细胞质膜及其表面结构.ppt

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1、 第四章第四章 质膜及细胞表面质膜及细胞表面Plasmalemma and Cell Surface细胞质膜（细胞质膜（plasma membraneplasma membrane）亦称细胞膜（）亦称细胞膜（cell cell membranemembrane），是指围绕），是指围绕在细胞最外层在细胞最外层，由，由脂质脂质和和蛋白蛋白质质组成的生物膜。它不仅是区分细胞内部与周围环境组成的生物膜。它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜（，称为细胞内膜（intern

2、al internal membranemembrane）。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的）。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为等方面具有相似性，故总称为生物膜生物膜（biomembranebiomembrane）。）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。运动等活动都与膜的作用有密切的关系。质膜厚度：质膜厚度：6-10nm.6-10nm.基本结构基本结构:脂质双分子层脂质双分子层，蛋

3、白质嵌合在脂，蛋白质嵌合在脂质双分子层中。质膜是动态的流动结构，膜脂和膜蛋白两类分质双分子层中。质膜是动态的流动结构，膜脂和膜蛋白两类分子围绕着膜的平面做各种运动。质膜表面寡糖链形成细胞外被子围绕着膜的平面做各种运动。质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coatcell coat）或糖萼（）或糖萼（glycocalyxglycocalyx）；质膜下的表层溶胶中具）；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜

4、骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。主要内容第一节第一节 质膜的化学组成质膜的化学组成第二节第二节 生物膜的结构生物膜的结构 第三节第三节 细胞表面的分化细胞表面的分化 第一节第一节 质膜的化学组成质膜的化学组成质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，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体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。1.1 膜脂 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。（一）、磷脂（一）、磷脂构成膜脂的基本成分，约占50。主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），但存在于线粒

5、体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有4个非极性的区域。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。极性头部极性头部基团基团非极性尾部基团脂肪酸胆碱胆碱磷酸磷酸甘油甘油脂肪酸链脂肪酸链A.A.磷脂酰基胆碱中磷脂分子示意图；磷脂酰基胆碱中磷脂分子示意图；B:B:结构式结构式;C:;C:空间模型空间模型顺式双键顺式双键顺式双键1、甘油磷脂、甘油磷脂:以甘油为骨架；在骨架上结合两个脂肪酸以甘油为骨架；在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，而磷酸基团又可分别将胆碱、乙醇链和一个磷酸基团，而磷酸基团又可分别将胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等连接到脂分子上。胺、丝氨酸

6、、肌醇等连接到脂分子上。主要类型有：主要类型有：磷脂酰乙醇胺（磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine phosphatidyl ethanolamine，PEPE，旧称脑磷脂），旧称脑磷脂）磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serinephosphatidyl serine，PSPS）磷脂酰胆碱（磷脂酰胆碱（phosphatidyl cholinephosphatidyl choline，PCPC，旧称卵磷脂）；，旧称卵磷脂）；磷脂酰肌醇（磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositolphosphatidyl inositol，PIPI）双

7、磷脂酰甘油（双磷脂酰甘油（DPGDPG，旧称心磷脂）等。，旧称心磷脂）等。2 2、鞘磷脂（、鞘磷脂（sphingomyelinsphingomyelin，SMSM）脑和神经细胞膜中极丰富，亦称神经醇磷脂。脑和神经细胞膜中极丰富，亦称神经醇磷脂。以鞘胺醇（以鞘胺醇（sphingoinesphingoine）为骨架，与一条脂肪）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。（二）、糖脂含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真

8、核细胞的质膜上，占膜脂总量占膜脂总量5 5以下。神经细胞膜上含量较高，约占以下。神经细胞膜上含量较高，约占5-105-10。糖脂也是两性分子。其结构与糖脂也是两性分子。其结构与SMSM很相似，只是由一个或多个糖很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单最简单：半乳糖脑苷脂，只有一个半乳糖残基作为极性头部，：半乳糖脑苷脂，只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；在髓鞘的多层膜中含量丰富；最复杂最复杂：神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残：神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经元质

9、膜中具有特征性的成分。基。神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs diseaseTay-sachs disease）就是因为在）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 GM2 加工成为加工成为GM3GM3，结果大量的，结果大量的GM2GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和霍乱毒素、干

