第4章 細(xì)胞質(zhì)膜

Chapter4:CellMembraneandCellSurface細(xì)胞質(zhì)膜第一節(jié)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型第二節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成一、膜脂二、膜蛋白第三節(jié)、細(xì)胞膜的基本特征與功能第四節(jié)、細(xì)胞表面的分化一、細(xì)胞外被二、膜骨架三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細(xì)胞膜。圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細(xì)胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外被、質(zhì)膜構(gòu)成細(xì)胞表面。第一節(jié)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史E.Overton1895推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter等1925推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。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，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。4、JD.Robertson1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”。Fluid-mosaicmodel6.K.Simonset(1997):FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572lipidraftsmodel（脂筏模型）;是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，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。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。lipidraftsmodel（脂筏模型）二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型細(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)或嵌在雙脂層表面，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。A:LipidsB:Proteins第二節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。（一）磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：一個(gè)極性頭、兩個(gè)非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個(gè)碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。Phospholipids1、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembrane2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，原核和植物細(xì)胞膜中不含。（二）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，結(jié)構(gòu)與SM相似，由一個(gè)或多個(gè)糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。glycolipids1.半乳糖腦苷脂，2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂，3.唾液酸

神經(jīng)節(jié)苷脂本身還是一類膜上的受體，破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素等的受體就是不同的神經(jīng)節(jié)苷脂（三）膽固醇存在真核細(xì)胞膜上，含量約膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性增加膜的穩(wěn)定性降低水溶性物質(zhì)的通透性脂筏的機(jī)構(gòu)成分（四）脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中攪動(dòng)后形成雙層或單層脂分子球體，直徑25~1000nm。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備的藥物研究生物膜的特性ThetypesofmovementpossibleforPhospholipidmoleculesinalipidbilayer.（五）、LipidMobility1側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)4伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)5翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)6旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)（六）、影響膜脂流動(dòng)性的因素膽固醇脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)卵磷脂/鞘磷脂其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。A:LipidsB:ProteinsMembrane(1).Membranescontainperipheral,lipid-anchoredandintegralproteins:Rolled-upsheethelixAmphipathichelix

lipid-anchoredproteins二、膜蛋白外周膜蛋白

PeripheralMembraneProteinsPeripheralproteinsareattachedtothemembranebyweakbondsandareeasilysolubilized.脂錨定膜蛋白

Lipid-anchoredMembraneProteinsLipid-anchoredmembraneproteinsaredistinguishedbyboththetypesoflipidanchorandtheirorientation.脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶和細(xì)胞粘附分子都是這類蛋白。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。兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域?yàn)?至多個(gè)疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100整合膜蛋白IntegralMembraneProteinsAsegmentofatransmembranepolypeptidechaincrossingthelipidbilayerasanahelix.Onlythea-carbonbackboneofthepolypeptidechainisshown,withthehydrophobicaminoacidsingreenandyellow.(J.Deisenhoferetal.,Nature318:618-624andH.Micheletal.,EMBOJ.5:1149-1158)Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.(2).Identificationoftransmembranedomainscanbepredictedfromtheaminoacidsequenceusingahydropathyplot.Analysisofmembraneproteinsbyusingofmoleculebiologicaltechnique（3)、膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。第三節(jié)、細(xì)胞膜的基本特征與功能A.DynamicnatureofcellmembraneB.Theasymmetryofcellmembranes

—Thefoundationofmembranefunction一．細(xì)胞膜基本特征二．細(xì)胞膜的功能A.DynamicnatureofcellmembraneFluidityofmembranelipid.Itgivemembranestheabilitytofuse,formnetworks,andseparatecharge;Motilityofmembraneprotein.ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

一．細(xì)胞膜基本特征Themobilityofmembraneproteinscanbeshownexperimentallybythemixingofmembraneproteinsthatoccurswhentwocellsaretaggedwithdifferentfluorescentlabelsandtheninducedtofuse.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑,成帽現(xiàn)象質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動(dòng)性密切相關(guān)。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)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。膜流動(dòng)性的意義B.Theasymmetryofcellmembranes

—ThefoundationofmembranefunctionTheasymmetryofmembranelipids:Theinnerandoutermembraneleafletswereshowntohavedifferentlipidcompositions.

Phospholipidasymmetrygivesthemembraneleafletsdifferentphysicalandchemicalpropertiesappropriateforthedifferentinteractionsoccurringatthetwomembranefaces.TheasymmetricdistributionofPLinHETheasymmetryofmembraneproteinandglycoprotein:Lipid-anchoredandperipheral

proteinsattachtothebilayerasymmetrically,givingthemembraneadistinct“sidedness”.

IntegralproteinshaveorientationwithinMembranes.

Thedistributionofintegralproteinscanbeanalyzedbyfreeze-fractureandfreeze-etchingtechniques.二.FunctionsofcellmembranesFunctionsofBiomembranes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)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞;提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn),并完成細(xì)胞內(nèi)外信息跨膜傳遞;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;質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu);膜蛋白的異常與遺傳病,惡性腫瘤,神經(jīng)