1、湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011第六章質膜及其細胞表面 plasma membrane and cell surface湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011本章內容提要第一節第一節質膜的化學組成質膜的化學組成一、膜脂二、膜蛋白第二節第二節質膜的結構質膜的結構一、質膜結構的研究歷史二、質膜的流動鑲嵌模型三、細胞膜的功能第三節第三節細胞表面的分化細胞表面的分化一、細胞外被二、膜骨架三、質膜的特化結構湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011 質膜（plasma membrane ）包在細胞外面所以又稱細胞 膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內膜 。 質膜和內膜在起源

2、、結構和化學組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎。 質 膜 表 面 寡 糖 鏈 形 成 細 胞 外 被 （ cell coat ） 或 糖 萼（glycocalyx）。 質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網絡結構，除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以 這部分細胞骨架又稱為膜骨架。 細胞外被、質膜和表層胞質溶膠構成細胞表面。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011細胞內主要的胞質膜湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011細胞質膜模式圖 湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011第一節 質膜的化學組成 質膜主要由膜脂和膜蛋白

3、組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現者。動物細胞膜通常含有等 量的脂類和蛋白質。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011一、膜脂 膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。 （一）、磷脂 是構成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50以上。磷脂分子的主要特征是： 1. 具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內膜上的心磷脂具有4個非極性局部。 2. 脂肪酸碳鏈為偶數，多數碳鏈由16，18或20個碳原子組成。 3. 常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011phospholipids湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20

4、111、甘油磷脂 以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈一 磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。主要類型有： 磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，pc，舊稱卵磷脂 磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，ps 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，pe，舊稱腦磷脂 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，pi 雙磷脂酰甘油diphosphatidylglycerol, dpg，舊稱心磷脂 湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20112、鞘磷脂 鞘磷脂（sphingomyelin，sm）在腦和神經細胞膜中

5、特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。原核細胞、植物中沒有鞘磷脂。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（二）、糖脂 是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5以下，在神經細胞膜上糖脂含量較高，約占5-10。 糖脂也是兩性分子，其結構與sm很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；變化最多、最復雜的糖脂是神經節苷脂，其頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。神經節苷脂是神經元質膜中具有特征性的成分。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011glycolipid

6、s湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011glycolipids湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（三）、膽固醇 主要存在真核細胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學穩定性，調節雙脂層流動性，降低水溶性物質的通透性。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（四）、脂質體（liposome） 是一種人工膜。 在水中，攪動后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質體，直徑251000nm不等。 人工脂質體可用于： 1. 轉基因 2. 制備的藥物 3. 研究生物膜的特性 湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011二、膜蛋白 是膜功能的主要體現者

7、。據估計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。根據膜蛋白與脂分子的結合方式， 可分為： - 整合蛋白（integral protein） - 外周蛋白（peripheral protein） - 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011 整合蛋白的跨膜結構域可以是1至多個疏水的螺旋，形成親水通道的整合蛋白跨膜區域有兩種組成形式，一是由多個兩性螺旋組成親水通道；二是由兩性折疊組成親水通道。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011 外周蛋白又稱附著蛋白(protein-attached)。這種蛋白完全外露在脂雙層的內外兩側。靠離子鍵或其它較

8、弱的鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合，因此只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時很難區分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011脂錨定蛋白(lipid-anchored)又稱脂連接蛋白(lipid-linked protein)，通過共價鍵的方式同脂分子結合，位脂雙層的外側。同脂的結有兩種方式 一類是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylin ositol，gpi)連接的蛋白，gpi位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶c（能識別含肌醇的磷脂）處理細胞，釋放出結合

9、的蛋白。許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子和引起羊瘙癢病 的prpc都是這類蛋白。 另一類脂錨定蛋白與插入質膜內小葉的長碳氫鏈結合。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011, integral protein； , lipid-anchored protein； , peripheral protein 湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011膜蛋白的功能湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011第二節 質膜的結構 一、質膜結構的研究歷史湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20111. e. overton 1895 發現凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由

10、連續的脂類物質組成。 2. e. gorter & f. grendel 1925 用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂質膜的片層結構模型分子組成。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20113、j. danielli & h. davson 1935 發現質膜的表面張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質。 1959年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20114、j. d. robertson 1959 用超薄切片技術獲得了

11、清晰的細胞膜照片 ，顯示暗 -明 -暗三層結構 ，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成，總厚約7.5nm。并建議將這種結構稱為單位膜湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20115、s. j. singer & g. nicolson 1972根據免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011二、質膜的流動鑲嵌模型 根據fluid-mosaic model：1. 細胞膜由流動的脂雙層和嵌在其中的蛋白質組成。 2. 磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架； 3. 蛋白質或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內部，

