第四章细胞膜

第四章细胞膜

第一节生物膜的化学组成与结构特征 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。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（biomembrane）包括细胞内的膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cell membrane）。

一、生物膜的化学组成 （一）膜脂成分： 1、磷脂：膜脂的基本成分（50％以上） 分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征： ①具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）； ②脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16,18或20个组成； ③不饱和脂肪酸多为顺式结构；

2、胆固醇和中性脂：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。2、胆固醇和中性脂：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。胆固醇可以防止磷脂烃链的聚集，使细胞膜脂双层结构变稠、硬化，参与细胞膜流动性调节。

3、糖脂：普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；包括脑苷脂（神经隋鞘膜的重要组分）和神经节苷脂（与细胞多种功能密切相关，参与细胞与基质的连接，神经元细胞膜的重要组分，也是破伤风毒素、霍乱毒素、5-HT的受体，还与肿瘤发生、抗原调控、免疫趋避有关。3、糖脂：普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；包括脑苷脂（神经隋鞘膜的重要组分）和神经节苷脂（与细胞多种功能密切相关，参与细胞与基质的连接，神经元细胞膜的重要组分，也是破伤风毒素、霍乱毒素、5-HT的受体，还与肿瘤发生、抗原调控、免疫趋避有关。帕金森病是由于多巴胺神经元受损造成的，神经节苷脂可以通过血脑屏障嵌入受损的细胞膜上，一定程度修复受损的神经元细胞，

膜脂的功能： 1）支撑，膜脂是细胞的骨架； 2）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境； 3）是部分酶行驶功能所必需的。

（二）膜蛋白 生物膜蛋白均为球蛋白，统称膜结合蛋白，简称膜蛋白。

根据膜蛋白与膜脂的结合方式可以分为两类： 内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/integral membrane roteins)。 水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 外在(外周)膜蛋白 (extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，当改变溶液的离子强度或浓度就容易分离。

去垢剂 去垢剂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。 离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）

蛋白与膜的结合方式 ①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白

膜蛋白与膜脂的结合方式 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基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。 某些膜蛋白在细胞质基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。

（三）膜糖类 • 包括糖脂和糖蛋白，糖往往与细胞识别有关，还有细胞黏着有关，并可以保护细胞不受损伤。

二、细胞膜的分子结构模型 (一)单位膜模型 J.D.Robertson（1959年）所有生物膜结构类似,电子显微镜中观察到的”暗-明-暗”结构称为单位膜.亮带为脂双分子层,暗带为蛋白质层. 缺点:将膜设计成静态的单一结构,无法说明膜的动态结构变化。各种膜的功能和特性不同，此模型无法反映这种差异。

（二）液态镶嵌模型(流动镶嵌模型) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）目前广为接受的一种模型. 要点:细胞膜是流动的脂质双分子层中镶嵌的球形蛋白,并按二维排列方式所组成.流动的脂质双分子层构成细胞膜的连续主体,蛋白质分子则以不同方式和不同深度嵌入到磷脂双分子层中,形成外在膜蛋白和内在膜蛋白. 强调膜的流动性和膜的不对称性. 缺点:不能说明具有流动性的质膜在变化过程中如何保持膜的相对完整性和稳定性.

生物膜结构的特征 • 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中自发形成封闭的膜系统——磷脂双分子层，未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。 • 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。 • 生物膜可以看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液，具有流动性。

(三)晶格镶嵌模型 Wallach,1975 细胞膜之所以具有”流动性”,是由于脂质可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变过程,膜蛋白对脂质分子的活动具有限制作用. 膜蛋白越多,界面脂质含量越大,流动脂质相对减少,膜的流动性相对就越小.

