第四章第四章: : 细胞质膜细胞质膜I. I. 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型II. II. 生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能 III. III. 膜骨架膜骨架 1. 1. 1 1 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型A. A. 生物膜的结构模型生物膜的结构模型 三明治式结构模型三明治式结构模型 单位膜模型（单位膜模型（19591959年）年） 流动镶嵌模型（流动镶嵌模型（19721972年）（要点：年）（要点： 流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白 质的极性。质的极性。 液晶态模型液晶态模型 板块镶嵌模型板块镶嵌模型 脂筏模型脂筏模型B B 生物膜结构的基本特点生物膜结构的基本特点A. A. 基本化学组成：膜脂、膜蛋白、膜糖。基本化学组成：膜脂、膜蛋白、膜糖。 B.B.基本结构成分基本结构成分: : 磷脂分子形成以疏水性非极性尾部相对，极性头部磷脂分子形成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。朝向水相的磷脂双分子层。 C. C. 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，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， 蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜 具有各自的特性与功能。具有各自的特性与功能。 D. D. 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。主要包括主要包括: : 磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（ 动物细胞）动物细胞）A. A. 膜脂膜脂1.2 1.2 膜的化学组成膜的化学组成1.2 1.2 膜的化学组成与基本功能膜的化学组成与基本功能磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%50%以上。以上。磷脂磷脂磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%50%以上。以上。有一个极性头和两个非极性尾有一个极性头和两个非极性尾 脂肪酸碳链为偶数脂肪酸碳链为偶数 不饱和脂肪酸多为顺式不饱和脂肪酸多为顺式磷脂磷脂磷脂分子自发的形成圆形双层膜结构磷脂分子自发的形成圆形双层膜结构胆固醇胆固醇: :在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性方面起重要作用。物质的通透性方面起重要作用。脂筏：脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的动态微结构域。由于鞘磷脂质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的动态微结构域。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。脂筏就像一个蛋白质停泊的平构致密，介于无序液体与液晶之间。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。台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。主要包括主要包括: : 磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（ 动物细胞）动物细胞）糖脂：不同细胞中的含量和种类不同，均具有重要的生物糖脂：不同细胞中的含量和种类不同，均具有重要的生物 学功能。学功能。A. 膜脂膜脂的基本功能：膜脂的基本功能： 构成细胞膜的基本骨架。构成细胞膜的基本骨架。 为某些膜蛋白维持其特定的构象、表现活性提供环境。为某些膜蛋白维持其特定的构象、表现活性提供环境。1.2 1.2 膜的化学组成与基本功能膜的化学组成与基本功能B. 膜蛋白 有有5050余种，在不同细胞中的含量差别较大，余种，在不同细胞中的含量差别较大，25-75%25-75%。 根据基本功能可分为：通道蛋白、连接蛋白、受体蛋白、膜根据基本功能可分为：通道蛋白、连接蛋白、受体蛋白、膜 蛋白酶蛋白酶膜蛋白分类：膜蛋白分类： 膜蛋白可通过各种形式与脂双层交联。膜蛋白可通过各种形式与脂双层交联。蛋白质与脂双层交联的方式反映其功能。蛋白质与脂双层交联的方式反映其功能。根据在膜中的位置不同，大致可分为根据在膜中的位置不同，大致可分为 三类。三类。 外周外周( (外在外在) )蛋白：蛋白：为水溶性，靠离为水溶性，靠离子键或其他弱相互作用与膜表面的子键或其他弱相互作用与膜表面的 蛋白或脂分子结合。通过改变溶液蛋白或脂分子结合。通过改变溶液 的离子强度甚至提高温度即可从膜的离子强度甚至提高温度即可从膜 上分离，而膜结构不被破坏。上分离，而膜结构不被破坏。 整合整合( (内在内在) )蛋白：蛋白：与膜结合非常紧与膜结合非常紧密，只有用除垢剂使膜崩解后才能密，只有用除垢剂使膜崩解后才能 分离出来，占绝大多数。分离出来，占绝大多数。 脂锚定蛋白：脂锚定蛋白：通过与之共价相连的通过与之共价相连的 脂分子插入膜脂双分子层，从而锚脂分子插入膜脂双分子层，从而锚定在质膜上。定在质膜上。大多数膜内在蛋白的跨膜结构域含有大多数膜内在蛋白的跨膜结构域含有2020个左右的疏水氨基酸残基，形个左右的疏水氨基酸残基，形 成成 螺旋螺旋。跨膜结构域两端携带。跨膜结构域两端携带+e+e的氨基酸残基与磷脂分子带的氨基酸残基与磷脂分子带-e-e的极性的极性头形成离子键，或带头形成离子键，或带-e-e的氨基酸残基通过离子与带的氨基酸残基通过离子与带+e+e的磷脂极性头相的磷脂极性头相互作用。互作用。