细胞生物学细胞膜与细胞表面的结构与识别

细胞质膜简述细胞膜的生理作用1.限定细胞的范围，维持细胞的形状2.具有高度选择性，（为半透膜）并能进行主动运输使细胞内外形成不同离子浓度并保持细胞内物质和外界环境之间的必要差别3.是接受外界信号的传感器，使细胞对外界环境的变化产生适当的反应4.与细胞新陈代谢、生长繁殖分化及癌变等重要生命活动密切相关生物膜的化学组成及其特点和意义构成生物膜的主要成分是脂类和蛋白质。

其中脂类包括磷脂、糖脂和硫脂等，几乎都是两性分子，在水相中磷脂分子亲水的头部朝向水相，疏水的尾部相对，自发排列成疏水双分子层，而且双分子膜一旦破损也能自我闭合。

磷脂双分子层的这种自我装配、自我闭合的特点赋予细胞细胞膜对细胞起保护作用，使每一个细胞成为一个相对独立的整体。

脂双层分子具有流动性，有利于嵌在膜内的功能蛋白的旋转和转移，便于其发挥相应的作用细胞膜中的蛋白质多种多样：从组成看有单纯蛋白质、糖蛋白和脂蛋白等。

从结合状态看有不同的镶嵌方式；从功能来分，有载体蛋白、受体蛋白和各种酶等。

由此保证有控制细胞内外的物质交换的作用和细胞间相互识别以及传递各种信息的作用、感受和传递各种刺激的作用等多种功能，还使细胞具有多样性，保证了不同组织细胞和不同发育时期细胞膜功能的差异性。

生物膜的基本结构特征是什么？与它的生理功能有什么联系？（指导）生物膜的基本结构特征：1.磷脂双分子层组成生物膜的基本骨架，具有极性的头部和非极性的尾部的脂分子在水相中具有自发形成封闭膜系统的性质，以非极性尾部相对，极性头部朝向水中。

这一结构特点为细胞核细胞器的生理活动提供了一个相对稳定的环境，使细胞与外界、细胞器与细胞器之间有了一个界面2.蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中或者结合与表面，蛋白质的类型、数量多少、蛋白质分布的不对称性以及脂分子的协同作用赋予生物膜不同的特性和功能，这些结构有利于物质的选择运输，提供细胞识别位点，为多种酶提供了结合位点，同时参与形成不同功能的细胞表面结构特征。

细胞质膜的基本特征与功能一、膜的流动性1.膜脂的流动性膜脂的流动性主要是指脂分子的侧向运动，它在很大程度上是由脂分子本省的性质决定的，一般来说，脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。

各种膜脂有具有其不同的相变温度，鞘脂的相变温度一般高于磷脂。

膜脂的流动性是生长细胞完成包括生长、增殖在内的多找那个生理功能所必需的，在细菌和动物细胞中常常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。

方法：用荧光素标记磷脂分子2.膜蛋白的流动性一系列实验证明了膜蛋白的流动性。

荧光抗体免疫标记实验就是其中一个典型的例子。

用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（显绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（显红色荧光）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后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40min后已经分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域，如果加上不同的滤光片则显示红色荧光或绿色荧光都均匀分布在融合细胞表面，这一实验清楚地显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动。

另外，实验表明，膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加，也不需要输出能量。

在某些细胞，当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，即所谓成斑现象，或聚集在细胞的一端，即成帽现象。

成斑现象与成帽现象进一步证实了膜蛋白的流动性。

实际上并非所有的膜蛋白都像在体外人-鼠融合细胞质膜上那样运动，在极性细胞中，质膜蛋白被某些特殊的结构如紧密连接限定在细胞表面的某个区域。

用非离子去垢剂处理细胞使细胞膜系统崩解，多数膜蛋白流失，但仍有部分膜蛋白结合在细胞骨架上。

细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。

膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。

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分布都有特定的方向或拓扑学特征；糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧1.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对称分布，多数磷脂存在于脂双层的内外两侧，但某一侧往往含量高一些，并非均匀分布。

2.膜蛋白的不对称性：所有的膜蛋白，无视是外在膜蛋白还是内在膜蛋白在脂膜上都呈不对称分布。

与膜脂不同，膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在脂膜上都有一定的方向性。

如细胞表面的受体、膜上载脂蛋白等，都是按照一定的取向传递信号和转运物质。

与质膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白或者是糖脂，其糖残基均分布在脂膜的ES面，它们与细胞外的胞外基质，以及生长因子、凝集素和抗体等相互作用，如人的ABO血型抗原。

各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的，膜蛋白的不对称性是在它们合成时就已经决定，在随后的一系列转运过程中其拓扑学结构湿重保持不变直至蛋白质降解，而不会像膜脂那样发生翻转运动。

