細(xì)胞分子生物學(xué)

細(xì)胞分子生物學(xué)第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六本章內(nèi)容一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型二、膜脂三、膜蛋白四、膜的流動性五、膜的不對稱性六、細(xì)胞膜的功能七、細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.1細(xì)胞膜:細(xì)胞膜又叫質(zhì)膜,指圍繞在細(xì)胞最外層,由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜.1.2生物膜:真核細(xì)胞內(nèi)部存在著由膜圍繞構(gòu)建的各種細(xì)胞器.細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)與細(xì)胞膜統(tǒng)稱為生物膜.第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.3細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型:1.3.1三明治式的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型:1925年,E.Gorter&F.Grendel發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞膜的膜脂單層分子是紅細(xì)胞表面積的二倍,提示質(zhì)膜是由雙層脂分子構(gòu)成.隨后,人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油—水界面的表面張力低得多,已知脂滴表面如吸附有蛋白成分則表面張力降低.Davson&Danielli推測,質(zhì)膜中含有蛋白質(zhì)成分,并提出“蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)”的三明治式的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型.第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-1A三明治式的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.3細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型:1.3.2單位膜模型:1959年,JD.Robertson發(fā)展了三明治模型,提出了單位膜模型,并推斷所有的生物膜都是由蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)的單位膜構(gòu)成.這一模型得到X射線衍射和電鏡觀察結(jié)果的支持.用高錳酸鉀或鋨酸固定細(xì)胞時,電鏡超薄切片中細(xì)胞顯示出暗—亮—暗三條帶,兩側(cè)的暗帶厚度約2nm,推測是蛋白質(zhì),中間亮帶厚度約3.5nm,推測是脂質(zhì)雙分子層.整個膜厚度約為7.5nm.第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.3細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型:1.3.3生物膜的流動鑲嵌模型:1972年,SJSinger&GNicolson提出了生物膜的流動鑲嵌模型,這一模型隨即得到各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持.這一流動鑲嵌模型主要強(qiáng)調(diào):A:膜的流動性,膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動;B:膜蛋白分布的不對稱性,有的鑲在膜表面,有的嵌入或橫跨脂雙分子層.第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-2細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.3細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型:1.3.4生物膜的液晶態(tài)模型和板塊鑲嵌模型:液晶態(tài)模型強(qiáng)調(diào)生物膜的膜脂處于無序(流動性)和有序(晶態(tài))之間動態(tài)的轉(zhuǎn)變板塊鑲嵌模型主要強(qiáng)調(diào)生物膜是由具有流動性程度不同的“板塊”鑲嵌而成的“板塊鑲嵌模型”.這兩個模型是對流動鑲嵌模型的充實(shí),完善或補(bǔ)充.第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.3細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型:1.3.5生物膜的脂筏模型:指生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,如同“脂筏”一樣載著各種蛋白,脂筏最初可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上形成,轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上后,有些脂筏可在不同程度上與膜下細(xì)胞骨架蛋白交聯(lián).推測一個100nm大小的脂筏可載有600個蛋白分子.第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型1.4細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分.磷脂分子具有極性頭部和非極性尾部,在水相中具有自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)的性質(zhì),以疏水性非極性尾部相對,極性頭部朝向水相.蛋白分子以不同的方式鑲嵌在脂雙分子層中或結(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.第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂膜脂是生物膜的基本組成成份,每個動物細(xì)胞膜上約有109個脂分子,即5x106個脂分子/1平方微米的質(zhì)膜.膜脂包括的內(nèi)容:(一)膜脂成分;(二)膜脂的運(yùn)動方式;(三)脂質(zhì)體第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分1.磷脂親水性頭部疏水性頭部1.1磷脂的分類:磷脂是膜脂的基本成分,約占整個膜脂的50%以上.可分為甘油磷脂和鞘磷脂,甘油磷脂包括磷脂酰膽堿(卵磷脂),磷脂酰絲氨酸,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇1.2磷脂的特征:(1)一般具有一個極性頭和兩個非極性的尾;(2)脂肪酸碳鏈為偶數(shù),包括飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸,而且不飽和脂肪酸多位順式,順式雙鍵在烴鏈中產(chǎn)生30℃的彎曲.第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分2.糖脂普遍存在于原核和真核細(xì)胞的細(xì)胞膜上,其含量約占膜脂總量的5%以下,神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高,約5%-10%.糖脂是鞘氨醇的衍生物.最簡單的糖脂是腦苷脂類第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分3.膽固醇和中性脂質(zhì)存在于真核細(xì)胞膜上,其含量一般不超過膜脂的1/3.膽固醇可以調(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)的通透性等.細(xì)菌質(zhì)膜不含膽固醇成分,但某些細(xì)菌的膜脂中含有甘油脂等中心脂質(zhì).第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(二)膜脂的運(yùn)動方式膜脂分子有4種熱運(yùn)動的方式:1.沿膜平面的側(cè)向運(yùn)動側(cè)向運(yùn)動是膜脂分子的基本運(yùn)動方式,具有重要的生物學(xué)意義擴(kuò)散速率為10-8cm2/s,相當(dāng)于每秒移動2μm的距離.側(cè)向運(yùn)動產(chǎn)生分子間的換位,交換頻率在106次/s以上.第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(二)膜脂的運(yùn)動方式2.脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動.3.脂分子尾部的擺動.脂肪酸靠近極性頭部的擺動較小,尾部擺動較大.X射線衍射分析顯示,在距頭部第9個碳原子以后的脂肪酸已由較為有序變成無序狀態(tài),有些可能折疊形成“小結(jié)”.4.雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動一般情況下翻轉(zhuǎn)運(yùn)動極少發(fā)生,其發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的10-10.脂分子的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動在細(xì)胞某些膜系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高,特別是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,新合成的磷脂分子經(jīng)幾分鐘后,將有半數(shù)從雙層脂分子的一側(cè)通過翻轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)向另一側(cè).第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六1.脂質(zhì)體定義:根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜二、膜脂(三)脂質(zhì)體第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-3脂質(zhì)體第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六動物細(xì)胞主要有9種膜脂,而膜蛋白的種類繁多膜蛋白主要的講述內(nèi)容:(一)膜蛋白類型(二)膜內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合的方式(三)去垢劑三、膜蛋白

