第四章 细胞质膜与细胞表面
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第4章-细胞质膜(翟中和第四版)
6197–202.
Simons K, Ikonen E (June 1997). "Functional rafts in cell membranes". Nature,387 (6633): 569–72.
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13
脂筏结构模型
脂筏模型（lipid rafts）：脂质双分子层不是一个完全 均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区， 其中聚集一些特定的蛋白质区。 特点：这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较 少 流动性。其周围是流动性较高的液态区。 功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固 醇代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。
帽现象（capping）
Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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41
（二）膜蛋白的流动性
• 膜蛋白流动性受 多种因素限制： 如紧密连接、细 胞骨架的影响等
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42
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第4章 细胞质膜
1
细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系，细胞膜是细胞表
面的核心结构。
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2
基本概念
• 细胞质膜（plasma membrane）又称质膜，曾称 细胞膜（cell membrane)，是围绕在细胞最外层 ，由脂质、蛋白质和糖类组成的生物膜。
• 脂筏基本结构成分， 还是很多重要生物活 性分子的前体化合物
Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
第4章 质膜与细胞表面
功能：参与细胞识别、信息传递、免疫反应等。
细胞（外）被：与膜相连的糖类物质，也称为糖被。
• 膜脂
生物膜 基本骨架
磷脂 糖脂
• 膜蛋白
多种方式 与脂双层结合
胆固醇 周边蛋白质（外在蛋白质）
整合蛋白质（内在蛋白质） 糖脂—糖链与脂类结合 糖蛋白—糖链与蛋白结合
• 膜糖类
质膜外表面
质 膜 的 化 学 主 要 成 分
电镜下：两暗夹一明，两侧为蛋白质，中间为脂质。
三、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）
流动的脂质双分子层构成生物膜的连续主体，蛋
白质分子则以不同的方式和不同的深度嵌入脂双分子
层中，糖类物质糖脂和糖蛋白只附着在膜的外表面。
（1972年，Singer SJ and Nicolson G）
整合蛋白质（内在蛋白质）占70-80%
1. 整合蛋白质（integral proteins）
又称内在蛋白质、镶嵌蛋白，以不同程度嵌 入脂质双分子层的内部，是质膜功能的主要承 担者。 整合蛋白质与膜结合非常紧密，只有用去
垢剂才能从膜上洗涤下来。
细胞膜上蛋白质的结合方式
Ａ、Ｂ、Ｃ为整合蛋白质
2. 周边蛋白质 (peripheral protein)
功能：加强质膜的稳定性，调节膜的流动性。
3. 糖脂
含1个或几个糖基的脂类。总量5% 以下，也
是双性分子。
动物细胞质膜中的糖脂结构类似于鞘磷脂。以
鞘氨醇为骨架，由一个或多个糖基代替磷脂酰
胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
在神经细胞质膜上含量较高。
脑苷脂（cerebroside）是最简单的糖脂，它 与鞘磷脂的不同之处是以半乳糖或葡萄糖取 代了磷脂酰胆碱。
细胞生物学 名词解释 第四章 细胞质膜
脂锚定膜蛋白
lipid anchored protein
通过与之共价连接的脂分子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蛋白分布在质膜内测，与糖脂结合的脂锚定蛋白分布在质膜外侧，GPI脂锚定膜蛋白分布在质膜外侧。
研究膜蛋白的分析技术
低温电镜、X射线晶体衍射技术、电镜三维重构
研究膜蛋白的难处
1、表达量低
2、分离纯化困难
3、难以形成三维晶体
细胞膜流动性பைடு நூலகம்
胆固醇含量减低，脂肪酸链短，不饱和度高，相变温度低，PC/SM比例高，流动性大（胆固醇即可增强流动性，又可降低流动性），由此可得流动性与胆固醇含量、脂肪酸链长短、饱和程度、PC/SM比值有关。
研究膜蛋白流动性（侧向运动）的实验
荧光抗体免疫标记细胞融合：用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合，10min后，不同颜色的荧光开始在融合细胞的表面扩散，40min后分辨不出融合细胞表面的绿色荧光和红色荧光区域，两种荧光均匀的分布在融合细胞表面。这一实验证明膜蛋白在脂膜上的运动。
带3蛋白
band3 protein
是红细胞质膜Cl-/HCO3-阴离子运输的载体蛋白，带3蛋白的N末端伸向细胞质膜基质面折叠成不连续的水不溶性的区域，为膜支架蛋白提供结合位点，多次跨膜蛋白，内在膜蛋白
细胞质膜的功能
