第四章细胞质膜文档资料.ppt

《第四章细胞质膜文档资料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章细胞质膜文档资料.ppt（82页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、细胞质膜与生物膜,细胞质膜（plasma membrane）：细胞与其外部环境之间的生物膜，构成细胞的界膜和选择性渗透屏障。质膜在物质运输、能量转换和信息传递过程中起着重要作用。生物膜（biomembrane）：细胞质膜和细胞内的膜系统统称为生物膜他们具有共同的结构特征。,内膜：形成各种细胞器的膜。细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。细胞表面：细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成。,第一节 细胞质膜的结构模型与基本成分,一、细胞质膜的结构模型二、膜脂三、膜蛋白,一、细胞质膜的结构模型,脂双层模型三明治模型单位膜模型流动镶嵌模型脂筏,1.脂双层模型,E.Ov

2、erton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter 等 1925 年推测细胞膜由双层脂分子组成。,脂双层（lipid bilayer）：生物膜的膜脂分子基于亲水和疏水相互作用而自我组装形成的一种双分子层结构，其疏水尾部在内，而亲水性头部朝向水相。,2.三明治模型,J.Danielli&H.Davson 1935 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。,3.单位膜模型,JD.Robertson 1959 根据电镜观察提出单位膜模型。厚约 7.5 nm。,电镜超薄切片技术显示的细胞质膜结构,4.流动镶嵌模型,Singer 和 Nico

3、lson 1972 根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。,一种关于生物膜的动态结构模型，脂双层上镶嵌着蛋白质是膜的基本结构，脂质和膜蛋白是可流动的和不对称分布的，它们通过在膜内的运动与其他膜分子发生相互作用。,生物膜的模型,A：流动镶嵌模型示意图B：生物膜结构示意图,质膜的流动镶嵌模型内容,细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。生物膜可看做是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。在细胞生长和分裂等整个生命过程中，生物膜在三维空间上可出现弯

4、曲、折叠、延伸等改变，处于不断的变化当中。,5.脂筏（lipid raft）,生物膜上富含鞘磷脂和胆固醇的相对有序的微小区域，与生物膜某些特定功能的发挥有关。,细胞膜的脂筏模型示意图,病毒出芽过程中细胞质膜的动态变化,二、膜脂,（一）、成分（二）、膜脂的运动方式（三）、脂质体,（一）、成分,1.甘油磷脂2.糖脂3.胆固醇,膜脂的基本类型,A：甘油磷脂B：鞘磷脂与糖脂C：胆固醇两亲性分子（amphipathic molecule）：一种重要的生物学特性，分子中同时含有亲水区和疏水区。,1.磷脂,磷脂的特征甘油磷脂鞘磷脂,1）主要特征,约占膜脂的 50 以上。主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂

5、肪酸链）。脂肪酸碳链为偶数，16，18 或 20 个碳原子。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,Phospholipids,2）甘油磷脂,以甘油为骨架，主要有：磷脂酰胆碱 phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸 phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺 phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇 phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油 Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）,Phospholipids in Plasma Membrane,Diphosphatidylglycero

6、l,3）鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。,脂分子极性头的空间占位对脂双层曲度的影响,PC：磷脂酰胆碱（卵磷脂）PE：磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,不同膜脂成分的脂双层厚度的比较,A：卵磷脂B：鞘磷脂,2.糖脂,约占 5 以下，神经细胞膜含量高，约占5-10。两性分子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。,glycolipids,Glycolipids,3.胆固醇,存在真核细胞膜上，含量约膜脂的 1/3，植物细胞膜中含量较

7、少。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。,在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。,（二）、膜脂的运动方式,沿膜平面的侧向运动围绕轴心的自旋运动尾部的摆动,伸缩震荡运动在脂双层上的翻转运动（一般极少发生）旋转异构化,影响膜脂流动性的因素,胆固醇脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的链长卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。,（三）、脂质体,脂质体（liposome）：在水溶液环境中，一种由人工形成的球形脂双层结构。双层或单层脂分子球体，直径 251000 nm。人工脂质体可用于：转基因制备的药物研

