細胞生物學教程 第四章+質膜及其表面結構ppt課件

1、PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES本章內容提要本章內容提要第一節(jié) 質膜的化學組成一、膜脂二、膜蛋白第二節(jié) 質膜的構造一、質膜構造的研討歷史二、質膜的流動鑲嵌模型三、細胞膜的功能第三節(jié) 細胞外表的分化一、細胞外被二、膜骨架三、質膜的特化構造 質膜質膜plasma membrane包在細胞外面所以又稱細胞包在細胞外面所以又稱細胞膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內膜。膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內膜。 質膜和內膜在來源、構造和化學組成的等方面具有類似性，質膜和內膜在來源、構造和化學組成的等方面具有類似性，故總稱為生物膜故總稱為生物膜biomemb

2、rane。生物膜是細胞進展。生物膜是細胞進展生命活動的重要物質根底。生命活動的重要物質根底。 質膜外表寡糖鏈構成細胞外被質膜外表寡糖鏈構成細胞外被cell coat或糖萼或糖萼glycocalyx。 質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網絡構造，質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網絡構造，除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以這部分細胞骨架又稱為膜骨架。這部分細胞骨架又稱為膜骨架。 細胞外被、質膜和表層胞質溶膠構成細胞外表。細胞外被、質膜和表層胞質溶膠構成細胞外表。第一節(jié) 質膜的化學組成 質膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還

3、有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的方式存在。膜脂是膜的根本骨架，膜蛋白是膜功能的主要表達者。動物細胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。一、磷脂是構成膜脂的根本成分，約占整個膜脂的50以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個極性頭和兩個非極性的尾脂肪酸鏈，線粒體內膜上的心磷脂具有4個非極性部分。脂肪酸碳鏈為偶數，多數碳鏈由16，18或20個碳原子組成。常含有不飽和脂肪酸如油酸。Phospholipids1、甘油磷脂、甘油磷脂以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團銜接到脂分子上。主要類型有：磷脂酰膽

4、堿phosphatidylcholine，PC，舊稱卵磷脂磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，舊稱腦磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，舊稱心磷脂Phospholipids in plasmamembranesOPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2

5、R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCO COR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPIDiphosphatidylglycerolOCHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR32、鞘磷脂、鞘磷脂 鞘磷脂sphingomyelin，SM在腦和神經細胞膜中特別豐富。以鞘胺醇sphingoine為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。原核細胞、植物中沒有鞘磷脂。二、糖脂二、糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5以下，在神經細胞膜上糖脂含量較高，約占5-10。糖脂也是兩性

6、分子，其構造與SM很類似，只是由一個或多個糖殘基替代了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；變化最多、最復雜的糖脂是神經節(jié)苷脂，其頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。神經節(jié)苷脂是神經元質膜中具有特征性的成分。 glycolipidsGlycolipids 三、膽固醇三、膽固醇 主要存在真核細胞膜上，含量普通不超越膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學穩(wěn)定性，調理雙脂層流動性，降低水溶性物質的通透性。在短少膽固醇培育基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發(fā)生自溶。 四、脂質體四、脂質體liposome 是一種人工膜。 在水中，攪

7、動后磷脂構成雙層脂分子的球形脂質體，直徑251000nm不等。 人工脂質體可用于： 轉基因 制備的藥物 研討生物膜的特性二、膜蛋白 是膜功能的主要表達者。據估計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。根據膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為： 整合蛋白integral protein 外周蛋白peripheral protein 脂錨定蛋白lipid-anchored protein。 整合蛋白為跨膜蛋白tansmembrane proteins，是兩性分子。與膜的結合非常嚴密，只需用去垢劑才干從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。H3C(CH2)11OS

8、O3Na+H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10OHSDSTriton-X100 整合蛋白的跨膜構造域可以是1至多個疏水的螺旋，構成親水通道的整合蛋白跨膜區(qū)域有兩種組成方式，一是由多個兩性螺旋組成親水通道；而是由兩性折疊組成親水通道。 外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜外表的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合，因此只需改動溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分別下來，有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是由于一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的那么結合在膜的外部。 脂錨定蛋白lipid-anchored protein可以分為兩類： 糖磷脂酰肌醇(gl

9、ycophosphatidylinositol，GPI)銜接的蛋白，GPI位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C能識別含肌醇的磷脂處置細胞，能釋放出結合的蛋白。許多細胞外表的受體、酶、細胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類蛋白。 另一類脂錨定蛋白與插入質膜內小葉的長碳氫鏈結合。 , integral protein；, peripheral protein；, lipid-anchored protein第二節(jié) 質膜的構造一、質膜構造的研討歷史E. Overton 1895 發(fā)現凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由延續(xù)的脂類物質組成。E.

10、Gorter & F. Grendel 1925 用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞外表積，因此推測細胞膜由雙層脂分子組成。3、J. Danielli & H. Davson 1935 發(fā)現質膜的外表張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質。1959年在上述根底上提出了修正模型，以為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質經過。 4、J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術獲得了明晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層構造，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外外表各厚約2nm的蛋白質構成，總厚約7.5nm。5、S. J.

