細(xì)胞生物學(xué)教程 第四章+質(zhì)膜及其表面結(jié)構(gòu)ppt課件

1、PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要第一節(jié) 質(zhì)膜的化學(xué)組成一、膜脂二、膜蛋白第二節(jié) 質(zhì)膜的構(gòu)造一、質(zhì)膜構(gòu)造的研討歷史二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型三、細(xì)胞膜的功能第三節(jié) 細(xì)胞外表的分化一、細(xì)胞外被二、膜骨架三、質(zhì)膜的特化構(gòu)造 質(zhì)膜質(zhì)膜plasma membrane包在細(xì)胞外面所以又稱細(xì)胞包在細(xì)胞外面所以又稱細(xì)胞膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。 質(zhì)膜和內(nèi)膜在來源、構(gòu)造和化學(xué)組成的等方面具有類似性，質(zhì)膜和內(nèi)膜在來源、構(gòu)造和化學(xué)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(xì)胞進(jìn)展。生物膜是細(xì)胞進(jìn)展生命活動(dòng)的重要物質(zhì)根底。生命活動(dòng)的重要物質(zhì)根底。 質(zhì)膜外表寡糖鏈構(gòu)成細(xì)胞外被質(zhì)膜外表寡糖鏈構(gòu)成細(xì)胞外被cell coat或糖萼或糖萼glycocalyx。 質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，除對(duì)質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以除對(duì)質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以這部分細(xì)胞骨架又稱為膜骨架。這部分細(xì)胞骨架又稱為膜骨架。 細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞外表。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞外表。第一節(jié) 質(zhì)膜的化學(xué)組成 質(zhì)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(dá)者。動(dòng)物細(xì)胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質(zhì)。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(gòu)成膜脂的根本成分，約占整個(gè)膜脂的50以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾脂肪酸鏈，線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個(gè)非極性部分。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個(gè)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(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈一個(gè)磷酸基團(tuán)，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團(tuán)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(jīng)細(xì)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(jié)合。原核細(xì)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(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10。糖脂也是兩性

6、分子，其構(gòu)造與SM很類似，只是由一個(gè)或多個(gè)糖殘基替代了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。最簡(jiǎn)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(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其頭部包含一個(gè)或幾個(gè)唾液酸和糖的殘基。神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元質(zhì)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(xì)胞膜上，含量普通不超越膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)理雙脂層流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)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(xì)胞株很快發(fā)生自溶。 四、脂質(zhì)體四、脂質(zhì)體liposome 是一種人工膜。 在水中，攪

7、動(dòng)后磷脂構(gòu)成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑251000nm不等。 人工脂質(zhì)體可用于： 轉(zhuǎn)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(dá)者。據(jù)估計(jì)核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)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(jié)合非常嚴(yán)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(gòu)造域可以是1至多個(gè)疏水的螺旋，構(gòu)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(gè)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(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此只需改動(dòng)溶液的離子強(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分別下來，有時(shí)很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是由于一個(gè)蛋白質(zhì)可以由多個(gè)亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的那么結(jié)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(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C能識(shí)別含肌醇的磷脂處置細(xì)胞，能釋放出結(jié)合的蛋白。許多細(xì)胞外表的受體、酶、細(xì)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(zhì)膜內(nèi)小葉的長(zhǎng)碳?xì)滏溄Y(jié)合。 , integral protein；, peripheral protein；, lipid-anchored protein第二節(jié) 質(zhì)膜的構(gòu)造一、質(zhì)膜構(gòu)造的研討歷史E. Overton 1895 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，因此推測(cè)細(xì)胞膜由延續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.

10、Gorter & F. Grendel 1925 用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞外表積，因此推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。3、J. Danielli & H. Davson 1935 發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的外表張力比油水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)。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(zhì)通道，供親水物質(zhì)經(jīng)過。 4、J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術(shù)獲得了明晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層構(gòu)造，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外外表各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。5、S. J.

