第三章 细胞膜的结构与功能
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一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质/脂类 大； 功能少而简单的膜，蛋白质/脂类 小。 各种生物膜中蛋白质与脂类的含量比 膜的种类
神经髓鞘(轴突部分的细胞膜） 血小板 Hela细胞 红细胞膜 线粒体内膜
蛋白质/脂类
0.23 0.7 1.5 1.5-4 3.2
(一) 膜脂
生物膜上的脂类统称膜脂。
磷 脂
学习目的
掌握细胞膜的分子组成及其结构特征； 了解生物膜结构模型的演化过程； 掌握生物膜的基本功能；
掌握物质跨膜运输的主要方式及运输的基本过程；
掌握细胞通讯与细胞识别的基本知识，信号传递
的类型及其作用。
细胞膜
概念：
（cell membrane)
是包围在细胞质外周的一层 界膜，又称质 膜 （plasma membrane).
细胞膜
蛋白质：单层肽链 ——折叠结构
2.0nm 暗 3.5nm 明 2.0nm 暗
脂双层
细胞质
★★（三）液态镶嵌模型
[流动镶嵌模型]
1972年，Singer和Nicolson总结提出，其主要论点是：
1. 流动的脂双分子层构成生物膜的连续主体。 2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜表面。 3.强调了膜的流动性和不对称性。
二、生物膜的特性
★★★
——流动性和不对称性
（一）生物膜的流动性
1、膜脂的流动性
★★膜脂的特性——液晶态 ★膜脂分子的运动方式
（1）侧向移动 （2）旋转运动
固态
相变 相变温度
液晶态
液态
（3）左右摆动
（4）翻转运动
影响膜脂流动性的因素
★1.脂肪酸链的饱和程度 ★2.脂肪酸链的长度
饱和程度高，流动性小 饱和程度低，流动性大 链长，流动性小 链短，流动性大
脂双分子层组成的。
迄今为止，关于膜的几十种结构模型都是建立 在“脂双分子层”这一基础之上的。
（一）片层结构模型
[夹层学说]
1935 年 ,Danielli 和 Davson, 发现细胞膜的表面张力显著低 于油-水界面的表面张力,因此 认为,细胞膜中除含有脂类外， 蛋 还含有蛋白质,故提出了片层结 白 质 构模型.
4
非胞质面
1
2
胞质面
3 5
脂 双 分 子 层
1 单
2 多
次 次
穿 穿
膜：单条a-螺旋贯穿脂质双层。 膜： 数条a-螺旋几次折返穿越脂质双层。
跨膜蛋白
3 非穿越性共价结合： 不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。 蛋白质通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面 4 与磷脂酰肌醇结合： 的单层）共价结合。 5
（1）贯穿脂双层，两端露出膜内外——跨膜蛋白
①单次穿膜 ②多次穿膜
（2）一端嵌入膜层内，另一端露出膜外——半嵌入蛋白 内在膜蛋白具有双亲性，其亲水区域暴露在膜的一侧或 两侧表面与水相吸，它们的疏水区域嵌入膜内，与脂类分子疏 水尾部通过疏水键结合，不易分离提纯。
2、外在膜蛋白 非双亲性分子；附在膜的内外表面（主要 在细胞膜的内表面），与膜脂极性头部或内在 膜蛋白的极性区域非共价地结合，易分离。
功能：
①使细胞具有相对独立和稳定 的内环境；
②是细胞内外物质、信息、能 量交换的“门户”。
细胞内膜
（endomembrane）
★概念：
除细胞膜外，真核细胞内许多膜
性细胞器的膜，如内质网膜、高
尔基复合体膜、溶酶体膜、核膜 等，称为细胞内膜。它们共同构 成真核细胞的内膜系统。
生物膜(biomembrane）
小鼠膜蛋白抗体 + 小鼠膜蛋白（抗原）
人膜蛋白抗体+ 人膜蛋白（抗原）
孵育（37℃，40分钟）
（二）生物膜的不对称性
1、膜脂分布的不对称性 第一：磷脂 磷脂酰胆碱 和 鞘磷脂多分布在细胞膜的外层（非胞质面） 磷脂酰乙醇胺 和 磷脂酰丝氨酸多分布在细胞膜的内层（胞质面）
∵ 磷脂酰丝氨酸带有负电荷，∴细胞膜内层负电荷多于外层。
3.胆固醇的影响 4.卵磷脂/鞘磷脂的比例 5.其它因素
调节膜的流动性 此比例小，流动性小 此比例大，流动性大
环境温度，内在膜蛋白的含量
2、膜蛋白的流动性 膜蛋白分子的运动方式
（1）侧向移动 （2）旋转运动
膜蛋白 小鼠细胞 (抗原） 人细胞
