广东医学院之医学生物细胞学课件

一 细胞膜及其表面 细胞膜及其表面 细胞膜 cellmembrane 又称质膜 plasmamembrane 是包围在细胞外的一层界膜 使细胞质与外界环境相隔开来细胞膜的形成是非细胞的原始生命演化为细胞生物的转折点和重要标志细胞膜的功能 构成边界屏障 保持内环境稳定 物质运输 能量和信息传递 免疫应答等 细胞内膜 endo membrane 在真核细胞内除了质膜以外的其他膜相结构生物膜 biologicalmembrane 细胞质膜和细胞内膜在起源 结构和化学组成等方面具有相似性 统称为生物膜单位膜 unitmembrane 生物膜在透射电镜下有共同的 二暗夹一明 的形态结构特征 也叫三夹板式结构 细胞膜及其表面 细胞膜的分子结构和特性 膜的化学组成膜脂 membranelipid 最基本成分 有磷脂 phospholipid 胆固醇 cholesterol 和糖脂 glycolipid 组成膜的基本骨架 磷脂 形成脂双层构成细胞膜的基本成分胆固醇 调节膜的流动性和稳定性糖脂 与细胞识别和信号转导有关膜脂分子结构的共同特点 具有亲水和疏水两部分 即一头亲水一头疏水 称为兼性分子或双亲媒性分子 amphipathicmolecule 细胞膜的分子结构和特性 磷脂是细胞膜最重要的脂类 主要磷脂有甘油磷脂 磷酸甘油酯 和鞘磷脂约占膜脂的50 以上主要特征 一个极性头 两个非极性尾 脂肪酸链 脂肪酸碳链为偶数16 18或20个碳原子常含有不饱和脂肪酸 如油酸 细胞膜的分子结构和特性 甘油磷脂由磷脂酰碱基 胆碱 乙醇胺 和脂肪酸链通过甘油基团结合以甘油为骨架 在骨架两端分别结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团 胆碱等分子籍磷酸基团连接到脂分子上磷脂酰胆碱 卵磷脂 PC 磷脂酰乙醇胺 脑磷脂 PE 磷脂酰丝氨酸 PS 磷脂酰肌醇 PI 细胞膜的分子结构和特性 鞘磷脂在脑和神经细胞膜中特别丰富以鞘胺醇为骨架 与一条脂肪酸链组成疏水尾部 亲水头部为磷酸化胆碱双亲媒性分子 细胞膜的分子结构和特性 胆固醇主体由四个联合在一起的碳环构成 与一条脂肪酸链组成疏水尾部双亲性分子 极性头为羟基团 非极性疏水结构为甾环和烃链降低水溶性物质的通透性 与磷脂的碳氢链有相互作用 阻止磷脂凝集成晶体结构 调节脂双层流动性 提高脂双层的力学稳定性 细胞膜的分子结构和特性 糖脂由脂类和寡糖组成 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 结构与鞘磷脂相似糖脂结构变化复杂 神经节苷脂是神经细胞膜中的特征性成分最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂 它只有一个半乳糖残基作为极性头部 变化最多 最复杂的糖脂是神经节苷脂 细胞膜的分子结构和特性 糖脂存在于膜的非胞质面 糖基暴露于细胞表面 可作为受体参与细胞识别及信号转导的过程 细胞膜的分子结构和特性 膜脂的结构特点决定了其独特的物理性质在水环境中磷脂分子相互聚集 极性头部与水接触 非极性疏水的尾部避开水而向着分子团内面 形成小球形的分子团在水量适宜时磷脂等分子能自发排列成双层片层形式或称液晶形式 又称脂双分子层 也可自我封合形成双层脂分子的球形脂质体 liposome 直径25 1000nm 细胞膜的分子结构和特性 膜蛋白 membraneprotein 膜功能的主要体现者 具有双亲性 amphipathic 占核基因组编码蛋白质的30 与膜脂分子的结合方式以及所在位置不同分为跨膜蛋白 