细胞生物学-4细胞膜与跨膜运输

第三章细胞质膜与跨膜运输PLASMAMEMBRANEANDITSSURFACESTRUCTURES重点与难点•细胞膜、膜骨架的结构与功能•生物膜上蛋白质的构筑状况及运动的测量•掌握物质跨膜运输的各种方式及其原理学习要求•掌握细胞膜的结构与功能以及相关研究技术的知识•主动运输、胞吞作用和胞吐作用的过程和机制概述红细胞膜结构膜的化学组成膜的分子结构及特点物质的跨膜运输第一节概述细胞质膜(plasmamembrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外，细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。胞质膜(cytoplasmicmembrane)存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜，包括核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、线粒体膜、叶绿体膜、过氧化物酶体膜等。细胞内主要的胞质膜由于细菌没有内膜，所以细菌的细胞质膜代行胞质膜的作用。生物膜(biomembrane，orbiologicalmembrane)是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它不仅具有界膜的功能，还参与全部的生命活动。细胞膜的结构模型膜脂——生物膜的基本组成成分膜糖膜蛋白膜的流动性膜的不对称性确定膜蛋白方向的实验程序确定膜脂方向的实验程序分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用细胞质膜的功能骨架与细胞表面的特化结构一、细胞质膜的结构模型•研究简史•结构模型•生物膜结构的特征1.E.Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2.E.Gorter&F.Grendel1925用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。•3、J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。1954年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。•4、J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。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1935年JamesDaniellie和HughDavson片层结构模型或三明治式模型质膜的片层结构模型该模型认为膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构,脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被,即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构,内外两层的蛋白质层都非常薄。并且,蛋白层是以非折叠、完全伸展的肽链形式包在脂双层的内外两侧。1954年对该模型进行了修改：膜上有一些二维伸展的孔,孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性,可提高水对膜的通透性。这一模型是第一次用分子术语描述的结构J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unitmembranemodel)类似铁轨结构(railroadtrack)，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗——明——暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜质膜的单位膜模型单位膜不足首先，该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；其二，不同的膜其厚度不都是75Å一般在50-100Å之间；其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系；该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：其一,蛋白质不是伸展的片层,而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中,蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特点就是膜具有一定的流动性,不再是封闭的片状结构,以适应细胞各种功能的需要。这一模型强调了膜的流动性和不对称性,较好地体现细胞的功能特点生物膜结构的特征磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,未发现膜中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,赋予生物膜的功能；膜的流动性：生物膜的基本特征之一,细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性•目前细胞膜结构主要用Singer和Nicolson于1972年提出的流动镶嵌模型解释，下面我们以流动镶嵌模型为基础，总结细胞膜的结构的主要特征：1.脂类物质，主要是磷脂构成生物膜的骨架，在膜中，磷脂以双分子层的形式存在，在双分子层中，磷脂的疏水基团（脂肪酸链）向内，亲水基团向外。2．生物膜中含有蛋白质，蛋白质有两种存在方式，一种吸附在脂类双层两侧，称为外在蛋白或周边蛋白，另一种镶嵌在脂类双层中，称为内在蛋白或整合蛋白，内在蛋白有的部分嵌入膜脂双层中，有的贯穿脂类双层。二、膜脂——生物膜的基本组成成分成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。脂双层的二维流动性成分磷脂、糖脂、胆固醇磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）分为二类:甘油磷脂（磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰肌醇）和鞘磷脂主要特征：①属于双亲性(amphipathicmolecule)具有一个极性头和两个非极性的尾(心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子多为偶数,16-24C；不饱和键成30℃的弯曲；③在水相中,具有自组装和自封闭形成脂双层的能力.磷脂烃链的长度和不饱和度的不同可以影响磷脂的相互位置，进而影响膜的流动性。各种磷脂头部基团的大小、形状、电荷的不同则与磷脂-蛋白质的相互作用有关。胆固醇:于真核细胞膜,极性头部为-OH基极性的头部、非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。胆固醇的分子较其他膜脂要小,双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧,疏水的尾部埋在脂双层的中央。胆固醇分子是扁平和环状的,对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用,所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。胆固醇的分子较其他膜脂要小，双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央•4种运动方式•研究生物膜特性的材料—脂质体(liposome)•影响膜脂流动性的因素运动方式沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动；双层脂分子之间的翻转运动(flip-flop)，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高(flippase)。脂质体（liposome）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。脂质体的类型。脂质体的应用(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；红细胞膜上的钠钾离子通道线粒体膜上的ATP酶的研究（人工制备的具有生物功能的发电机——日本）眼镜蛇毒蛋白确定了神经信号转导上的钠离子通道脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体影响膜脂的流动性的因素温度脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。卵磷脂/鞘磷脂，比例越大，流动性越大；比例越小，流动性降低◆构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;◆膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境,一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。膜脂的功能膜脂的不对称性细胞质膜各部分的名称膜脂与糖脂的不对称性糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础非对称性形成原因:磷脂:ER胞质半膜合成,Flippase选择性转运糖脂:催化糖基化反应的酶位于Golgi非胞质半膜,转运不变存在于原核和真核细胞的质膜上（5％以下）,神经细胞糖脂含量较高；细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种,而在动物细胞膜上的主要是7种：D-葡萄糖（D-Glucose)D-半乳糖(D-galactose)D-甘露糖(D-mannose)L-岩藻糖(L-fucose)N-乙酰半乳糖胺(N-acetyl-D-galactosamine)N-乙酰基葡萄糖胺(N-acetyl-glucosamine)唾液酸(sialicacid膜糖的存在方式通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。O-连接:是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连，O-连接糖链较短，约含4个糖基。N-连接:是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-连接和N-连接膜糖的功能细胞与环境的相互作用（保持各种组织的相对独立）接触抑制蛋白质分选信号转导保护作用等糖脂决定血型•血型是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。三、膜蛋白基本类型膜蛋白的分离提取去垢剂(detergent)膜蛋白功能及研究方法外周蛋白(peripheralprotein)又称附着蛋白。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧,主要是通过非共价健附着在脂的极性头部,或整合蛋白亲水区的一侧,间接与膜结合。水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。基本类型整合蛋白(integralprotein)又称内在蛋白、跨膜蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。实际上,整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白,亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面;水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂锚定蛋白通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合。去垢剂是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。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（TritonX-100）非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀去垢剂在膜蛋白分离中的作用膜蛋白的功能运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞;酶：有些是酶，催化相关的代谢反应;连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用；受体：起信号接收和传递作用。功能蛋白示例作用方式运输蛋白Na＋泵主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞连接蛋白整合素将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连受体蛋白血小板生长因子同细胞外的PDGF结合、在细胞质内产生信号，引起细胞的生长与分裂酶腺苷酸环化酶在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生膜蛋白的研究方法用去垢剂分离小的跨膜蛋白,是膜蛋白研究的重要手段：当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能。钠钾ATP酶的功能研究四、膜的流动性(membranefluidity)•膜脂的运动方式•脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有四种。①