(四)板块模型 Jain and White,1977 流动的脂质双分子层间存在许多大小不同,具有刚性,能独立移动的脂质区(有序结构板块),在上述脂质区之间又存在着流动的脂质区(无序结构板块),两者处于动态平衡状态.动态平衡状态随生理条件和环境条件的变化而发生晶态与非晶态的转变，生物膜是由不同形式的组织结构和不同性质的板块镶嵌而成的动态结构，是生物膜具有复杂的生物学功能。

（五）脂筏模型 Simons，1997 细胞质膜上存在一些特殊的畴结构微域，富含糖基鞘磷脂、胆固醇和鞘磷脂，4℃条件下不溶于Triton X-100。这些畴结构微域提供一个可以侧向移动的平台（筏），一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白则被排斥出筏。胞膜窖：一种有窖蛋白包被的特殊的脂质筏结构，通常在细胞膜上形成内陷的小窝。胞膜窖和脂质筏都是细胞膜上富含胆固醇和鞘磷脂的脂质有序结构域。

细胞膜上的受体都聚集于胞膜窖和脂质筏中，他们介导信号转导都是在此区域进行，脂质筏的细胞质侧富集大量细胞内信号分子，聚集成信号分子复合体，使受体的胞内结构域很容易与信号分子发生相互作用。细胞膜上的受体都聚集于胞膜窖和脂质筏中，他们介导信号转导都是在此区域进行，脂质筏的细胞质侧富集大量细胞内信号分子，聚集成信号分子复合体，使受体的胞内结构域很容易与信号分子发生相互作用。

三、细胞膜的基本特性 （一）流动性指膜组成分子的运动性，具体来说即膜蛋白和膜脂均可侧向运动。流动性是由于脂双分子层组分排列既是有序的又是可以流动的，是兼具两种特性的独特液晶态结构。膜的相变温度：细胞膜多呈液晶态，不断处于热运动中，当温度下降到某一临界点时，可以从半流动的液晶态转变为晶态，温度上升又可以回复到晶态。

质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。

1、膜脂的流动性 膜脂的四种运动方式：（1）沿膜平面的侧向运动（2）脂分子围绕轴心的自旋运动（3）双层脂分子之间的翻转运动：发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高（磷脂转位因子）。胆固醇的翻转也经常发生。翻转运动保证膜脂分子分布的不对称性。（4）脂分子尾部的摆动

膜脂的分子运动 1 侧向扩散运动 2 旋转运动 3 摆动运动 4 伸缩震荡运动 5 翻转运动 6 旋转异构化运动

2、膜蛋白的流动性 • 主要有侧向移动和旋转运动两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，有些细胞90%的膜蛋白是自由运动的,有些细胞只有30%自由流动,破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。 • 细胞骨架不但影响膜蛋白的运动,也影响周围膜脂的流动.膜蛋白与膜脂的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。

细胞融合技术观察蛋白质运动（荧光标记技术）细胞融合技术观察蛋白质运动（荧光标记技术）

（二）影响细胞膜流动性的因素 1、胆固醇的影响相变温度以上，增加脂质分子的有序性而限制膜的流动性；相变温度以下，阻止磷脂分子相互聚集成晶态结构，干扰脂质分子有序性的出现，防止低温时膜流动性的突然降低。

2、脂肪酸链的长短与不饱和度 短链脂肪酸链能降低脂肪酸链尾部的相互作用，在相变温度以下不易凝集；长链增加分子有序性，使流动性降低；饱和脂肪酸链直而不易弯曲，流动性低；不饱和脂肪酸的双键处易弯曲，脂肪酸链尾部不易相互靠近，增加膜的流动性。

3、环境温度 温度升高，膜的流动性增大，反之亦然。但温度若高于相变温度会使液晶态遭到破坏，许多代谢反应不能正常进行；低于相变温度，液晶态变为晶态，细胞内的许多代谢反应停止。

4、膜蛋白的影响 膜蛋白与膜脂的结合对膜的流动性有直接影响。膜蛋白嵌入到脂质双分子层的疏水区会降低膜的流动性，内在膜蛋白使周围脂质分子形成界面脂，嵌入的蛋白越多，界面脂越多，膜脂的流动性越少。

5、卵磷脂和鞘磷脂比值的影响 卵磷脂含不饱和脂肪酸的程度高，流动性强；鞘磷脂含不饱和脂肪酸程度低，流动性低，生理状态下鞘磷脂的微黏度值比卵磷脂高5-6倍。卵磷脂和鞘磷脂的比值升高，膜的流动性增强；反之则减弱。

（三）细胞膜的不对称性 细胞膜各部分的名称与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面（ES），与细胞质接触的膜面称质膜的原生质表面（PS）。冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双脂分子疏水端断裂，产生质膜的细胞外小页断裂面（EF）和原生质小页断裂面（PF）。