10、扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-5-羟色羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。胺等的受体就是不同的神经节苷脂。葡糖脑苷脂葡糖脑苷脂一些糖脂的结构一些糖脂的结构 1.1.半乳糖脑苷脂，半乳糖脑苷脂，2.GM12.GM1神经节苷脂，神经节苷脂，3.3.唾液酸唾液酸（三）、胆固醇（三）、胆固醇仅存在真核细胞膜上，不超过膜脂的仅存在真核细胞膜上，不超过膜脂的1/31/3，植物细胞膜，植物细胞膜中含量较少。中含量较少。功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。（如：在缺少胆固醇培养基降低水溶性物质的通透性。（如：在缺少胆

11、固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。）中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。）（四）、脂质体（四）、脂质体（liposomeliposome）一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25-25-1000nm1000nm不等。不等。用途：转基因，或制备药物。利用脂质体可以和细胞膜融合用途：转基因，或制备药物。利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。的特点，将药物送入细胞内部。1.2 膜蛋白 生物膜所含

12、的蛋白，是生物膜最为重要的成分，是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。在膜中，蛋白质的种类和数量反映膜功能的复杂程度。功能复杂的，蛋白质含量高。动物细胞主要有9种膜脂，而膜蛋白的种类繁多，多数膜蛋白分子数目较少，但却赋予细胞膜非常重要的生物学功能。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein，膜内在膜蛋白，跨膜蛋白）、外周蛋白（peripheral protein，膜周边蛋白）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。整合蛋白整合蛋白可能全为跨膜蛋白（可能全为跨膜蛋白（tansmembrane protei

13、nstansmembrane proteins），），两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，一般不易分离开来，只有用去垢剂（一般不易分离开来，只有用去垢剂（detergentdetergent）才能从膜）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂上洗涤下来，如离子型去垢剂SDSSDS，非离子型去垢剂，非离子型去垢剂Triton-Triton-X100X100。整合蛋白的跨膜结构域可以是。整合蛋白的跨膜结构域可以是1 1至多个疏水的

14、至多个疏水的螺旋。螺旋。形成亲水通道的整合蛋白跨膜区有两种组成形式，一是由多形成亲水通道的整合蛋白跨膜区有两种组成形式，一是由多个两性个两性螺旋组成；二是由两性螺旋组成；二是由两性折叠组成。折叠组成。外周蛋白外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至脂分子的亲水部分结合，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。提高温度就可以从膜上分离下来。有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基

15、为跨膜蛋白，有的则结合在可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。膜的外部。脂锚定蛋白脂锚定蛋白：通过与之共价相连的脂分子（如脂肪酸通过与之共价相连的脂分子（如脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子层中，从而锚定在细胞质或糖脂）插入膜的脂双分子层中，从而锚定在细胞质膜上。与脂肪酸结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜内膜上。与脂肪酸结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜内侧，与糖脂相结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜外侧。侧，与糖脂相结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜外侧。可分两类可分两类:一类是糖磷脂酰肌醇一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol(glycophosphat

16、idylinositol，GPI)GPI)连接的蛋白，连接的蛋白，GPIGPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的起羊瘙痒病的PrPCPrPC都是这类蛋白。都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体如三聚体GTPGTP结合调节蛋白（结合调节蛋白（trimeric GTP-binding trimeri

17、c GTP-binding regulatory proteinregulatory protein）的）的 和和亚基。亚基。膜蛋白与膜脂的结合方式膜蛋白与膜脂的结合方式:六种六种1.1.单一的单一的-螺旋跨膜，只穿膜一次，螺旋跨膜，只穿膜一次，N N端和端和C C端分别在膜的两侧端分别在膜的两侧 。2.-2.-螺旋链多次跨膜，多肽链的螺旋链多次跨膜，多肽链的N N端和端和C C端分别在膜的两侧。端分别在膜的两侧。3.3.膜内的表面膜蛋白，以脂肪酸链或异戊二烯基插入细胞质一侧的膜内的表面膜蛋白，以脂肪酸链或异戊二烯基插入细胞质一侧的单层膜内。单层膜内。4.4.蛋白质与寡糖、糖脂或肌醇磷脂结合，

18、并以其脂肪酸链插入非胞蛋白质与寡糖、糖脂或肌醇磷脂结合，并以其脂肪酸链插入非胞质一侧单层膜内锚定。质一侧单层膜内锚定。5 5、6 6是位于膜内或膜外的蛋白质以非共价键形式依附于其他跨膜蛋是位于膜内或膜外的蛋白质以非共价键形式依附于其他跨膜蛋白上。白上。膜蛋白的提取：去垢剂分离和纯化膜蛋白的提取：去垢剂分离和纯化整合膜蛋白与膜脂间的结合牢固，必须用去垢剂使膜整合膜蛋白与膜脂间的结合牢固，必须用去垢剂使膜崩解后才能提取。崩解后才能提取。去垢剂是一种一端亲水，一端疏水的两性分子，是分去垢剂是一种一端亲水，一端疏水的两性分子，是分离与研究膜蛋白常用的试剂。离与研究膜蛋白常用的试剂。它不仅使膜崩解，并它