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。

细胞质膜的基本功能细胞质膜作为细胞内外边界，与内膜系统相比其结构更加复杂，功能更为多样。

细胞质膜的主要功能概括如下：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，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量物质的传递3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导；病毒等病原微生物识别和侵染特异4.介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接5.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序的进行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传染病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

试比较单位膜模型结构与流动镶嵌模型的优缺点（指导）单位膜模型的主要内容：两暗一明，细胞共有，厚约7.5nm，各种膜都具有相似的分子排列和起源优点在于它把膜分子结构同模的电镜图像联系起来，能对膜的某些属性做出适当的解释。

单位膜模型的不足点：1.膜是静止的，不变的。

但是在生命系统中一般功能的不同常伴随着结构的差异，这样共同的单位膜结构很难与膜的多样性和特殊性结合在一起2.膜的厚度一致：不同的膜厚度完全不一样，变化范围在5-10nm 3.蛋白质在脂双层分子上位伸展构型，很难理解有活性的球状蛋白质怎样保持其活性，通常蛋白质形状的变化会导致其活性发生深刻的变化流动镶嵌模型的主要内容（基本要点）：脂双层分子构成膜的基本骨架，蛋白质分子或镶嵌在在表面或部分或全部嵌入其中或横跨整个脂类层。

优点：1.强调膜的流动性：认为膜的结构成分不是静止的，而是动态的，细胞膜是由流动的脂类双分子层中镶嵌着球蛋白按二维排列组成的，脂类双分子层像清油般的液体，具有流动性，能够迅速地在膜平面进行侧向运动 2.强调膜的不对称刚性：大部分膜是不对称的，在其内部及其外表面具有不同功能的蛋白质，脂类双分子层、内外两层也是不对称的。

研究方法：利用冷冻蚀刻法可显示出膜上有球形颗粒，另外用示踪法表明膜的结构形态在不断地发生变动。

脂双层模型Gorter和Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞质膜的膜脂成分，以便测点膜脂单层分子在水面的铺展面积，发现它是红细胞的二倍，这一结果提示了质膜是由双层脂分子构成的三明治模型随后，人们发现质膜的表面张力比油-水界面的表面张力低得多，已知脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力降低，因此Davson和Danielli推测，质膜中含有蛋白质成分并提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的质膜结构模型。

外在蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白其实膜蛋白可以分为三类，外在膜蛋白或称膜周边蛋白、内在膜蛋白或称整合膜蛋白和膜锚定蛋白。

外在膜蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其它比较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或者莫脂分子结合。

膜锚定蛋白是通过与之共价相连的脂分子插入到膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外侧。

跨膜蛋白的一般结构特点目前所了解的内在膜蛋白都是跨膜蛋白，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三个组成部分,它与膜的结合方式主要有：1.跨膜蛋白的跨膜结构域与脂双分子层的疏水核心的相互作用，这是内在膜蛋白与膜脂结合的最嘴要最基本的结合方式。

2.跨膜结构两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸、赖氨酸等磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过钙离子、镁离子等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用。

3.某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。

细胞膜相关的膜骨架细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构（抓要是细胞膜骨架系统）相互联系、协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。

这些特定的结构包括膜骨架、鞭毛和纤毛等，与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换和信息传递等功能相关膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它从力学上参与维持细胞质膜的性状并协助质膜完成多种生理功能，早期人们借助光学显微镜层注意到细胞质膜下的厚的、观察不到任何细胞结构的“溶胶层”，又称细胞的皮层。

电镜出现以后，才发现质膜下的溶胶层中含有丰富的细胞骨架纤维（如微丝),这些骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。

多数细胞的细胞质膜下，也都存在精细而复杂的细胞骨架网络，但至今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。

质膜结构研究实例——哺乳类红血球的质膜、方法以及结果首先，红细胞负责把氧气从肺运送到体内各组织，同时把细胞代谢产生的二氧化碳运回肺中。

哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统，所以红细胞的质膜是最简单最易研究的生物膜。

正常情况下，红细胞成双凹型的椭球形状，直径约7um，可以通过比自己更小的毛细血管。

红细胞质膜具有很好的弹性又具有较高的强度，红细胞质膜的这些特性很大程度上是由膜骨架赋予的。

红细胞的质膜与膜骨架比较容易纯化、分析。

当细胞经低渗处理后，质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白。

这是红细胞仍保持原来的基本性状和大小，这种结构称为血影。

因此红细胞为研究质膜的结构及其与膜骨架的关系提供了理想的材料。

SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白值成分显示：红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白或称虹膜肽、锚蛋白、带3蛋白（主要促进阴离子的穿膜运输）、带4.1蛋白、带4.2蛋白和肌动蛋白。

此外还有一些血型糖蛋白。

血影蛋白和肌动蛋白不是内在膜蛋白，比较容易除去，但此时的血影的形状变得不规则，说明这两种蛋白质在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用，膜骨架主要包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白。