《细胞质膜--end》PPT课件.ppt

第四章 细胞质膜,第一节 细胞质膜的结构模型,一、细胞膜和生物膜 细胞膜Cell membrane 又称质膜plasma membrane。是细胞的重要组成部分，包围在所有细胞的表面，为一层极薄的膜,具有独特的结构和功能。 2. 生物膜biomembrane 除了质膜以外，在细胞内部还有丰富的膜系统，如：核膜、细胞器膜等，这些称为内膜系统，细胞膜被称为外周膜。 质膜和内膜系统称为生物膜。,3. 生物膜的重要性： 生物膜的出现（特别是质膜）是进化过程中的一个重要的关键的阶段，是由非细胞生命形态走向细胞生命形态的转折点，它确定了细胞成为生命的基本单位。 生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。它最基本的作用是维持细胞内部微环境的相对稳定，与外界环境进行物质、能量和信息的传递，对细胞的生存、生长、分裂和分化都至为重要。,此外生物膜与生命科学中许多的基本问题以及一些需要迫切解决的实际问题都有密切的联系，如：细胞起源、分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、神经传导以及肿瘤发生等都与膜有关。 生物膜的研究在生理学、生物化学、医学、药理学等许多方面都得到了重视，正确认识生物膜的结构与功能不仅对揭开生命的奥秘有重要意义，对解决医学农业以及工业一些实际问题也会发挥重要作用。,二、生物膜的化学组成,成分和比列 质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。 一般蛋白质40%，脂类50%，糖类110%，水1520%，实际比列随膜种类不同有很大差别。,一般膜中蛋白质越多，膜的功能越是复杂多样。如：神经髓鞘主要起绝缘作用，蛋白质只有3种，含量显著低于脂类。,2. 膜脂的结构和种类,甘油磷脂类 phosphoglycride ： 磷脂酰胆碱PC、磷脂酰乙醇胺PE、磷脂酰肌醇PI、 磷脂酰丝氨酸PS 鞘磷脂类 sphingolipid： 神经鞘磷脂SM、 糖脂类 glycolipid： 胆固醇 cholesterol： 简单脂类（甘油+脂肪酸） 复合脂类（含氮碱基或其它成分）,磷脂phospholipid,磷脂的结构,甘油的的两个羟基被脂肪酸脂化，第3个羟基被磷酸化。 不同磷脂分子在磷酸上的碱基不同。 磷脂酰碱基的部分较短、称为头部，极性很强，是亲水的；两条长链部分称为尾部，非极性，疏水。-双亲媒性分子 组成磷脂尾部的两条脂肪酸链长短不同，饱和程度也不同。可以是饱和的：硬脂酸、软脂酸（棕榈酸）、豆蔻酸；也可以是不饱和的：油酸、亚油酸、花生四烯酸等。,磷脂酰胆碱,四种主要的磷脂,如果鞘氨醇取代了甘油，形成神经鞘脂类，同样分为头、尾部。,如果在鞘磷脂中，磷酸胆碱被一个或多个糖残基取代。则形成糖脂。 如半乳糖脑苷脂、神经节苷脂,糖 脂,糖脂的分子结构,脑苷脂,神经节苷脂,唾液酸（SiA）,磷脂和糖脂在细胞膜中的分布 兰色极性头部代表糖脂，黄色代表磷脂酰乙醇胺，绿色为磷脂酰丝氨酸，红色为磷脂酰胆碱，黑色为鞘磷脂,胆固醇的分子结构,胆固醇：也是兼性分子，头部仅是3位上的羟基。尾部为非极性的碳链。对调节膜的流动性，加强膜的稳定性有作用。,胆固醇在细胞膜中的位置（维持膜的稳定性）,所有的膜脂有共同的结构特点，都是双型性分子 在水环境中，磷脂分子聚集，极性头部与水接触，非极性疏水的尾部避开水，向着分子团的内面，这样形成小球形的分子团（Micells）；或者在水量适宜时，分子排列成片层（液晶）形式，片层具有双分子层的磷脂结构，分子的头部伸向两侧表面，疏水的尾部则伸向分子双层的内侧，又称“脂双分子层”；或者可以形成球形的脂质体（Liposomes）,大部分磷脂和糖脂分子在水环境里能自发地形成双层，这样脂双层又能自我封闭成脂质体。磷脂分子能自发形成双层，具有自我组装、自我封闭的特点以及流动性，对其构成生物膜的组要成分之一是很有意义的。,They are always continuous, unbroken structures.,3. 膜蛋白 细胞膜的大部分功能主要由膜的蛋白质完成，因此膜中蛋白质的种类和数量反映了膜的功能。根据膜蛋白质与膜脂的相互作用方式和蛋白质在膜脂中的位置，可分为外周蛋白（外在蛋白）和整合蛋白（内在蛋白）、锚定膜蛋白。,膜蛋白与脂质双分子层的结合方式,Integral protein Lipid-anchored protein Peripheral protein,外周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的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来. 有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。,整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。因此整合蛋白的分离提纯研究远远少于外在蛋白和非膜蛋白的研究。 不同程度嵌入脂双层内部，多为横跨全膜(血型糖蛋白A），甚至多次跨膜（质膜上的钙泵5次，葡萄糖载体12次）。约占70-80%。,Tertiary structure of the photosynthetic reaction center of a bacterium by X-ray crystallography,跨膜蛋白的疏水区非极性氨基酸与脂类分子的疏水尾部相互作用，极性氨基酸亲水区域暴露在膜的一侧或两侧表面。这些蛋白质也具有双型性。 整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成亲水通道；二是由两性折叠组成亲水通道。,糖 主要与蛋白质、脂类以共价键形成糖脂和糖蛋白，约占质膜总量的2-10%；主要分布于膜的外表面，与细胞膜抗原性有关。,N-glycosidic linkage,O-glycosidic linkage,三、质膜的分子模型 质膜的主要成分是脂类、蛋白质，还有少量糖类，它们是如何排列和组织的，它们之间如何相互作用？,研究简史 结构模型 生物膜结构的特征,质膜的流动镶嵌模型（Fluid-mosaic model） 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，极性头部朝向水相组成生物膜骨架； 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）结构模型,E.Gorter和FGrendel（1925）: “蛋白质-脂类-蛋白质” 三夹板质膜结构模型 J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动镶嵌模型 (fluid mosaic model) 脂筏模型（lipid rafts model）,Lipid rafts,Alzheimeis disease: amyloid precursor, gamma secretase,（二）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,流动性,由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。,The structure of the lipid bilayer depends on the temperature,Transition temperature(相变温度） Liquid crystalline phase- -frozen crystalline gel,液晶态 凝胶态, 侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。 旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。,膜脂分子的运动,影响膜脂流动性的因素 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。 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,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。 可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。 膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。,膜蛋白的分子运动,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,光脱色恢复技术,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。, 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为： ES ， 细胞外表面（ extrocytoplasmic surface ） ； EF ， 细胞外小页断面（ extrocytoplasmic face ） ； PS，原生质表面（ protoplasmic surface）； PF，原生质小页断面（protoplasmic face）,膜的不对称性 质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。,小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻,四、细胞膜的功能,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境； 2. 选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出； 3. 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递； 4. 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行； 5. 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； 6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,五、膜骨架,质膜常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系，协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构完成特定的功能。 细胞表面的特化结构如：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。,膜骨架 膜骨架的概念 指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 红细胞膜的生物学特性 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架的结构,血影蛋白,锚蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白A,The organization of the major erythrocyte cytoskeletal proteins and their