19、不仅使膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其与膜分离，还能破坏蛋白与膜蛋白疏水部分结合使其与膜分离，还能破坏蛋白内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象。内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象。常用：常用：SDSSDS（离子型）和（离子型）和Triton X-100Triton X-100（非离子型），（非离子型），其中其中SDSSDS作用较剧烈，会引起蛋白质变性，因此要得作用较剧烈，会引起蛋白质变性，因此要得到有生物活性的膜蛋白，常用非离子型去垢剂。到有生物活性的膜蛋白，常用非离子型去垢剂。去污剂胶团去污剂胶团水溶性蛋白水溶性蛋白-脂质脂质-去污剂复合体去污剂复合体 可溶性脂质去污剂混合胶粒可溶性

20、脂质去污剂混合胶粒用去污剂溶用去污剂溶解膜蛋白。解膜蛋白。去污剂破坏去污剂破坏脂双层，把脂双层，把蛋白质溶于蛋白质溶于溶液中，形溶液中，形成蛋白质成蛋白质-脂质脂质-去污去污剂复合物。剂复合物。膜上的磷脂膜上的磷脂也被去污剂也被去污剂溶解。溶解。去污剂单体去污剂单体Review:去垢剂（detergent）去垢剂去垢剂(表面活性剂表面活性剂)是一类即具有亲水基又具有疏水基的物质，是一类即具有亲水基又具有疏水基的物质，一般具有乳化、分散和增溶作用。可分阴离子、阳离子和中性一般具有乳化、分散和增溶作用。可分阴离子、阳离子和中性去垢剂等多种类型，中性去垢剂在蛋白提取中应用的较多。去垢剂等多种类型，中

21、性去垢剂在蛋白提取中应用的较多。A A中性去垢剂中性去垢剂又称非离子表面活性剂，对蛋白质的变性作用影又称非离子表面活性剂，对蛋白质的变性作用影响较少，宜于蛋白质或酶提取之用。一般市售中性去垢剂有聚响较少，宜于蛋白质或酶提取之用。一般市售中性去垢剂有聚乙二醇类，如乙二醇类，如PEG200PEG200；多元醇类表面活性剂，如山梨醇、司盘；多元醇类表面活性剂，如山梨醇、司盘类和吐温类；聚氧乙烯脂肪醇醚，如苄泽类、平平加类；聚氧类和吐温类；聚氧乙烯脂肪醇醚，如苄泽类、平平加类；聚氧乙烯烷基苯酚醚，如乙烯烷基苯酚醚，如Igepal COIgepal CO、乳化剂、乳化剂OPOP、TritonTriton

22、、Pluronic(Pluronic(用作消泡剂、润湿剂、增溶剂用作消泡剂、润湿剂、增溶剂)、泡敌。中性去垢剂、泡敌。中性去垢剂作用后可通过作用后可通过Sephadex LH-50Sephadex LH-50柱除去；也可直接上柱除去；也可直接上DEAE-DEAE-SephadexSephadex柱层析分离目的蛋白，不必先除去去垢剂。柱层析分离目的蛋白，不必先除去去垢剂。B B阴离子去垢剂阴离子去垢剂 常见的有十二烷基硫酸钠和十二烷基璜酸钠。常见的有十二烷基硫酸钠和十二烷基璜酸钠。前者可促进核蛋白的溶解，将核酸释放出来，并对核酸酶有一前者可促进核蛋白的溶解，将核酸释放出来，并对核酸酶有一定抑制作

23、用，常用于核酸的提取。定抑制作用，常用于核酸的提取。C C阳离子去垢剂阳离子去垢剂 如洁尔灭、新洁尔灭、如洁尔灭、新洁尔灭、CTABCTAB、CPCCPC、ZEPHZEPH、克、克菌定、消毒净（菌定、消毒净（TMPBTMPB）、杜灭芬等，消毒灭菌类居多。）、杜灭芬等，消毒灭菌类居多。D D天然表面活性剂天然表面活性剂 又称为生物表面活性剂，包括种又称为生物表面活性剂，包括种类较为广泛，如各种树胶（阿拉伯胶、杏胶、桃胶、类较为广泛，如各种树胶（阿拉伯胶、杏胶、桃胶、果胶）、明胶、皂甙、卵磷脂、豆磷脂、琼脂、海藻果胶）、明胶、皂甙、卵磷脂、豆磷脂、琼脂、海藻酸钠、酪蛋白、胆甾醇、胆酸类、多糖类（如

