细胞膜与细胞表面.docx

第四章 细胞膜与细胞表面第一节细胞膜与细胞表面特化结构细胞膜(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它们具有共同的结构特征一、细胞膜的结构模型人们用光学显微镜发现了细胞，但到20世纪50年代初，在电镜下显示出了质膜的超微 结构但人们并未感到惊奇，因为此前细胞生理学家在研究细胞内渗透压时已证明了质膜的 存在1925年E. Gorter和F. Grendel研究红细胞发现膜脂单层分子为红细胞表面积的二倍， 提示了质膜是由双层脂分子构成的随后，人们发现质膜的表面张力比油一水界面的表面张 力低得多，若脂滴表面吸附有蛋白成分则表面张力降低，因此Davson和Danielli提出“蛋白 质一脂质一蛋白质”的三明治式的质膜结构模型这一模型影响达20年之久1959年，J. D. Robertson发展了三明治模型，提出了单位膜模型(unit membrane model)， 并推断所有的生物膜都由蛋白质一脂质一蛋白质的单位膜构成。

随后的一些实验，如免疫荧 光标记技术等证明，质膜中的蛋白质是可流动的；冷冻蚀刻技术显示了双层膜脂中存在膜蛋 白颗粒1972年，S. J. Singer和G. Nicolson在此基础上又提出了生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)这一模型随即得到各种实验结果的支持流动镶嵌模型主要强调：①膜的 流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动；②膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌 入或横跨脂双分子层近年来有人提出脂筏模型(lipid rafts model)，即在生物膜上富含胆固醇，形成有序的脂 相，如同“脂筏”一样，并载有各种蛋白脂筏最初可能在内质网上形成，转运到细胞膜上， 有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联推测一个100nm大小的脂筏可载有600 个蛋白分子这一模型可解释生物膜的某些性质与功能，但仍需要更多的证据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5X106个脂分子一）成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇3种类型1. 磷脂：磷脂是膜脂的基本成分，占膜脂的50%以上{{磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇鞘磷脂NHaCH 7O—P一o ©IaTCh 2~Ci-i-CHao O©CH?O=P —O 0IoCha—Ch—Cih o ofH?1—f l-l—Cll 2厂〕 —CH—CH^NHIwhuaell①具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），上的心磷脂具有4个非极性尾部phosphatidylcholinech3CHfl ^CH30 TCH?CHz但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜sphingomyelin②脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16、18或20个碳原子组成③除饱和脂肪酸根外双键在烃链中产生约30°，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 弯曲polarIhydfophilicJCHOLINEIPHO^PKMiGLYCEROLihycirophobic) 14ilS2.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血型糖脂其作用可能作为某些大分子的受体，与细胞识在糖脂中，一个或多个糖残基连接于鞘氨醇上最简单的糖脂是脑苷脂类，只有一个葡 萄糖或半乳糖残基（半乳糖脑苷脂），较复杂的神经节苷脂可含多达7个糖残基，其中含有不 同数目的唾液酸糖酯均位于膜的非胞质面单层（即在质膜上位于细胞外侧，在各种细胞器 的细胞内膜上），并将糖基暴露在细胞表面， 别及信息传导有关OH OI ICH—CH—CH?I |CH NH(Al galactocercbrosidcIO—_1_<1 Q-u< HBe— N<工oAEU.O-C HI IN将有h XLcccP:OH II \ r '■*IR -丁jHOHcnonCH2OH□H(Cl sialic acid (NANAIEXTRACELLULAR SPACE、上 W州 u 『II iff ■* I■ 11 *' ' ai | _ a II I 1 1 sa | J w, | | j ' aft | gCYTOSOL3.胆固醇和中性脂质胆固醇存在于真核细胞膜上，其含量一般不超过膜脂的1/3。

