生物細(xì)胞學(xué)課件：第4章 細(xì)胞質(zhì)膜

1、第4章 細(xì)胞質(zhì)膜本章主要內(nèi)容細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜（plasma membrane）真核細(xì)胞內(nèi)的膜（internal membrane）系統(tǒng)生物膜（biomembrane）一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型三明治模型單位膜模型流動鑲嵌模型脂筏模型1. 質(zhì)膜由雙層脂分子構(gòu)成的推測1925 年，E. Gorter 和F. GrendelGorter, E.; Grendel, F. (1925). “On Bimolecular Layers of Lipoids on the Chromocytes of the Blood”. Th

2、e Journal of experimental medicine , 41 (4): 439443.2. “蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)” 三明治式結(jié)構(gòu)模型1935 年，J. Danielli & H. DavsonDanielli, J. F.; Davson, H. (1935). A contribution to the theory of permeability of thin films. Journal of Cellular and Comparative Physiology, 5 (4): 495.3. 單位膜模型1959 年，Robertson電鏡超薄切片中的細(xì)胞質(zhì)膜顯示出暗亮

3、暗三條帶4. 流動鑲嵌模型1972年，Singer 和Nicolson 膜的流動性 膜蛋白分布的不對稱性Singer, S. J.; Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science , 175 (4023): 720731.5. 脂筏模型1988年，Simons在甘油磷脂為主體的生物膜上，膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“脂筏”載著執(zhí)行特定生物學(xué)功能膜蛋白Simons K, van Meer G (August 1988). Li

4、pid sorting in epithelial cells. Biochemistry, 27 (17): 6197202.Simons K, Ikonen E (June 1997). Functional rafts in cell membranes. Nature,387 (6633): 56972.6. 目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識磷脂分子在水相中具有自發(fā)封閉的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液細(xì)胞生命活動中，生物膜處于不斷的動態(tài)變化中二、膜脂 (membrane lipid)（一）成分甘油磷脂鞘脂固醇1. 甘油磷脂主要

5、在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成甘油磷脂又可以根據(jù)極性頭部集團的不同區(qū)分為磷脂酰膽堿（Phosphatidyl cholines, PC）、磷脂酰乙醇胺（Phosphatidyl ethanolamines, PE）、磷脂酰絲氨酸（Phosphatidyl serines, PS）、磷脂酰肌醇（Phosphatidyl inositols,PI）、等。*具有一個極性頭和兩個非極性的尾*脂肪酸碳鏈為偶數(shù)*除飽和脂肪酸外常含1-2 個雙鍵的不飽和脂脂分子極性頭空間占位對脂雙層曲度的影響PE 極性頭較小，更多地分布在脂雙層曲度較小的一側(cè)2. 鞘脂主要在高爾基體合成鞘磷脂(SM)形成的脂雙層厚度較甘油磷脂厚度大A. 卵磷

6、脂(PC)B. 鞘磷脂(SM)C. 卵磷脂和膽固醇D. 鞘磷脂和膽固醇3. 固醇：膽固醇及其類似物含4 個閉環(huán)，親水的頭部為一個羥基調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)通透性脂筏基本結(jié)構(gòu)成分，還是很多重要生物活性分子的前體化合物Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 主要在動物細(xì)胞的胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成（二）膜脂的運動方式沿膜平面的側(cè)向運動脂分子圍繞軸心的自旋運動脂分子尾部擺動雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動Figure 10-11b Molecular Biology of the Cell ( Ga

7、rland Science 2008)（三）脂質(zhì)體 (liposome)脂質(zhì)體：根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜的現(xiàn)象而制備的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白， 是研究膜脂與膜蛋白生物學(xué)性質(zhì)以及轉(zhuǎn)基因、藥物靶向的好材料三、膜蛋白(membrane protein)膜蛋白種類繁多賦予生物膜重要的生物學(xué)功能Figure 10-19 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）膜蛋白的三種基本類型外在膜蛋白或外周膜蛋白(為水溶性蛋白質(zhì))內(nèi)在膜蛋白或整合膜蛋白脂錨定膜蛋白脂錨定膜蛋白的 3 種類型A：脂肪酸結(jié)合到膜蛋白 N 端的甘

