細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能課件

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能

(第四、五、六章)細(xì)胞生物學(xué)及遺傳學(xué)教研室蒲淑萍生物膜細(xì)胞膜(質(zhì)膜)細(xì)胞內(nèi)膜相結(jié)構(gòu)厚7-10nm單位膜(unitmembrane)：“兩暗夾一明〞的電鏡圖像。示單位膜“兩暗夾一明〞的結(jié)構(gòu)生物膜功能總結(jié)

區(qū)間化、物質(zhì)交換、信息傳遞、細(xì)胞間的相互作用、能量轉(zhuǎn)換、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等。主要有脂類、蛋白質(zhì)、糖、水、無機(jī)鹽、金屬離子等。第五章細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)和特性第一節(jié)細(xì)胞膜的化學(xué)組成膜的化學(xué)組成〔％〕

膜的類別蛋白質(zhì)脂類糖類蛋白質(zhì)/脂類髓鞘187930.23質(zhì)膜血小板33人工紅細(xì)胞494381.1大鼠肝細(xì)胞4642〔5-10〕1.09鹽桿菌紫膜752503.0

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜67332.02.0線粒體內(nèi)膜7624〔1-2〕3.2菠菜葉綠體片層703002.3

一、膜脂(membranelipid)◆種類：包括磷脂、膽固醇(CI)、糖脂三類，以磷脂含量最多，不同的生物膜中它們含量不同。思考：生命為什么選擇膜脂？磷脂鞘氨醇

膽固醇類固醇環(huán)(甾環(huán))是剛性平面，可提高膜的剛性和微粘度；而疏水的分支脂肪烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又增加膜局部微區(qū)的無序性，使膜流動(dòng)性增加。1.半乳糖腦苷脂2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂3.唾液酸

糖脂鞘磷脂◆膜脂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兼性分子(雙親媒性分子)非極性尾部疏水性極性頭部親水性

(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán) (b)球形脂質(zhì)體(c)平面脂質(zhì)體膜(d)用于轉(zhuǎn)基因或疾病治療的脂質(zhì)體◆膜脂的物理特性：自組裝能力脂質(zhì)體〔Liposomes〕〔p62〕脂質(zhì)體是人工脂雙層膜形成的圓球狀膜泡，借助不同的制備方法可以制備不同結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)體。在膜研究中，膜蛋白可以插入脂質(zhì)體，使對(duì)于它們的功能研究能在比天然膜簡單得多的環(huán)境下進(jìn)行。脂質(zhì)體可以作為DNA或各種藥物的載體，即將DNA或藥物包裝于脂質(zhì)體的囊泡中，再運(yùn)載到體內(nèi)的靶細(xì)胞。例如，囊腫纖維化〔cysticfibrosisCF〕是一種粘液分泌異常的疾病，特別常見于呼吸道，形成非常濃和粘稠的粘液，很難由肺經(jīng)氣道排出，該病的分子根底是肺泡上皮細(xì)胞外表囊腫纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)控因子〔cysticfibrosistransmembraneconductanceregulatorCFTR〕的氯離子通道蛋白基因發(fā)生突變，造成CFTR氯離子通道缺乏或活性很低。帶治療用的“目的〞基因的載體藥物易于通過呼吸而到達(dá)靶細(xì)胞。脂質(zhì)體就是一種很好的載體，當(dāng)包裝有編碼正常CFTR基因的DNA脂質(zhì)體，吸入氣道和肺泡時(shí)，脂質(zhì)體和上皮細(xì)胞質(zhì)膜融合而把其中的DNA輸運(yùn)至有基因缺乏的上皮細(xì)胞內(nèi)。脂質(zhì)體作為藥物特別是基因藥物運(yùn)送載體有其長處，如高的目的基因運(yùn)載率；被包裝于內(nèi)的DNA可以防止被核酸酶降解；通過同時(shí)引入靶向“引航〞分子〔特異性抗體分子或其它細(xì)胞受體的特異配體分子〕，可以提高脂質(zhì)體的靶向特異性和與靶細(xì)胞反響的有效率，脂質(zhì)體具有較低的細(xì)胞毒性。二、膜蛋白〔membraneprotein〕其種類、含量決定膜的功能。按照與膜的結(jié)合關(guān)系分成三類：〔一〕膜整合蛋白〔integralmembraneprotein〕內(nèi)在蛋白、鑲嵌蛋白、跨膜蛋白〔二〕膜外周蛋白〔peripheralprotein〕周圍蛋白、外在蛋白〔三〕脂錨定蛋白〔lipid-anchoredproteins)

