohydrates )
The basic compositions of some biomembranes
(一）膜脂(Membrane Lipid ) ：
形成脂双层（lipid bilayer）
具有两亲性（Amphipathic） ：亲水性
（ hydrophilic）和疏水性（hydrophobic).
③饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；
Why do phospholipids have both a hydrophilic and a hydrophobic part?
the phosphate heads 磷酸头部:
Polar 极性
water-soluble Hydrophilic 亲水的 the lipid tails (fatty acids) 脂肪酸尾部: non-polar 无极性 water-insoluble Hydrophobic 疏水的 Unsaturated 不饱和的 fatty acyl chain.
两性分子，它的极性头部是直接共价结合到鞘氨
醇上的一个糖分子或寡糖链。普遍存在于原核和
真核细胞的质膜上（ 5 ％以下） , 神经细胞膜上糖
脂含量较高；
胆固醇（cholesterol）：

一类含有 4 个闭环的碳氢化合物，其亲水头部为一个羟基，
是一种分子刚性很强的两性化合物。

插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成。 存在于动物细胞和极少数的原核细胞中，其含量不超过膜 脂的1/3。
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。
E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人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
Protective layer around all cells
围绕细胞的保护层
ห้องสมุดไป่ตู้

A fatty film so thin and transparent一层薄而透明的 油层 Allows food, oxygen, & water into the cell & waste products out of the cell.允许食物,氧气和水份进入细 胞,废物排出细胞
(二) 膜蛋白（Membrane Protein）
功能（Functions）: carry out most membrane functions
运输营养物质 、代谢 、受体 、 酶 、 离子通过脂双层、
将膜与大分子物质连接
含量（Content）: 在动物细胞中占50%含量
分类（Classification）: 按照它们和脂双层的关系划分
磷脂（Phospholipids)
糖脂（Glycolipid ） 胆固醇（Cholesterol）
膜蛋白（Membrane Protein)
膜内在蛋白（Integral proteins ）
膜外周蛋白（Peripheral proteins）
脂锚定蛋白（Lipid –anchored proteins）
K.Simons et al(1997): lipid rafts model（脂筏模型）
Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572
生物膜共同的特征
镶嵌性 流动性 不对称性 蛋白质极性
二、膜的化学组成
膜脂 （Membrane Lipid）
根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的进化方式分为：
外周膜蛋白(peripheral membrane protein )；
分布于细胞膜的内外表面，主要分布在细胞膜的内表面，约 占膜蛋白总量的20％～30％。

为水溶性蛋白，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。
Figure Peripheral proteins are noncovalently bonded to the polar head groups of the lipid bilayer and /or to an integral membrane protein.
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。
(a) Channel
VS
(b) Carrier
Proteins
脂锚定蛋白(lipid anchored protein
是通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖 脂）插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上， 水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。