细胞生物学翟中和编第4章细胞质膜

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学第4章细胞质膜翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学第4章细胞质膜Chapter4PLASMAMEMBRANE细胞生物学教研室杨玥E-mail:[e-mail]办公室：实验楼A509Tel:[phone]本章主要内容•细胞质膜的结构模型与基本成分•生物膜的基本特征与功能•膜骨架重点：生物膜的结构模型生物膜的特性第一节细胞质膜的结构模型与基本成分•细胞质膜（plasmamembrane）•真核细胞内的膜（internalmembrane）系统•真核细胞内膜系统（endomembranesystem）•生物膜（biomembrane）电镜下的细胞膜红细胞质膜摄于20世纪50年代末ByRobertson体外培养的肌细胞示质膜和肌质网膜质膜的分子结构质膜的组成与分子结构方面的早期资料，主要来源于对哺乳动物血红细胞的研究血影（ghost）哺乳动物的血红细胞一、细胞质膜的结构模型•三明治模型•单位膜模型•流动镶嵌模型•脂筏模型每种模型对认识生物膜的贡献及其局限性？质膜的研究历史2、1925年，E.Gorter和F.GrendelTheareaoflipidfilmonthewaterwasabouttwicetheestimatedtotalsurfaceareaoftheerythrocytes，sotheyconcludedthattheerythro-cyteplasmamembraneconsistedofnotonebuttwolayersoflipids质膜的研究历史质膜的研究历史三明治模型质膜的研究历史Unitmembranemodel单位膜提出了生物膜的共性单位膜无法解释：膜结构不断的发生动态变化；各种膜没有一成不变的统一性；各种膜均具有各自的特定厚度（5-10nm）；提取膜蛋白的难易程度不同；各种膜的蛋白质与脂类的成分比率不同等。5、1972年，Singer和Nicolson流动镶嵌模型质膜的研究历史A.Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovementB.MembraneproteinsfromamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegreesFluidmosaicmodel6、1988年，Simons脂筏模型•胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”•载着执行特定生物学功能膜蛋白质膜的研究历史LipidraftmodelAtomicforcemicroscopyrevealssphyingomyelinrafts(orange)protrudingfromadioleoylphatidylcholinebackground(black)inamica-supportedlipidbilayer.Lipidraftmodel目前对生物膜结构的认识•磷脂分子在水相中具有自发封闭的性质•蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面•生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液•细胞生命活动中，生物膜处于不断的动态变化中变形虫吞噬草履虫细胞膜的化学组成脂类（L）50%细胞膜的主体蛋白（P）40-50%糖类2-10%以糖脂、糖蛋白形式存在水、无机盐、金属离子少量Ｐ／Ｌ(变化范围1:4-4:1之间)越高说明功能越复杂多样Thebasiccompositionsofsomebio-membrane二、膜脂(membranelipid)1.磷脂•具有一个极性头和两个非极性的尾•脂肪酸碳链为偶数•除饱和脂肪酸外常含1-2个双键的不饱和脂脂分子极性头空间占位对脂双层曲度的影响PE极性头较小，更多地分布在脂双层曲度较大的一侧(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰胆碱)甘油磷脂与鞘磷脂脑磷脂卵磷脂鞘磷脂•主要在高尔基体合成•鞘磷脂形成的脂双层厚度较甘油磷脂厚度大A.卵磷脂B.鞘磷脂C.卵磷脂和胆固醇D.鞘磷脂和胆固醇2.固醇：胆固醇及其类似物•含4个闭环，亲水的头部为一个羟基•调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质通透性•脂筏基本结构成分，还是很多重要生物活性分子的前体化合物非极性的类固醇环极性的头部非极性的碳氢尾部胆固醇分子散布于磷脂分子之间,其极性头部紧靠磷脂极性头部,其余部分游离含1个或几个糖基的类脂脑苷脂（神经髓鞘膜）神经节苷脂（神经元细胞膜）无论那一种膜脂，都是双亲性分子3.糖脂◆构成膜的基本骨架；◆是膜蛋白的溶剂；◆为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境。