24、环糊精）酸钠、酪蛋白、胆甾醇、胆酸类、多糖类（如环糊精）等。等。E E两性表面活性剂两性表面活性剂 在碱性水溶液中呈阴离子表面活在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质，起泡性好，去污力也强；在酸性溶液中性剂的性质，起泡性好，去污力也强；在酸性溶液中则呈现阳离子表面活性剂特征，其杀菌性很强。则呈现阳离子表面活性剂特征，其杀菌性很强。蛋白质变性剂的作用是蛋白质变性剂的作用是破坏蛋白质的次级键破坏蛋白质的次级键，如，如氢键、盐键和疏水力，引起天然构象的解体；它们氢键、盐键和疏水力，引起天然构象的解体；它们并并不破坏共价键不破坏共价键，如肽键和二硫键，故不涉及一级结构，如肽键和二硫键，故不涉及一级结构

25、的改变。变性剂有溶解型和沉淀型两类，的改变。变性剂有溶解型和沉淀型两类，SDSSDS、尿素和、尿素和胍盐是有效的溶解型变性剂，而三氯乙酸、甲醇、和胍盐是有效的溶解型变性剂，而三氯乙酸、甲醇、和氯仿氯仿/异戊醇是有效的沉淀变性剂。异戊醇是有效的沉淀变性剂。第二节 生物膜的结构 已知质膜的主要成分是已知质膜的主要成分是脂类、蛋白质和少量脂类、蛋白质和少量的糖类的糖类，那么这些组分在膜中是如何排列和，那么这些组分在膜中是如何排列和组织的，它们之间如何相互作用？关系到膜组织的，它们之间如何相互作用？关系到膜的分子结构问题，的分子结构问题，历史上历史上曾经提出很多模型。曾经提出很多模型。主要有主要有片层

26、结构模型片层结构模型、单位膜模型单位膜模型、流动镶流动镶嵌模型嵌模型和和脂筏模型脂筏模型。2.1 2.1 质膜的结构模型质膜的结构模型(一一)片层结构模型片层结构模型认认为为细细胞胞有有质质膜膜的的存存在在经经历历了了很很长长的的历历程程。最最早早的的工工作作是是质质膜膜通通透透性性的的研研究究。18951895年年，E.OvertonE.Overton发发现现凡凡是是溶溶于于脂脂肪肪的的物物质质很很容容易易穿穿过过植植物物的的细细胞胞膜膜，而而不不溶溶于于脂脂肪肪的的物物质质则则不不容容易易穿穿过过膜膜。因因此此推推测测，细细胞胞膜膜是是由由一一层层脂脂类物质所组成。类物质所组成。19171

27、917年年，LangmuirLangmuir设设计计 出出 了了 膜膜 平平 衡衡 技技 术术（film balance)film balance)。根根据据所所投投入入的的脂脂分分子子数数，即即可可计计算算出出单单个个脂脂分分子子所所占占的的面面积积（如如一一个个硬硬脂脂酸酸分分子子所所占占面面积积约约为为0.2nm0.2nm2 2)。用用这这种种方方法法也也可可测测定定单单脂脂分分子子层层的的厚厚度度，硬硬脂脂酸酸的的厚厚度度约约为为2.5nm2.5nm。当当把把玻玻片片插插入入浮浮有有单单层层脂脂分分子子的的水水中中时时，玻玻片片表表面面可可吸吸附附上单层脂分子膜。上单层脂分子膜。从从真

28、真核核细细胞胞分分离离纯纯净净的的质质膜膜很很困困难难，主主要要受受内内膜膜的的污污染染。红红细细胞胞没没有有细细胞胞内内膜膜结结构构和和细细胞胞核核。经经低低渗渗处处理理后后，造造成成溶溶血血现现象象，血血红红蛋蛋白白和和无无机机盐盐等等被被溶溶出出细细胞胞外外，剩剩下下的的空空壳壳称称为为血血影影。把把血血影影的的脂脂类类物物质质抽抽提提出出来来，在在水水面面上上铺铺成成单单分分子子层层。19251925年年，荷荷兰兰科科学学家家E.E.GorterGorter和和F.GrendelF.Grendel用用有有机机溶溶剂剂抽抽提提人人的的红红细细胞胞膜膜的的膜膜脂脂成成分分并并测测定定膜膜脂

