还剩52页未读，
继续阅读
第03章 细胞质膜课件PPT
展开
这是一份第03章 细胞质膜课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了本章主要内容，第一节，单位膜模型，流动镶嵌模型，一成分，甘油磷脂，鞘糖脂，脂质双层自发封闭，第二节，膜蛋白不对称性等内容，欢迎下载使用。
细胞质膜（plasma membrane）
生物膜（bimembrane）细胞内的膜（internal membrane）系统细胞质膜（plasma membrane）
The Functins f Membranes
细胞质膜的结构模型与基本成分
细胞质膜的基本特征与功能
一、细胞质膜的结构模型
三明治模型单位膜模型流动镶嵌模型脂筏模型
历史上膜的基本成分分别是如何发现的？应用现代手段，你如何设计实验来验证？脂双分子层是如何发现的？各种组分的新陈代谢（如何合成与分解）？电镜下质膜暗-亮-暗三层结构，两侧暗层（2nm）推测是蛋白，中间暗层（3.5nm）推测是脂双分子层，为什么？每种模型对认识生物膜的贡献及其局限性？
1. 质膜由双层脂分子构成的推测
1925 年，E. Grter 和F. Grendel
Grter, E.; Grendel, F. (1925). “On Bimlecular Layers f Lipids n the Chrmcytes f the Bld”. The Jurnal f experimental medicine , 41 (4): 439–443.
2. “蛋白质－脂质－蛋白质” 三明治式结构模型
1935 年，J. Danielli & H. Davsn
Danielli, J. F.; Davsn, H. (1935). "A cntributin t the thery f permeability f thin films". Jurnal f Cellular and Cmparative Physilgy, 5 (4): 495.
1959 年，Rbertsn
图3-1 电镜超薄切片技术显示的细胞质膜结构（暗-亮-暗三条带）A. 动物细胞细胞质膜（箭头所指），中间亮带厚约3.5 nm，两侧暗带厚约2 nm。B. 细胞核膜及胞质中囊泡膜也都由单位膜组成（箭号所指）
1972年，Singer 和Niclsn
① 膜的流动性 ② 膜蛋白分布的不对称性
Singer, S. J.; Niclsn, G. L. (1972). "The fluid msaic mdel f the structure f cell membranes". Science , 175 (4023): 720–731.
图3-2 生物膜的模型A. 流动镶嵌模型示意图。B. 生物膜结构示意图
1988年，Simns胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”载着执行特定生物学功能膜蛋白
Simns K, van Meer G (August 1988). "Lipid srting in epithelial cells". Bichemistry, 27 (17): 6197–202.Simns K, Iknen E (June 1997). "Functinal rafts in cell membranes". Nature,387 (6633): 569–72.
图3-3 细胞膜的脂筏模型示意图
6. 目前对生物膜结构的认识
磷脂分子在水相中具有自发封闭的性质蛋白质分子以不同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细胞生命活动中，生物膜处于不断的动态变化中
图3-4 扫描电镜显示豚鼠耳蜗毛细胞表面的纤毛细胞质膜弯曲、延伸构成的纤毛，用以感受声音的大小与频率
图3-5 病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化电镜图片显示了凸凹不平的脂双层细胞质膜以及SbV 以出芽的方式在宿主细胞质膜上的组装和释放的过程
二、膜脂 (membrane lipid)
图3-6 膜脂的基本类型A. 甘油磷脂。 B. 鞘磷脂与糖脂。C. 胆固醇
为膜脂的基本成分，占整个膜脂的50％以上具有一个极性头和两个非极性的尾脂肪酸碳链为偶数除饱和脂肪酸外常含1-2 个双键的不饱和脂
（b）PC极性头较大，PE极性头较小，与PC相比，PE更倾向于形成曲面膜（c）PE更多地分布在脂双层曲率较大的一侧
图3-7 脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响PE 极性头较小，更多地分布在脂双层曲率较大的一侧。右侧为电镜图片，左侧为示意图
脂分子极性头对脂双层曲度的影响
为鞘氨醇的衍生物；主要在高尔基体合成分成鞘磷脂、鞘糖脂两类
非极性尾部基团（疏水）
鞘磷脂不以甘油为骨架的磷脂，以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键
图3-8 不同膜脂成分的脂双层厚度的比较A. 卵磷脂。B. 鞘磷脂。C. 卵磷脂和胆固醇。D. 鞘磷脂和胆固醇
鞘磷脂形成的脂双层厚度较甘油磷脂厚度大
两性分子，极性头部是直接共价结合到鞘氨醇上的一个糖分子或寡糖链
（a）半乳糖脑苷脂（b）神经节苷脂。Gal. 半乳糖；Glc. 葡萄糖；GalNAc. N-乙酰半乳糖胺；NANA.唾液酸
含有4个闭环的碳氢化合物，其亲水头部为一个羟基自身不能形成脂双层。只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成调节膜的流动性，增加膜稳定性及降低水溶性物质通透性脂筏基本结构成分；很多重要生物活性分子的前体动物细胞质膜中胆固醇、植物细胞质膜中豆固醇和真菌细胞质膜中麦角固醇。多数细菌细胞质膜中则不含固醇成分
3. 固醇：胆固醇及其类似物
采用薄层色谱法分离分析膜脂。薄层色谱法（TLC）是一种根据膜脂的极性程度来分离膜脂的有效方法。(a) 在涂有一薄层硅酸的玻璃薄层色谱板的小面积上点一个样品，这代表固定相。(b) TLC板被放入其中溶剂后，样品的成分被溶剂（流动相）带着向上。图示为红细胞质膜脂质，其主要成分为胆固醇、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰丝氨酸（PS）。