异核细胞
小鼠膜蛋白抗体 + 荧光素
人膜蛋白抗体 + 罗丹明
（均分布于细胞膜的外层，即膜的非胞质面）
※膜脂和膜蛋白分布的不对称性决定了膜内外表 面功能的不对称性。
三、生物膜的分子结构模型
生物膜结构描述的历史回顾:
•1925年,Gorter 和Grendell 用丙酮抽提红细 胞膜中的脂类并在水和空气界面上铺展成单分 子层,测量其所占面积相当于所用红细胞膜总面 积的两倍,因而首次提出细胞膜是由连续的
极性头部
评价： 液态镶嵌模型可以
解释膜中发生的很多现象，为 人们普遍接受，但也有不足
脂双分子层 疏水尾部 内在膜蛋白 外在膜蛋白
之处：如忽视了膜的各部分
流动性的不均匀性，忽视了蛋 白质分子对脂分子流动性的限 制作用。
※物质的跨膜运输
※信号传递
脂 双 分 子 层
“蛋白质---脂类---蛋白质”三夹板结构
（球状） （双分子层） （球状）
（二）单位膜模型
1959年, Robertson 利用电子显微镜观察，发现 所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故而把“两暗
一明”的结构模型称为单位膜模型。
此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈ß-
折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。
第二：胆固醇
因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。
第三：糖脂
全部分布在膜的非胞质面。
2、膜蛋白分布的不对称性 第一： 膜蛋白在脂双分子层中的
分布位置是不对称的。（包括内在 及外在膜蛋白）
第二： 膜蛋白颗粒在膜内外两层中的分布是不对称的。
（细胞膜内层多于外层）
第三： 糖蛋白的分布是不对称的。
膜 脂 胆固醇 糖 脂
均为“双亲性分子”(★★)
既有亲水性一端，又有 疏水性一端的分子。
双亲性分子在水溶液中可形成两种排列方式:
脂分子团
脂双分子层
水
水 脂质体
1、磷脂的类型
X 磷脂酰胆碱（卵磷脂） ★
极 性 头 部 （ 亲 水 性 ）
磷 脂
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） 磷脂酰丝氨酸 鞘磷脂
鞘 胺 醇
内 在 膜 蛋 白
外在膜蛋白： 附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。
（三）膜糖类
单糖或多聚糖 + 膜 脂
共价键
糖
脂
单糖或多聚糖 + 膜蛋白
共价键
糖蛋白
细胞外衣
（糖萼） 细 胞 外 衣 脂 双 层
细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在 一起，形成一层外被，称细胞外衣或糖萼。
膜 蛋 白 细胞内
非 极 性 尾 部 （ 疏 水 性 ）
2、糖脂
糖脂与鞘磷脂相似， 只是头部不同。
常见糖脂：脑苷脂； 神经节苷脂
鞘 胺 醇Hale Waihona Puke Baidu
半乳糖苷脂
糖脂分子
3、胆固醇
极 性 头 部
固 醇 环 结 构
非 极 性 尾 部
（二）膜蛋白
内在膜蛋白（70%～80%） 外在膜蛋白（20% ～30%）
1、内在膜蛋白
※膜功能的承担者； ※双亲性分子，可以不同程度地嵌入脂双分子层：
细胞膜、线粒体膜和细胞内膜的总称。
生 物 膜 细 胞 膜 细胞内膜 线粒体膜
细胞膜 细胞质
任何生物膜在电镜下都呈现“暗—明—暗” 三层结构，故将这三层结构称为单位膜。
一、生物膜的化学组成
生 物 膜
脂类、蛋白质、糖类 ——主要成分 水、无机盐、金属离子 —少量成分
蛋白质/脂类 :在不同种类生物膜中有所不同。
神经髓鞘(轴突部分的细胞膜） 血小板 Hela细胞 红细胞膜 线粒体内膜
蛋白质/脂类
0.23 0.7 1.5 1.5-4 3.2
(一) 膜脂
生物膜上的脂类统称膜脂。
磷 脂
学习目的
掌握细胞膜的分子组成及其结构特征； 了解生物膜结构模型的演化过程； 掌握生物膜的基本功能；
掌握物质跨膜运输的主要方式及运输的基本过程；
掌握细胞通讯与细胞识别的基本知识，信号传递
的类型及其作用。
细胞膜
概念：
（cell membrane)
是包围在细胞质外周的一层 界膜，又称质 膜 （plasma membrane).