膜整合蛋白多為兼性分子，屬于水不溶性蛋白，多以α-螺旋單次(包括許多細(xì)胞質(zhì)膜受體)或?qū)掖未┠?如一些通道蛋白和其他功能蛋白)，與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑使膜崩解才能別離下來。膜外周蛋白水溶性蛋白,位于膜兩側(cè)，以離子鍵、氫鍵與膜脂分子極性頭部或膜外表的蛋白質(zhì)分子非共價(jià)結(jié)合，易從膜上別離。包括質(zhì)膜內(nèi)外表的一些酶和傳遞跨膜信號(hào)的因子、線粒體內(nèi)膜上細(xì)胞色素C、血紅細(xì)胞骨架膜蛋白的主要成分紅細(xì)胞膜素即血影蛋白(Spectrin)等。脂錨定蛋白位于膜兩側(cè)，通過共價(jià)鍵與膜磷脂或脂肪酸錨定結(jié)合。有一類完全位于細(xì)胞質(zhì)膜外外表，它們的C-端氨基酸通過一段短的寡糖鏈橋共價(jià)連接于脂雙層外葉片層的磷脂酰肌醇的頭部，即成為糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白〔glycosylphosphatidylinositol(GPI)-anchoredproteins〕。特異識(shí)別并能切除肌醇磷脂的磷脂酶C可以把被這類錨定的蛋白如Thy-1蛋白、堿性磷酸酶和正常細(xì)胞的PrP搔癢蛋白等從膜上切離下來。血影及其膜蛋白研究〔血影蛋白〕〔血型糖蛋白〕〔帶3蛋白，band3〕〔錨蛋白〕〔肌動(dòng)蛋白纖維〕(帶4.1蛋白)三、膜糖思考：為什么所有膜糖鏈伸向細(xì)胞膜外外表？示小腸上皮細(xì)胞外衣電子染料釕紅〔rutheniumred〕著色，電鏡下觀察。思考：糖蛋白、糖脂的糖鏈差異是如何形成的？第二節(jié)膜的分子結(jié)構(gòu)膜的分子結(jié)構(gòu)模型1902，Overton，細(xì)胞膜由脂類構(gòu)成1925，Gorter等，膜由雙層脂類構(gòu)成1935，Denielli等，片層結(jié)構(gòu)模型1972，Singer等，液態(tài)鑲嵌模型1975，Wallach，晶格鑲嵌模型1977，Jain等，板塊鑲嵌模型1959，Robertson，單位膜模型脂筏模型