1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，2、选择性的物质运输，3、提供细胞识别位点，4、为多种酶提供结合位点；5、介导细胞与细胞，细胞与胞外基质之间的连接；6、质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；7、膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病有关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
lipid anchored protein
通过与之共价连接的脂分子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蛋白分布在质膜内测，与糖脂结合的脂锚定蛋白分布在质膜外侧，GPI脂锚定膜蛋白分布在质膜外侧。
研究膜蛋白的分析技术
低温电镜、X射线晶体衍射技术、电镜三维重构
研究膜蛋白的难处
1、表达量低
2、分离纯化困难
3、难以形成三维晶体
细胞膜流动性பைடு நூலகம்
胆固醇含量减低，脂肪酸链短，不饱和度高，相变温度低，PC/SM比例高，流动性大（胆固醇即可增强流动性，又可降低流动性），由此可得流动性与胆固醇含量、脂肪酸链长短、饱和程度、PC/SM比值有关。
研究膜蛋白流动性（侧向运动）的实验
荧光抗体免疫标记细胞融合：用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（绿色荧光）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合，10min后，不同颜色的荧光开始在融合细胞的表面扩散，40min后分辨不出融合细胞表面的绿色荧光和红色荧光区域，两种荧光均匀的分布在融合细胞表面。这一实验证明膜蛋白在脂膜上的运动。
带3蛋白
band3 protein
是红细胞质膜Cl-/HCO3-阴离子运输的载体蛋白，带3蛋白的N末端伸向细胞质膜基质面折叠成不连续的水不溶性的区域，为膜支架蛋白提供结合位点，多次跨膜蛋白，内在膜蛋白
细胞质膜的功能
1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，2、选择性的物质运输，3、提供细胞识别位点，4、为多种酶提供结合位点；5、介导细胞与细胞，细胞与胞外基质之间的连接；6、质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；7、膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病有关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
《细胞生物学》系列课程：第四章质膜和细胞表面一
《细胞生物学》系列课程：第四章质膜和细胞表面一《细胞生物学》系列课程第四章质膜和细胞表面一第四章质膜和细胞表面概述：质膜、内膜系统、生物膜、单位膜第一节质膜的化学成分第二节质膜的分子结构第三节质膜的特性第四节细胞表面及其特化结构第五节质膜与细胞的物质运输概述：质膜（plasmamembrane）细胞质与外界相隔开的一层界膜，又称细胞膜(cellmembrane)，厚7~10nm存在意义：屏障作用，提供稳定的内环境物质转运信号传递、细胞识别等内膜系统（Endo-membranesystem）除质膜外，真核细胞内还有一些膜结构。
概念：真核细胞内那些在结构、功能及发生上密切关联的膜性结构细胞器的总称。
生物膜（biologicalmembrane）所有膜性结构的总称20Ao35Ao20Ao单位膜（unitmembrane）——生物膜的共同形态结构特征概念：透射电镜下，生物膜呈现出“两暗夹一明”铁轨样形态，称为单位膜。
第一节质膜的化学成分脂类：50%蛋白质：40~50%糖类：1~10%不同类型生物膜三种物质的比例不同，一般，膜功能复杂，蛋白质含量高。
一、膜脂（membranelipid）概述膜脂是细胞膜的基本组成成分种类：磷脂（最多）、胆固醇和糖脂特点：兼性（双亲性、两亲性）分子存在形式：脂质双分子层功能：生物膜的基本骨架屏障作用赋予膜流动性(一)磷脂（phospholipid）——膜脂的基本成分含量最多的膜脂，约占膜脂的50%以上双亲性分子1个亲水头2个疏水尾（多为脂肪酸链）可分两大类：甘油磷脂鞘磷脂胆碱乙醇胺丝氨酸肌醇1.甘油磷脂——以甘油为骨架磷脂酰胆碱(卵磷脂)磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇极性基团磷酸甘油脂肪酸链磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）2.鞘磷脂——以鞘氨醇为骨架在神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。
1个亲水头2个疏水尾胆碱等胆碱脂肪酸脂肪酸脂肪酸烃链甘油磷脂鞘磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂鞘氨醇分子团脂质体磷脂双层磷脂分子在水溶液中的3种构型：①球形单层分子团②双分子层③脂质体抗体聚乙二醇脂溶性药物人工脂质体应用：转基因载体药物载体膜功能的研究疏水尾(二)胆固醇（cholesterol）主要存在于动物细胞膜上，原核细胞中无植物细胞中少(约占膜脂2%)含量多不超过膜脂的1/3个别达50%两亲性分子亲水头&疏水尾（胆固醇）分布：散布在磷脂分子之间功能：①维持膜的稳定性②调节膜的流动性（双向调节）甾环胆固醇对膜流动性的双向调节糖脂（三）糖脂（glycolipid）普遍存在于原核和真核细胞质膜上，约占膜脂总量的5%。
细胞生物学4章 细胞膜与表面
二、弹性蛋白（elastin） 非糖基化纤维状蛋白 高度韧性与回缩能力
三、非胶原糖蛋白 纤粘连蛋白（ＦＮ） 层粘连蛋白（ＬＮ）
Ｖ字形 十字形
四、氨基聚糖与蛋白聚糖 重复二糖单位组成氨基聚糖 氨基聚糖与核心蛋白组成蛋白聚糖
蛋 白 聚 糖
第4章:
1.细胞膜的化学组成和生物膜的特性 2.液态镶嵌模型 3.细胞的连接装置 4.细胞膜的特化结构和功能 5.细胞外基质的化学成分
第四节 细胞表面与特化
细胞表面（cell surface) 细胞表面是一个复合结构体系 细胞膜是核心 还有细胞外被、胞质溶胶、特化结构