细胞膜
蛋白质：单层肽链 ——折叠结构
2.0nm 暗 3.5nm 明 2.0nm 暗
脂双层
细胞质
★★（三）液态镶嵌模型
[流动镶嵌模型]
1972年，Singer和Nicolson总结提出，其主要论点是：
1. 流动的脂双分子层构成生物膜的连续主体。 2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜表面。 3.强调了膜的流动性和不对称性。
二、生物膜的特性
★★★
——流动性和不对称性
（一）生物膜的流动性
1、膜脂的流动性
★★膜脂的特性——液晶态 ★膜脂分子的运动方式
（1）侧向移动 （2）旋转运动
固态
相变 相变温度
液晶态
液态
（3）左右摆动
（4）翻转运动
影响膜脂流动性的因素
★1.脂肪酸链的饱和程度 ★2.脂肪酸链的长度
饱和程度高，流动性小 饱和程度低，流动性大 链长，流动性小 链短，流动性大
脂双分子层组成的。
迄今为止，关于膜的几十种结构模型都是建立 在“脂双分子层”这一基础之上的。
（一）片层结构模型
[夹层学说]
1935 年 ,Danielli 和 Davson, 发现细胞膜的表面张力显著低 于油-水界面的表面张力,因此 认为,细胞膜中除含有脂类外， 蛋 还含有蛋白质,故提出了片层结 白 质 构模型.
4
非胞质面
1
2
胞质面
3 5
脂 双 分 子 层
1 单
2 多
次 次
穿 穿
膜：单条a-螺旋贯穿脂质双层。 膜： 数条a-螺旋几次折返穿越脂质双层。
跨膜蛋白
3 非穿越性共价结合： 不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。 蛋白质通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面 4 与磷脂酰肌醇结合： 的单层）共价结合。 5
（1）贯穿脂双层，两端露出膜内外——跨膜蛋白
①单次穿膜 ②多次穿膜
（2）一端嵌入膜层内，另一端露出膜外——半嵌入蛋白 内在膜蛋白具有双亲性，其亲水区域暴露在膜的一侧或 两侧表面与水相吸，它们的疏水区域嵌入膜内，与脂类分子疏 水尾部通过疏水键结合，不易分离提纯。
2、外在膜蛋白 非双亲性分子；附在膜的内外表面（主要 在细胞膜的内表面），与膜脂极性头部或内在 膜蛋白的极性区域非共价地结合，易分离。
功能：
①使细胞具有相对独立和稳定 的内环境；
②是细胞内外物质、信息、能 量交换的“门户”。
细胞内膜
（endomembrane）
★概念：
除细胞膜外，真核细胞内许多膜
性细胞器的膜，如内质网膜、高
尔基复合体膜、溶酶体膜、核膜 等，称为细胞内膜。它们共同构 成真核细胞的内膜系统。
生物膜(biomembrane）
小鼠膜蛋白抗体 + 小鼠膜蛋白（抗原）
人膜蛋白抗体+ 人膜蛋白（抗原）
孵育（37℃，40分钟）
（二）生物膜的不对称性
1、膜脂分布的不对称性 第一：磷脂 磷脂酰胆碱 和 鞘磷脂多分布在细胞膜的外层（非胞质面） 磷脂酰乙醇胺 和 磷脂酰丝氨酸多分布在细胞膜的内层（胞质面）
∵ 磷脂酰丝氨酸带有负电荷，∴细胞膜内层负电荷多于外层。
3.胆固醇的影响 4.卵磷脂/鞘磷脂的比例 5.其它因素
调节膜的流动性 此比例小，流动性小 此比例大，流动性大
环境温度，内在膜蛋白的含量
2、膜蛋白的流动性 膜蛋白分子的运动方式
（1）侧向移动 （2）旋转运动
膜蛋白 小鼠细胞 (抗原） 人细胞
异核细胞
小鼠膜蛋白抗体 + 荧光素
人膜蛋白抗体 + 罗丹明
（均分布于细胞膜的外层，即膜的非胞质面）
※膜脂和膜蛋白分布的不对称性决定了膜内外表 面功能的不对称性。
