细胞质膜及其表面结构.ppt

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1、第四章 质膜及细胞表面Plasmalemma and Cell Surface,细胞质膜（plasma membrane）亦称细胞膜（cell membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。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。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜（internal membrane）。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。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、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。,质膜厚度：6-

2、10nm.基本结构:脂质双分子层，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 coat）或糖萼（glycocalyx）；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。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 质膜的化学组成第二节 生物膜的结构 第三节 细胞表面的分化,第一节 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

3、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）。,极性头部基团,非极性尾部基团,脂肪酸,胆碱,磷酸,甘油,脂肪酸链,A.磷脂酰基胆碱中磷脂分子示意图；B:结构式;C:空间模型,顺式双键,顺式双键,1、甘油磷脂: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、乙醇胺、丝

4、氨酸、肌醇等连接到脂分子上。,主要类型有：磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）；磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。,2、鞘磷脂（sphingomyelin，SM）脑和神经细胞膜中极丰富，亦称神经醇磷脂。以鞘胺醇（sphingoine）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结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。,（二）、糖脂,含糖而不含磷

5、酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，占膜脂总量5以下。神经细胞膜上含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子。其结构与SM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。最简单：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；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（Tay-sachs disease）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GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2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

6、毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。,葡糖脑苷脂,一些糖脂的结构 1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸,（三）、胆固醇,仅存在真核细胞膜上，不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。（如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。）,（四）、脂质体（liposome）,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25-1000nm不等。用途：转基因，或制备药物。利用脂质体可以和

7、细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。,1.2 膜蛋白,生物膜所含的蛋白，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）。,整合蛋白可能全为跨膜蛋

8、白（tansmembrane 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（detergent）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的螺旋。形成亲水通道的整合蛋白跨膜区有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成；二是由两性折叠组成。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。有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一

9、个蛋白质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。,脂锚定蛋白：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。可分两类:一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（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、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC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，如三聚体GTP结合调节蛋白（t

10、rimeric GTP-binding regulatory protein）的 和亚基。,膜蛋白与膜脂的结合方式:六种,1.单一的-螺旋跨膜，只穿膜一次，N端和C端分别在膜的两侧。2.-螺旋链多次跨膜，多肽链的N端和C端分别在膜的两侧。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单层膜内。4.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。5、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白上。,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，是分离与研

11、究膜蛋白常用的试剂。它不仅使膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其与膜分离，还能破坏蛋白内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象。常用：SDS（离子型）和Triton X-100（非离子型），其中SDS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。,去污剂胶团,水溶性蛋白-脂质-去污剂复合体 可溶性脂质去污剂混合胶粒,用去污剂溶解膜蛋白。去污剂破坏脂双层，把蛋白质溶于溶液中，形成蛋白质-脂质-去污剂复合物。膜上的磷脂也被去污剂溶解。,去污剂单体,Review:去垢剂（detergent）,去垢剂(表面活性剂)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

12、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。A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PEG200；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；聚氧乙烯烷基苯酚醚，如Igepal CO、乳化剂OP、Triton、Pluronic(用作消泡剂、润湿剂、增溶剂)、泡敌。中性去垢剂作用后可通过Sephadex LH-50柱除去；也可直接上DEAE-Sephadex柱层析分离目的蛋白，不必先除去去垢剂。B阴离子去垢剂 常见的有十二烷基硫酸钠和十

13、二烷基璜酸钠。前者可促进核蛋白的溶解，将核酸释放出来，并对核酸酶有一定抑制作用，常用于核酸的提取。C阳离子去垢剂 如洁尔灭、新洁尔灭、CTAB、CPC、ZEPH、克菌定、消毒净（TMPB）、杜灭芬等，消毒灭菌类居多。,D天然表面活性剂 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、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（如环糊精）等。E两性表面活性剂 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破坏蛋白质的次级键，如氢键、盐键和疏水