一. 细胞外被（cell coat） 糖萼（glycocalyx) 组成寡糖链的单糖主要有7种： 半乳糖、葡萄糖、岩藻糖、甘露糖、乙酰 氨基半乳糖、乙酰氨基葡萄糖、唾液酸。
每个寡糖链不同: 1.单糖种类 2.数量 3.排列顺序 4.连接方式 5.有无分枝
细胞被的功能： 1.保护和润滑作用 2.通讯识别与黏着 3.构成细胞间连接装置 4.构成细胞膜抗原
二. 胞质溶胶（cytosol，cell sap） 细胞膜内表面0.1~0.2 μm的溶胶层 有微管、微丝等成分
三. 细胞表面的特化结构 1.微绒毛(小肠上皮细胞表面) 2.细胞膜内褶(肾小管上皮细胞基部) 3.纤毛(气管上皮细胞表面/输卵管上皮细胞) 4.鞭毛(精子的尾部)
甘油磷脂(甘油衍生物)
鞘磷脂（鞘氨醇衍生物）
神经鞘磷脂（SM）
亲水的头部（碱基、磷酸、甘油） 疏水的尾部（脂肪酸链） 既亲水又疏水的兼性分子
（二）胆固醇 极性羟基头部 非极性类固醇环 非极性碳氢链
（三）糖脂 半乳糖脑苷脂 鞘糖脂 神经节苷脂
第4章 细胞质膜
内在膜蛋白为跨膜蛋白 可分为：胞外结构域、跨膜结构域和胞质结构域
脂锚定膜蛋白的3种类型
A：脂肪酸结合到膜蛋白 N 端的甘氨酸残基上 B：烃链结合到膜蛋白 C 端的半胱氨酸残基上 C：通过糖脂锚定在细胞质膜上
去垢剂
第 一
去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子， 是 分离与研究膜蛋白的常用试剂
节
细 胞 膜 的 结 构 模 型
膜糖：糖脂、糖蛋白
细胞质膜上的膜糖都位于质膜外表面， 内膜系统中的膜糖则面向细胞器腔面！
第 一、生物膜的基本特征
二
节 膜的流动性
生 物
膜的不对称性：
膜
基 本
二、细胞膜的基本功能
特
征
与
功
能
一、膜的流动性
膜的流动性是是所有的生物膜的基本特征，是细胞 生长增殖等生命活动的必要条件
结
构
模
型
甘油磷脂
甘油磷脂的类型
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）——PE 磷酯酰丝氨酸——PS 磷脂酰胆碱（卵磷脂）——PC 磷脂酰肌醇——PI
甘油磷脂分子的主要特征
一个极性头部，两个非极性尾。心磷脂除外，有 4个非极性尾。
极性头部的大小影响脂双层的曲度 脂肪酸链碳原子数为偶数（多为16或18个碳原子） 除饱和脂肪酸外，常含有不饱和脂肪酸。
生
物 膜
• 膜骨架、鞭毛、纤毛、微绒毛和伪足等
基
本
特
征
与
功
能
膜骨架
第 二
是由质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的
节
网架结构；参与维持质膜的形状并协助质膜完
生 物
成多种生理功能。位于细胞质膜下约0.2μm厚
膜
基 的溶胶层。
脂锚定膜蛋白的3种类型
A：脂肪酸结合到膜蛋白 N 端的甘氨酸残基上 B：烃链结合到膜蛋白 C 端的半胱氨酸残基上 C：通过糖脂锚定在细胞质膜上
去垢剂
第 一
去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子， 是 分离与研究膜蛋白的常用试剂
节
细 胞 膜 的 结 构 模 型
膜糖：糖脂、糖蛋白
细胞质膜上的膜糖都位于质膜外表面， 内膜系统中的膜糖则面向细胞器腔面！
第 一、生物膜的基本特征
二
节 膜的流动性
生 物
膜的不对称性：
膜
基 本
二、细胞膜的基本功能
特
征
与
功
能
一、膜的流动性
膜的流动性是是所有的生物膜的基本特征，是细胞 生长增殖等生命活动的必要条件
结
构
模
型
甘油磷脂
甘油磷脂的类型
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）——PE 磷酯酰丝氨酸——PS 磷脂酰胆碱（卵磷脂）——PC 磷脂酰肌醇——PI
甘油磷脂分子的主要特征
一个极性头部，两个非极性尾。心磷脂除外，有 4个非极性尾。
极性头部的大小影响脂双层的曲度 脂肪酸链碳原子数为偶数（多为16或18个碳原子） 除饱和脂肪酸外，常含有不饱和脂肪酸。
生
物 膜
• 膜骨架、鞭毛、纤毛、微绒毛和伪足等
基
本
特
征
与
功
能
膜骨架
第 二
是由质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的
节
网架结构；参与维持质膜的形状并协助质膜完
生 物
成多种生理功能。位于细胞质膜下约0.2μm厚
膜
基 的溶胶层。
细胞生物学第四章 细胞质膜及其表面
① 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷 脂 ② 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS ③ 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE， 旧称脑磷脂 ④ 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI ⑤ 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧 称心磷脂
磷脂与糖脂分布的不对称性
2．复合糖 的不对称性
• 膜糖以糖 蛋白或糖脂 的形式存在， 无论是糖蛋 白还是糖脂 的糖基都是 位于膜的外 表面
膜糖分布的不对称性
3、膜蛋白的 不对称性：
每种膜蛋白分子在 细胞膜上都具有特 定的方向性和分布 的区域性。 膜蛋白的不对称性 包括外周蛋白分布 的不对称以及整合 蛋白内外两侧氨基 酸残基数目的不对 称。
①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein； ⑤,⑥ peripheral protein
膜蛋白的功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 细胞膜的结构 一、细胞膜结构的研究历史
1. E. Overton 1895 发现凡是溶 于脂肪的物质很容易透过植物的 细胞膜，而不溶于脂肪的物质不 易透过细胞膜，因此推测细胞膜 由连续的脂类物质组成。