Bacteriorhodopsin consists largely of membrane- spanning a helices 内在膜蛋白与膜脂结合的方式内在膜蛋白与膜脂结合的方式 The transmembrane helices in multipass membrane proteins occupy specific positions in the folded protein structure that are determined by interactions between the neighboring helices. These interactions are crucial for the structure and function of the many channels and transporters that move molecules across lipid bilayers. Converting a single-chain multipass protein into a two-chain multipass protein. barrel Another structural motif common in membrane proteins跨膜结构域一般仅有跨膜结构域一般仅有10-1210-12个氨基酸残基。个氨基酸残基。大量存在于线粒体、叶绿体和细菌的外膜，但也仅只是在这些部位比大量存在于线粒体、叶绿体和细菌的外膜，但也仅只是在这些部位比 较多。较多。 一些是成孔蛋白，选择性转运通过小的亲水分子或离子。一些是成孔蛋白，选择性转运通过小的亲水分子或离子。 一些是非孔蛋白，为受体或酶。一些是非孔蛋白，为受体或酶。single-pass transmembrane proteinsA transmembrane protein always has a unique orientation in the membrane. This reflects both the asymmetric manner in which it is inserted into the lipid bilayer in the ER during its biosynthesis and the different functions of its cytosolic and noncytosolic domains. These domains are separated by the membrane-spanning segments of the polypeptide chain.Membrane Proteins Often Function as Large ComplexesThe three-dimensional structure of the photosynthetic reaction center of the bacterium Rhodopseudomonas viridis.去垢剂去垢剂Solubilizing membrane proteins with a mild detergent. The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes. The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent. The use of mild detergents for solubilizing, purifying, and reconstituting functional membrane protein systems. 为膜蛋白功能检测提供为膜蛋白功能检测提供 了方法。了方法。C. C. 膜碳水化合物（占膜重量的膜碳水化合物（占膜重量的2-10%2-10%） 共价连接于外膜的膜脂共价连接于外膜的膜脂 和膜蛋白和膜蛋白. . 功能：功能：细胞与细胞的相互细胞与细胞的相互作用、特别是细胞识别、物作用、特别是细胞识别、物 质交换、接触抑制、信号转质交换、接触抑制、信号转 导、还有保护作用。导、还有保护作用。 糖蛋白糖蛋白通过短的支链碳通过短的支链碳水化合物部分与其他细胞和水化合物部分与其他细胞和 胞外结构发生相互作用胞外结构发生相互作用. . 糖脂糖脂含有较大的碳水化合物链，含有较大的碳水化合物链，不同细胞中所含糖脂的种类不同，动物细不同细胞中所含糖脂的种类不同，动物细胞中的糖脂都是鞘氨醇的衍生物，含有一个或多个糖残基。胞中的糖脂都是鞘氨醇的衍生物，含有一个或多个糖残基。1.3 膜的流动性A. A. 膜脂的流动性膜脂的流动性B. B. 膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性 沿膜平面的侧向运动沿膜平面的侧向运动 (107 times per second) 脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子围绕轴心的自旋运动 脂分子尾部的摆动脂分子尾部的摆动 双层脂分子之间的翻转运动双层脂分子之间的翻转运动 ( (less than once a month for any individual molecule) 膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，主要取决于脂分子本身的组成及温度膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，主要取决于脂分子本身的组成及温度 。膜脂是二维流体，膜脂是二维流体，流动性使膜具有融合、形成网络结构和分离电荷的能力。流动性使膜具有融合、形成网络结构和分离电荷的能力。 主要运动方式：主要运动方式：A. A. 膜脂的流动性膜脂的流动性影响膜流动性的因素影响膜流动性的因素: : 脂肪酸的长度；脂肪酸的长度； 脂肪酸的不饱和程度脂肪酸的不饱和程度( (顺式双键增加磷脂双层膜的流动性顺式双键增加磷脂双层膜的流动性 使其难于凝固使其难于凝固) )； 温度；温度； 胆固醇的含量胆固醇的含量微生物和动物细胞会在不同生长情况下不断调节其脂质组成以微生物和动物细胞会在不同生长情况下不断调节其脂质