膜脂的功能膜脂的运动方式•沿膜平面的侧向运动•脂分子围绕轴心的自旋运动•脂分子尾部摆动•双层脂分子之间的翻转运动脂质体(liposome)•脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜•用途：可嵌入不同的膜蛋白，是研究膜脂与膜蛋白生物学性质以及转基因、药物靶向的好材料三、膜蛋白(membraneprotein)•膜蛋白种类繁多•赋予生物膜重要的生物学功能（一）膜蛋白的三种基本类型外在膜蛋白或外周膜蛋白内在膜蛋白或整合膜蛋白脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白的3种类型A：脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上B：烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基上C：通过糖脂锚定在细胞质膜上（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式•内在膜蛋白为跨膜蛋白•可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域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相互作用•跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与带负电的磷脂极性头部相互作用•通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂•跨膜结构域形成α螺旋•跨膜结构域主要由β折叠片组成•某些α螺旋外侧非极性链与膜脂相互作用，内侧极性链形成特异极性分子的跨膜通道三种膜蛋白的比较◆运输蛋白：转运特殊的分子和离子进出细胞;◆酶：催化相关的代谢反应;◆连接蛋白：起连接作用；◆受体：起信号接收和传递作用。膜蛋白的功能（三）去垢剂•一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂•插入膜脂与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒（三）去垢剂•离子型去垢剂：如SDS，可破坏蛋白质中离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象•非离子去垢剂：如TritonX-100，对蛋白质作用比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化（三）去垢剂四、膜糖•糖脂•糖蛋白细胞质膜上的膜糖都位于质膜外表面，内膜系统中的膜糖则面向细胞器腔面！第二节细胞质膜的基本特征与功能•流动性•不对称性•膜骨架•质膜的基本功能一、膜的流动性•膜的流动性是是所有的生物膜的基本特征，是细胞生长增殖等生命活动的必要条件•膜的流动状态受细胞代谢过程的调节（一）膜脂的流动性•脂肪酸链越短、不饱和程度越高，流动性越大•温度对膜脂的运动有明显影响•胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用相变温度膜蛋白的可能运动方式随机移动、定向运动、局部扩散（二）膜蛋白的流动性•荧光标记人-鼠细胞融合实验•成斑现象（patching）或成帽现象（capping）（二）膜蛋白的流动性•膜蛋白流动性受多种因素限制：如紧密连接、细胞骨架的影响等（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测•荧光漂白恢复（FRAP）技术二、膜的不对称性•膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布•糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧•电镜冷冻蚀刻技术（一）细胞质膜各膜面的名称•质膜的细胞外表面（extrocytoplasmicsurface，ES）•质膜的原生质表面（protoplasmicsurface，PS）•细胞外小叶断裂面（extrocytoplasmicface，EF）•原生质小叶断裂面（protoplasmicface，PF）（二）膜脂的不对称性•膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布•糖脂分布表现出完全不对称性：非胞质侧（二）膜脂的不对称性（三）膜蛋白的不对称性•所有的膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性•糖蛋白的糖残基均分布在生物膜的非胞质一侧三、细胞质膜相关的膜骨架Figure10-42aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（一）膜骨架•细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能•哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度（二）红细胞的生物学特性血影(ghost)（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架•红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现•红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架•除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在与锚蛋白、血影蛋白及带4.1蛋白类似的蛋白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构四、细胞质膜的基本功能细胞膜的功能本章主要内容•细胞质膜的结构模型•细胞质膜的基本成分•细胞质膜的基本特征•膜骨架•细胞质膜的基本功能思考题教科书上往往可见到用类似的示意图来说明膜蛋白在膜上的分布。下面5种形式中哪些是目前尚未发现有科学根据的，为什么？根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可以分为三类：膜周边蛋白、膜内在蛋白和脂锚定蛋白。膜内在蛋白为跨膜蛋白（1）；膜周边蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合（5）；脂锚定蛋白通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入脂双层之中，锚定在质膜上（2、4）；3不可能。思考题