第4章 細胞質(zhì)膜

Chapter4:CellMembraneandCellSurface細胞質(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)、細胞膜的基本特征與功能第四節(jié)、細胞表面的分化一、細胞外被二、膜骨架三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細胞膜。圍繞在細胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。內(nèi)膜：形成各種細胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細胞外被：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)。細胞外被、質(zhì)膜構(gòu)成細胞表面。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推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter等1925推測細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蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(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)膜的流動鑲嵌模型細胞膜由流動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，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，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。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：一個極性頭、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個碳原子。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)細胞膜中特別豐富，原核和植物細胞膜中不含。（二）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，結(jié)構(gòu)與SM相似，由一個或多個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）膽固醇存在真核細胞膜上，含量約膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少。調(diào)節(jié)膜的流動性增加膜的穩(wěn)定性降低水溶性物質(zhì)的通透性脂筏的機構(gòu)成分（四）脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中攪動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)向擴散運動2旋轉(zhuǎn)運動3擺動運動4伸縮震蕩運動5翻轉(zhuǎn)運動6旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動（六）、影響膜脂流動性的因素膽固醇脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長卵磷脂/鞘磷脂其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。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)連接的蛋白位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細胞表面的受體、酶和細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)小葉的長碳氫鏈結(jié)合。兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域為1至多個疏水的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)、膜蛋白的分子運動側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。第三節(jié)、細胞膜的基本特征與功能A.DynamicnatureofcellmembraneB.Theasymmetryofcellmembranes

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

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

—ThefoundationofmembranefunctionTheasymmetryofmembranelipids:Theinnerandoutermembraneleafletswereshowntohavedifferentlipidcompositions.

Phospholipidasymmetrygivesthemembraneleafletsdifferentphysicalandchemicalpropertiesappropriateforthedifferentinteractionsoccurringatthetwomembranefaces.TheasymmetricdistributionofPLinHETheasymmetryofmembraneproteinandglycoprotein:Lipid-anchoredandperipheral

proteinsattachtothebilayerasymmetrically,givingthemembraneadistinct“sidedness”.

IntegralproteinshaveorientationwithinMembranes.

Thedistributionofintegralproteinscanbeanalyzedbyfreeze-fractureandfreeze-etchingtechniques.二.FunctionsofcellmembranesFunctionsofBiomembranes為細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;提供細胞識別位點,并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞;為多種酶提供結(jié)合位點,使酶促反應(yīng)高效而有序地進行;介導(dǎo)細胞與細胞、細胞與基質(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)