薄层色谱法是一种重要的脂类分析技术
沿膜平面的侧向运动脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部摆动双层脂分子之间的翻转运动
Figure 10-11b Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白；研究膜脂与膜蛋白生物学性质以及转基因、药物靶向的好材料
图3-9 脂质体由于磷脂分子之间以及磷脂分子与水的相互作用，自发地形成3 种形式的聚合体，脂的极性端向外，而非极性尾部向内的脂分子团，即微团（A）双层脂分子的球形脂质体（C）。在固体支撑物存在的情况下，也可形成平面脂双层膜（B）。D 为用于靶向药物治疗的脂质体的示意图
（三）脂质体 (lipsme)
Figure 10-8 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
三、膜蛋白(membrane prtein)
膜蛋白种类繁多；赋予生物膜重要的生物学功能
周边膜蛋白（peripheral membrane prtein） 或称外在膜蛋白（extrinsic membrane prtein）整合膜蛋白（integral membrane prtein）或称内在膜蛋白（intrinsic membrane prtein）脂锚定膜蛋白（lipid-anchred membrane prtein）
图3-10 膜蛋白的基本类型
脂锚定膜蛋白的 3 种类型
图3-11 脂锚定膜蛋白的3 种基本类型通过与膜蛋白N 端甘氨酸（Gly）结合的脂肪酸（A）或与膜蛋白C 端半胱氨酸（Cys）结合的烃链和脂肪酸（B），及通过糖脂链（C）锚定在细胞质膜上
（二）整合膜蛋白与膜脂结合的方式
整合膜蛋白为跨膜蛋白可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域
STRUCTURES OF REPRESENTATIVE INTEGRAL MEMBRANE PROTEINS
整合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相互作用（最主要和最基本的结合方式）跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基或带负电的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与带负电的磷脂极性头部相互作用某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上
图3-12 整合膜蛋白与膜脂结合方式示意图
内在膜蛋白的跨膜结构域与膜脂的结合方式
跨膜结构域形成α 螺旋跨膜结构域主要由β 折叠片组成某些α 螺旋外侧非极性链与膜脂相互作用，内侧极性链形成特异极性分子的跨膜通道
跨膜结构域之间相互作用
图3-13 功能性膜蛋白复合体的形成机制通过膜蛋白跨膜结构域相互之间的作用（A），形成了具有生物学功能的膜蛋白复合体（B）
图3-14 大肠杆菌转运甘油的水孔蛋白Glpf 的三维结构图像水孔蛋白（aquaprin）是一类具有6 个α 螺旋区的蛋白质家族，通常形成四聚体的膜蛋白以行使其转运水或甘油等分的功能。Glpf 是其中一种转运甘油的水孔蛋白
膜蛋白及其与膜脂关系的三维结构分析
跨膜蛋白既有疏水区域(跨膜区)，也有亲水区域（膜表面区），其三维结构分析主要是应用低温电镜技术和X射线晶体衍射技术
图3-15 通过对冷冻电镜的图像分析和数据处理获得的膜蛋白γ- 分泌酶复合物的三维结构（分辨率0.45 nm）
（三）去垢剂（detergent）
一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂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
图3-16 利用去垢剂萃取和研究膜蛋白
离子型去垢剂：如SDS，可破坏蛋白质中离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象非离子去垢剂：如Tritn X-100，对蛋白质作用比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化
Figure 10-31 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 10-30 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
如何分离各种类型膜蛋白？
流动性是所有生物膜的基本特征，是细胞生命活动的必要条件膜的流动状态受细胞代谢过程的调节
膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，在很大程度上是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，流动性越大温度对膜脂的运动有明显影响胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用
脂肪酸的组成对膜流动性的影响
饱和脂肪酸构成的磷脂可以紧密的结合起来
不饱和脂肪酸构成的磷脂结合的较松散
膜仅在流体状态下才能正常工作膜的流动性随温度的变化而变化，随温度的降低而降低，随温度的升高而增加流动状态——固体凝胶状态相变温度：能引起磷脂分子从液晶态(能流动具有一定形状和体积的物态)转变为凝胶状(不流动)的晶态的的温度胆固醇对细胞膜磷脂分子流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，从而降低细胞膜磷脂分子的流动性。而在相变温度以下时，胆固醇可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的细胞膜磷脂分子流动性剧烈下降
通过细胞融合证明膜蛋白的流动性
成斑现象（patching）或成帽现象（capping）
Figure 10-35 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
膜蛋白流动性的限制因素
膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加，也不需要能量输出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
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
荧光漂白恢复（FPR）技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一
荧光法测定光漂白后膜脂迁移率
膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧电镜冷冻蚀刻技术
质膜的细胞外表面（extrcytplasmic surface，ES）质膜的原生质表面（ prtplasmic surface， PS）细胞外小叶断裂面（extrcytplasmic face，EF）原生质小叶断裂面（prtplasmic face，PF）
图3-17 生物膜各膜面的名称脂双层膜的ES 与PS 面以及电镜冷冻蚀刻技术所显示的细胞断裂面：EF 与PF 面
图3-18 细胞膜系统拓扑学结构的示意图图中显示细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变
（一）细胞质膜各膜面的名称
膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布糖脂分布表现出完全不对称性：非胞质侧
图3-19 磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图SM：鞘磷脂； PC：卵磷脂； PS：磷脂酰丝氨酸；PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇； CI：胆固醇
SM: 鞘磷脂 PC: 卵磷脂 PS: 磷脂酰丝氨酸 PE: 磷脂酰乙醇胺 PI: 磷脂酰肌醇 Cl: 胆固醇
所有膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性糖蛋白的糖残基均分布在生物膜的非胞质一侧
Figure 10-27 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
图3-20 人的ABO 血型抗原寡糖链结构的比较
（三）膜蛋白的不对称性
膜由蛋白质镶嵌组成：冷冻断裂显微镜的证据
使用用来识别蛋白质的特定部分抗体检测膜蛋白在脂质中的分布方向
乳过氧化物酶，催化碘与蛋白质的共价结合
三、细胞质膜相关的膜骨架
Figure 10-42a Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能；也称基于肌动蛋白的膜骨架（actin-based membrane skeletn）哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度
Figure 10-40 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
（二）红细胞的生物学特性
红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与
图3-21 红细胞膜骨架的基本结构与成分A. 红细胞血影。B. SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳对血影成分分析。C. 血影的负染色电镜照片，显示出网状的膜骨架结构。D. 膜骨架与膜蛋白结合的示意图
（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架
peripheral membrane prteins: spectrin, ankyrin, band 4.1 prtein, integral membrane prtein: glycphrin, band 3 prteins
红细胞膜包含一个相互连接的膜相关蛋白网络
除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在与锚蛋白、血影蛋白及带4.1 蛋白类似的蛋白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构
图3-22 深度蚀刻电镜图片显示小鼠耳部外毛细胞的细胞质膜与膜骨架
血影蛋白或带3蛋白缺乏；或血影蛋白两条链异常不能形成正确的四聚体；失去双面凹盘状外形，呈球形或椭圆形，膜脆性增加变形性能下降
遗传性球形红细胞增多症 Hereditary sphercytsis
四、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提供细胞识别位点，完成信息跨膜传导为多种酶提供结合与反应位点介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间连接参与形成细胞表面特化结构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相关
细胞质膜（plasma membrane）
生物膜（bimembrane）细胞内的膜（internal membrane）系统细胞质膜（plasma membrane）
The Functins f Membranes
细胞质膜的结构模型与基本成分
细胞质膜的基本特征与功能
一、细胞质膜的结构模型
三明治模型单位膜模型流动镶嵌模型脂筏模型
历史上膜的基本成分分别是如何发现的？应用现代手段，你如何设计实验来验证？脂双分子层是如何发现的？各种组分的新陈代谢（如何合成与分解）？电镜下质膜暗-亮-暗三层结构，两侧暗层（2nm）推测是蛋白，中间暗层（3.5nm）推测是脂双分子层，为什么？每种模型对认识生物膜的贡献及其局限性？
1. 质膜由双层脂分子构成的推测
1925 年，E. Grter 和F. Grendel
Grter, E.; Grendel, F. (1925). “On Bimlecular Layers f Lipids n the Chrmcytes f the Bld”. The Jurnal f experimental medicine , 41 (4): 439–443.