1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）， 线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性尾部。 2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳 原子组成。 3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
1、甘油磷脂
• 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂
肪酸链，磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇 等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：
• 细胞膜、 细胞外被和表层胞质溶胶构成细胞表面。
磷脂与糖脂分布的不对称性
2．复合糖 的不对称性
• 膜糖以糖 蛋白或糖脂 的形式存在， 无论是糖蛋 白还是糖脂 的糖基都是 位于膜的外 表面
膜糖分布的不对称性
3、膜蛋白的 不对称性：
每种膜蛋白分子在 细胞膜上都具有特 定的方向性和分布 的区域性。 膜蛋白的不对称性 包括外周蛋白分布 的不对称以及整合 蛋白内外两侧氨基 酸残基数目的不对 称。
①,② integral protein； ③,④ lipid-anchored protein； ⑤,⑥ peripheral protein
膜蛋白的功能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 细胞膜的结构 一、细胞膜结构的研究历史
1. E. Overton 1895 发现凡是溶 于脂肪的物质很容易透过植物的 细胞膜，而不溶于脂肪的物质不 易透过细胞膜，因此推测细胞膜 由连续的脂类物质组成。
1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）， 线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性尾部。 2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳 原子组成。 3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
1、甘油磷脂
• 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂
肪酸链，磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇 等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：
• 细胞膜、 细胞外被和表层胞质溶胶构成细胞表面。
第四章 细胞膜与细胞表面
第一节 细胞膜与细胞表面的 特化结构
细胞膜的化学组成
细胞膜的结构模型及特点
骨架与细胞表面的特化结构 骨架 细胞表面的特化结构
细胞膜的化学组成
细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。 细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。
一、膜脂（membrane lipid） 膜脂（ ）
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 磷脂 三种类型
膜蛋白（ 二、 膜蛋白（membrane protein） ）
膜蛋白是膜功能的主要体现者， 共有50余种膜蛋白 余种膜蛋白。 膜蛋白是膜功能的主要体现者 ， 共有 余种膜蛋白 。 根据 与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同， 膜蛋白分为内 与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同 ， 膜蛋白分为 内 在蛋白（ 在蛋白（intrinsic protein）、外周蛋白（peripheral protein） ） 外周蛋白（ ） 和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。 脂锚定蛋白（ ）
（一）膜的流动性
1. 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. 影响膜脂运动的因素： 影响膜脂运动的因素： 胆固醇含量 脂肪酸链的长度及饱和度 卵磷脂/ 卵磷脂/鞘磷脂 温度、酸碱度、 温度、酸碱度、离子强度等
3．膜蛋白的运动 ．
1、膜脂的不对称性：同一脂分子在膜的脂双 膜脂的不对称性： 层中呈不均匀分布。 PC和SM主要分布 层中呈不均匀分布。如：PC和SM主要分布 分布在内小叶。 在外小叶，PE和PS分布在内小叶。 在外小叶，PE和PS分布在内小叶 2、复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布 复合糖的不对称性： 在细胞膜的外表面。 在细胞膜的外表面。 3、膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细 膜蛋白的不对称性： 胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。 胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。
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(glycophorin)
膜蛋白
锚定蛋白 ankyrin
血影蛋白——
(spectrin)
血影蛋白 spectrin 肌动蛋白 接点复合体 actin in Junctional complex
使红细胞保持双 凹盘状外形,并 耐受毛细血管挤压