11、 Singer & G. Nicolson 1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研討結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型。 二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型根據(jù)Fluid-mosaic model：細(xì)胞膜由流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層外表，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性。一、質(zhì)膜的流動(dòng)性一、質(zhì)膜的流動(dòng)性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面組成。1、膜脂分子的運(yùn)動(dòng)側(cè)向分散運(yùn)動(dòng)：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)展快速旋轉(zhuǎn)。擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)展左右

12、擺動(dòng)。伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈進(jìn)展伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。2、影響膜脂流動(dòng)性的要素 膽固醇：膽固醇的含量添加會(huì)降低膜的流動(dòng)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(dòng)性添加。 脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高那么膜流動(dòng)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(qiáng)度等。3、膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng) 主要有側(cè)向分散和旋轉(zhuǎn)分散兩種運(yùn)動(dòng)方式?？捎霉饷撋謴?fù)技術(shù)和細(xì)胞交融技術(shù)檢測(cè)側(cè)向分散。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B

13、能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。 4、膜流動(dòng)性的生理意義 質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停頓，反之假設(shè)流動(dòng)性過高，又會(huì)呵斥膜的溶解。利用細(xì)胞交融技術(shù)察看蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng) 二、膜的不對(duì)稱性二、膜的不對(duì)稱性 質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差別，稱為膜的不對(duì)稱性。 樣品經(jīng)冰凍斷裂處置后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外外表extrocytoplasmic surface；EF，細(xì)胞外小頁斷面extrocytoplasmic face；PS，原生質(zhì)外表protoplasmic surface；PF，原生質(zhì)小頁斷面protoplasmic

14、 face 。 EFPF小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻 1、膜脂的不對(duì)稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均、膜脂的不對(duì)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(nèi)小葉。用磷脂酶處置完好的人類紅細(xì)胞，布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處置完好的人類紅細(xì)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(duì)稱性還表如今膜外表具有膽固醇和鞘磷脂等膜脂的不對(duì)稱性還表如今膜外表具有膽固醇和鞘磷脂等構(gòu)成的微構(gòu)造域構(gòu)成的微構(gòu)造域脂筏。脂筏。 2復(fù)合糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白只分布

15、于細(xì)胞膜復(fù)合糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外外表。的外外表。 3、膜蛋白的不對(duì)稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都、膜蛋白的不對(duì)稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)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(xì)胞色素具有極性，細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。側(cè)。三脂筏lipid raft 是富含膽固醇和鞘磷脂的微構(gòu)造域microdomain。 約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)構(gòu)造，位于質(zhì)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(gè)蛋白質(zhì)?？康钠脚_(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有親密的關(guān)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(xì)胞膜的功能三、細(xì)胞膜的功能為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳送；為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反響高效而有序地進(jìn)展；介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的銜接；參與構(gòu)成具有不同功能的細(xì)胞外表特化構(gòu)造。第三節(jié) 細(xì)胞外表的分化 細(xì)胞外表的特化構(gòu)造如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等等，分別與細(xì)胞形狀的維持、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。一、細(xì)胞外被 動(dòng)物細(xì)胞外表的一層富含糖類物質(zhì)的構(gòu)造，稱為細(xì)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(gòu)造，邊境不甚明確。 作用：維護(hù)，細(xì)胞通訊，并與細(xì)胞外表的抗原性有關(guān)。 紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈構(gòu)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(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架構(gòu)造；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。 作用：維持質(zhì)膜的外形并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。 成熟的哺乳動(dòng)物血紅細(xì)胞沒有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研討膜骨架的理想資料。 紅細(xì)胞經(jīng)低滲處置，細(xì)胞破

19、裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)堅(jiān)持原形的空殼，稱為血影ghost。經(jīng)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(gòu)造類似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連構(gòu)成四聚體。錨蛋白ankyrin：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)銜接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，經(jīng)過交換Cl，使HCO 3 進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，跨膜12次。血型糖蛋白：?jiǎn)未慰缒ぬ堑鞍?，約有131個(gè)氨基酸， N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C-端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關(guān)，其功能尚不明確。紅細(xì)胞膜骨架的構(gòu)成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動(dòng)蛋

20、白纖維約1315單體相連，構(gòu)成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過兩個(gè)錨定點(diǎn)固定在質(zhì)膜下方：經(jīng)過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)；經(jīng)過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地經(jīng)過比它直徑還小的微血管、動(dòng)脈、靜脈。三、質(zhì)膜的特化構(gòu)造 質(zhì)膜常帶有許多特化的附屬構(gòu)造。如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛等等，這些特化構(gòu)造在細(xì)胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其構(gòu)造細(xì)微，多數(shù)只能在電鏡下察看到。一、微絨毛一、微絨毛microvilli 是細(xì)胞外表伸出的細(xì)長(zhǎng)突起，廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞外表。 直徑約為0.1m。內(nèi)芯由肌動(dòng)蛋白絲束組成。 肌動(dòng)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