第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)膜蛋白分離的難易及其與脂分子的結(jié)合方式,膜蛋白可分為兩大基本類型:1.膜周邊蛋白或外在蛋白:為水溶性蛋白,靠離子鍵或其他較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子結(jié)合.借助改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度甚至提高溫度就可從膜上分離出來,膜結(jié)構(gòu)不被破壞.2.膜內(nèi)在蛋白或整合膜蛋白與膜緊密結(jié)合,只有用去垢劑使膜崩解才可分離出來.三、膜蛋白

(一)膜蛋白類型第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-4膜蛋白①,②整合蛋白；③,④膜周邊蛋白；⑤,⑥脂分子或糖脂連接的膜蛋白第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六膜內(nèi)在蛋白多數(shù)為跨膜蛋白,也有些插入脂雙層中,它與膜結(jié)合的主要方式有:1.膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用.2.跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭部形成離子鍵,或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+,Mg2+等陽離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭部相互作用.3.某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價(jià)結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強(qiáng)膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價(jià)結(jié)合.三、膜蛋白

(二)膜內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合的方式第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六定義:去垢劑是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分類:離子型去垢劑和非離子型去垢劑離子型去垢劑:如SDS,可使細(xì)胞膜崩解,并與膜蛋白疏水部分結(jié)合使其分離,而且還可以破壞蛋白內(nèi)部的非共價(jià)鍵甚至改變水部分的構(gòu)象.非離子型去垢劑:如TritonX-100,可使細(xì)胞膜崩解,但對蛋白質(zhì)的作用比較溫和,它不僅用于膜蛋白的分離與純化,也用于除去細(xì)胞的膜系統(tǒng),以便對細(xì)胞骨架蛋白鶴其他蛋白進(jìn)行研究.三、膜蛋白

(三)去垢劑第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六膜的流動性是生物膜的基本特征之一,也是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的必要條件.由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動兩個方面組成.四、膜的流動性

第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六1、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)。四、膜的流動性

(一)膜脂的流動第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-5膜脂分子的運(yùn)動①側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。③擺動運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動。④伸縮震蕩運(yùn)動：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動。⑤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。⑥旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六2、影響膜脂流動性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。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。四、膜的流動性

(一)膜脂的流動第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六1、膜蛋白的分子運(yùn)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。四、膜的流動性

(二)膜蛋白的流動第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-6利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動

第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六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。四、膜的流動性

(三)膜流動的意義第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六定義:質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，為膜的不對稱性。細(xì)胞膜各部分的名稱:質(zhì)膜的細(xì)胞外表面(ES):與細(xì)胞外環(huán)境接觸的膜面質(zhì)膜的原生質(zhì)表面(PS):與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁斷裂面(EF):樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，靠近ES的斷面原生質(zhì)小頁斷裂面(PF)：樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，靠近PS的斷面。五、膜的不對稱性

第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-7生物膜各膜面的名稱(右側(cè)為冷凍斷裂復(fù)型技術(shù)所顯示的兩個斷裂面)

第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六1、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：卵磷脂(PC)和鞘磷脂(SM)主要分布在外小頁，磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰絲氨酸(PS)分布在內(nèi)小頁。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。2．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。3、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，細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。五、膜的不對稱性

第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六為細(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)。五、細(xì)胞膜的功能

第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)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)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。六、細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六膜骨架六、細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)膜骨架是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。成熟的哺乳動物血紅細(xì)胞沒有核和內(nèi)