第四章细胞质膜12介绍

◆流动镶嵌模型
Singer 和 Nicolson 1972年根据免疫荧光、冰冻
蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
流动镶嵌模型内容 ：认为细胞膜由流动的 脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。
强调：① 膜的流动性
②膜蛋白分布的不对称性 蛋白质是以折叠的球形镶嵌在脂双层中， 有的附在内外表面，有的全部或部分嵌入 膜中，有的贯穿膜的全层，表现出分布的 不对称性。
为抗去垢剂膜（DRMs）。

就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、物
质的跨膜运输、蛋白质分选、病毒的入侵均有密切
的关系。
生物膜结构
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； 生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
内在蛋白的跨膜结构域往往是疏水区， 与脂双层分子内部的疏水区具有亲和力 内在蛋白形成亲水通道有两种形式，一 是由多个α螺旋组成特异极性分子跨膜通 道；二是由β折叠组成非特异的跨膜通道。
膜蛋白的功能
细胞质膜有着许多重要的生物学功能，这些功 能大多数是由膜蛋白来执行的。
运输蛋白：转运特殊的分子和离子进出细胞 酶：催化与酶有关的代谢反应。 连接蛋白：起连接作用。 受体：起信号接收和传递作用等。
3） 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。
（二） 膜蛋白 虽然膜脂构成膜的基本结构，但 是生物膜的特定功能主要是由蛋白质 决定的。膜蛋白约占膜的40%-50%。有 50多种膜蛋白。在不同细胞中膜蛋白 的种类及含量有很大差异。
（一）类型
1、外在(外周)膜蛋白 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。 2、内在（整合）ห้องสมุดไป่ตู้蛋白 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。
（三）膜糖
真核细胞表面均有糖类，位于膜的非胞质侧
膜糖类存在的形式: 1.单个糖链共价结合于膜脂分子形成糖脂 2.单个糖链共价结合于膜蛋白分子形成糖蛋白 3.多个糖链共价结合于膜蛋白分子形成蛋白多 糖
糖蛋白是细胞膜中最为丰富的蛋白质， 糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖 蛋白极少。在动物细胞中，糖蛋白是糖萼 的主要成分，而在植物细胞中，主要是糖 脂构成膜包被。 内膜系统中的内质网和高尔基体是糖蛋白 和糖脂的合成场所。
④卵磷脂/鞘磷脂比值对流动性的影响：
卵磷脂所含脂肪酸链的的不饱和程度 高，链较短，相变温度低，因此，若 卵磷脂含量高，则流动性大，鞘磷脂 则与之相反。
影响膜脂流动性的因素

⑴脂肪酸链的饱和度
越不饱和 相变温度 膜流动性


⑵脂肪酸链的链长
链越短 相变温度 膜流动性 膜流动性 膜流动性
⑶胆固醇
含量越多
而水溶性的物质却不
能。
实际上他发现了亲脂性
物质与细胞的关系
推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
关于膜的化学组成和结构研究的第二个 重要进展是 Langmuir提出的脂单层的设 想。 他将脂铺展Langmuir水盘的水面上， 研究脂的展层行为，发现脂在水面上形成 一薄层。 脂单层概念是20世纪初膜结构研究的 基础，导致了脂双层的发现。

⑷卵磷脂/鞘磷脂
比例越高

⑸ 其他因素：温度，离子强度等
（3）影响膜蛋白运动的因素：
①细胞外基质中的某些分子与膜整合蛋白结合限制
（2）膜脂的组成对流动性的影响
①脂肪酸链的长度对流动性的影响：含较 多的长链脂肪酸，膜的流动性就低 。 ②脂肪酸链的不饱和程度对流动性的影响 ： 脂肪酸链的不饱和程度大，膜的流动性增加。
③ 胆固醇对膜流动性的调节作用：
胆固醇插在磷脂之 间，在相变温度以 下，胆固醇可增加 膜的流动性，在相 变温度以上，胆固 醇则限制膜的流动 性。
相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的一
种人工膜。
借助不同的制备方法可以制备不同结构的
脂质体。
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂质体膜； (d）用于疾病治疗的脂质体的示意图
脂质体的应用
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
在膜研究中，膜蛋白可以插入脂质体，使
对于它们的功能研究能在比天然膜简单得多的
CH3
(O-CH2-CH2)10- OH （Triton X-100） CH3
CH3 – C – CH2 – C –

