质膜及其表面结构
PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES
本章内容提要
第一节 质膜的化学组成
一、膜脂
二、膜蛋白
第二节 质膜的结构
一、质膜结构的研究历史
二、质膜的流动镶嵌模型
三、细胞膜的功能
第三节 细胞表面的分化
一、细胞外被
二、膜骨架
三、质膜的特化结构
质膜（plasma membrane）又称细胞膜。
内膜：形成各种细胞器的膜。
生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。
细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。
膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。
细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。
第一节 质膜的化学组成
主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。
膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。
动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。
一、膜脂
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。
（一）磷脂
约占膜脂的50％以上。主要特征：
一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。
脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。
常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
Phospholipids
1、甘油磷脂
以甘油为骨架，主要有：
磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）
磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS
磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）
磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI
双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG（心磷脂）
Phospholipids in Plasma Membrane
Diphosphatidylglycerol
2、鞘磷脂
鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。
（二）糖脂
约占5％以下，神经细胞膜含量高，约占5-10％。
两性分子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。
糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元之膜中的特征性成分。
glycolipids
Glycolipids
（三）胆固醇
存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。
功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。
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）
是一种人工膜。在水中搅动后形成
双层或单层脂分子球体，直径25~1000nm。
人工脂质体可用于：
转基因
制备的药物
研究生物膜的特性
二、膜蛋白
占核基因组编码蛋白质的30%。
根据与脂分子的结合方式分为：
整合蛋白（integral protein）
外周蛋白（peripheral protein）
脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
整合蛋白为跨膜蛋白（transmembrane proteins），两性分子。跨膜结构域为1至多个疏水的α螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。
离子型去垢剂SDS
非离子型去垢剂Triton-X100
外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。
一个蛋白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。
脂锚定蛋白分为两类：
糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和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。
①,② integral protein；
③,④ lipid-anchored protein ；
⑤,⑥ peripheral protein
第二节 质膜的结构
一、质膜结构的研究历史
E. Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。
E. Gorter 等 1925 推测细胞膜由双层脂分子组成。
3、J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。
4、JD. Robertson 1957根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm。
5、Singer 和Nicolson 1972 根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
Fluid-mosaic model
二、质膜的流动镶嵌模型
细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。
磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；
蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。
（一）质膜的流动性
膜脂和蛋白质的分子运动组成。
1、膜脂分子的运动
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、影响膜脂流动性的因素
胆固醇
脂肪酸链的饱和度
脂肪酸链的链长
卵磷脂/鞘磷脂
其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。
3、膜蛋白的分子运动
侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。
检测：光脱色恢复技术和细胞融合技术。
4、膜流动性的生理意义
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。
利用细胞融合技术观察蛋白质运动
（二）膜的不对称性
膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。
样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：ES，细胞外表面；EF细胞外小页断裂面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。
兔红细胞的冰冻断裂电镜照片
1．膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。
2．复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。
3．膜蛋白的不对称性：如细胞色素C位于线粒体内膜M侧。
（三）脂筏lipid raft
是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。
约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。
介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。
在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（DRMs）。
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。
Mosaic domain model of the plasma membrane
Mechanisms 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.
三、细胞膜的功能
保护；
运输；
通信；
提供酶结合位点；
介导细胞连接；
形成细胞表面的特化结构。
第三节 细胞表面的分化
包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等结构。
一、细胞外被
动物细胞表面富含糖类的结构，也称为糖萼。用钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。
作用：保护、通信、并与细胞表面抗原性有关。
红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，但末端糖基不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；O型血则缺少这两种糖基。
Simplified diagram of the cell coat (glycocalyx)
二、膜骨架
质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约0.2μm厚的溶胶层。
主要作用：维持质膜的形态。
模式材料：红细胞，经低渗处理破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。
经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：
血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。
锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。
带三蛋白：阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO 3 －进入红细胞。为二聚体，每个单体跨膜12次。
血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，功能尚不明确，与MN血型有关，与带4.1蛋白相连。
红细胞膜骨架的构成：
血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：
通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；
通过锚蛋白与带3蛋白相连。
这一骨架系统赋与了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。
三、质膜的特化结构
如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛，结构细微，只能在电镜下观察到。
（一）微绒毛microvilli
是细胞表面伸出的细长突起，直径约为0.1μm 。
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。
微绒毛处质膜有myosin I 构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连。
作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。
小鼠小肠上皮细胞的冰冻断裂电镜照片
M为线粒体，MV为微绒毛
SEM image of alveolar (Lung) macrophage attacking E. coli. (Show ruffle on the cell surface)
（二）皱褶（ruffle）
细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia ）。巨噬细胞表面的皱褶与吞噬颗粒物质有关。
Infolding
（三）内褶
内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。
（四） 纤毛和鞭毛
是细胞表面的运动装置，结构相似。都来源于中心粒，其详细结构和功能可参见细胞骨架一章。
cilia & flagella
Human sperm
THE END