武大细胞生物学笔记
第四章细胞膜和细胞表面（p73）
Plasma Membrane & its Surface Structures
本章内容提要
第一节细胞膜与细胞表面特化结构；
第二节细胞连接；
第三节细胞外被与细胞外基质。
第一节细胞膜与细胞表面特化结构
定义：（P72上）
细胞膜cell membrane（质膜，细胞质膜plasm a membrane）——围绕在细胞最外层，由脂质
和蛋白质组成的生物膜。
生物膜=质膜＋内膜系统
第一节主要内容
一、细胞膜的研究历史和结构模型（model）
二、细胞膜的化学组成（膜脂、膜蛋白）
三、细胞膜的性质（膜的流动性、不对称性）
四、细胞膜的功能
五、膜骨架与细胞表面特化结构
一、细胞膜的研究历史和结构模型
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。
2、E. Gorter 和F. Grendel（1925）用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，并将其铺展在水面，发现膜脂展开的面积是红细胞表面积的2倍，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
评价：是对膜结构的初步认识，
是人类第一次从分子水平研究细胞膜的结构。
3、三明治式质膜结构模型
J. Danielli 和H. Davson（1935）发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。1959年在上述基础上提出了“蛋白质－脂质－蛋白质”的三明治式的质膜结构模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
评价：是对膜结构的粗浅认识，但是该模型长期占理论统制地位达20年之久。
4、单位膜模型（unit membrane model）
J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。
①该模型主要强调：连续的脂双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，以β折叠形式通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。
②他还提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。
评价：①单位膜模型的主要不足在于：把膜结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾；
②不同膜的厚度的有差异的，变化范围为5～10 nm，并不都是7.5nm；
③认为蛋白质分子在脂分子表面呈伸展构型，也与蛋白质发挥其功能时的构象要求不相符。
5、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）
S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
①细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；
②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；
③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。
流动镶嵌模型要点：
①强调了膜结构的流动性。
②强调了膜结构的不对称性和不均匀性。
③膜的功能是由蛋白与蛋白、蛋白与脂质、脂质与脂质之间复杂的相互作用实现的。
评价：
①接近于现代对细胞膜结构的认识；
②忽视了蛋白质分子对脂质分子流动性的控制作用,以及其他因素对脂质分子运动的影响。
6、晶格镶嵌模型
Wallach（1975）年提出。
①生物膜含有的”流动性脂质“进行可逆地无序(流动性)到有序(晶态)的相变。
②在大多数动物细胞的膜系统中,这种“流动性脂质“呈小片的点状分布,面积小于100 nm2左右。
评价：晶格镶嵌模型在一定条件下,可能代表某些膜的真实结构,但是并不能作为一般膜的通用模型。
7、板块镶嵌模型
1977年,Jain和White提出了板块镶嵌模型。
①在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。
②膜平面实际上是由同时存在的不同组织结构和
不同性质的许多板块组成的,它的变化主要由板块内组分的构象和相互作用的特异性所决定。
③膜功能的多样性,可能与板块的性质和变化有关,这就可以解释所谓细胞内“区域化”的问题。细胞中“区域化“的特点,使细胞内各种错综复杂的生化反应能够彼此不受干扰,有条不紊地进行。
8、脂筏模型（lipid rafts model）
①脂筏是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（micro domain）——“脂筏”；大小约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（Liquidordered）；
②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。
评价：可解释生物膜的某些性质和功能，但需要更多证据。总结（一）关于几种模型
1、晶格镶嵌模型、板块镶嵌模型和脂筏模型同流动镶嵌模型相比并没有本质差别, 是对膜的流动性的分子基础作了解释,因而是对后者的补充、充实和完善。目前所流行的关于膜结构的基本观点仍然是流动镶嵌模型。
2、由于膜的结构复杂和功能多样,还存在不少问题有待解决,目前尚没有一个模型可以作为所有生物膜的通用模型。
总结（二）关于生物膜结构的认识p75
3、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膜系统的性质，以疏水性非极性尾部相对、极性头部朝向水相的磷脂双分子层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。
4、蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子中或者结合在其表面，蛋白质的类型、蛋白质的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。
5、生物膜可以看作是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。
二、细胞膜的化学组成p76
综述：质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量的糖，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现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。
（一）膜脂（membrane lipid）
分类：膜脂是生物膜的基本成分，主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
1、磷脂：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。
分类：甘油磷脂
鞘磷脂①甘油磷脂
甘油磷脂主要类型有：磷脂酰胆碱(PC)，旧称卵磷脂
磷脂酰丝氨酸(PS)
磷脂酰乙醇胺(PE), 旧称脑磷脂
磷脂酰肌醇(PI)
双磷脂酰甘油( DPG) , 旧称心磷脂
②鞘磷脂（sphingomyelin，SM）
鞘磷脂在神经系统中含量特别丰富。
以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也与含胆碱的磷酸基团结合。
原核细胞、植物中没有鞘磷脂。
③磷脂的分子结构特征
1）“一头二尾”：
心磷脂具有4个非极性尾部。
2）“偶数碳链”：脂肪酸链碳原子数量多数为16，1 8或20。
3）“不饱和”：常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
30o
2、糖脂（glycolipid）
是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高；
糖脂是鞘胺醇的衍生物，也是两性分子，是由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合；
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；
变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。
3、胆固醇（cholesterol）
是动物组织中含量最丰富的固醇类化合物，
在脑、神经组织及肾上腺中含量丰富，其次是在肝、肾、脾、皮肤和脂肪组织中。
胆固醇
分布：主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，功能：提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，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。
膜脂的运动方式（P76－77）
1、沿膜平面的侧向运动；*
2、脂分子围绕轴心的自旋运动；
3、脂分子尾部的摆动；
4、双层脂分子之间的翻转运动。
脂质体（liposome）p77
本质：是一种人工膜。
在水中，搅动磷脂形成的双层脂分子球形体，直径25~1000nm不等。
liposome
人工脂质体的用途：
1. 转基因
2. 制备的药物
3. 研究生物膜的特性
（二）膜蛋白P78
种类繁多,是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中约30%为膜蛋白。
1、分类：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，分为两类：
––膜周边蛋白（peripheral protein）
或称外在膜蛋白（extrinsic protein）
––膜内在蛋白（integral protein ）
或称整合膜蛋白
①膜周边蛋白
是水溶性蛋白，暴露在脂双层的外侧或内侧；
*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；
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。
②膜整合蛋白p78
整合蛋白多数为跨膜蛋白（tansmembrane protei