002 细胞膜及其表面 1

第二篇细胞膜及其表面第二篇细胞膜及其表面细胞膜的分子结构和特性细胞表面及其特化细胞膜与物质转运细胞膜与细胞识别膜受体与细胞的信号转导细胞膜与医药学第五章细胞膜的分子结构和特性molecularstructureandcharacterofthecellmembrane第一节膜的化学组成一、膜脂(一).磷脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型：磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）;包括甘油磷脂和鞘磷脂二类；1.甘油磷脂：1).具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）(心磷脂除外)；2).脂肪酸碳链碳原子为偶数（多数由16，18或20个组成)；3).有饱和脂肪酸（如软脂酸）及不饱和脂肪酸（如油酸）之分；2.鞘磷脂(sphingomyelin，SM)：在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇(sphingoine)为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。磷酸胆碱磷脂酰胆碱（卵磷脂）甘油phospholipidsinplasmamembranesPE脑磷脂PS磷脂酰丝氨酸PC卵磷脂PI磷脂酰肌醇心磷脂(Diphosphatidylglycerol)：具有四个非极性尾部鞘磷脂一、膜脂(二).胆固醇胆固醇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少;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。胆固醇分子结构(A)及其在细胞膜中的位置(B)一、膜脂(三).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细胞膜中的特征性成分。脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径25~1000nm不等；脂质体的类型:脂质体的应用:1.研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；2.脂质体中裹入DNA可用于基因转移；3.在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体;葡萄脑苷脂油酸鞘氨醇GlycolipidsA:半乳糖脑苷脂B:GM1神经苷脂C:唾液酸脂在水中的行为(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面单层脂质体膜；(d)用于疾病治疗的脂质体的示意图Protectivelayerofpolyethyleneglycol聚乙二醇保护层ADBCAntibody抗体Drugcrystallizesinaqueousfliuid水溶性药物结晶Lipid-solubledruginbilayer双层膜包被的脂溶性药物Lipidbilayer二、膜蛋白占核基因组编码蛋白质的30%左右；根据与脂分子的结合方式分为：1.整合蛋白(integralprotein);2.外周蛋白(peripheralprotein);3.脂锚定蛋白(lipid-anchoredprotein);二、膜蛋白(一).膜内在蛋白质1.内在/整合/镶嵌膜蛋白(intrinsic/integral/mosaicmembraneproteins):非水溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂才能从膜上洗涤下来;2.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。3.X射线晶体衍射技术分析跨膜蛋白:二、膜蛋白(二).膜外在蛋白质1.外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins):水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离;2.脂质锚定蛋白(lipid-anchoredproteins):通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分为两类：1).糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白：用磷脂酶C(能识别含肌醇的磷脂)处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。2).另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。三、膜糖类膜中的糖约占膜重量的2%～10%，糖含量的多少依细胞的不同而不同；细胞质膜上所有的膜糖(membranecarbo-hydrate)都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖都位于内表面；动物细胞质膜上的膜糖种类：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、氮乙酰葡萄糖胺、氮乙酰半乳糖胺和唾液酸7种；膜糖的存在方式：糖脂或糖蛋白；MN血型抗原和ABO血型抗原：整合蛋白跨膜多肽链以α螺旋的方式穿过脂质双层外周蛋白脂锚定蛋白末端氨基酸与脂肪酸之间的酰胺键半胱氨酸与异戊烯之间的硫酯键蛋白质通过异戊烯基团锚定到膜上蛋白质通过脂肪酸链锚定到膜上十四烷基锚定法呢基锚定①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein⑤,⑥peripheralprotein；Atypicalsingle-passtrans-membraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintra-versesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.Thethree-dimensionalstructureofabacteriarhodopsinmolecule.Thepolypeptidechaincrossesthelipidbilayerassevenahelices.Thelocationofthechro-mophoreandtheprobablepathwaytakenbyprotonsduringthelight-activatedpumpingcycleareshown.Whenactivatedbyaphoton,thechromophoreisthoughttopassanH+tothesidechainofasparticacid85.Subsequently,threeotherH+transfersarethoughttocompletethecyclefromasparticacid85totheextracellularspace,fromasparticacid96tothechromophore,andfromthecytosoltoasparticacid96.(R.Hendersonetal.J.Mol.Biol.213:899-929)糖与多肽连接的两种方式MN血型糖蛋白在红细胞膜中的结构方式(多肽链含有131个氨基酸残基。在脂质双层中约有30个氨基酸残基以α—螺旋通过)半乳糖葡萄糖氮乙酰葡萄糖胺岩藻糖氮乙酰半乳糖胺前体物质ABO血型抗原第五章细胞膜的分子结构和特性molecularstructureandcharacterofthecellmembrane第二节膜的分子结构膜的分子结构模型E.Gorter和F.Grendel(1925):“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型；J.D.Robertson(1959)：单位膜模型(unitmembranemodel);S.J.Singer和G.Nicolson(1972):生物膜的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel);K.Simonsetal(1997)：脂筏模型(lipidraftsmodel);FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572细胞膜的研究历史E.Overton(1895)用植物的根毛做实验，发现脂溶性物质很容易进入细胞，而水溶性的物质却不能。Overton实际上发现了亲脂性(lipophilic)物质与细胞的关系;Langmuir(1917)提出了脂单层的概念，是20世纪初膜结构研究的基础，导致了脂双层的发现；E.Gorter和F.Grendel(1925)根据对红细胞的研究，首次提出质膜的基本结构是双脂分子层；Danielli和Davson(1935)提出“双分子片层”结构模型(lamellastructuremodel)，即“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型，又叫三明治模型(Sandwichmodel)；J.D.Robertson(1959)：单位膜模型(unitmembranemodel)整个膜厚度约为7.5㎚，强调蛋白质为单层伸展的β片层折叠；S.J.Singer和G.Nicolson(1972):生物膜的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)，根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果提出;M.K.JainandH.B.White(1977)提出，板块镶嵌模型：在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构“板块”)。板块之间被流动的脂质区(无序结构的“板块”)分割。膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。K.Simonsetal(1997)：脂筏模型(lipidraftsmodel);FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域(称微区)。介于无序液体与液晶之间动态结构;在低温下为抗去垢剂膜(detergentresistantmembranes，DRMs);象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;Overtona).Lipidnatureofmembrane19001880b).LipidmonoplayerLangmuirLipid在Langmuir水盘中展现脂单层c).Lipidbilayerd).LipidbilayerplusproteinlamellaGorterandGrendelGrendelDavsonandDanielli19201940Danielli-Davson片层膜结构模型(修改后1954)J.D.Robertson的单位膜结构模型单位膜模型CellMembrane液态镶嵌模型示意图Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.脂质双层具有不同的脂筏结构，外层微区主要含有鞘磷脂、胆固醇及GPI-锚定蛋白;内层微区主要含许多酰化的蛋白质，特别是信号传导蛋白等;脂筏在膜内形成的平台，一方面使许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；另一方面，提供了有利于蛋白质变构的环境，使蛋白质形成有效的构象;脂筏不仅存在于细胞膜，而且也存在于高尔基体膜上;Summary:structuresaboutbiomembrane.磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；但在脂筏中存在某些有助于其结构相对稳定的功能蛋白。蛋白分