29、脂单单层层分分子子在在水水面面的的铺铺展展面面积积，发发现现它它为为红红细细胞胞表表面面积积的的二二倍倍，提提示示了了质膜是由质膜是由双层脂分子双层脂分子构成的。构成的。球形蛋白球形蛋白磷脂双分子层磷脂双分子层球形蛋白球形蛋白 这个模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，其疏水脂肪这个模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，其疏水脂肪酸链在膜的内侧彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内酸链在膜的内侧彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。这一外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。这一模型影响达模型影响达2020年之久。年之久。1935年，J.Daniell

30、J.Daniell&H.Davson&H.Davson：发现质：发现质膜的表面张力比油膜的表面张力比油-水水界面的表面张力低得多。界面的表面张力低得多。已知脂滴表面如果吸附已知脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张有蛋白质成分则表面张力降低。力降低。推测：质膜中含有蛋白推测：质膜中含有蛋白质成分。从测定膜的表质成分。从测定膜的表面张力得出细胞膜的面张力得出细胞膜的“三明治结构三明治结构”，即蛋白，即蛋白质质脂质脂质蛋白质。蛋白质。(二二)单位膜模型单位膜模型19591959年，年，J.D.J.D.RobertsonRobertson用超薄切用超薄切片技术和电镜观察了各种膜后发现膜片技术和电镜观察

31、了各种膜后发现膜呈呈“暗暗-明明-暗暗”三层式结构。内外两三层式结构。内外两侧为电子密度高的暗线，中间为电子侧为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。该模型认为明线部分密度低的明线。该模型认为明线部分是膜中间的双层脂类分子，而暗线部是膜中间的双层脂类分子，而暗线部分则为膜两侧的单层蛋白质分子。这分则为膜两侧的单层蛋白质分子。这些蛋白质以单层肽链些蛋白质以单层肽链折叠形式存在，折叠形式存在，通过静电作用与磷脂极性端相结合。通过静电作用与磷脂极性端相结合。该模型提出了各种生物膜在形态结构该模型提出了各种生物膜在形态结构上的共性，即生物膜都以上的共性，即生物膜都以“两暗一明两暗一明”的形式存在，

32、故生物膜也被称为的形式存在，故生物膜也被称为单单位膜位膜。2nm3.5nm2nm不足：不足：（1 1）单单位位膜膜为为一一静静态态单单一一的的结结构构,无无法法说说明明膜膜的的动动态态结结构构的的变变化化;（2 2）无法显示各种膜的功能的不同）无法显示各种膜的功能的不同;（3 3）各各种种不不同同细细胞胞和和同同一一细细胞胞中中的的不不同同部部分分膜膜的的厚厚度度实实际际上上并并不都是不都是7.5nm7.5nm。6060年年代代以以后后，应应用用一一系系列列新新技技术术，证证明明膜膜中中的的蛋蛋白白质质和和脂脂类类分子主要以疏水键相结合。分子主要以疏水键相结合。电镜冰冻蚀刻技术：脂类双分子层中

33、心部分有蛋白质颗粒分布。电镜冰冻蚀刻技术：脂类双分子层中心部分有蛋白质颗粒分布。红外光谱分析：膜蛋白不是红外光谱分析：膜蛋白不是折叠结构而是折叠结构而是-螺旋的球状结构。螺旋的球状结构。荧光标记和细胞融合实验：生物膜具有液体的性质。荧光标记和细胞融合实验：生物膜具有液体的性质。(三）流动镶嵌模型三）流动镶嵌模型19721972年年S.S.J.J.Singer Singer&G.G.Nicolson Nicolson 提提出出流流动动镶镶嵌嵌模模型型。把把生生物物膜膜看看成成是是嵌嵌有有球球形形蛋蛋白白质质的的脂脂类类二二维维排排列列的的液液态态体体，膜膜中中脂脂双双层层构构成成膜膜的的连连续续