8、氨酸殘基上B：烴鏈結(jié)合到膜蛋白 C 端的半胱氨酸殘基上C：通過糖脂錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式內(nèi)在膜蛋白為跨膜蛋白可分為：胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式1. 膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心相互作用2. 跨膜結(jié)構(gòu)域兩端帶正電荷的氨基酸殘基或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+與帶負(fù)電的磷脂極性頭部相互作用3. 通過自身在胞質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價結(jié)合到膜脂肪酸分子上內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合的主要部位1. 跨膜結(jié)構(gòu)域形成 螺旋；2. 跨膜結(jié)構(gòu)域主要由 折疊片組成；3. 某些 螺旋外側(cè)非極性鏈與膜脂相互作用，內(nèi)側(cè)極性鏈形成特

9、異極性分子的跨膜通道。具體作用方式：膜蛋白及其與膜脂關(guān)系的三維結(jié)構(gòu)分析跨膜蛋白既有疏水區(qū)域(跨膜區(qū))，也有親水區(qū)域（膜表面區(qū)），其結(jié)構(gòu)解析主要是應(yīng)用低溫電鏡技術(shù)和X射線晶體衍射技術(shù)（三）去垢劑一端親水、一端疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑插入膜脂與膜脂或膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域等疏水部位結(jié)合，形成可溶性的微粒（三）去垢劑離子型去垢劑：如SDS，可破壞蛋白質(zhì)中離子鍵和氫鍵等非共價鍵，甚至改變蛋白質(zhì)親水部分的構(gòu)象非離子去垢劑：如Triton X-100，對蛋白質(zhì)作用比較溫和，用于膜蛋白的分離與純化四、膜糖糖脂糖蛋白Figure 10-28b Molecular Biology of the

10、 Cell ( Garland Science 2008)細(xì)胞質(zhì)膜上的膜糖都位于質(zhì)膜外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖則面向細(xì)胞器腔面！第二節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能流動性不對稱性膜骨架質(zhì)膜的基本功能一、膜的流動性膜的流動性是是所有的生物膜的基本特征，是細(xì)胞生長增殖等生命活動的必要條件膜的流動狀態(tài)受細(xì)胞代謝過程的調(diào)節(jié)（一）膜脂的流動性脂肪酸鏈越短、不飽和程度越高，流動性越大溫度對膜脂的運動有明顯影響膽固醇對膜的流動性起著雙重調(diào)節(jié)作用（二）膜蛋白的流動性熒光標(biāo)記人-鼠細(xì)胞融合實驗成斑現(xiàn)象（patching）或成帽現(xiàn)象（capping）Figure 10-35 Molecular Biology of t

11、he Cell ( Garland Science 2008)Movies: PA-GFP-mt（二）膜蛋白的流動性膜蛋白流動性受多種因素限制： 如緊密連接、細(xì)胞骨架的影響等（三）膜脂和膜蛋白運動速率的檢測熒光漂白恢復(fù)（FRAP）技術(shù)Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)二、膜的不對稱性膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不對稱分布糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)電鏡冷凍蝕刻技術(shù)（一）細(xì)胞質(zhì)膜各膜面的名稱質(zhì)膜的細(xì)胞外表面（extrocytoplasmic surface，ES）質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（ pr

12、otoplasmic surface， PS）細(xì)胞外小葉斷裂面（extrocytoplasmic face，EF）原生質(zhì)小葉斷裂面（protoplasmic face，PF）（二）膜脂的不對稱性膜脂的不對稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布糖脂分布表現(xiàn)出完全不對稱性：非胞質(zhì)側(cè)（二）膜脂的不對稱性（三）膜蛋白的不對稱性所有的膜蛋白在質(zhì)膜上都呈不對稱分布，每種膜蛋白分子在質(zhì)膜上都具有明確的方向性糖蛋白的糖殘基均分布在生物膜的非胞質(zhì)一側(cè)Figure 10-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)三、細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨

13、架Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）膜骨架細(xì)胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，參與維持質(zhì)膜形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能哺乳動物紅細(xì)胞具有很好的彈性和強度Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（二）紅細(xì)胞的生物學(xué)特性血影(ghost)（三）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性主要由質(zhì)膜蛋白與膜骨架復(fù)合體的相互作用來實現(xiàn)紅細(xì)胞雙凹形橢圓結(jié)構(gòu)的形成還需要其他的骨架纖維參與（三）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架除紅細(xì)胞