1、膜脂的不对称性：指磷脂双分子层两侧的膜脂在组分上是不同的，在含量和比例上也有差异。如红细胞膜中，含胆碱的磷脂主要分布于外层，含氨基的磷脂主要分布于内层。膜内外两层磷脂分子极性头部的不对称分布同时也伴随着它们尾部的差异，带负电荷的磷脂酰丝氨酸主要分布于膜内层，导致膜电位为内负外正。磷脂分布的不对称使膜蛋白只有在特定的磷脂分子环境中才表现活性。如Na+，K+ ——ATP酶在磷脂酰丝氨酸环境中表现活性；Ca2+——ATP酶在磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺中表现活性。胆固醇主要分布在膜外侧。

2、膜蛋白的不对称性 所有的膜蛋白都呈不对称分布，没有一种蛋白可既分布于膜内侧又分布于膜外侧，跨膜蛋白突出细胞膜内外表面部分程度不等，氨基酸种类顺序也不同。膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。如受体、载体蛋白等，都按一定的方向传递信号和转运物质。与细胞膜相关的酶促反应也发生在某一侧面。。膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间和空间上有序的各种生理功能的保证。

3、糖脂和糖蛋白 • 糖脂和糖蛋白的糖链都在质膜的ES面上，结构更呈现千差万别的现象，加深了细胞膜两侧不对称分布的特征，也保证了细胞膜两侧功能上的不同。

第二节物质的跨膜运输 细胞膜的功能 物质屏障与渗透作用：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;  参与转运过程：选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,其中伴随着能量的传递;  细胞识别：提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;  组织和定位：为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;  细胞连接：介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;  其他：质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

小分子的运输方式： ●被动运输（passive transport） ●主动运输（active transport）大分子和颗粒物质的运输方式： ●胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。

一、被动运输（passive transport） 特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白 类型：简单扩散（simple diffusion）、易化扩散（facilitated diffusion）

（一）简单扩散 小分子的热运动使分子以简单扩散的方式通过细胞膜上的脂双层和小孔进入细胞，分子沿着浓度降低的方向转运。疏水的小分子及小的不带电荷的极性分子扩散速率快。

（二）易化扩散 各种极性分子和无机离子顺浓度梯度或电化学梯度减小的方向的跨膜转运。在此过程中需要特异的膜蛋白“协助”物质转运来增加转运速率，转运特异性增强。特征：1、转运速率高 2、存在最大转运速率（Vmax），达到最大转运速率一半时的浓度称为KM值。 3、比较KM值，可以看出转运的特异性。 4、细胞膜上存在转运蛋白负责小分子和水溶性有机小分子的跨膜转运。

简单扩散与协助扩散的比较

膜转运蛋白 1、通道蛋白（channel proteins）通道蛋白介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成充水通道，在特异信号调控下开启或关闭，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。通道蛋白的种类：（1）水通道：通道蛋白的亲水基团位于小孔表面，小孔能持续开放，能使水和大小适宜的分子与带电荷的溶质经过小孔通过膜。（2）门通道：具有闸门作用，不是持续开放，特定刺激下才打开。

通道蛋白的特征 （1）具有离子选择性驱动力：溶质的浓度梯度；跨膜电位差（2）门控的电压门通道（voltage-gated channel）配体门通道（ligand-gated channel）压力激活通道（stress-activated channel）（3）各种门通道的开放关闭具有顺序性

2、载体蛋白——通透酶性质 载体蛋白能与所运输的物质特异性结合,通过自身构象变化运输该物质通过膜. （1）只转运一种类型的分子或离子（2）转运过程具有与酶类似的饱和动力学曲线（3）具有竞争性及非竞争性抑制剂，对pH有依赖性与酶不同的地方：（1）可以改变过程的平衡点（2）对转运的分子不作任何共价修饰

二、主动运输 • 逆浓度梯度或电化学梯度转运。 • 分三种类型： ATP直接供能 ATP间接供能---协同转运光能驱动

（一）由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵（一）由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵 • 钠钾泵的工作过程 • 钠钾泵的功能: 1、维持细胞内低钠高钾的环境； 2、维持膜电位； 3、控制细胞体积，并为细胞主动转运葡萄糖和氨基酸创造条件

第四章 细胞膜