三、生物膜的分子结构模型
生物膜结构描述的历史回顾:
•1925年,Gorter 和Grendell 用丙酮抽提红细 胞膜中的脂类并在水和空气界面上铺展成单分 子层,测量其所占面积相当于所用红细胞膜总面 积的两倍,因而首次提出细胞膜是由连续的
极性头部
评价： 液态镶嵌模型可以
解释膜中发生的很多现象，为 人们普遍接受，但也有不足
脂双分子层 疏水尾部 内在膜蛋白 外在膜蛋白
之处：如忽视了膜的各部分
流动性的不均匀性，忽视了蛋 白质分子对脂分子流动性的限 制作用。
※物质的跨膜运输
※信号传递
脂 双 分 子 层
“蛋白质---脂类---蛋白质”三夹板结构
（球状） （双分子层） （球状）
（二）单位膜模型
1959年, Robertson 利用电子显微镜观察，发现 所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故而把“两暗
一明”的结构模型称为单位膜模型。
此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈ß-
折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。
第二：胆固醇
因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。
第三：糖脂
全部分布在膜的非胞质面。
2、膜蛋白分布的不对称性 第一： 膜蛋白在脂双分子层中的
分布位置是不对称的。（包括内在 及外在膜蛋白）
第二： 膜蛋白颗粒在膜内外两层中的分布是不对称的。
（细胞膜内层多于外层）
第三： 糖蛋白的分布是不对称的。
膜 脂 胆固醇 糖 脂
均为“双亲性分子”(★★)
既有亲水性一端，又有 疏水性一端的分子。
双亲性分子在水溶液中可形成两种排列方式:
脂分子团
脂双分子层
水
水 脂质体
1、磷脂的类型
X 磷脂酰胆碱（卵磷脂） ★
极 性 头 部 （ 亲 水 性 ）
磷 脂
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） 磷脂酰丝氨酸 鞘磷脂
鞘 胺 醇
内 在 膜 蛋 白
外在膜蛋白： 附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。
（三）膜糖类
单糖或多聚糖 + 膜 脂
共价键
糖
脂
单糖或多聚糖 + 膜蛋白
共价键
糖蛋白
细胞外衣
（糖萼） 细 胞 外 衣 脂 双 层
细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在 一起，形成一层外被，称细胞外衣或糖萼。
膜 蛋 白 细胞内
非 极 性 尾 部 （ 疏 水 性 ）
2、糖脂
糖脂与鞘磷脂相似， 只是头部不同。
常见糖脂：脑苷脂； 神经节苷脂
鞘 胺 醇Hale Waihona Puke Baidu
半乳糖苷脂
糖脂分子
3、胆固醇
极 性 头 部
固 醇 环 结 构
非 极 性 尾 部
（二）膜蛋白
内在膜蛋白（70%～80%） 外在膜蛋白（20% ～30%）
1、内在膜蛋白
※膜功能的承担者； ※双亲性分子，可以不同程度地嵌入脂双分子层：
细胞膜、线粒体膜和细胞内膜的总称。
生 物 膜 细 胞 膜 细胞内膜 线粒体膜
细胞膜 细胞质
任何生物膜在电镜下都呈现“暗—明—暗” 三层结构，故将这三层结构称为单位膜。
一、生物膜的化学组成
生 物 膜
脂类、蛋白质、糖类 ——主要成分 水、无机盐、金属离子 —少量成分
蛋白质/脂类 :在不同种类生物膜中有所不同。