11、 Singer & G. Nicolson 1972根據免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研討結果，提出了“流動鑲嵌模型。 二、質膜的流動鑲嵌模型二、質膜的流動鑲嵌模型根據Fluid-mosaic model：細胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質或嵌在雙脂層外表，或嵌在其內部，或橫跨整個雙脂層，表現出分布的不對稱性。一、質膜的流動性一、質膜的流動性由膜脂和蛋白質的分子運動兩個方面組成。1、膜脂分子的運動側向分散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進展快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進展左右

12、擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進展伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉。2、影響膜脂流動性的要素 膽固醇：膽固醇的含量添加會降低膜的流動性。 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性添加。 脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高那么膜流動性添加，是由于鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 其他要素：溫度、酸堿度、離子強度等。3、膜蛋白的分子運動 主要有側向分散和旋轉分散兩種運動方式。可用光脫色恢復技術和細胞交融技術檢測側向分散。膜蛋白的側向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素B

13、能促進膜蛋白的側向運動。 4、膜流動性的生理意義 質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停頓，反之假設流動性過高，又會呵斥膜的溶解。利用細胞交融技術察看蛋白質運動 二、膜的不對稱性二、膜的不對稱性 質膜內外兩層的組分和功能的差別，稱為膜的不對稱性。 樣品經冰凍斷裂處置后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外外表extrocytoplasmic surface；EF，細胞外小頁斷面extrocytoplasmic face；PS，原生質外表protoplasmic surface；PF，原生質小頁斷面protoplasmic

14、 face 。 EFPF小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻 1、膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均、膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：勻分布，如：PC和和SM主要分布在外小葉，主要分布在外小葉，PE和和PS分分布在內小葉。用磷脂酶處置完好的人類紅細胞，布在內小葉。用磷脂酶處置完好的人類紅細胞，80%的的PC降解，降解，PE和和PS分別只需分別只需20%和和10%的被降解。的被降解。 膜脂的不對稱性還表如今膜外表具有膽固醇和鞘磷脂等膜脂的不對稱性還表如今膜外表具有膽固醇和鞘磷脂等構成的微構造域構成的微構造域脂筏。脂筏。 2復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布

15、于細胞膜復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外外表。的外外表。 3、膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細胞膜上都、膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有極性，細胞色素具有極性，細胞色素C位于線粒體內膜位于線粒體內膜M側。側。三脂筏lipid raft 是富含膽固醇和鞘磷脂的微構造域microdomain。 約70nm左右，是一種動態(tài)構造，位于質膜的外小頁。 介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體Liquid-ordered。 在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜

16、detergent-resistant membranes，DRMs。 就像一個蛋白質?？康钠脚_，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有親密的關系。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 trigger

17、ed in different way.三、細胞膜的功能三、細胞膜的功能為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境；選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產物的排出；提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳送；為多種酶提供結合位點，使酶促反響高效而有序地進展；介導細胞與細胞、細胞與基質之間的銜接；參與構成具有不同功能的細胞外表特化構造。第三節(jié) 細胞外表的分化 細胞外表的特化構造如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細胞的變形足等等，分別與細胞形狀的維持、細胞運動、細胞的物質交換等功能有關。一、細胞外被 動物細胞外表的一層富含糖類物質的構造，稱為細胞外被或糖萼。用重金屬染料,如釕紅染色后，在電鏡下可

18、顯示厚約1020nm的構造，邊境不甚明確。 作用：維護，細胞通訊，并與細胞外表的抗原性有關。 紅細胞質膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈構造根本一樣，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血那么短少這兩種糖基。Simplified diagram of the cell coat (glycocalyx) 二、膜骨架二、膜骨架 膜骨架是質膜下纖維蛋白組成的網架構造；位于細胞質膜下約0.2m厚的溶膠層。 作用：維持質膜的外形并協(xié)助質膜完成多種生理功能。 成熟的哺乳動物血紅細胞沒有核和內膜系統(tǒng)，是研討膜骨架的理想資料。 紅細胞經低滲處置，細胞破

19、裂釋放出內容物，留下一個堅持原形的空殼，稱為血影ghost。經SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由構造類似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連構成四聚體。錨蛋白ankyrin：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質部相連，將血影蛋白網絡銜接到質膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，經過交換Cl，使HCO 3 進入紅細胞。為二聚體，每個單體含929個氨基酸，跨膜12次。血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個氨基酸， N端在膜外側，結合16條寡糖鏈；C-端在胞質面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關，其功能尚不明確。紅細胞膜骨架的構成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋

20、白纖維約1315單體相連，構成血影蛋白網絡。經過兩個錨定點固定在質膜下方：經過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結；經過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細胞質膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地經過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。三、質膜的特化構造 質膜常帶有許多特化的附屬構造。如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛等等，這些特化構造在細胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其構造細微，多數只能在電鏡下察看到。一、微絨毛一、微絨毛microvilli 是細胞外表伸出的細長突起，廣泛存在于動物細胞外表。 直徑約為0.1m。內芯由肌動蛋白絲束組成。 肌動蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白villin和絲束蛋白fimbrin組成的橫橋相