transmembraneprotein 周边蛋白 peripheralprotein 脂锚定蛋白 lipid anchoredprotein 细胞膜的分子结构和特性 跨膜蛋白也称膜整合内在蛋白 integralprotein 或镶嵌蛋白 mosaicprotein 占膜蛋白的70 80 通过非极性氨基酸与膜脂双层的疏水区相互作用而嵌入膜内 多为兼性分子多肽链的疏水区 螺旋 跨越脂双层的疏水区 亲水的极性部分位于膜的内外表面 可跨膜一次或多次与膜的结合非常紧密 细胞膜的分子结构和特性 周边蛋白 peripheralprotein 通过非共价键如静电作用 离子键 氢键或其它较弱的键与膜脂的极性头部或膜内在蛋白结合主要分布在膜的内表面 水溶性 占膜蛋白的20 30 改变溶液的离子强度 提高温度等较温和条件下就可以从膜上分离下来 细胞膜的分子结构和特性 脂锚定蛋白 lipid anchoredprotein 又称脂连接蛋白 lipid linkedprotein 位于膜的两侧以共价键与脂双分子层紧密结合通过两种方式被锚定 与脂双层中的碳氢链形成共价键 或通过寡糖链间接与脂双层结合而被锚定在膜的外侧 细胞膜的分子结构和特性 膜蛋白的功能 机械支持 载体蛋白 受体 抗原 酶等 执行物质运输 信号转导 免疫反应等 细胞膜的分子结构和特性 膜糖 membranecarbohydrate 保护识别信息交流作用 占细胞膜质量的2 10 分布于细胞膜的外表面低聚糖与蛋白质多肽链的氨基端或脂类分子的亲水端共价结合形成糖蛋白 glycoprotein 或糖脂 glycolipid 形成糖萼 glycocalyx 或细胞外被 cellcoat 包括与细胞膜连接的糖蛋白和糖脂的寡糖侧链及膜蛋白聚糖上的多糖链 细胞膜的分子结构和特性 红细胞膜上ABO血型系统的各种血型抗原为糖脂或糖蛋白 其糖链结构基本相同 但末端糖基则各不相同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 细胞膜的分子结构和特性 膜脂生物膜基本骨架膜蛋白多种方式与脂双层结合膜糖质膜外表面 磷脂胆固醇糖脂 跨膜蛋白 整合内在蛋白 周边蛋白脂锚定蛋白 脂连接蛋白 与蛋白结合 糖蛋白与脂类结合 糖脂 细胞膜的化学组成 细胞膜的分子结构E Overton发现脂溶性物质容易透过细胞膜而非脂溶性物质相反 1902年推测细胞膜由连续的脂类物质组成1925年E Gorter和F Grendel等确认细胞膜由脂双分子层组成在此基础上提出了几十种不同的膜分子结构模型 细胞膜的分子结构和特性 片层结构模型 Lamellastructuremodel J Danielli和H Davson1935年发现质膜的表面张力比油 水界面的表面张力低得多 推测细胞膜除了脂类分子外还有蛋白质 提出片层结构模型即蛋白质 脂类 蛋白质的三夹板结构 三明治结构 细胞膜的分子结构和特性 J D Robertson1957年用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片 显示暗 明 暗的三层结构 提出单位膜模型 unitmembranemodel 生物膜具有类似结构 厚度基本一致 内 外层为蛋白质层染色深 厚度各为2nm 中间为脂类层染色淡 厚度为3 5nm 总厚度约7 5nm 两暗一明 的超微结构特征是正确的 细胞膜的分子结构和特性 S J Singer和G L Nicolson在1972年根据免疫荧光技术 冰冻蚀刻技术的研究结果 在 单位膜 模型的基础上提出 液态镶嵌模型 fluidmosaicmodel 