2. “蛋白质－脂质－蛋白质” 三明治式结构模型
1935 年，J. Danielli & H. Davsn
Danielli, J. F.; Davsn, H. (1935). "A cntributin t the thery f permeability f thin films". Jurnal f Cellular and Cmparative Physilgy, 5 (4): 495.
1959 年，Rbertsn
图3-1 电镜超薄切片技术显示的细胞质膜结构（暗-亮-暗三条带）A. 动物细胞细胞质膜（箭头所指），中间亮带厚约3.5 nm，两侧暗带厚约2 nm。B. 细胞核膜及胞质中囊泡膜也都由单位膜组成（箭号所指）
1972年，Singer 和Niclsn
① 膜的流动性 ② 膜蛋白分布的不对称性
Singer, S. J.; Niclsn, G. L. (1972). "The fluid msaic mdel f the structure f cell membranes". Science , 175 (4023): 720–731.
图3-2 生物膜的模型A. 流动镶嵌模型示意图。B. 生物膜结构示意图
1988年，Simns胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”载着执行特定生物学功能膜蛋白
Simns K, van Meer G (August 1988). "Lipid srting in epithelial cells". Bichemistry, 27 (17): 6197–202.Simns K, Iknen E (June 1997). "Functinal rafts in cell membranes". Nature,387 (6633): 569–72.
图3-3 细胞膜的脂筏模型示意图
6. 目前对生物膜结构的认识
磷脂分子在水相中具有自发封闭的性质蛋白质分子以不同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细胞生命活动中，生物膜处于不断的动态变化中
图3-4 扫描电镜显示豚鼠耳蜗毛细胞表面的纤毛细胞质膜弯曲、延伸构成的纤毛，用以感受声音的大小与频率
图3-5 病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化电镜图片显示了凸凹不平的脂双层细胞质膜以及SbV 以出芽的方式在宿主细胞质膜上的组装和释放的过程
二、膜脂 (membrane lipid)
图3-6 膜脂的基本类型A. 甘油磷脂。 B. 鞘磷脂与糖脂。C. 胆固醇
为膜脂的基本成分，占整个膜脂的50％以上具有一个极性头和两个非极性的尾脂肪酸碳链为偶数除饱和脂肪酸外常含1-2 个双键的不饱和脂
（b）PC极性头较大，PE极性头较小，与PC相比，PE更倾向于形成曲面膜（c）PE更多地分布在脂双层曲率较大的一侧
图3-7 脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响PE 极性头较小，更多地分布在脂双层曲率较大的一侧。右侧为电镜图片，左侧为示意图
脂分子极性头对脂双层曲度的影响
为鞘氨醇的衍生物；主要在高尔基体合成分成鞘磷脂、鞘糖脂两类
非极性尾部基团（疏水）
鞘磷脂不以甘油为骨架的磷脂，以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键
图3-8 不同膜脂成分的脂双层厚度的比较A. 卵磷脂。B. 鞘磷脂。C. 卵磷脂和胆固醇。D. 鞘磷脂和胆固醇
鞘磷脂形成的脂双层厚度较甘油磷脂厚度大
两性分子，极性头部是直接共价结合到鞘氨醇上的一个糖分子或寡糖链
（a）半乳糖脑苷脂（b）神经节苷脂。Gal. 半乳糖；Glc. 葡萄糖；GalNAc. N-乙酰半乳糖胺；NANA.唾液酸
含有4个闭环的碳氢化合物，其亲水头部为一个羟基自身不能形成脂双层。只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成调节膜的流动性，增加膜稳定性及降低水溶性物质通透性脂筏基本结构成分；很多重要生物活性分子的前体动物细胞质膜中胆固醇、植物细胞质膜中豆固醇和真菌细胞质膜中麦角固醇。多数细菌细胞质膜中则不含固醇成分
3. 固醇：胆固醇及其类似物
采用薄层色谱法分离分析膜脂。薄层色谱法（TLC）是一种根据膜脂的极性程度来分离膜脂的有效方法。(a) 在涂有一薄层硅酸的玻璃薄层色谱板的小面积上点一个样品，这代表固定相。(b) TLC板被放入其中溶剂后，样品的成分被溶剂（流动相）带着向上。图示为红细胞质膜脂质，其主要成分为胆固醇、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰丝氨酸（PS）。
薄层色谱法是一种重要的脂类分析技术
沿膜平面的侧向运动脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部摆动双层脂分子之间的翻转运动
Figure 10-11b Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白；研究膜脂与膜蛋白生物学性质以及转基因、药物靶向的好材料
图3-9 脂质体由于磷脂分子之间以及磷脂分子与水的相互作用，自发地形成3 种形式的聚合体，脂的极性端向外，而非极性尾部向内的脂分子团，即微团（A）双层脂分子的球形脂质体（C）。在固体支撑物存在的情况下，也可形成平面脂双层膜（B）。D 为用于靶向药物治疗的脂质体的示意图
（三）脂质体 (lipsme)
Figure 10-8 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