14、力，引起天然构象的解体；它们并不破坏共价键，如肽键和二硫键，故不涉及一级结构的改变。变性剂有溶解型和沉淀型两类，SDS、尿素和胍盐是有效的溶解型变性剂，而三氯乙酸、甲醇、和氯仿/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脂类、蛋白质和少量的糖类，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？关系到膜的分子结构问题，历史上曾经提出很多模型。主要有片层结构模型、单位膜模型、流动镶嵌模型和脂筏模型。,2.1 质膜的结构模型(一)片层结构模型认为细胞有质膜的存在经历了很长的历程。最早的工作是质膜通透性的研究。1895年，E.Overton发现凡是溶于脂肪的物质

15、很容易穿过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质则不容易穿过膜。因此推测，细胞膜是由一层脂类物质所组成。,1917年，Langmuir设计出了膜平衡技术（film balance)。,根据所投入的脂分子数，即可计算出单个脂分子所占的面积（如一个硬脂酸分子所占面积约为0.2nm2)。用这种方法也可测定单脂分子层的厚度，硬脂酸的厚度约为2.5nm。当把玻片插入浮有单层脂分子的水中时，玻片表面可吸附上单层脂分子膜。,从真核细胞分离纯净的质膜很困难，主要受内膜的污染。红细胞没有细胞内膜结构和细胞核。经低渗处理后，造成溶血现象，血红蛋白和无机盐等被溶出细胞外，剩下的空壳称为血影。把血影的脂类物质抽提出来，在水

16、面上铺成单分子层。1925年，荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞膜的膜脂成分并测定膜脂单层分子在水面的铺展面积，发现它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。,球形蛋白磷脂双分子层球形蛋白,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。这一模型影响达20年之久。,1935年，J.Daniell&H.Davson：发现质膜的表面张力比油-水界面的表面张力低得多。已知脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力降低。推测：质膜中含有蛋白质成分。从测定膜的表面

17、张力得出细胞膜的“三明治结构”，即蛋白质脂质蛋白质。,(二)单位膜模型,1959年，J.D.Robertson用超薄切片技术和电镜观察了各种膜后发现膜呈“暗-明-暗”三层式结构。内外两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。这些蛋白质以单层肽链折叠形式存在，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上的共性，即生物膜都以“两暗一明”的形式存在，故生物膜也被称为单位膜。,不足：（1）单位膜为一静态单一的结构,无法说明膜的动态结构的变化;（2）无法显示各种膜的功能的不同;（3）各种不同细胞和

18、同一细胞中的不同部分膜的厚度实际上并不都是7.5nm。60年代以后，应用一系列新技术，证明膜中的蛋白质和脂类分子主要以疏水键相结合。电镜冰冻蚀刻技术：脂类双分子层中心部分有蛋白质颗粒分布。红外光谱分析：膜蛋白不是折叠结构而是-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。,(三）流动镶嵌模型1972年S.J.Singer&G.Nicolson 提出流动镶嵌模型。把生物膜看成是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的液态体，膜中脂双层构成膜的连续主体，既具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，呈液晶态。该模型强调：(1)膜的流动性，即蛋白质和膜脂均可侧向运动；（2）膜内蛋白和脂类分子

19、分布的不对称。使膜分子聚在一起主要是蛋白-蛋白、蛋白-脂类、脂类和脂类通过疏水和亲水的两种非共价键的相互作用。如果相互作用达到最大时，在最小自由能情况下就能维持膜结构的稳定。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：1.只在膜的外表面有糖脂、糖蛋白等；2.脂双层的内、外两层脂类分子也是不对称的。,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，膜蛋白分布的不对称性。有的

20、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。,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，特别是以动态的观点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性的不均匀性。改进：强调生物膜的膜脂处于无序（流动性）和有序（晶态）之间动态转变的“液晶态模型”；强调生物膜是由具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成的“板块镶嵌模型”等。支持完善了这个模型。,1997年，Kai Simons首次提出，越来越多的试验证实其存在及其重

21、要性。脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，70nm左右，动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。在低温下（4）这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白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，肌营养不良症，阿尔茨海默症，HIV，朊病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。,(四）脂筏模型（lipid raft）,脂筏是膜脂双层内