流动的脂质双分子层构成膜的连续主体球状蛋白质分子镶嵌在脂质双分子层中 非极性部分嵌入而极性部分外露糖分子分布于膜外表面 细胞膜的分子结构和特性 强调了膜的动态性 脂类分子与蛋白质分子的镶嵌关系可以解释膜的生物学现象 被学界普遍接受但还不能说明膜如何保持相对完整性和稳定性有其他模型加以补充和完善 细胞膜的分子结构和特性 晶格镶嵌模型 脂蛋白和其周围的脂类分子构成膜的晶态部分 晶格 具有流动性的脂类呈小片的点状分布 这些晶格对于脂类分子的运动具有限制的作用板块镶嵌模型 生物膜是由同时存在的不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构 即处于有序结构的 板块 和无序结构的 板块 连续的动态平衡之中 细胞膜的分子结构和特性 脂筏 lipidraft 是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 microdomain 直径约70nm左右 是一种动态结构 位于质膜的外小页 outleaflet 鞘磷脂的长饱和脂肪酸链之间的作用力较强 致区域结构致密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 细胞膜的分子结构和特性 膜的主要理化特性膜的不对称性 asymmetry 即膜内 外两层在结构组分和功能上的差异膜蛋白的不对称分布 在各层中分布不均匀 每种膜蛋白分子都具有特定的方向性和分布的区域性 与其功能相适应膜脂的不对称分布 各层所含的磷脂种类有明显不同 同一种脂分子在脂双层中也呈不均匀分布 细胞膜的分子结构和特性 糖脂和糖蛋白中的糖链均分布在细胞膜的外表面膜结构的不对称性保证了膜功能的方向性 使膜的两侧具有不同的功能 细胞膜的分子结构和特性 膜的流动性 fluidity 膜脂的流动性脂质双层为液晶态 liquidcrystal 介于晶态与液态之间的过渡状态 既具有液体的流动性 又有固体分子排列的有序性随温度变化可产生液晶态 晶态 凝胶态 液晶态的相变 phasetransition 细胞膜的分子结构和特性 细胞膜的分子结构和特性 膜脂和膜蛋白在脂双层的单层平面内可以前后左右运动和彼此交换位置 但极少发生内外层之间的翻转运动在相变温度以上 液晶态 膜脂分子可有六种运动方式脂类分子的各种运动与膜结构的流动性关系密切 膜脂流动性的影响因素脂肪酸链的长短与不饱和度 链长流动性下降 链短则增强 饱和流动性下降 不饱和则增强胆固醇调节膜的流动性 相变温度以上胆固醇增加脂质分子的有序性而限制膜的流动 相变温度以下则能阻止磷脂分子互相聚集成晶态结构 细胞膜的分子结构和特性 环境温度 一定限度内 温度升高 流动性增强 反之下降 过高液晶态遭破坏 过低变为晶态膜蛋白 蛋白质嵌入 流动性下降卵磷脂和鞘磷脂的比值 比值升高 流动性增强 反之则减弱 细胞膜的分子结构和特性 脂肪酸链的饱和度越不饱和相变温度膜流动性 脂肪酸链的链长链越短相变温度膜流动性 胆固醇含量越多膜流动性 卵磷脂 鞘磷脂比例越高膜流动性 膜蛋白和膜脂的结合方式 膜蛋白的运动性侧向扩散 膜蛋白在膜脂中自由漂浮和在膜表面扩散旋转扩散 膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动 细胞膜的分子结构和特性 质膜的流动性是保证细胞正常功能的必要条件物质运输 能量转换 信息传递 细胞识别 免疫应答 细胞分化以及激素或药物的作用等都与膜的流动性密切相关 细胞膜的分子结构和特性 为细胞生命活动提供相对稳定的内环境选择性的物质运输提供细胞识别位点 完成内外信息跨膜传递为多种酶提供结合位点 使酶促反应高效而有序地