34、主主体体，既既具具有有固固体体分分子子排排列列的的有有序序性性，又又具具有有液液体体的的流流动动性性，呈呈液液晶晶态态。该该模模型型强强调调：(1)(1)膜膜的的流流动动性性，即即蛋蛋白白质质和和膜膜脂脂均均可可侧侧向向运运动动；（2 2）膜内蛋白和脂类分子分布的）膜内蛋白和脂类分子分布的不对称不对称。使使膜膜分分子子聚聚在在一一起起主主要要是是蛋蛋白白-蛋蛋白白、蛋蛋白白-脂脂类类、脂脂类类和和脂脂类类通通过过疏疏水水和和亲亲水水的的两两种种非非共共价价键键的的相相互互作作用用。如如果果相相互互作作用用达达到到最最大大时时，在在最小自由能情况下就能维持膜结构的稳定。最小自由能情况下就能维持膜

35、结构的稳定。膜蛋白露在水介质的部分，是由亲水的氨基酸组成，而嵌在脂双中的膜蛋白露在水介质的部分，是由亲水的氨基酸组成，而嵌在脂双中的是由疏水的氨基酸组成的。认为：细胞中各种膜的不同活性和特异性，是由疏水的氨基酸组成的。认为：细胞中各种膜的不同活性和特异性，可能是由于膜内蛋白的种类不同所致；大部分膜是不对称的，在其内可能是由于膜内蛋白的种类不同所致；大部分膜是不对称的，在其内部及内外表面具有不同功能的蛋白质。红细胞膜或其他细胞膜的不对部及内外表面具有不同功能的蛋白质。红细胞膜或其他细胞膜的不对称性表现为：称性表现为：1.只在膜的外表面有糖脂、糖蛋白等；只在膜的外表面有糖脂、糖蛋白等；2.脂双层的

36、内、外脂双层的内、外两层脂类分子也是不对称的。两层脂类分子也是不对称的。流动镶嵌模型流动镶嵌模型该模型强调了膜的流动性，蛋白质和膜脂均可侧向运动，膜蛋白分布的该模型强调了膜的流动性，蛋白质和膜脂均可侧向运动，膜蛋白分布的不对称性。有的镶嵌在脂双分子层表面，有的则全部或部分嵌入其内，不对称性。有的镶嵌在脂双分子层表面，有的则全部或部分嵌入其内，有的横跨整个脂类区。有的横跨整个脂类区。该模型认为膜的结构成分不是静止的而是动态的，膜脂双分子层该模型认为膜的结构成分不是静止的而是动态的，膜脂双分子层就像轻油般的流体，具有流动性，能迅速地在膜平面进行侧向运就像轻油般的流体，具有流动性，能迅速地在膜平面进

37、行侧向运动。动。优点：比较合理地解释了膜中所发生的生理现象，特别是以优点：比较合理地解释了膜中所发生的生理现象，特别是以动态动态的观点的观点分析膜中各种化学组分的相互关系。分析膜中各种化学组分的相互关系。不足：忽视了蛋白质分子对流动性的控制作用和膜的各部分流动不足：忽视了蛋白质分子对流动性的控制作用和膜的各部分流动性的性的不均匀性不均匀性。改进：强调生物膜的膜脂处于无序（流动性）和有序（晶态）之改进：强调生物膜的膜脂处于无序（流动性）和有序（晶态）之间动态转变的间动态转变的“液晶态模型液晶态模型”；强调生物膜是由具有流动性程度不同的强调生物膜是由具有流动性程度不同的“板块板块”镶嵌而成的镶嵌而

38、成的“板板块镶嵌模型块镶嵌模型”等。支持完善了这个模型。等。支持完善了这个模型。19971997年年，Kai Kai SimonsSimons首首次次提提出出，越越来来越越多多的的试试验验证证实实其其存存在及其重要性。在及其重要性。脂脂筏筏：质质膜膜上上富富含含胆胆固固醇醇和和鞘鞘磷磷脂脂的的微微结结构构域域，70nm70nm左左右右，动动态态结结构构，位位于于质质膜膜的的外外小小页页。由由于于鞘鞘磷磷脂脂具具有有较较长长的的饱饱和和脂脂肪肪酸酸链链，分分子子间间的的作作用用力力较较强强，所所以以这这些些区区域域结结构构致致密密，介介于于无无序序液液体体与与液液晶晶之之间间，称称为为有有序序液

39、液体体。在在低低温温下下（44）这这些些区区域域能能抵抵抗抗非非离离子子去去垢垢剂剂的的抽抽提提，所所以以又又称称为为抗抗去去垢垢剂剂膜膜（detergent-resistant detergent-resistant membranesmembranes，DRMsDRMs）。脂脂筏筏就就像像一一个个蛋蛋白白质质停停泊泊的的平平台台，与与膜膜的的信信号号转转导导、蛋蛋白白质分选均有密切的关系。质分选均有密切的关系。研究表明，一些感染性疾病，心血管疾病，肿瘤，肌营养研究表明，一些感染性疾病，心血管疾病，肿瘤，肌营养不良症，阿尔茨海默症，不良症，阿尔茨海默症，HIVHIV，朊病毒病等可能与脂筏功能