液態(tài)鑲嵌模型〔fluidmosaicmodel〕觀點(diǎn)：1.流動(dòng)的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體；(流動(dòng)性,有序性)2.球狀蛋白質(zhì)鑲嵌或附著在脂雙層中間及外表。(分布不對(duì)稱性)缺陷：無視蛋白質(zhì)對(duì)脂類流動(dòng)性的控制；無視膜各局部流動(dòng)性的不均一性。脂筏模型〔lipidraftsmodel〕脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域，其中聚集一些特定種類的蛋白質(zhì)。這些區(qū)域較膜的其它局部厚，更有秩序且較少流動(dòng)，其周圍是富含不飽和磷脂的流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏直徑約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的脂雙分子層的外層。脂筏與小窩蛋白〔caveloin〕結(jié)合后內(nèi)陷形成小窩，參與跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。特點(diǎn)：一是許多蛋白質(zhì)聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用；二是脂筏提供一個(gè)有利于蛋白質(zhì)變構(gòu)的環(huán)境，使形成有效的構(gòu)象。Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.一、膜的不對(duì)稱性膜蛋白分布的不對(duì)稱膜脂分布的不對(duì)稱膜糖分布的不對(duì)稱第三節(jié)膜的特性膜功能的方向性外層內(nèi)層蛋白質(zhì)小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻膜蛋白分布的不對(duì)稱★各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域?！锬承┠さ鞍字挥性谔囟ぶ嬖跁r(shí)才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合于膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性?！惭吞堑鞍住场矌?蛋白〕〔血影蛋白〕血紅細(xì)胞膜蛋白及膜糖的不對(duì)稱分布〔錨蛋白〕〔肌動(dòng)蛋白纖維〕(帶4.1蛋白)膜脂分布的不對(duì)稱性★膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在脂筏在膜上的存在位置。二、膜的流動(dòng)性〔一〕膜脂的流動(dòng)性1.側(cè)向擴(kuò)散2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3.擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)4.伸縮震蕩5.翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)〔二〕膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性〔三〕影響膜流動(dòng)性的因素〔1〕脂肪酸鏈的長度和不飽和程度〔2〕膽固醇的雙向調(diào)節(jié)〔3〕卵磷脂與鞘磷脂的比例〔4〕膜蛋白的影響〔5〕其他因素〔環(huán)境溫度、pH、離子強(qiáng)度等〕脂肪酸鏈的長度和不飽和程度的影響膽固醇的雙向調(diào)節(jié)膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性受細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架的控制〔肌動(dòng)蛋白纖維〕〔血影蛋白〕晶態(tài)液晶態(tài)液態(tài)溫度對(duì)膜流動(dòng)性的影響第七章細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸穿膜運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸一、被動(dòng)運(yùn)輸〔passivetransport〕特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、跨膜動(dòng)力、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類型：簡單擴(kuò)散、離子通道擴(kuò)散、易化擴(kuò)散膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道蛋白〔channelprotein〕——只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸；具有離子選擇性；轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，瞬間進(jìn)行；離子通道是門控的，包括電壓門通道、配體門通道、機(jī)械門通道。 載體蛋白〔carrierprotein〕——介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸；通過蛋白質(zhì)構(gòu)象變化轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)。通道蛋白模式圖通道蛋白肽鏈以α螺旋7次穿膜，中間形成親水通道。2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)PeterAgreRoderickMacKinnon

因?qū)?xì)胞膜水通道、離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲獎(jiǎng)。簡單(單純)擴(kuò)散與易化擴(kuò)散的比較示簡單擴(kuò)散A:電壓門通道;B、C:配體門通道;D:機(jī)械門(壓力激活)通道