12、或橫跨整個雙脂層，表現出分布的不對稱性。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011細胞質膜模式圖湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（一）、質膜的流動性 由膜脂和蛋白質的分子運動兩個方面組成。1、膜脂分子的運動側向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞c-c鍵旋轉。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011膜脂分子的運動膜脂分子的運動湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20112、影響膜脂流動性的因素 膽固醇：

13、膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使 膜流動性增加。 脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011溫度對膜運動性影響湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20113、膜蛋白的分子運動 主要有側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式。可用光脫色恢復技術和細胞融合技術檢測側向擴散。膜蛋白的側向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素b能促進膜蛋白的側向運動。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011利用細胞融合技術 觀

14、察蛋白質運動光脫色熒光恢復技術 淋巴細胞的成斑和成帽反應 電子自旋共振譜技術湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011淋巴細胞的成斑和成帽反應光脫色熒光恢復技術湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20114、膜流動性的生理意義 細胞質膜適宜的流動性是生物膜正常功能的必要條件。 酶活性與流動性有極大的關系，流動性大活性高。 如果沒有膜的流動性，細胞外的營養物質無法進入，細胞內合成的胞外物質及細胞廢物也不能運到細胞外，這樣細胞就要停止新陳代謝而死亡。 膜流動性與信息傳遞有著極大的關系。 如果沒有流動性，能量轉換是不可能的。 膜的流動性與發育和衰老過程都有相當大的關系。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（二）、

15、膜的不對稱性 質膜內外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。 膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不對稱性主要是指這些成分分布不對稱以及這些分子在方向上的不對稱 樣品經冰凍斷裂處理后 ，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：es，細胞外表面（extrocytoplasmic surface）；ef，細胞外小頁斷 面 （extrocytoplasmic face ） ； ps ，原 生質表面 （protoplasmic surface）；pf，原生質小頁斷面（protoplasmic face）湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻efpf湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011

16、1、膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：pc和sm主要分布在外小葉，pe和ps分布在內小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的pc降解，pe和ps分別只有20%和10%的被降解。 膜脂的不對稱性還表現在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結構域脂筏。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20112復合糖的不對稱性 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，無論是糖蛋白還是糖脂的糖基都是位于膜的外表面磷脂與糖脂分布的不對稱性膜糖分布的不對稱性湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20113、膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有特定的方向性和分布的區域性。膜蛋白的不對稱性包括外周蛋白分布的不對稱

17、以及整合蛋白內外兩側氨基酸殘基數目的不對稱。如各種激素的受體具有極性，細胞色素c位于線粒體內膜m側。紅細胞血型糖蛋白a在質膜中不對稱分布湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011不對稱性的研究方法 冰凍斷裂法不僅可用于研究膜組份分布的不對稱，也是膜的脂雙層結構的直接證據的來源湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011不對稱性的研究方法放射性標記法測定膜蛋白分布的不對稱性實驗中首先要分離細胞膜，然后用乳過氧化物酶進行膜蛋白實驗中首先要分離細胞膜，然后用乳過氧化物酶進行膜蛋白標記。過氧化物酶的分子較大而不能透過細胞膜，這樣可以標記。過氧化物酶的分子較大而不能透過細胞膜，這樣可以用于標記膜外表面的蛋白，標記后，

18、分離膜蛋白，電泳分離用于標記膜外表面的蛋白，標記后，分離膜蛋白，電泳分離和放射自顯影進行鑒定。和放射自顯影進行鑒定。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011（三）脂筏lipid raft 是富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域（microdomain）。 約70nm左右，是一種動態結構，位于質膜的外小頁。 介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（liquid-ordered）。 在低溫下這些區域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，drms）。 就像一個蛋白質停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍20

19、11mechanisms of raft clustering. (a) rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only a subset of proteins. (b) raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molecules. this clustering can be triggered in different way.湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011三、細胞膜的功能 1. 為細胞的生命活動提供相對穩定的內環境

20、； 2. 選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產物的排出； 3. 提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳遞； 4. 為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行； 5. 介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接； 6. 參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011第三節 細胞表面的分化 細胞表面的特化結構如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細胞的變形足等等，分別與細胞形態的維持、細胞運動、細胞的物質交換等功能有關。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011一、細胞外被 動 物 細 胞 表 面 的 一 層 富 含 糖 類 物

21、質 的 結 構 ， 稱 為 細 胞 外 被 或 糖 萼 （glycoalyx）。用重金屬染料,如釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚約1020nm的結構，邊界不甚明確。 作用： - 保護作用: 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮細胞的外被有助于潤滑、防止機械損傷， 同時又可保護上皮組織不受消化酶的作用和細菌的侵襲。植物和細菌的細胞壁不僅可以保護細胞質膜和細胞器， 同時還賦予細胞以特定的形狀。革蘭氏陽性菌的細胞壁是一種蛋白聚糖， 青霉素通過抑制它的合成從而抑制細菌的生長。 - 參與細胞與環境的相互作用， 參與細胞與環境的物質交換， 細胞增殖的接觸抑制、細胞識別等。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥

22、學院生物教研室曾凡龍2011simplified diagram of the cell coat (glycocalyx)湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011糖脂如何決定血型的？糖脂如何決定血型的？ abo血型決定子血型決定子(determinant)，即，即abo 型抗原，它是一型抗原，它是一種糖脂，種糖脂， 其寡糖部分其寡糖部分具有決定抗原特異性的具有決定抗原特異性的作用人的血型是作用人的血型是a型、型、b型、型、ab型還是型還是o型，型，是由紅細胞膜脂或膜蛋是由紅細胞膜脂或膜蛋白中的糖基決定的。白中的糖基決定的。a血型的人紅細血型的人紅細 胞膜脂寡糖鏈的末端是胞膜脂寡糖鏈的末端是n-乙

23、酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺(galnac)，b血型的人血型的人紅細胞膜脂寡糖鏈的末紅細胞膜脂寡糖鏈的末端是半乳糖端是半乳糖(gal)，o型型則沒有這兩種糖基，而則沒有這兩種糖基，而ab型人則在末端同時型人則在末端同時具具 有這兩種糖。有這兩種糖。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011在abo血型系統中，紅細胞膜上抗原分a和b兩種抗原，而血清抗體分抗a和抗b兩種抗體。a抗原加抗a抗體或b抗原加抗b抗體，則產生凝集現象。血型鑒定是將受試者的紅細胞加入標準a型血清（含有抗b抗體）與標準b型血清（含有抗a抗體）中，觀察有無凝集現象，從而測知受試者紅細胞膜上有無a或/和b抗原。在o血型系統，根據紅細胞膜上是否

24、含a、b抗原而分為a、b、ab、o四型。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011二、膜骨架 膜骨架是質膜下纖維蛋白組成的網架結構；位于細胞質膜下約0.2m厚的溶膠層。 作用：維持質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能。 成熟的哺乳動物血紅細胞沒有核和內膜系統，質膜是它的惟一結構，并且易于提純和分離，是研究膜骨架的理想材料。 紅細胞經低滲處理，細胞破裂釋放出內容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011將紅細胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細胞內部，使紅細胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細胞中惟一一種非膜蛋白)，此時的紅細胞就變成了沒有內容物的空殼

25、，由于紅細胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當紅細胞的內容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來，此時的紅細胞被稱為血影(ghost)。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011電子顯微鏡下的紅細胞電子顯微鏡下的紅細胞湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011結構與功能的完美體現 紅細胞的壽命約為120天，在生存期中大約行程500，000米。在血液循環中，紅細胞要穿過小于自身直徑一半的微小通道(脾竇)、在脾臟內要經受氧少、低ph值等不利環境的考驗、在心臟內又要受到瓣膜渦流沖擊。不難想像，紅細胞在這樣長而艱險的運輸途徑中保持結構的完好，它的質膜起了重要作用，可以推測，紅細胞的質膜一定有非常特別的結構，僅僅是

26、雙脂層可能難以解釋。 研究發現紅細胞質膜的內側有一種特殊的結構，是由膜蛋白和纖維蛋白組成的網架，它參與維持細胞質膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011人紅細胞膜蛋白sds-聚丙烯酰胺凝膠電泳分部(a)是考馬斯藍染色的膠;(b)表示凝膠上主要蛋白質的位置 分離紅細胞膜后可用陰離子去垢劑溶解膜蛋白，并通過sds和聚丙烯酰胺凝膠電泳(page)分離膜蛋白。通過單向sds-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，發現大約有15種主要的蛋白帶， 相對分子質量為 15kda到250kda湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011經sds-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：1.血影蛋白：由結

27、構相似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個二聚頭與頭相接連形成四聚體。2.錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質部相連，將影蛋白網絡連接到質膜上。3. 帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換cl，使hco 3 進入紅細胞。為二聚體，每個單體含929個氨基酸，跨膜12次。 4. 血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個氨基酸， n端在膜外側，結合16條寡糖鏈；c-端在胞質面，鏈較短，與帶4.1蛋白 相連。血型糖蛋白與mn血型有關，其功能尚不明確。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011 紅細胞膜骨架的構成： 血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋白纖維（約1315單體）相連，形成血影蛋白網絡。通過兩個錨定點固定在質膜下方： - 通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結； - 通過錨蛋白與帶3蛋白相連。 這一骨架系統賦與了紅細胞質膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。湖北醫藥學院生物教研室曾凡龍2011湖北醫藥學院生物教研室曾