40、，朊病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。紊乱有着密切的关系。(四）脂筏模型（四）脂筏模型（lipid raftlipid raft）脂筏是膜脂双层内含有特殊脂脂筏是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微区，富含鞘磷质和蛋白质的微区，富含鞘磷脂，鞘糖脂，胆固醇，脂，鞘糖脂，胆固醇，GPI-GPI-锚锚固蛋白，固蛋白，Src-kinaseSrc-kinase等。不仅等。不仅存在于质膜上，而且还存在于存在于质膜上，而且还存在于高尔基体膜上。鞘磷脂和鞘糖高尔基体膜上。鞘磷脂和鞘糖脂（如神经节苷脂类）的饱和脂（如神经节苷脂类）的饱和脂肪链紧密聚集，饱和脂肪链脂肪链紧密聚集，饱和脂肪链之间的空隙填满了作

41、为间隔分之间的空隙填满了作为间隔分子的胆固醇，形成液态有序相。子的胆固醇，形成液态有序相。不饱和脂肪链围绕在筏区的周不饱和脂肪链围绕在筏区的周围，形成围，形成非筏区非筏区，主要成分是，主要成分是卵磷脂，磷脂酰乙醇胺，磷脂卵磷脂，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸等，也含有胆固醇。酰丝氨酸等，也含有胆固醇。因为鞘脂含有长链饱和脂肪链，因为鞘脂含有长链饱和脂肪链，TmTm较高，所以脂筏区与非筏区相比，流动性较高，所以脂筏区与非筏区相比，流动性差，脂肪链伸展，而且粘稠。所以出现分相。脂筏区比非筏区高大约差，脂肪链伸展，而且粘稠。所以出现分相。脂筏区比非筏区高大约0.4-0.4-1nm1nm左右。质膜内外两层

42、均含有脂筏，脂膜内层的脂筏除了知道需要胆固醇左右。质膜内外两层均含有脂筏，脂膜内层的脂筏除了知道需要胆固醇来维持其整体性和缺少鞘磷脂之外，脂筏的组成还是不清楚的。来维持其整体性和缺少鞘磷脂之外，脂筏的组成还是不清楚的。含含有有两两种种蛋蛋白白质质的的脂脂筏筏模模型型。液液态态有有序序相相中中的的脂脂（红红色色），液液晶晶相相中中的的脂脂（蓝蓝色色），胆固醇（桔红色）。胆固醇（桔红色）。胆固醇主要分布在液态有序相胆固醇主要分布在液态有序相中，外层的脂筏主要富含鞘磷中，外层的脂筏主要富含鞘磷脂和鞘糖脂，对应的内层的脂脂和鞘糖脂，对应的内层的脂筏包含有脂肪酸链更偏向于饱筏包含有脂肪酸链更偏向于饱和的

43、甘油脂。和的甘油脂。GPI-GPI-锚固蛋白耦联锚固蛋白耦联于质膜外层的脂筏，于质膜外层的脂筏，Src-kinaseSrc-kinase耦联于耦联于质膜内层的脂筏。质膜内层的脂筏。src KinaseSrcKinaseInhibitor4-(4-Phenoxyanilino)-6,7-dimethoxyquinazolineStudyingTyrosineKinaseSrcandCancerDrugDiscoveryGPI-GPI-锚固蛋白锚固蛋白?据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏

44、聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。如致敏原（allergen）能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn（一种非受体酪氨酸激酶)磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应。Q：脂筏在信号转导和蛋白质转运中的功能是如何实现的？在功能实现的过程当中组分和结构的变化又是什么样？必须要在单分子水平上对脂筏内生物分子行为（包括构象变化、相互识别、相互作用等）进行实时动态检测，籍此深入阐明在脂筏的功能实现过程当中的构效、构性关系等变化。因此要采用灵敏的单分子研究仪器来准确而有较为直观的研究