8、究生物膜的特性,几种类型的脂质体,三、膜蛋白,（一）、膜蛋白的类型（二）、内在膜蛋白与膜脂结合的方式（三）、去垢剂,（一）、膜蛋白的类型,外周膜蛋白（peripheral protein）：位于磷脂双分子层表面，通过非共价键与膜脂或膜蛋白发生相互作用的一种膜结合蛋白。内在膜蛋白（intrinsic membrane protein）/整合膜蛋白（integral protein）：镶嵌/横跨脂双层的膜结合蛋白。脂锚定膜蛋白（lipid anchored protein）：位于脂双层表面，与脂双层内的脂分子共价连接的膜结合蛋白。,占核基因组编码蛋白质的 30%。,膜蛋白的基本类型,脂锚定膜蛋白

9、的 3 种类型,（1）脂肪酸（豆蔻酸或软脂酸）结合到膜蛋白N 端的 Gly 残基上（2）由 15 或 20 个碳链长的烃链结合到膜蛋白 C 端的 Cys 残基上（有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近 C 端的 Cys 残基上）（3）通过糖脂锚定在质膜（外侧）上，如 GPI（磷脂酰肌醇糖脂）锚定方式。,脂锚定膜蛋白的 3 种基本类型,（二）、内在膜蛋白与膜脂结合的方式,内在膜蛋白与膜脂结合的方式跨膜结构域与膜脂作用方式,1）内在膜蛋白与膜脂结合的方式,膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过

10、 Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结 合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂 双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。,内在膜蛋白与膜脂结合方式示意图,2）跨膜结构域与膜脂的作用方式,内在膜蛋白是跨膜蛋白，由胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域 3 部分组成。其中跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式如下：（1）跨膜结构域是由含有 20 个左右的疏水氨基酸残基的螺旋组成：如单次跨膜或多次跨膜；由多个螺旋形成的特异极性分子跨膜通道内侧是极性的，而外侧是非极性的。（2）跨膜结构域主要是由多个含有 1012

11、 个氨基酸残基的折叠片组成，如孔蛋白（porin）。孔蛋白存在于线粒体和叶绿体外膜上的内在膜蛋白，形成非选择性的通道。,转运甘油的水孔蛋白 G1pf 的三维,水孔蛋白（aquaporin）：动植物细胞质膜上转运水分子的特异蛋白，为水分子的快速跨膜运动提供通道。,3-磷酸甘油转运蛋白的三维结构图像,（三）、去垢剂,去垢剂（detergent）：一端亲水、另一端疏水的两性分子，是分离和研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂分为离子型去垢剂和非离子型去垢剂：前者如十二烷基硫酸钠（SDS），后者如 Triton X-100。,离子型去垢剂SDS,非离子型去垢剂Triton-X100,利用去垢剂萃取和研究膜蛋白,

12、B：用不同的去垢剂处理膀胱上皮细胞质膜所萃取的膜蛋白的 SDS 凝胶电泳图谱,第二节 细胞质膜的基本特征与功能,一、膜的流动性二、膜的不对称性三、细胞质膜相关的膜骨架四、细胞质膜的基本功能,一、膜的流动性,（一）、膜脂的流动性（二）、膜蛋白的流动性（三）、膜脂和膜蛋白运动速率的检测（四）、膜流动性的生理意义,（一）、膜脂的流动性,脂肪酸链越短，不饱和程度越高，则膜脂的流动性越大。鞘脂的相变温度一般高于磷脂。胆固醇起束尾（与磷脂尾部结合）和疏开（将磷脂分子隔开）的双重作用，但通常胆固醇起到防止膜脂由液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。,膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定。,（二）、膜蛋

13、白的流动性,荧光抗体免疫标记实验：两种荧光标记细胞融合对半均匀成斑成帽膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动细胞骨架既限制膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动常用非离子去垢剂把膜蛋白溶解下来,（三）、膜脂和膜蛋白运动速率的检测,在荧光漂白恢复技术中，根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速度。脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚膜蛋白的自由扩散。,（四）膜流动性的生理意义,质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件；当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止；反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,二、膜的不对称性,（一）、细胞质膜各膜面的名称（二）、膜脂