图 去垢剂在膜蛋白分离中的作用 (a)去垢剂分子，具有极性和非极性端;(b)去垢剂包裹在膜 蛋白的疏水区，极性区朝向外侧，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， 从而与膜分离。
环境下进行。如Na-K泵的功能研究。
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 即将 DNA 或药物包装于脂质体的囊泡中， 再运载到体内的靶细胞。
膜脂的功能： 1)构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体
2）维持膜蛋白构象并为膜蛋白行使
功能提供环境；一般膜脂本身不参 与反应(细菌的膜脂参与反 应);
膜糖功能：
◆提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外 基质中蛋白酶的抗性。 ◆帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的 三维构型。 ◆参与细胞的信号识别、细胞的粘着。 ◆糖蛋白的糖基还帮助新合成的蛋白质进行 正确的运输和定位。
第二节 生物膜基本特征与功能
一、 膜的流动性
膜的流动性主要由膜脂和膜蛋 白质的流动引起的。
3、脂锚定蛋白
通过糖脂或脂肪酸锚
定，共价结合。
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
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
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。 蛋白质跨膜结构域两端所带电荷与磷脂 极性头部相互作用 膜蛋白胞质侧与脂质分子作用
跨膜蛋白与膜脂作用的方式
Membrane Protein Functions
细胞识别
细胞连接
去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小
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） SDS:
CH3
CH3
CH3-(CH2)11-OSO3-Na+
第一节 细胞质膜的结构模型
一、生物膜的结构模型 （一） 细胞膜结构的研究的历史 关于膜的化学组成和结构的研究，始于 18世纪90年代，开拓者是E. Overton。他意 识到细胞似乎是由一层具有选择性和渗透性 的外被包裹的，它只允许某些物质通过。
他用植物根毛作 实验，发现脂溶性物 质很容易进入细胞，
随机移动 定向移动
局部扩散
膜流动性的研究
☆人、鼠细胞融合实验
☆荧光漂白恢复技术
光脱色荧光恢复技术
①用荧光染料标记膜 蛋白 ②用激光束在细胞表 面产生圆形漂白斑 ③随着时间的推移， 漂白斑逐渐恢复荧光
影响膜流动性的因素
（1）温度：是影响膜流动的最主要的因素。 膜的骨架成分是脂，在温度低时以晶态存在， 在温度高时以液态存在，由液态变为晶态的 温度是相变温度，相变温度越低，膜从液态 转变为固态的速度越慢，膜的流动性越能保 持。

•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。
胆固醇可 有效防止 碳氢链互 相凝聚， 抑制由温 度引起的 相变
胆固醇在脂双层中的位置
★膜脂的特性
是两性物质，具有亲水的极性头和疏水
的非极性的尾，有自我封闭的特性，大多数
磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子
层结构。所以膜没有自由的边缘，它们总是
膜脂的运动方式
侧向运动：同一单脂层内的脂分子互相换位。 自转运动：每个脂分子围绕其长轴做快速旋转。 摆动：极性头部摆动较小，尾部摆动较大。 翻转运动：脂分子从脂双层的一个层面翻转 到另一个层面的运动，较少发生，最为剧烈。 保证了膜的不对称性。
膜蛋白的运动：膜蛋白的相对分子质量较 大，不可能象膜脂那样进行翻转运动。 其运动方式有：
★ 膜脂：约占膜的50%。
主要类型：
1、磷脂：是膜脂的基本成分（50％以上）， 含有磷酸基团 分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：①具有一个极性头和两个 非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）； ②脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由 16,18 或20个组成； ③有饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如 油酸)；
红细胞膜脂双层概念的提出
1925年两位荷兰科学家E.Gorter和 F.Grendel用有机溶剂抽提红细胞膜的膜脂 成分并测定膜脂单层分子在水面的铺展面积， 发现为红细胞表面积的1.8-2.2倍，首次提 出质膜的基本结构是双脂分子层。
从上述关于膜结构的研究中只认 识到膜脂的存在，没有将蛋白质与膜 的功能真正联系起来，直到1935年人 们才认识到膜蛋白的存在，提出膜脂 和膜蛋白的结构模型。
膜糖
质膜表面
细 胞 膜 的 基 本 组 成
（一） 膜脂
生物膜上的脂类统称为膜脂，其分子排 列呈连续的双层，构成了生物膜的基本骨架。 所有的膜脂都具有双亲媒性，即这些分子都 具有一个亲水末端(极性端)和一个疏水末端 (非极性端)。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。
二、 膜的化学组成 通过对红细胞生物学特性和膜结 构的研究，了解到细胞质膜的主要 成分是脂，同时结合一些蛋白质， 或是穿过膜，或是附着在质膜的外 面。
磷脂
膜脂
生物膜 基本骨架
糖脂
膜蛋白
多种方式 与脂双层结合