RBC质膜内表面的一种膜骨架纤 维蛋白(约占膜蛋白的25％)
脂质体的应用
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质； 脂质体中裹入DNA可用于基因转移； 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
3. 膜蛋白
基本类型
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
外在膜蛋白与膜脂结合的方式 去垢剂(detergent)
基本类型
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 白质分子或脂分子极性头部非共价结合,易分离。 内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密， 需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。
第四章 细胞质膜与细胞表面
细胞质膜与细胞表面特化结构 细胞连接 细胞外被与细胞外基质
第一节
细胞质膜与细胞表面特化结构
细 胞 质 膜 (plasma membrane), 又 称 细 胞 膜 (cell membrane)。 细胞内膜(intracellular membrane); 生物 膜(biomembrane)
J.D.Robertson（1959年）：
单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）： 生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model) K.Simons et al(1997):
脂筏模型（lipid rafts model）
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
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。
生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
2. 膜脂——生物膜的基本组成成分
成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆
固醇三种类型。 膜脂的运动方式 脂质体（liposome）
膜脂成分
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具有一个极性头和两个非极性的尾(脂 肪酸链)（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶 数,多数碳链由16,18或20个组成；③饱和脂肪酸(如 软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；
去垢剂是一端亲水、另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）
SDS:
CH3-(CH2)11-OSO3-Na+
CH3 CH3 (O-CH2-CH2)10- OH
CH3 – C – CH2 – C – CH3 CH3
PC磷脂酰胆碱 PE磷脂酰乙醇胺 PS磷脂酰丝氨酸 PI磷脂酰肌醇 SPM鞘磷脂 Chol 胆固醇 Gang神经节脑苷脂
生物膜结构
磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分, 尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；
蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合 在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；
一次穿膜
多次穿膜
细菌视紫红质
内在蛋白跨膜结构域与膜脂作用方式
跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残 基，形成α螺旋，其外部疏水侧链通过范 德华力与脂双层分子脂肪酸链相互左右。 某些α螺旋具有极性侧链，又有非极性侧 链，α螺旋的外侧是非极性链而内侧是极 性链，形成特异极性分子的跨膜通道。 某些跨膜蛋白其跨膜结构域仅有10-12个氨 基酸残基，形成β折叠，反向β折叠相互 作用形成非特异性的跨膜通道。
糖脂：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； 胆固醇：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。
磷脂： 磷脂酰胆碱PC 磷脂酰乙醇胺PE 磷脂酰丝氨酸PS 磷脂酰苏氨酸PT 磷脂酰肌醇PI 双磷脂酰甘油DPG（心磷脂）
内在蛋白的跨膜结构域的构象
跨膜蛋白，有的是一次穿膜，有的是多次穿膜，其 穿膜部分的肽链大都以-螺旋构象插在脂双层内部。 也有的跨膜蛋白是以-折叠片构象穿膜，-折叠 片多次穿膜，并围成筒状结构，称为筒( barrel)， 例如孔蛋白(porin)的穿膜结构即是如此。
跨膜 -螺旋
脂 双 层
肌动蛋白 原肌球蛋白
原肌球调节 蛋白
两个血影蛋白头与头相连形成四聚体，再与肌动蛋白和原肌 球蛋白的纤维相连，肌动蛋白纤维上有多个血影蛋白的结合位点, 故可形成网络状膜骨架；带4.1蛋白和内收蛋白的存在增强了肌动 蛋白与血影蛋白的结合;该骨架通过锚定蛋白与膜上的带3蛋白结 合，从而使膜骨架联接到质膜上。
二、生物膜结构的特征
膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。 膜的不对称性
膜的流动性