胆固醇分子散布在磷脂分子之间，其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，将固醇环固定在近磷脂头部的碳氢链上， 使之不易活动这种排列方式对膜的稳定性十分重要胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的 稳定性以及降低水溶性物质的通透性等都起着重要作用细菌质膜中不含有胆固醇成分，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂质Table 10-1 Approximate Lipid Compositions of Different Cell MembranesTotal Lipid by WeightMitochondrionLiver Erythrocyte (inner andPlasma Plasma outer EndoplasmicLipidM embraceMembranemembranes^Reticulum ■E. coi):Cholesterol172322360PhosphatidylethanQlamin^：7』修倬351770Pht35phaticfy1sgririe.47925：tfacie.Phtisphaticiyl-2417■39400Sphingomyelin:啊T召0Q5：0商 yeedipidl7323trac互tra^e0Others22-138.212730?：(二) 膜脂的运动方式膜脂分子热运动方式有：1. 沿膜平面的侧向扩散(lateral diffusion)其扩散速率为10-8cm2/s，相当于每秒移动2Mm的距离。

由于侧向运动产生分子间的换 位，其交换频率在106次/s以上侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学 意义2. 脂分子围绕轴心的自旋运动(rotation)3. 脂分子尾部的摆动(flexion)脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆动较大X射线衍射分析显示，在距头部第 9个碳原子以后的脂肪酸链已由较为有序变成无序状态，有些可能折叠形成，小结”，这有助 于解释极性的水分子比较容易通过细胞膜的现象4. 双层脂分子之间的翻转运动(flip-flop)一般情况下翻转运动极少发生，其发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10但在 细胞某些膜系统中发生的频率很高，特别是在内质网膜上，新合成的磷脂分子经几分钟后， 将有半数从双层脂分子的一侧通过翻转运动转向另一侧脂分子的运动不仅与脂分子的类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜周围的生物大分子之 间的相互作用以及温度等环境条件有关lateral diftusSon(三)脂质体脂质体(liposome)是根据磷脂分子在水相中形成稳定脂双层膜的特性而制备的人工膜 单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面搅动后形成乳 浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。

球形脂质体直径为25—1000nm不等，控制形成条件可获得大小均一的脂质体，同样的 原理还可以制备平面的脂质体膜脂质体可用不同的膜脂来制备，同时还可以嵌入不同的膜蛋白，因此脂质体是研究膜脂 与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料脂质体中裹人DNA可用于基因转移在临床治疗中，脂质体也有诱人的应用前景脂质体中裹入不同的药物或酶等具有特殊 功能的生物大分子，可用于诊断与治疗多种疾病特别是脂质体技术与单抗及其他技术结合， 可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤三、膜蛋白(一)类型根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为两大基本类型：膜周边蛋白(peripheral proteins)或称外在膜蛋白(extrinsic proteins):膜周边蛋白为水溶性 蛋白，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，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，膜结构并不被破坏膜内在蛋白(integral proteins域称整合膜蛋白：膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用去 垢剂使膜崩解后才可分离出来，且多数为跨膜蛋白(transmembrane proteins)，也有些插入脂 双层中。

它与膜结合的主要方式有：(二)膜内在蛋白与膜脂结合的方式1 .膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水部分相互作用2. 膜蛋白跨膜结构域两端携带正电荷氨基酸残基(如精氨酸、赖氨酸等)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3. 某些膜蛋白在细胞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膜内在蛋白跨膜结构 域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式如下：(1) 跨膜结构域形成a螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互 作用2) 某些a螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，a螺旋的外侧是非极性链，内侧是 极性链，形成特异极性分子的跨膜通道如人红细胞Bandm蛋白，它介导Cl- / HCO3-的跨 膜运输3) 某些跨膜蛋白(如大肠杆菌外膜上的孔蛋白(porins)和线粒体内膜上的孔蛋白)，其跨膜 结构域常常仅有10~12个氨基酸残基，形成8折叠片结构a螺旋中相邻二个氨基酸残基的 轴向距离为0.15 nm，而在p折叠片中为0. 35nm。

反向平行的p折叠片相互作用形成非特 异的跨膜通道，可允许相对分子质量小于104的小分子自由通过三）去垢剂去垢剂（detergent）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 去垢剂可分：离子型去垢剂:常。