22、含有特殊脂质和蛋白质的微区，富含鞘磷脂，鞘糖脂，胆固醇，GPI-锚固蛋白，Src-kinase等。不仅存在于质膜上，而且还存在于高尔基体膜上。鞘磷脂和鞘糖脂（如神经节苷脂类）的饱和脂肪链紧密聚集，饱和脂肪链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。不饱和脂肪链围绕在筏区的周围，形成非筏区，主要成分是卵磷脂，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸等，也含有胆固醇。,因为鞘脂含有长链饱和脂肪链，Tm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0.4-1nm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

23、，脂筏的组成还是不清楚的。,含有两种蛋白质的脂筏模型。液态有序相中的脂（红色），液晶相中的脂（蓝色），胆固醇（桔红色）。,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和的甘油脂。,GPI-锚固蛋白耦联于质膜外层的脂筏，Src-kinase耦联于质膜内层的脂筏。,src Kinase,Src Kinase Inhibitor 4-(4-Phenoxyanilino)-6,7-dimethoxyquinazoline,Studying Tyrosine Kinase Src and Cancer Drug Discovery,GPI-锚固

24、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

25、、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。,质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两方面组成。1.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、差示扫描量热术等来测量各脂

26、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，有以下运动方式：,2.2 质膜的流动性,侧向扩散 旋转运动 摆动运动 伸缩震荡 翻转运动 旋转异构,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1-2s。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：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：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着纵轴进行伸缩震荡运动。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，对维持膜的不对称性很重要。很少发生，两周内不多于一次。旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋

27、转，导致异构化运动。,2.影响膜流动的因素 主要因素来自膜本身的组成成分、遗传因子及环境的理化因素（温度、pH、离子强度、药物）。,(1)胆固醇的影响;(2)不饱和链的含量和长度;(3)卵磷脂与鞘磷脂的比值;(4)其他因素,3.膜蛋白的流动膜蛋白的运动方式 膜蛋白在一定条件下，可发生位置上的变动，主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）和细胞融合技术检测侧向扩散（平面移动）。证明膜蛋白在平面移动的直接证据来自1970年David等设计的膜蛋白运动实验：标记时间延长后，抗体可诱导抗原

28、蛋白成斑和成帽现象,最后引起内吞。,淋巴细胞经专一抗体处理后的变化,异核体,在鼠-人杂种细胞上质膜蛋白互相混合的实验表明，最初，鼠和人的蛋白质仅局限在新形成的异核体质膜中各自的半边，但随着时间的推移，它们又交混在一起。,H-2抗原,HLA抗原,4.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。（1）周围膜脂的性质和相态；（2）质膜相关结构的作用；（3）细胞骨架的作用。等如在极性细胞中还被某些特殊的结构（如紧密连接）限定在细胞表面的某个区域。,复合连接体,锚定蛋白,血影糖蛋白,内收蛋白,血影蛋白二聚体,原肌球蛋白,一种蛋白的移动可影响其他蛋白也跟着移动，这是因为在质膜表面和细胞质中的

29、细胞骨架相联系，这些微管和微丝的活动对质膜以及膜中蛋白的移动有一定影响。,精子的头、颈、尾蛋白不能相互流动,5.膜流动性的生理意义,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。,2.3 膜的不对称性,质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方

30、向等。1.膜脂的不对称性同一种膜脂在脂质双分子层上分布是不对称的。但不是绝对的，仅在含量和比例上有差异。,含胆碱的磷脂多分布在外层；胆固醇的分布集中于细胞膜的外层，糖脂也存在于外层。含氨基的磷脂多分布在内层；带有负电荷的磷脂酰丝氨酸位于内层，其结果是两个单层间有明显的电荷差。,糖脂,磷脂酰胆碱和鞘磷脂,磷脂酰乙醇胺和 磷脂酰丝氨酸,由于膜上磷脂更新率很高，这种不对称性的维持与磷脂的合成、交换、转移和降解都有密切关系。脂质双层不对称性的生理意义目前还不大清楚，但它可以使膜的两层流动性有所不同，有助于维持膜蛋白的极向。保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆

31、固醇和鞘磷脂等形成的微结构域脂筏。,2.膜蛋白的不对称性每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。如细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的方向传递信号和转运物质。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。用冰冻蚀刻技术得到生物膜的两个剖面，清楚看到，膜蛋白分布有明显差异。与细胞膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白，其糖残基均分布在质膜的细胞外表面（ES面）。而起骨架作用的蛋白分布在原生质的表面（PS面），如血影蛋白。,样品经冰冻断裂处理后，

32、细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称：ES（extrocytopasmic surface），质膜的细胞外表面；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PS（protoplasmic surface），质膜的原生质表面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。,3.复合糖的不对称性膜糖脂是组成膜结构的成分，主要与膜脂、膜蛋白以共价键形成膜糖脂和膜糖蛋白，分布在膜的表面，仅三个糖基连在一起就能形成1000多种不同的糖。膜蛋白结合的糖类主要有：中性糖（D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖）氨基糖（D-半乳糖胺、D-葡萄

33、糖胺以及氨基糖等）。特点：所有的糖类都在细胞的外面，真核细胞表面上的静电荷主要是由膜糖脂造成的。无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。,整合膜蛋白,外周蛋白,细胞骨架纤维,糖 糖蛋白 糖脂,胆固醇,2.4 细胞质膜的功能 生物膜的结构模型与生物学特征也基本适于细胞质膜，但要指出的是，细胞质膜作为细胞内外边界，其结构上更为复杂,功能更为多样。为细胞的生命活动提供相对稳定的环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出，其中伴随着能量的传递；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信号跨膜转导；为多种酶提供结合位点，使酶促反应

34、高效而有序进行；介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。膜蛋白的异常表达与某些遗传病、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病相关。很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。,第三节 细胞表面的分化,细胞表面不是平整的，有许多特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,3.1 细胞外被,动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。用重金属染料如钌红染色后，在电镜下可显示厚约10-20nm的结构，边界不甚明确。细胞外被是由构成质膜的糖蛋

35、白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分。,糖链构成的细胞外被,细胞外被的作用,1、保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜。2、细胞识别：细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。(物以类聚),1955年，Townes和Holtfreter把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自

36、行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。,3、决定血型：血型实质：不同红细胞表面抗原差别所形成的。人有20几种血型，最基本的血型是AB0血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；AB型两种糖基都有，O型血则缺少这两种糖基。,4.具有酶活性,细胞外被中有的糖蛋白具有酶活性。如小肠上皮细胞的游离端，表面

37、上的糖萼即与消化有关。有的糖蛋白是消化酶，有的则为整合蛋白。有的酶为受体蛋白，在细胞信号转导中发挥重要作用。,3.2 膜骨架,质膜下约0.2m厚的溶胶层，与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构(meshwork)，参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料（血影）。此系统赋予红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。还存在其他膜骨架结构，但体系复杂。,糖萼与微绒毛,（一）微绒毛（microvilli,）细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径,约为0.1m。长度则因

38、细胞种类和生理状况不同而有所不同。小肠上皮细胞刷状缘中的微绒毛，长度约为0.6-0.8m。,3.3 质膜的特化结构如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等。在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。,微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛侧面质膜有侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。微绒毛扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境物质交换。如小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，有利于大量吸收营养。另外，还有类似于微绒毛的细长结构，称微棘(microspikes)，特

39、长的则称为丝足(filopodia)。,不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。,（二）皱褶（ruffle）:细胞表面一种扁形突起，或称片足（lamllipodia）。宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1m，高达几微米。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。是细胞的吞饮装置。,巨噬细胞表面的皱褶,（三）内褶（infolding）：质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。（四）圆泡（bleb）：细胞表面突起的泡状物，总处于发生和消退的动态变化之中，多出现在有丝分裂的晚期和G1期，功能不清楚。,（五）纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）：细胞表面伸出的条状运动装置。二者均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。,思考题,膜的流动镶嵌模型是怎样形成的？它在膜生物学研究中有何意义？何谓细胞外被？它有哪些功能？,