膜脂的流动性 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的, 脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。 温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细 胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的 相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆 固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 膜蛋白的流动性 荧光抗体免疫标记实验。成斑现象(patching)或 成帽现象(capping)
鞘磷脂
膜脂成分1——磷脂（甘油磷脂与鞘磷脂）
糖脂 脑苷脂（半乳糖脑苷脂） 神经节脑苷脂
固醇 胆固醇 菜子甾醇 谷甾醇 豆甾醇
膜脂成分2——b糖脂、c胆固醇
不饱和脂肪酸对膜脂 组装的影响
磷脂双分子 层中胆固醇 分子的定位
膜脂的运动方式
1、沿膜平面的侧向运动（基本运动方式） 2、脂分子围绕轴心的自旋运动
与肌动蛋白纤维相连的锚定连接 黏合带(adhesion belt) ： 位于紧密连接 下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构。间 隙约15～20nm,也称带状桥粒(belt desmosome)。 黏合斑(focal adhesion) : 细胞通过肌 动蛋白纤维和整联蛋白与细胞外基质之间的连 接方式。
封闭连接(occluding junctions) 紧密连接(tight junction) 锚定连接(anchoring junctions) 桥粒（desmosome）和半桥粒（hemidesmosome）
粘着带（adhesion belt）和粘着斑（focal adhesion）
通讯连接(communicating junctions)
其它具核细胞的质膜下方也存在着类
似的网架结构，在质膜下构成了细胞质 的皮质区(cotex)。 皮质区中肌动蛋白丝含量丰富，还存 在着结构类似于血影蛋白、锚蛋白和带
4.1蛋白的蛋白质。
第二节
细胞连接
细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定连接
通讯连接
各类连胞连接的功能分类
三、细胞质膜的基本功能
为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;
选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的 排除,其中伴随着能量的传递;
提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递； 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;
为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行；
质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；
3、脂分子尾部的摆动
4、双层脂分子之间的翻转运动（一般极少， 特殊情况下如内质网膜新合成的磷脂分子发 生频率高，需特殊膜蛋白协助完成）
脂质体（liposome）
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成 稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。 脂质体的类型。
脂质体的应用
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂质体膜； (d)用于疾病治疗的脂质体的示意图
膜的流动性受多种因素影响：细胞骨架不但 影响膜蛋白的运动,也影响其周围的膜脂的流 动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜 流动性的重要因素。
光脱色恢复技术
膜的不对称性
细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性 糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功 能的结构基础 膜蛋白与糖蛋白的不对称性 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； 糖蛋白的糖残基均分布在质膜的ES面； 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在 时间与空间上有序的各种生理功能的保证。
细胞质膜的结构模型 生物膜的基本特征 细胞质膜的基本功能 膜骨架与细胞表面的特化结构
一、细胞质膜的结构模型
生物膜结构模型与生物膜的结构 膜脂——生物膜的基本组成成分 膜蛋白
1.结构模型
E.Gorter和F．Grendel（1925）: ―蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型
膜蛋白的异常与某些基本相关，很多膜蛋白可作为疾 病治疗的药物标靶。
四、膜骨架与细胞表面的特化结构
细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统) 相互联系,协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构 以完成特定的功能。 膜骨架 膜骨架的概念：指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤 维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并 协助质膜完成多种生理功能。 红细胞的生物学特性 膜骨架赋予细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强 度 红细胞质膜蛋白及膜骨架
膜蛋白
锚定蛋白 ankyrin
血影蛋白——
(spectrin)
血影蛋白 spectrin 肌动蛋白 接点复合体 actin in Junctional complex
