1、第四章 細(xì)胞質(zhì)膜,第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型 一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型 二、膜脂 三、膜蛋白 第二節(jié) 生物膜基本特征和功能 一、膜的流動(dòng)性 二、膜的不對(duì)稱性 三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能 第三節(jié) 膜骨架 一、膜骨架 二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性 三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架,細(xì)胞質(zhì)膜（plasma membrane）又稱細(xì)胞膜（cell membrane），是圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。 細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)(具膜的細(xì)胞器)與細(xì)胞質(zhì)膜統(tǒng)稱為生物膜（biomembrane）,電鏡超薄切片技術(shù)細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu) A.紅細(xì)胞質(zhì)膜(箭頭) B.小鼠膀胱上皮細(xì)胞質(zhì)膜及胞質(zhì)中囊泡膜,一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)類型,1925年E

2、.Gorter和F.Grendle 提示了質(zhì)膜是由雙層脂分子構(gòu)成的。 Davson和Danielli提出“三明治”模型。 1959年J.D.Robertson提出了單位膜模型（unit membrane model）即生物膜由蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)的單位膜構(gòu)成。 1972年S.J.Singer和G.Nicolson提出了流動(dòng)鑲嵌模型（fluid mosaic model）。 1988年Simon提出脂筏模型（lipid raft model）,生物膜的結(jié)構(gòu)特性：1、具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中具有自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)的性質(zhì)。磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相形成脂分子層，它組成

3、生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分，尚未發(fā)現(xiàn)在生物膜結(jié)構(gòu)中起組織作用的蛋白。但在脂筏中存在某些有助于其結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的功能蛋白。 2、蛋白質(zhì)以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面，蛋白的類型、蛋白分布的不對(duì)稱性及其與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜各自的特性與功能。 3、生物膜可看成是在雙層脂分子中嵌有蛋白質(zhì)的二維溶液。然而膜蛋白與膜脂之間，膜蛋白與膜蛋白之間及其與膜兩側(cè)其他生物大分子的復(fù)雜的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流動(dòng)性，同時(shí)也形成了賴以完成多種膜功能的脂筏等結(jié)構(gòu)。,二、膜脂,（一）成份 膜脂主要成分：磷脂、糖脂和膽固醇。 1.磷脂（占整個(gè)膜脂的50%） 磷脂酰膽堿（卵磷脂 PC） 甘油磷

4、脂 磷脂酰絲氨酸(PS) 磷脂酰乙醇胺(腦磷脂 PE) 磷脂 磷脂酰肌醇(PI) 雙磷脂酰甘油（心磷脂 DPG） 鞘磷脂,以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈和一個(gè)磷酸基團(tuán)。膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子及其磷酸基團(tuán)連接到脂分子上。,2.糖脂 普遍存在于原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的細(xì)胞膜上，神經(jīng)細(xì)胞膜上含量較高。人體的ABO血型與糖脂有關(guān)。,紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血?jiǎng)t缺少這兩種糖基。,3.膽固醇與中性脂質(zhì) 功能：調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透

5、性。 主要存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過(guò)膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。 在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。,（二）膜脂的運(yùn)動(dòng)方式 1.側(cè)向運(yùn)動(dòng)：同一平面上相鄰分子交換位置。 2.自旋運(yùn)動(dòng):圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 3.脂分子尾部的擺動(dòng)：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。 4. 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。 5.伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。 6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。,根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢(shì)而制備的人工膜（

6、4種類型）。 A 水溶液中的磷脂分子團(tuán) B 球形脂質(zhì)體 C 平面脂質(zhì)體膜 D 用于疾病治療的脂質(zhì)體,（三）脂質(zhì)體（liposome）,三、 膜蛋白,（一）膜蛋白類型 1、整合蛋白（integral protein）：為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是兩性分子。 2、外周蛋白（peripheral protein）：離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合 3、脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）：與脂分子（如脂肪酸或糖脂）共價(jià)連接。,（一）膜脂的流動(dòng)性 影響膜脂流動(dòng)性的因素 膽固醇：膽固醇的含量增加會(huì)降低膜的流動(dòng)性。 脂肪酸

