【细胞生物学】03 细胞质膜_思维导图模板

细胞质膜

细胞质膜的结构模型与基本成分

细胞质膜的结构模型

模型类型

蛋白质-脂质-蛋白质模型

1925

膜脂单层分子在水面的铺展面积是红细胞表面积的2倍

质膜的表面张力比油-水界面的表面张力低得多

脂滴表面如吸附有蛋白质成分则表面张力降低

单位膜模型

1959

所有的生物膜都由单位膜构成

电镜的超薄切片显示出暗-亮-暗三条带

质膜中的蛋白质是可流动的

流动镶嵌模型

1972

奠定了生物膜的结构与特征的基础

强调内容

膜的流动性

膜蛋白和膜脂均可侧向运动

膜蛋白分布的不对称性

蛋白质与脂双层的交互

疏水相互作用

电荷相互作用

脂质分子运动的4个维度

侧向扩散

疏水尾部震荡

旋转

内外翻转

极少

脂筏模型

1988

在甘油磷脂为主体的生物模上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的之相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白

脂筏最初可能在高尔基体上形成，最终转移到细胞质膜上

有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架交联

对生物膜结构的认识

具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质

每层磷脂分子称为一层小叶

磷脂分子是组成生物膜的基本结构成分

尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白质

脂筏中存在某些有助于脂筏结构相对稳定的功能蛋白

蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面

生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液

在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸以及非脂双层状态等改变，处于不断的动态变化中

质膜的组成

膜脂

甘油磷脂

鞘脂（含糖脂）

固醇

膜蛋白

外在蛋白

脂锚定蛋白

内在蛋白

一定由内质网上的核糖体合成

由细胞质中游离核糖体合成

膜脂

成分

甘油磷脂

膜脂的基本成分

膜脂的50%以上

3-磷酸甘油的衍生物

包括

磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC）

PC脂双层厚度

3.5nm

补充：常见脂双层厚度

4-6nm

磷脂酰丝氨酸（PS）

磷脂酰乙醇胺（PE）

磷脂酰肌醇（PI）

合成场所

主要在内质网

主要特征

具有一根与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾

存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂除外（4个尾）

极性头的空间占位可影响脂双层的曲度

相比PC，PE更倾向于形成曲面膜

除饱和脂肪酸外，常含有1-2个双键的不饱和脂肪酸，多为顺式

鞘脂

鞘氨醇的衍生物

合成场所

主要在高尔基体

鞘磷脂（SM）

脂双层厚度

4.6-5.6nm

结构

基于磷酸基团的极性头部

一条烃链

一条与鞘氨醇的氨基共价结合的长链脂肪酸

丰度最高的鞘磷脂

神经鞘磷脂

头部是与鞘氨醇分子末端的羟基共价结合的磷酸胆碱

与甘油磷脂统称磷脂

糖脂（鞘糖脂）

结构

极性头部为共价结合到鞘氨醇上的一个单糖分子或寡糖链

含量

不足膜脂总量的5%

神经细胞质膜上占5-10%

种类

40余种

不同细胞种所含糖脂种类不同

不属于磷脂类

意义

胞间粘附

胞间识别

固醇（甾醇）

胆固醇及其类似物

结构

含有4个闭环的碳氢化合物

亲水头部为一根羟基

分子刚性很强

自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间

分布

动物细胞和极少数原核细胞中

哺乳动物质膜中尤为丰富

含量

一般不超过膜脂的1/3

50-90%的胆固醇存在于细胞质膜和相关的囊泡膜上

合成场所

动物细胞的胞质和内质网

动物体内胆固醇多数来自于食物

意义

生物膜的主要结构成分

调节膜的流动性

增加膜的稳定性

降低水溶性物质的通透性

增加甘油磷脂分子的有序性及其厚度

对鞘磷脂没有影响

脂筏的基本结构成分

缺乏胆固醇

细胞生长、分裂、分化的抑制

很多重要的生物活性分子的前体化合物

固醇类激素

维生素D

胆酸

可以与发育调控的重要信号分子Hedgehog共价结合

动物外

植物

豆固醇等植物固醇

固醇含量达膜脂总量的30-50%

真菌

麦角固醇

多数细菌质膜不含胆固醇

但含甘油脂等中性脂质

甘油糖脂

二酰甘油分子的羟基与糖基的糖苷键连接而成

大量存在于植物和多数微生物的质膜

对动物只存在于精子等少数细胞的质膜

膜脂的运动方式

运动类型

沿膜平面的侧向运动

是膜脂分子的基本运动方式

围绕轴心的自旋运动

尾部的摆动

双层脂分子间的翻转运动

极少发生

常借助翻转酶进行

影响运动的因素

脂分子的类型

脂分子同膜蛋白及膜两侧的生物大分子之间的相互作用

温度

脂质体

定义

根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜

酯酶体

在脂质体上引入目标蛋白

膜蛋白

定义与特点

定义

位于脂双层之中或表面的蛋白质总称

特点

