細(xì)胞生物學(xué) 第4章 細(xì)胞質(zhì)膜

第四章細(xì)胞質(zhì)膜PLASMAMEMBRANE教學(xué)目的要求1.了解生物膜的結(jié)構(gòu)模型2.掌握生物膜的化學(xué)組成3.掌握生物膜的基本特征與功能本章內(nèi)容提要第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第二節(jié)生物膜的基本特征與功能第三節(jié)膜骨架第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、細(xì)胞膜與生物膜二、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型三、生物膜的化學(xué)組成一、細(xì)胞膜與生物膜1.細(xì)胞質(zhì)膜(plasmamembrane)或細(xì)胞膜(cellmembrane)：圍繞在細(xì)胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。2.生物膜(biomembrane)：細(xì)胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜。二、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型(一)脂膜結(jié)構(gòu)的研究歷史(二)生物膜的結(jié)構(gòu)E.Overton1895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，因此推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter&F.Grendel1925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，測出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。(一)脂膜結(jié)構(gòu)的研究歷史3.J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。提出了“蛋白質(zhì)——脂質(zhì)——蛋白質(zhì)”的三明治模型。4.J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。并提出了“單位膜模型”。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。

生物膜是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成,膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動，膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對稱分布的。脂筏模型（lipidraftsmodel）：在生物膜上膽固醇富集而形成有序的脂相，如同“脂筏”一樣載著各種蛋白。Overton(1890s):LipidnatureofPM;19591972三、生物膜結(jié)構(gòu)特征1、細(xì)胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。膜的流動性是生物膜的基本特征之一,是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的必要條件。2、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；3、蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者；4、磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分,尚未發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)中起組織作用的蛋白；三、生物膜的化學(xué)組成(一)膜脂：基本骨架(二)膜蛋白：功能的體現(xiàn)者(一)膜脂1.磷脂(phospholipids)

是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個極性頭部和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個非極性尾部。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)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）。(一)膜脂2.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％。半乳糖腦苷脂:最簡單的糖脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；神經(jīng)節(jié)苷脂:變化最多、最復(fù)雜的糖脂，是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分。是眾多成分的受體，例如：破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺素。家族性白癡?。河捎谌狈Π被禾酋ッ福荒軐|(zhì)中的神經(jīng)節(jié)苷脂GM2，轉(zhuǎn)化為質(zhì)膜上的GM3，結(jié)果使GM2大量積累，導(dǎo)致中樞神經(jīng)退化。(一)膜脂主要存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的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)節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。3.膽固醇(Cholesterol)膽固醇分子包括三部分：極性的頭部：羥基非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)一個非極性的碳?xì)湮膊?一)膜脂4.脂質(zhì)體是一種人工膜。在水中，攪動后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備藥物研究生物膜的特性(一)膜脂4.膜脂的功能構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，則使膜解體;是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能;膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境,一般膜脂本身不參與反應(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng));膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團(tuán)存在時才有功能。(二)膜蛋白1.膜周邊蛋白(外在膜蛋白)靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合為水溶性蛋白占膜蛋白總量的20%～30%,在紅細(xì)胞中占50%,如紅細(xì)胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白。(二)膜蛋白2.內(nèi)在膜蛋白(整合蛋白)部分或全部鑲嵌在細(xì)胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.3.脂錨定膜蛋白

通過與之共價相連的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂雙分子中蛋白與膜的結(jié)合方式

①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白第二節(jié)生物膜的基本特征與功能一、膜的流動性二、膜的不對稱性三、細(xì)胞膜的功能一、膜的流動性(一)膜脂的流動1.膜脂分子的運(yùn)動側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動。伸縮震蕩運(yùn)動：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動：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：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。膜脂分子的運(yùn)動一、膜的流動性(一)膜脂的流動2.影響膜脂流動性的因素膽固醇：膽固醇對膜脂流動性的調(diào)節(jié)作用隨溫度的不同而改變。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。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：該比例高則膜流動性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。在一定溫度下，脂分子從液晶態(tài)(能流動具有一定形狀和體積的物態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀(不流動)的晶態(tài)。這一能引起物相變化的溫度稱為相變溫度。當(dāng)環(huán)境溫度在相變溫度以上時，膜脂分子處于流動的液晶態(tài)；而在相變溫度以下時，則處于不流動的晶態(tài)。膜脂相變溫度越低，膜脂流動性就越大；反之，相變溫度越高，膜脂的流動性也就越小。

膽固醇：膽固醇對膜脂流動性的調(diào)節(jié)作用隨溫度的不同而改變。在相變溫度以上，它能使磷脂的脂肪酸鏈的運(yùn)動性減弱，從而降低膜脂的流動性。而在相變溫度以下時，膽固醇可通過阻止磷脂脂肪酸鏈的相互作用，緩解低溫所引起的膜脂流動性劇烈下降。

一、膜的流動性(二)膜蛋白的流動

主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動方式?？捎霉饷撋謴?fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測側(cè)向擴(kuò)散。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動。利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping)ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

用光脫色恢復(fù)技術(shù)根據(jù)熒光恢復(fù)的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散速度。一、膜的流動性(三)膜流動性的生理意義質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。二、膜的不對稱性(一)概念質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。(二)細(xì)胞膜各部分的名稱ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細(xì)胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmicface）。兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片EF細(xì)胞外小頁斷裂面；PF，原生質(zhì)小頁斷面。

二、膜的不對稱性(三)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：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域——脂筏。二、膜的不對稱性(四)復(fù)合糖的不對稱性：

糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。

(五)膜蛋白的不對稱性

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極性。(六)不對稱的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導(dǎo)致了膜功能的不對稱性和方向性。保證了生命活動的高度有序性膜的不對稱性膜脂的不對稱膜蛋白的不對稱膜糖的不對稱磷脂與糖脂分布的不對稱性

三、細(xì)胞膜的功能為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(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)胞識別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。膜蛋白的異常與某些疾病相關(guān)，可作為藥物靶標(biāo)膜功能第三節(jié)膜骨架一、膜骨架二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架一、膜骨架指細(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),它參與維持細(xì)胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為7μm,厚度1.7μm,表面積為145μm2；紅細(xì)胞的主要功能是攜帶O2和運(yùn)輸CO2，紅細(xì)胞的壽命約為120天，一生中要行走500,000米。要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道;要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pH值的不利條件;又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。紅細(xì)胞的質(zhì)膜既有良好的彈性又具有較高強(qiáng)度紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。大約有15種主要的蛋白帶，主要蛋白:血影蛋白(Spectrin)、錨蛋白（ankyrin）、肌動蛋白（actin）、帶3蛋白(Band3protein)血型糖蛋白(Glycophorin)帶4.1蛋白三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架1.紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成四聚體。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)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個單體含929個氨基酸，跨膜12次。三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架1.紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個氨基酸，N端在膜外側(cè)，結(jié)