04细胞质膜

第四章质膜及其表面结构本章内容提要•第一节质膜的化学组成一、膜脂二、膜蛋白•第二节质膜的结构一、质膜结构的研究历史二、质膜的流动镶嵌模型三、细胞膜的功能•第三节细胞表面的分化一、细胞外被二、膜骨架三、质膜的特化结构•质膜（plasmamembrane）：又称细胞膜。•内膜：形成各种细胞器的膜。•生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。•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。•细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。第一节质膜的化学组成•主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。•膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。•动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。一、膜脂膜脂主要包括甘油磷脂、鞘脂和胆固醇三类。•（一）甘油磷脂•约占膜脂的50％以上，主要在内质网合成。1.一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。2.脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。3.常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。（一）甘油磷脂•主要包括：①磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）②磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS③磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）④磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI⑤双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembraneOPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCOCOR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPI由磷酸相连的取代基团(含氨碱或醇类)构成的亲水头(hydrophilichead)由脂肪酸链构成的疏水尾(hydrophobictail)2.磷脂分子在细胞膜中必然排列为连续的两层，该怎样排列？1.磷脂在空气－水界面上铺展成单层分子层，该如何排列？BCDABCA以鞘胺醇（sphingosine）为骨架，主要在高尔基体合成。糖脂约占5％以下，神经细胞质膜含量较高，占5-10％。1、鞘磷脂（sphingomyelin，SM）•具有基于磷酸基团的极性头部，类似于甘油磷脂。（二）鞘脂2、糖脂•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。（二）鞘脂糖脂Glycolipids（三）固醇•胆固醇及其类似物的统称。•含4个闭环的碳氢化合物，亲水的头部为羟基，是一种分子刚性很强的两性化合物。•胆固醇存在于动物细胞中，含量不超过膜脂的1/3。•功能：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。（四）脂质体（liposome）•是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，脂质体疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm。•人工脂质体可用于：1.转基因2.药物载体3.研究生物膜的特性二、膜蛋白•种类繁多（动物细胞主要有9种膜脂）。•50%以上的小分子药物的受体为膜蛋白。•根据与脂分子的结合方式分为：–内在膜蛋白或整合膜蛋白（integralprotein）–外在膜蛋白或外周膜蛋白（peripheralprotein）–脂锚定膜蛋白（lipid-anchoredprotein）1、整合膜蛋白均为跨膜蛋白（transmembraneproteins），两性分子。跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用。与膜的结合紧密，只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。占整个膜蛋白的10%-80%。H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10OHH3C(CH2)11OSO3Na+离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X1002、外周膜蛋白为水溶性蛋白质，靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，因此改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上3、脂锚定蛋白通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上磷脂双分子层构成了细胞膜的基本骨架蛋白质分子镶在磷脂双分子层表面嵌入磷脂双分子层中横跨磷脂双分子层结构特点：具有流动性内在蛋白：-螺旋横穿双脂层，正合于脂双层结构之中锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上膜脂双层胞液第二节质膜的结构一、质膜结构的研究历史1.E.Overton(1895)推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2.E.Gorter等(1925)推测细胞膜由双层脂分子组成。•3、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）。•4、JD.Robertson(1957)根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm。•5、Singer和Nicolson(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”。二、质膜的流动镶嵌模型1.细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。2.磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相；3.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。（一）质膜的流动性•膜脂和蛋白质的分子运动组成。•1、膜脂分子的运动•①侧向扩散运动；②旋转运动；③摆动运动•④伸缩震荡运动；⑤翻转运动；⑥旋转异构化运动。2、影响膜脂流动性的因素①胆固醇②脂肪酸链的饱和度③脂肪酸链的链长④卵磷脂/鞘磷脂⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。3、膜蛋白的分子运动•侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。•检测：光脱色恢复技术和细胞融合技术。光脱色恢复技术细胞融合技术4、膜流动性的生理意义•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•是指膜内外两层组分和功能的差异。•冰冻蚀刻电子显微法：标本用干冰等冰冻。后用冷刀断开，升温后暴露断裂面，各断面命名为：ES，细胞外表面；EF细胞外小页断裂面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。兔红细胞的冰冻断裂电镜照片•1．膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布；•2．复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面；•3．膜蛋白的不对称性：如细胞色素C只位于线粒体内膜M侧。（三）脂筏lipidraft•是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。•约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。•介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。•就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。三、细胞膜的功能1.保护；2.运输；3.通信；4.提供酶结合位点；5.介导细胞连接；6.形成细胞表面的特化结构。第三节细胞表面的分化•包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等结构。一、细胞外被•动物细胞表面富含糖类的结构，也称为糖萼。用钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构，边界不甚明确。•作用：保护、通信、并与细胞表面抗原性有关。–红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，但末端糖基不同。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。微绒毛糖萼二、膜骨架•质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约0.2μm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）。•经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：1.血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。2.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。3.带三蛋白：阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO3－进入红细胞。为二聚体，每个单体跨膜12次。4.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。三、质膜的特化结构•如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛，结构细微，只能在电镜下观察到。（一）微绒毛microvilli•是细胞表面伸出的细长突起，直径约为0.1μm。•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myosinI构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连。•作用：扩大了细胞的表面积，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。微绒毛microvilli小鼠小肠上皮细胞的冰冻断裂电镜照片M为线粒体，MV为微绒毛•SEMimageofalveolar(Lung)macrophageattackingE.coli.(Showruffleonthecellsurface)•细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。•巨噬细胞表面的皱褶与吞噬颗粒物质有关。（二）皱褶（ruffle）Infolding•内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。（三）内褶（infolding）•是细胞表面的运动装置，结构相似。都来源于中心粒，其详细结构和功能可参见细胞骨架一章。cilia&flagella（四）纤毛和鞭毛Humansperm