占核基因编码蛋白质的约30%

赋予生物膜非常重要的生物学功能

很多膜蛋白高度糖基化

增加刚性、水溶性

原核表达系统无法精确糖基化

膜蛋白的类型

周边膜蛋白（外在膜蛋白）

水溶性蛋白质

不直接与脂双层的疏水核心接触

靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合

改变溶液的离子强度或温度就能分离，而不破坏膜结构

整合膜蛋白（内在膜蛋白）

与膜结合较紧密

使用去垢剂处理使膜崩解后才可分离

占膜蛋白的70-80%

占人类基因编码蛋白质的约1/4-1/3

脂锚定膜蛋白

通过与之共价结合的脂分子插入膜的脂双分子中

水溶性的蛋白质部分位于脂双层外

类型

脂肪酸（豆蔻酸或软脂酸等）结合到膜蛋白N端的Gly残基上

由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白C端的Cys残基上

有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他Cys残基上

双锚定膜蛋白

有助于蛋白质更牢固地与膜脂结合

通过糖脂锚定在细胞质膜上

不同细胞，糖脂结构有很大不同，但都有磷脂酰肌醇（PI）基团

称为磷脂酰肌醇糖脂（GPI）锚定方式

寡糖链末端的磷酸己醇胺与蛋白质共价连接

分布在质膜外侧

都分布在细胞质一侧

整合膜蛋白与膜脂结合的方式

整合膜蛋白均为跨膜蛋白

结构

胞质外结构域

跨膜结构域

胞质内结构域

与膜结合的方式

跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用

整合膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本的结合方式

脂筏上的整合膜蛋白跨膜结构域较长

因为脂筏较厚

跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+，Mg2+等阳离子与磷脂头部相互作用

某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的Cys残基共价结合到脂肪酸分子上

脂肪酸分子插入脂双层中进一步加强结合

跨膜结构域的作用方式

通过α螺旋

单次跨膜蛋白

跨膜结构域含20个左右的疏水AA，形成α螺旋（长度约3nm）

外侧疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链（约3.2nm）相连

多次跨膜蛋白

含几个跨膜的α螺旋区

eg. 一个典型的7次跨膜的蛋白

G蛋白偶联受体

α螺旋可与膜面垂直，也可呈一定角度

通过β折叠

跨膜结构域主要由β折叠片组成

一般由10-12个AA组成

常见于孔蛋白

通常具有疏水性的外侧和亲水性的内侧

通过α螺旋的特殊情况

某些α螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链

多个α螺旋形成特异极分子的跨膜通道

外侧是非极性链，内侧是极性链

α螺旋上携带电荷

多个α螺旋通过电荷的互补组装形成多聚体

影响跨膜蛋白与膜脂相互作用的因素

跨膜结构域本身的区别

跨膜结构域的轴向与膜脂平面的角度不同

跨膜结构域之间相互作用

膜脂的种类

膜脂与膜蛋白的作用方式

去垢剂

定义

一端亲水，一端疏水的两性小分子

分离与研究膜蛋白的常用试剂

功能

可以插入膜脂，与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒

微团临界浓度（CMC）

去垢剂在水中形成微团的最小浓度

去垢剂的重要参数

作用浓度高于CMC或低于时，其作用方式和膜蛋白的分离效果均有所不同

分类

离子型去垢剂

典型

SDS（十二烷基硫酸钠）

可使细胞膜崩解

与膜蛋白疏水部分结合并使其与膜分离

高浓度时

破坏蛋白质中的离子键和氢键，改变蛋白质亲水部分的构象

作用较剧烈，易使膜蛋白变性

非离子型去垢剂

典型

Triton X-100

纯化时，特别是为了获得有生物活性的膜蛋白时常用

应用

膜蛋白的分离和纯化

除去细胞的膜系统

以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究

细胞质膜的基本特征与功能

膜的流动性

基础知识

所有生物膜的基本特征之一

细胞生长、增殖等生命活动的必要条件

动力学基础

在脂膜二维空间上的热运动

膜脂的流动性

定义

主要指脂分子的侧向运动

很大程度上是由脂分子本身的性质决定的

影响流动性的因素

脂肪酸链越短

脂肪酸链不饱和程度越高

磷脂/鞘磷脂比例越小

极性头部电荷及大小

温度

相变温度

低于相变温度

膜脂的流动性会骤然降低

膜脂的相变温度是由组成生物膜的各种脂分子的相变温度决定的

鞘脂的相变温度一般高于磷脂

动物细胞中的胆固醇

既有与磷脂疏水尾部结合使其更为有序、相互作用增强及限制其运动的作用

也有将磷脂分子隔开使其更易流动的功能

通常是起到防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态

最终效应取决于胆固醇在脂膜中的相对含量以及两种作用的综合效果

膜脂的流动性越大

组成成分对流动性的影响

鞘脂或卵磷脂组成的脂双层膜

流动性小一些

磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸组成的脂膜

流动性大一些

膜蛋白的流动性

影响流动性的因素

温度

抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径无影响