45、脂筏的结构特性，形成，运动与内在化机制等。细胞表面的穴样内陷（caveolae）具有和脂筏一样的膜脂组成，不含笼形蛋白（clathrin），含有caveolin（一种小分子量的蛋白，21KD）。大量存在于脂肪细胞、上皮细胞和平滑肌细胞。与细胞的内吞有关，另外还富含某些信号分子，与细胞的信号转导有关。质膜的流动性由质膜的流动性由膜脂膜脂和和蛋白质蛋白质的分子运动两方面组成。的分子运动两方面组成。1.1.膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式 可用多种物理学技术如电子自旋共振、核磁共振、可用多种物理学技术如电子自旋共振、核磁共振、差示扫描量热术等来测量各脂类分子及其不同部分的运差示扫描量热术等来测量

46、各脂类分子及其不同部分的运动。研究表明：脂类分子在相变温度以上的条件下，有动。研究表明：脂类分子在相变温度以上的条件下，有以下运动方式：以下运动方式：2.2 2.2 质膜的流动性质膜的流动性侧向扩散侧向扩散 旋转运动旋转运动 摆动运动摆动运动 伸缩震荡伸缩震荡 翻转运动翻转运动 旋转异构旋转异构侧向扩散：侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。从细胞的一端到另一端只需同一平面上相邻的脂分子交换位置。从细胞的一端到另一端只需1-1-2s2s。保持脂分子在质膜中排布的方向：亲水朝向膜表面，疏水尾朝向膜内部。保持脂分子在质膜中排布的方向：亲水朝向膜表面，疏水尾朝向膜内部。旋转运动：旋转运动：每个脂

47、分子都围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。每个脂分子都围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：伸缩震荡：脂肪酸链沿着纵轴进行伸缩震荡运动。脂肪酸链沿着纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：翻转运动：指膜脂分子从脂双层的一层翻转至另一层的运动，对维持膜的不对指膜脂分子从脂双层的一层翻转至另一层的运动，对维持膜的不对称性很重要。很少发生，两周内不多于一次。称性很重要。很少发生，两周内不多于一次。旋转异构：旋转异构：脂肪酸链围绕脂肪酸链围绕C-CC-C键旋转，导致异构化运动。键旋转，导致异构化运动。2

48、.2.影响膜流动的影响膜流动的因素因素 主要因素来自主要因素来自膜本身的膜本身的组成成组成成分分、遗传因子遗传因子及及环境环境的理化因素的理化因素（温度、（温度、pHpH、离、离子强度、药物）。子强度、药物）。(1)(1)胆固醇的影响胆固醇的影响;(2)(2)不饱和链的含量和长度不饱和链的含量和长度;(3)(3)卵磷脂与鞘磷脂的比值卵磷脂与鞘磷脂的比值;(4)(4)其他因素其他因素 3.膜蛋白的流动膜蛋白的流动膜蛋白的运动方式膜蛋白的运动方式 膜蛋白在一定条件下，可发生位置膜蛋白在一定条件下，可发生位置上的变动，主要有上的变动，主要有侧向扩散侧向扩散和和旋转扩旋转扩散散两种运动方式。可用光脱色

49、恢复技两种运动方式。可用光脱色恢复技术（术（fluorescence recovery after fluorescence recovery after photobleachingphotobleaching，FRAPFRAP）和细胞融合）和细胞融合技术检测侧向扩散（平面移动）。技术检测侧向扩散（平面移动）。证明膜蛋白在平面移动的直接证据证明膜蛋白在平面移动的直接证据来自来自19701970年年DavidDavid等设计的膜蛋白运动等设计的膜蛋白运动实验：标记时间延长后，抗体可诱导实验：标记时间延长后，抗体可诱导抗原蛋白成斑和成帽现象抗原蛋白成斑和成帽现象,最后引起内最后引起内吞。吞。淋巴

50、细胞经淋巴细胞经专一抗体处专一抗体处理后的变化理后的变化异核体异核体 在鼠在鼠-人杂种人杂种细胞上质膜蛋白互细胞上质膜蛋白互相混合的实验表明，相混合的实验表明，最初，鼠和人的蛋最初，鼠和人的蛋白质仅局限在新形白质仅局限在新形成的异核体质膜中成的异核体质膜中各自的半边，但随各自的半边，但随着时间的推移，它着时间的推移，它们又交混在一起。们又交混在一起。H-2H-2抗原抗原HLAHLA抗原抗原4.4.影响膜蛋白运动的因素：影响膜蛋白运动的因素：膜蛋白的运动受到其所处微环境的制约。膜蛋白的运动受到其所处微环境的制约。（1 1）周围膜脂的性质和相态；）周围膜脂的性质和相态；（2 2）质膜相关结构的作用