三、膜蛋白(membrane prtein)
膜蛋白种类繁多；赋予生物膜重要的生物学功能
周边膜蛋白（peripheral membrane prtein） 或称外在膜蛋白（extrinsic membrane prtein）整合膜蛋白（integral membrane prtein）或称内在膜蛋白（intrinsic membrane prtein）脂锚定膜蛋白（lipid-anchred membrane prtein）
图3-10 膜蛋白的基本类型
脂锚定膜蛋白的 3 种类型
图3-11 脂锚定膜蛋白的3 种基本类型通过与膜蛋白N 端甘氨酸（Gly）结合的脂肪酸（A）或与膜蛋白C 端半胱氨酸（Cys）结合的烃链和脂肪酸（B），及通过糖脂链（C）锚定在细胞质膜上
（二）整合膜蛋白与膜脂结合的方式
整合膜蛋白为跨膜蛋白可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域
STRUCTURES OF REPRESENTATIVE INTEGRAL MEMBRANE PROTEINS
整合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相互作用（最主要和最基本的结合方式）跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基或带负电的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与带负电的磷脂极性头部相互作用某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上
图3-12 整合膜蛋白与膜脂结合方式示意图
内在膜蛋白的跨膜结构域与膜脂的结合方式
跨膜结构域形成α 螺旋跨膜结构域主要由β 折叠片组成某些α 螺旋外侧非极性链与膜脂相互作用，内侧极性链形成特异极性分子的跨膜通道
跨膜结构域之间相互作用
图3-13 功能性膜蛋白复合体的形成机制通过膜蛋白跨膜结构域相互之间的作用（A），形成了具有生物学功能的膜蛋白复合体（B）
图3-14 大肠杆菌转运甘油的水孔蛋白Glpf 的三维结构图像水孔蛋白（aquaprin）是一类具有6 个α 螺旋区的蛋白质家族，通常形成四聚体的膜蛋白以行使其转运水或甘油等分的功能。Glpf 是其中一种转运甘油的水孔蛋白
膜蛋白及其与膜脂关系的三维结构分析
跨膜蛋白既有疏水区域(跨膜区)，也有亲水区域（膜表面区），其三维结构分析主要是应用低温电镜技术和X射线晶体衍射技术
图3-15 通过对冷冻电镜的图像分析和数据处理获得的膜蛋白γ- 分泌酶复合物的三维结构（分辨率0.45 nm）
（三）去垢剂（detergent）
一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂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
图3-16 利用去垢剂萃取和研究膜蛋白
离子型去垢剂：如SDS，可破坏蛋白质中离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象非离子去垢剂：如Tritn X-100，对蛋白质作用比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化
Figure 10-31 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 10-30 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
如何分离各种类型膜蛋白？
流动性是所有生物膜的基本特征，是细胞生命活动的必要条件膜的流动状态受细胞代谢过程的调节
膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，在很大程度上是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，流动性越大温度对膜脂的运动有明显影响胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用
脂肪酸的组成对膜流动性的影响
饱和脂肪酸构成的磷脂可以紧密的结合起来
不饱和脂肪酸构成的磷脂结合的较松散
膜仅在流体状态下才能正常工作膜的流动性随温度的变化而变化，随温度的降低而降低，随温度的升高而增加流动状态——固体凝胶状态相变温度：能引起磷脂分子从液晶态(能流动具有一定形状和体积的物态)转变为凝胶状(不流动)的晶态的的温度胆固醇对细胞膜磷脂分子流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，从而降低细胞膜磷脂分子的流动性。而在相变温度以下时，胆固醇可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的细胞膜磷脂分子流动性剧烈下降
通过细胞融合证明膜蛋白的流动性
成斑现象（patching）或成帽现象（capping）
Figure 10-35 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
膜蛋白流动性的限制因素
膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的参加，也不需要能量输出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
（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测