膜蛋白与膜脂的相互作用

膜蛋白的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加，不需要能量输入

特殊情况

极性细胞中

质膜蛋白被某些特殊的结构限定在细胞表面的某个区域

如草履虫

原因之一

膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合

用阻断微丝形成的药物（细胞松弛素B）处理后，膜蛋白流动性大大增加

细胞骨架不仅影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动

膜脂和膜蛋白运动速率的检测

荧光漂白恢复（FPR）

膜的不对称性

基础知识

糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧

细胞质膜各膜面的名称

细胞外表面（ES）

与细胞外环境接触的膜面

这一层脂分子和膜蛋白称

细胞膜的外小叶

包括内质网腔、高尔基体腔、囊泡腔侧

原生质表面（PS）

与细胞质基质接触的膜面

这一层脂分子和膜蛋白称

细胞膜的内小叶

包括内质网细胞质基质侧、高尔基体细胞质基质侧、囊泡细胞质基质侧

包括储存脂肪的脂滴的单层磷脂分子

储存脂肪在内质网膜的内外小叶之间合成

以出芽的方式披上内质网膜的内小叶，形成游离的脂滴

膜周围有多种膜蛋白，包括与脂代谢相关的酶类

冷冻电镜蚀刻技术

膜结构从双层脂分子疏水端断裂

细胞外小叶断裂面（EF）

原生质小叶断裂面（ES）

膜脂的不对称性

定义

同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布

典型例子

人红细胞质膜

鞘磷脂（SM）和卵磷脂（PC）

多分布在质膜外小叶

磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰丝氨酸（PS）

多分布在质膜内小叶

胆固醇

一般较均匀

糖脂

完全不对称性

都在ES面

影响质膜的曲度

不对称分布的原因

尚不完全清楚

部分解释

与其合成的部位有关

与膜蛋白的不对称分布有关

不对称分布的生物学意义

尚不完全清楚

典型例子

磷酸化的磷脂酰肌醇

头部都面向细胞质一侧

G蛋白偶联的信号转导的必要条件

磷脂酰丝氨酸（PS）主要分布在质膜的内小叶中

血小板的质膜上

受到血浆中某些因子的刺激后

快速翻转到外小叶上，活化参与凝血的酶类

细胞濒临死亡时

难以维持脂不对称的生理状态

质膜外小叶的PS含量明显增加

研究细胞凋亡过程的检测指标之一

膜蛋白的不对称性

定义

每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性

典型例子

糖蛋白

糖残基均分布在ES面

不会像膜脂发生翻转运动

细胞质膜相关的膜骨架

膜骨架

定义与特性

细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构

从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能

多与肌动蛋白相关联

红细胞的生物学特性

没有细胞核和内膜系统

红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高的强度

很大程度上是由膜骨架赋予的

血影

红细胞低渗处理

质膜破裂

释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白

红细胞仍然保持原来的基本形状和大小

高速离心

获得白色的红细胞膜

红细胞质膜蛋白及膜骨架

红细胞膜蛋白

血影蛋白（红膜肽）

由α链和β链组成一个二聚体

长100nm，直径5nm

两个二聚体头部相连形成一个四聚体

可在体外溶液中自组装

游离端连接肌动蛋白纤维

肌动蛋白

带4.1蛋白

和内收蛋白共同加强了肌动蛋白和血影蛋白的结合力

锚蛋白

连接膜骨架和细胞膜

两个功能性结构域

紧密且特异性地与血影蛋白β链上的一个位点相连的结构域

与带3蛋白中伸向细胞质面的一个位点紧密结合的结构域

带3蛋白

Cl-/HCO3-阴离子运输的载体蛋白

由两个相同的多肽链组成二聚体

跨膜14次

N端伸向细胞质基质面折叠成不连续的疏水区域，为膜骨架蛋白提供结合位点

血型糖蛋白

带4.2蛋白

周边膜蛋白

维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用

膜整合蛋白

在维持血影乃至细胞形态上并不起决定性作用

膜骨架蛋白

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

选择性地运输物质

伴随着能量物质的传递

提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导

病毒等病原微生物识别和侵染的位点也在质膜上

为多种酶提供结合位点

介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接

质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构

膜蛋白的异常与某些疾病相关

很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标

【细胞生物学】03 细胞质膜

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