含羞草的閉葉反響內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞的感應(yīng)耳蝸覆膜聽毛細(xì)胞聽覺神經(jīng)纖維纖毛通道關(guān)閉通道開啟正電離子進(jìn)入基膜纖毛束傾斜示載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散(如紅細(xì)胞膜對(duì)胞外葡萄糖、氨基酸、核苷酸的攝取)二、主動(dòng)運(yùn)輸〔activetransport〕●特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、能量消耗、載體蛋白●類型：ATP驅(qū)動(dòng)泵，由ATP直接提供能量P-型離子泵：鈉鉀泵(Na+_K+_ATPase,結(jié)構(gòu)、機(jī)制與意義)、鈣泵(Ca2+-ATP酶)。V-型質(zhì)子泵：H+泵，某些特化細(xì)胞質(zhì)膜和真核細(xì)胞酸性囊泡膜上。F-型質(zhì)子泵：H+-ATP酶，線粒體內(nèi)膜、葉綠體囊體膜及細(xì)菌細(xì)胞膜上。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體：轉(zhuǎn)運(yùn)小分子的ATP泵。 協(xié)同或伴隨運(yùn)輸〔cotransport〕由Na+-K+泵〔或H+泵〕與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。機(jī)制：磷酸化與去磷酸化作用對(duì)蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)；蛋白質(zhì)變構(gòu)；對(duì)運(yùn)輸〔親K+構(gòu)象〕〔親Na+構(gòu)象〕〔ATP結(jié)合位點(diǎn)〕1996Na+-K+ATPase〔TheNobelPrizeinChemistry〕Na+_K+泵〔或H+泵〕與載體蛋白的協(xié)同運(yùn)輸小腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)吸收葡萄糖(GL)示意圖Na+/葡萄糖共運(yùn)輸載體葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體小腸絨毛介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的兩種載體蛋白在細(xì)胞膜上的不對(duì)稱分布Na+/葡萄糖共運(yùn)輸載體葡萄糖易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)載體緊密連接離子通道典型位置功能K+通道大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞膜維持膜靜息電位電壓門控Na+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突質(zhì)膜產(chǎn)生動(dòng)作電位電壓門控K+通道神經(jīng)細(xì)胞軸突質(zhì)膜在一個(gè)動(dòng)作電位之后恢復(fù)靜息電位電壓門控Ca2+通道神經(jīng)終末質(zhì)膜激發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放乙酰膽堿受體通道肌細(xì)胞（在神經(jīng)肌肉接頭處）質(zhì)膜興奮性突觸信號(hào)GABA受體通道（GABA門控Cl-通道）多數(shù)神經(jīng)元（突觸）質(zhì)膜抑制性突觸信號(hào)壓力激活的陽離子通道內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞感覺聲波震動(dòng)參與穿膜運(yùn)輸?shù)碾x子通道參與穿膜運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白載體蛋白位置能量來源功能葡萄糖載體蛋白大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜無被動(dòng)輸入葡萄糖Na+驅(qū)動(dòng)的葡萄糖泵腎與腸上皮細(xì)胞頂部質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸入葡萄糖Na+-H+交換器動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸出H+離子，調(diào)節(jié)pHNa+-K+泵大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜水解ATP主動(dòng)輸出Na+，輸出K+Ca2+泵真核細(xì)胞質(zhì)膜水解ATP主動(dòng)運(yùn)輸Ca2+H+泵動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜水解ATP從細(xì)胞質(zhì)中主動(dòng)輸入H+載體蛋白參與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男问紺oupledtransport單運(yùn)輸共運(yùn)輸對(duì)運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，又稱囊泡運(yùn)輸。屬于主動(dòng)運(yùn)輸。包括胞吞作用〔endocytosis〕

與胞吐作用〔exocytosis〕。第二節(jié)膜泡運(yùn)輸一、胞吞作用●吞噬作用(phagocytosis):多細(xì)胞的動(dòng)物具有專門的吞噬細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等?！癜嬜饔?pinocytosis)：主要存在于變形蟲、小腸上皮細(xì)胞、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞等。●受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用(receptormediatedendocytosis)：通過細(xì)胞膜上特異性受體及膜囊泡系統(tǒng)完成的特異性很強(qiáng)的物質(zhì)吸收過程。示吞噬作用過程吞噬體溶酶體(偽足)吞噬作用示意圖變形蟲伸出偽足吞噬細(xì)菌巨噬細(xì)胞正在接近并吞噬細(xì)菌巨噬細(xì)胞吞噬紅細(xì)胞示胞飲作用胞飲泡受體介導(dǎo)的胞吞作用(有被小泡運(yùn)輸)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程的電鏡照片〔鳥類卵細(xì)胞攝取卵黃蛋白時(shí)，有被小泡的形成〕細(xì)胞對(duì)膽固醇的攝取LDL顆粒、載脂蛋白B〔Apo-Bprotein，即LDL受體的配體〕LDL受體網(wǎng)格蛋白(clathrin)〔被