7、鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。 脂肪酸鏈的長(zhǎng)度：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。,一、膜的流動(dòng)性,（二）膜蛋白的流動(dòng)性 主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。,二、膜的不對(duì)稱性,（一）細(xì)胞膜各部分的名稱 樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開(kāi)，各斷面命名為： ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmic surface） EF，細(xì)胞外小頁(yè)斷面（extrocytoplasmic face） PS，原生質(zhì)表面（protoplasmic surfa

8、ce） PF，原生質(zhì)小頁(yè)斷面（protoplasmic face）,(二)膜脂的不對(duì)稱性 膜脂的不對(duì)稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布。 如：PC（卵磷脂）和SM（鞘磷脂）主要分布在外小葉，PE（磷脂酰乙醇胺）和PS（磷脂酰絲氨酸）分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。 膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域脂筏。,（三）復(fù)合糖的不對(duì)稱性： 糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。 （四）膜蛋白的不對(duì)稱性： 每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有極性，細(xì)胞

9、色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。,EF,PF,小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻,外小葉斷面,原生質(zhì)小葉斷面,三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能,為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出，其中伴隨著能量的傳遞。 提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)跨膜傳遞。 為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行。 介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接； 參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。 膜蛋白的異常與某些疾病相關(guān)，很多膜蛋白可作為疾病治療的藥物靶標(biāo)。,一、細(xì)胞骨架 細(xì)胞膜常常與膜下結(jié)構(gòu)（主要是骨架系統(tǒng)）相互聯(lián)系，協(xié)同作用，并形成細(xì)胞表面的某些特化結(jié)構(gòu)以完成特定的功能。

10、特化結(jié)構(gòu)包括膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛、細(xì)胞的變形足等等 膜骨架（membrane associated cytoskeleton）是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。 作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。,二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性 紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。 成熟的哺乳動(dòng)物血紅細(xì)胞沒(méi)有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料,三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架 （一）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白主要有： 1、血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成四聚體。 2、錨蛋白（ankyrin）：

11、與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。 3、帶三蛋白：是陰離子載體，通過(guò)交換Cl，使HCO 3 進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，跨膜12次。 4、血型糖蛋白：?jiǎn)未慰缒ぬ堑鞍?，約有131個(gè)氨基酸， N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C-端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。,（二）紅細(xì)胞質(zhì)膜骨架 血影蛋白四聚體游離端與短肌動(dòng)蛋白纖維（約1315單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)兩個(gè)錨定點(diǎn)固定在質(zhì)膜下方： 通過(guò)帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)； 通過(guò)錨蛋白與帶3蛋白相連。 這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬(wàn)次地通過(guò)比它直徑還小的微血管、動(dòng)脈、靜

12、脈。,（三）質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu) 質(zhì)膜常帶有許多特化的附屬結(jié)構(gòu)。如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛等等，這些特化結(jié)構(gòu)在細(xì)胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其結(jié)構(gòu)細(xì)微，多數(shù)只能在電鏡下觀察到。,1.微絨毛 microvilli 直徑約為0.1m。內(nèi)芯由肌動(dòng)蛋白絲束組成。 肌動(dòng)蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白（violin）和絲束蛋白（fimbrin）組成的橫橋相連。 微絨毛處質(zhì)膜有肌凝蛋白（myosin I ）構(gòu)成的側(cè)臂與肌動(dòng)蛋白絲束相連，從而將肌動(dòng)蛋白絲束固定。 作用：擴(kuò)大了細(xì)胞的表面積，有利于細(xì)胞同外環(huán)境的物質(zhì)交換。如小腸上微絨毛，使細(xì)胞表面積擴(kuò)大了30倍。,小鼠腎曲管上皮細(xì)胞微絨毛，冰凍蝕刻,2. 皺褶（ruffle） 細(xì)胞表面的扁形突起，也稱為片足（lamellipodia ）。在巨噬細(xì)胞的表面上，普遍存在著皺褶結(jié)構(gòu)，與吞噬顆粒物質(zhì)有關(guān)。,3.內(nèi)褶 內(nèi)褶（infolding）是質(zhì)膜由細(xì)胞表面內(nèi)陷形成的結(jié)構(gòu)，以相反的方式擴(kuò)大了細(xì)胞的表面積。這種結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于液體和離子交換活動(dòng)比較旺盛的細(xì)胞。,4. 纖毛和鞭毛 纖毛（cilia）和鞭毛（flagella