使红细胞保持双 凹盘状外形,并 耐受毛细血管挤压
RBC质膜内表面的一种膜骨架纤 维蛋白(约占膜蛋白的25％)
脂质体的应用
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质； 脂质体中裹入DNA可用于基因转移； 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体
3. 膜蛋白
基本类型
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
外在膜蛋白与膜脂结合的方式 去垢剂(detergent)
基本类型
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 白质分子或脂分子极性头部非共价结合,易分离。 内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密， 需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。
第四章 细胞质膜与细胞表面
细胞质膜与细胞表面特化结构 细胞连接 细胞外被与细胞外基质
第一节
细胞质膜与细胞表面特化结构
细 胞 质 膜 (plasma membrane), 又 称 细 胞 膜 (cell membrane)。 细胞内膜(intracellular membrane); 生物 膜(biomembrane)
J.D.Robertson（1959年）：
单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）： 生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model) K.Simons et al(1997):
脂筏模型（lipid rafts model）
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
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。
生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
2. 膜脂——生物膜的基本组成成分
成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆
固醇三种类型。 膜脂的运动方式 脂质体（liposome）
膜脂成分
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具有一个极性头和两个非极性的尾(脂 肪酸链)（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶 数,多数碳链由16,18或20个组成；③饱和脂肪酸(如 软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；
去垢剂是一端亲水、另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）
SDS:
CH3-(CH2)11-OSO3-Na+
CH3 CH3 (O-CH2-CH2)10- OH
CH3 – C – CH2 – C – CH3 CH3
PC磷脂酰胆碱 PE磷脂酰乙醇胺 PS磷脂酰丝氨酸 PI磷脂酰肌醇 SPM鞘磷脂 Chol 胆固醇 Gang神经节脑苷脂
生物膜结构
磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分, 尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；
蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合 在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；
一次穿膜
多次穿膜
细菌视紫红质
内在蛋白跨膜结构域与膜脂作用方式
跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残 基，形成α螺旋，其外部疏水侧链通过范 德华力与脂双层分子脂肪酸链相互左右。 某些α螺旋具有极性侧链，又有非极性侧 链，α螺旋的外侧是非极性链而内侧是极 性链，形成特异极性分子的跨膜通道。 某些跨膜蛋白其跨膜结构域仅有10-12个氨 基酸残基，形成β折叠，反向β折叠相互 作用形成非特异性的跨膜通道。
糖脂：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； 胆固醇：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。
磷脂： 磷脂酰胆碱PC 磷脂酰乙醇胺PE 磷脂酰丝氨酸PS 磷脂酰苏氨酸PT 磷脂酰肌醇PI 双磷脂酰甘油DPG（心磷脂）
内在蛋白的跨膜结构域的构象
跨膜蛋白，有的是一次穿膜，有的是多次穿膜，其 穿膜部分的肽链大都以-螺旋构象插在脂双层内部。 也有的跨膜蛋白是以-折叠片构象穿膜，-折叠 片多次穿膜，并围成筒状结构，称为筒( barrel)， 例如孔蛋白(porin)的穿膜结构即是如此。
跨膜 -螺旋
脂 双 层
肌动蛋白 原肌球蛋白
原肌球调节 蛋白
两个血影蛋白头与头相连形成四聚体，再与肌动蛋白和原肌 球蛋白的纤维相连，肌动蛋白纤维上有多个血影蛋白的结合位点, 故可形成网络状膜骨架；带4.1蛋白和内收蛋白的存在增强了肌动 蛋白与血影蛋白的结合;该骨架通过锚定蛋白与膜上的带3蛋白结 合，从而使膜骨架联接到质膜上。
二、生物膜结构的特征
膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。 膜的不对称性
膜的流动性