荧光漂白恢复（FPR）技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一
荧光法测定光漂白后膜脂迁移率
膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧电镜冷冻蚀刻技术
质膜的细胞外表面（extrcytplasmic surface，ES）质膜的原生质表面（ prtplasmic surface， PS）细胞外小叶断裂面（extrcytplasmic face，EF）原生质小叶断裂面（prtplasmic face，PF）
图3-17 生物膜各膜面的名称脂双层膜的ES 与PS 面以及电镜冷冻蚀刻技术所显示的细胞断裂面：EF 与PF 面
图3-18 细胞膜系统拓扑学结构的示意图图中显示细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变
（一）细胞质膜各膜面的名称
膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布糖脂分布表现出完全不对称性：非胞质侧
图3-19 磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图SM：鞘磷脂； PC：卵磷脂； PS：磷脂酰丝氨酸；PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇； CI：胆固醇
SM: 鞘磷脂 PC: 卵磷脂 PS: 磷脂酰丝氨酸 PE: 磷脂酰乙醇胺 PI: 磷脂酰肌醇 Cl: 胆固醇
所有膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性糖蛋白的糖残基均分布在生物膜的非胞质一侧
Figure 10-27 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
图3-20 人的ABO 血型抗原寡糖链结构的比较
（三）膜蛋白的不对称性
膜由蛋白质镶嵌组成：冷冻断裂显微镜的证据
使用用来识别蛋白质的特定部分抗体检测膜蛋白在脂质中的分布方向
乳过氧化物酶，催化碘与蛋白质的共价结合
三、细胞质膜相关的膜骨架
Figure 10-42a Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能；也称基于肌动蛋白的膜骨架（actin-based membrane skeletn）哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度
Figure 10-40 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
（二）红细胞的生物学特性
红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与
图3-21 红细胞膜骨架的基本结构与成分A. 红细胞血影。B. SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳对血影成分分析。C. 血影的负染色电镜照片，显示出网状的膜骨架结构。D. 膜骨架与膜蛋白结合的示意图
（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架
peripheral membrane prteins: spectrin, ankyrin, band 4.1 prtein, integral membrane prtein: glycphrin, band 3 prteins
红细胞膜包含一个相互连接的膜相关蛋白网络
除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在与锚蛋白、血影蛋白及带4.1 蛋白类似的蛋白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构
图3-22 深度蚀刻电镜图片显示小鼠耳部外毛细胞的细胞质膜与膜骨架
血影蛋白或带3蛋白缺乏；或血影蛋白两条链异常不能形成正确的四聚体；失去双面凹盘状外形，呈球形或椭圆形，膜脆性增加变形性能下降
遗传性球形红细胞增多症 Hereditary sphercytsis
四、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提供细胞识别位点，完成信息跨膜传导为多种酶提供结合与反应位点介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间连接参与形成细胞表面特化结构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相关
相关课件
苏教版2024届高考生物一轮复习细胞质膜具有选择透过性课件： 这是一份苏教版2024届高考生物一轮复习细胞质膜具有选择透过性课件，共60页。PPT课件主要包含了课时精练等内容，欢迎下载使用。
苏教版2024届高考生物一轮复习细胞质膜将细胞与外界环境分开课件： 这是一份苏教版2024届高考生物一轮复习细胞质膜将细胞与外界环境分开课件，共60页。PPT课件主要包含了蛋白质，不同动物的红细胞比较，胆固醇，类和数量，磷脂双分子层，流动性，糖蛋白，糖类分子，选择透过性，载体的种类和数量等内容，欢迎下载使用。
高中苏教版 (2019)第三节 物质进出细胞的运输方式授课课件ppt： 这是一份高中苏教版 (2019)第三节 物质进出细胞的运输方式授课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了细胞质膜，液泡膜，细胞质，半透膜，选择性，细胞液，外界溶液，原生质层，选择透过性，渗透压差等内容，欢迎下载使用。