14、的不对称性（三）、膜蛋白的不对称性,（一）、细胞质膜各膜面的名称,质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。,生物膜各膜面的名称,ES：质膜的细胞外表面PS：质膜的原生质表面EF：质膜的细胞外小叶断裂面PF：质膜的原生质小叶断裂面,细胞膜系统拓扑学结构的示意图,图中显示：细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变。,（二）、膜脂的不对称性,同一种膜脂在脂双层中的分布不同。如：PC 和 SM 主要分布在外小叶，PE 和 PS 分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE 和 PS 分别只有 20%和 10%的被降解。糖脂仅存在于质膜的外小叶中及内

15、膜的 ES 面（内面）,磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图,在外小叶中多者：SM：鞘磷脂 PC：卵磷脂在内小叶中多者：PE：脑磷脂 PS：磷脂酰丝氨酸 PI：磷脂酰肌醇无偏重者：CI：胆固醇,（三）、膜蛋白的不对称性,同一种膜蛋白在脂双层中的分布具有特定的方向或拓扑学特征糖蛋白的糖基位于质膜的 ES 面各种生物膜的特征和功能主要是由膜蛋白来决定的，是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。,人的 ABO 血型抗原寡糖链结构的比较,四、细胞质膜的基本功能,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境选择性的物质运输提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导。为多种酶提供结合位点介导细胞与

16、细胞、细胞与胞外基质之间的连接参与形成细胞表面特化结构膜蛋白的异常常与某些遗传病、癌、自身免疫病甚至是将退行性疾病相关，很多膜蛋白可作治疗的药物靶标。脂筏和胞膜窖具有特殊功能,第三节 细胞表面的分化,细胞表面的特化结构如：细胞外被、膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,一、细胞外被,动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相

17、同，只是糖链末端的糖基有所不同。A 型血的糖链末端为 N-乙酰半乳糖；B 型血为半乳糖；O 型血则缺少这两种糖基。,二、膜骨架,质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约 0.2 m 厚的溶胶层。主要作用：维持质膜的形态。模式材料：红细胞，经低渗处理破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。,（一）、膜骨架（二）、红细胞的生物学特性（三）、红细胞的质膜蛋白及膜骨架,（一）、膜骨架,膜骨架是指质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白网架，参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。,（二）、红细胞的生物学特性,血影是指红细胞（既无细胞核又无内膜系统）经低渗处理，释放出血红蛋白和胞内

18、其它可溶性蛋白后，留下的仍保持原来基本形状和大小的红细胞结构。血影是研究质膜结构及其与膜骨架关系的理想材料。,经 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由结构相似的 链、链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。带 3 蛋白：阴离子载体，通过交换 Cl，使 HCO 3 进入红细胞。为二聚体，每个单体跨膜 12 次。血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，功能尚不明确，与 MN 血型有关，与带 4.1 蛋白相连。,红细胞膜骨架的构成：血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，

19、形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：通过带 4.1 蛋白与血型糖蛋白连结；通过锚蛋白与带 3 蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。,红细胞膜骨架的基本结构与成分,A：红细胞血影 C：血影的负染照片（显示膜骨架）B：SDS-PAGE 对血影成分分析 D：膜骨架与膜蛋白结合的示意图,(A)是考马斯蓝染色的胶;(B)表示凝胶上主要蛋白质的位置。,深度蚀刻电镜图片显示小鼠耳部外毛细胞的细胞质膜与膜骨架,三、质膜的特化结构,质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有

20、重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。,（一）、微绒毛 microvilli,细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。直径约为 0.1 m。内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛处质膜有 myosin I 构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。作用：扩大细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了 30 倍。,（二）、皱褶（ruffle）,细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬

21、颗粒物质有关。,SEM image of alveolar(Lung)macrophage attacking E.coli.(Show ruffle on the cell surface),（三）、内褶,内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。,（四）、纤毛和鞭毛,是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。,本章概要,细胞质膜与其他生物膜一样都是由膜脂与膜蛋白构成的。膜蛋白可分为膜内在蛋白与膜周边蛋白。脂双分子层构成了膜的基本结构，其中包括脂筏结构。各种不同的膜蛋白与膜脂分子的协同作用不仅为细胞的生命活动提供了稳定的内环境,而且还行使着物质转运、信号传递、细胞识别等多种复杂的功能。流动性和不对称性是生物膜的基本特征，也是完成其生理功能的必要保证。膜骨架是细胞质膜与膜内的细胞骨架纤维形成的复合结构，它参与维持细胞的形态并协助细胞质膜完成多种生理功能。,THANKS!,