膜脂的流动性 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的, 脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。 温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细 胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的 相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆 固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 膜蛋白的流动性 荧光抗体免疫标记实验。成斑现象(patching)或 成帽现象(capping)
鞘磷脂
膜脂成分1——磷脂（甘油磷脂与鞘磷脂）
糖脂 脑苷脂（半乳糖脑苷脂） 神经节脑苷脂
固醇 胆固醇 菜子甾醇 谷甾醇 豆甾醇
膜脂成分2——b糖脂、c胆固醇
不饱和脂肪酸对膜脂 组装的影响
磷脂双分子 层中胆固醇 分子的定位
膜脂的运动方式
1、沿膜平面的侧向运动（基本运动方式） 2、脂分子围绕轴心的自旋运动
与肌动蛋白纤维相连的锚定连接 黏合带(adhesion belt) ： 位于紧密连接 下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构。间 隙约15～20nm,也称带状桥粒(belt desmosome)。 黏合斑(focal adhesion) : 细胞通过肌 动蛋白纤维和整联蛋白与细胞外基质之间的连 接方式。
封闭连接(occluding junctions) 紧密连接(tight junction) 锚定连接(anchoring junctions) 桥粒（desmosome）和半桥粒（hemidesmosome）
粘着带（adhesion belt）和粘着斑（focal adhesion）
通讯连接(communicating junctions)
其它具核细胞的质膜下方也存在着类
似的网架结构，在质膜下构成了细胞质 的皮质区(cotex)。 皮质区中肌动蛋白丝含量丰富，还存 在着结构类似于血影蛋白、锚蛋白和带
4.1蛋白的蛋白质。
第二节
细胞连接
细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定连接
通讯连接
各类连胞连接的功能分类
三、细胞质膜的基本功能
为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;
选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的 排除,其中伴随着能量的传递;
提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递； 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;
为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行；
质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；
3、脂分子尾部的摆动
4、双层脂分子之间的翻转运动（一般极少， 特殊情况下如内质网膜新合成的磷脂分子发 生频率高，需特殊膜蛋白协助完成）
脂质体（liposome）
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成 稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。 脂质体的类型。
脂质体的应用
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂质体膜； (d)用于疾病治疗的脂质体的示意图
膜的流动性受多种因素影响：细胞骨架不但 影响膜蛋白的运动,也影响其周围的膜脂的流 动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜 流动性的重要因素。
光脱色恢复技术
膜的不对称性
细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性 糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功 能的结构基础 膜蛋白与糖蛋白的不对称性 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； 糖蛋白的糖残基均分布在质膜的ES面； 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在 时间与空间上有序的各种生理功能的保证。
细胞质膜的结构模型 生物膜的基本特征 细胞质膜的基本功能 膜骨架与细胞表面的特化结构
一、细胞质膜的结构模型
生物膜结构模型与生物膜的结构 膜脂——生物膜的基本组成成分 膜蛋白
1.结构模型
E.Gorter和F．Grendel（1925）: ―蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型
膜蛋白的异常与某些基本相关，很多膜蛋白可作为疾 病治疗的药物标靶。
四、膜骨架与细胞表面的特化结构
细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统) 相互联系,协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构 以完成特定的功能。 膜骨架 膜骨架的概念：指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤 维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并 协助质膜完成多种生理功能。 红细胞的生物学特性 膜骨架赋予细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强 度 红细胞质膜蛋白及膜骨架