第四章-细胞质膜.ppt

第四章细胞质膜 本章内容提要 细胞质膜的结构模型生物膜的基本结构与功能膜骨架 本章教学目的与要求 1 了解生物膜的化学组成 2 掌握生物膜的结构模型 基本特征及其功能 3 理解膜骨架的概念 细胞质膜 plasmamembrane 又称质膜 曾称细胞膜 cellmembrane 是围绕在细胞最外层 由脂质和蛋白质组成的生物膜 在细胞内部包绕各种细胞器的膜 称为细胞内膜 质膜和细胞内膜在起源 结构和化学组成的等方面具有相似性 故总称为生物膜 biomembrane 生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础 基本概念 质膜表面寡糖链形成细胞外被 cellcoat 或糖萼 glycocalyx 质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构 除对质膜有支持作用外 还与维持质膜的功能有关 所以这部分细胞骨架又称为膜骨架 细胞外被 质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面 质膜的功能 细胞结构完整 内环境稳定及细胞与环境之间的物质 能量交换和信息传递 PLASMAMEMBRANEANDITSSURFACESTRUCTURES 细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系 细胞膜是细胞表面的核心结构 1895年 E Overton发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞质膜 而不溶于脂肪的物质不易透过细胞质膜 因此推测质膜由连续脂类物质组成 第一节细胞质膜的结构模型 一 生物膜的结构模型 2 1925年 E Gorter 戈顿 F Grendel 格伦德尔 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 因而推测细胞质膜由双层脂分子组成 3 1935年 J Danielli H Davson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 提出蛋白质 脂质 蛋白质的三明治式的质膜模型 三夹板模型 4 1959年 J D Robertson 罗伯逊 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片 显示出暗 明 暗三层结构 研究表明 它由厚约3 5nm的双层脂分子 明带 和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成 暗带总厚约7 5nm 当时认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道 供亲水物质过 由此发展了三明治模型 提出了蛋白质 脂质 蛋白质的单位膜模型 unitmenbranemodel 该模型认为 两暗夹一明 三层结构中的蛋白质层并非是球形蛋白质 因为球形蛋白质的直径 2nm 而是由单层肽链的 折叠形式的蛋白质 通过静电作用与磷酸极性端相结合 该模型提出各种生物膜在形态上的共性 但无法说明膜的动态结构变化及功能特性的多样化 但该模型提出的单位膜的概念一直沿用至今 后来 这一模型得到X射线衍射分析和电镜观察结果的进一步支持 而冷冻蚀刻技术显示了双层脂质中蛋白质颗粒的存在 免疫荧光标记技术等证明了该蛋白质的流动性 5 1972年 S J Singer 辛格 G Nicolson 尼科尔森 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 强调了膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性 流动镶嵌模型 根据Fluid mosaicmodel 细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成 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 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 该模型的主要论点是 1 流动的脂双层构成膜的连续主体 球形的膜蛋白质以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合 2 构成膜的脂双层具有液晶态的特性 它既有晶体的分子排列的有序性 又有液体的流动性 该模型的突出特点是 1 强调了膜的流动性 即膜蛋白和膜脂均可侧向运动 2 强调了膜组分分布的不对称性 即膜蛋白有的镶在表面 有的嵌入 有的横跨脂双分子层 该模型的不足之处 1 忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的限制作用 2 忽视了膜各部分流动性的不均匀性等 从而使人们又提出了一些新的模型 流动镶嵌模型的充实和完善 液晶态模型 板块镶嵌模型 脂筏模型 1975年 液晶态模型 该模型认为细胞膜所以具有流动性是由于脂类可逆地进行无序 液态 和有序 晶态 的相变过程 镶嵌蛋白对脂类分子的运动有控制作用 可使其周围的脂质分子形成界面脂 而不发生单独活动 两者相互作用共同构成膜中晶态部份 远离的脂质构成流动的液态 但该脂质是局部的 仅是小片的点状分布 1977年 板块镶嵌模型 该模型强调整个生物膜是由不同组织结构 不同大小 不同性质 不同流动性的可移动的膜块所组成 这些彼此独立移动的脂质区 有序的 板块 之间被流动的脂质 板块 无序的 所分割 两种 板块 之间可能存在一种连续的动态平衡 因而细胞膜实际上是同时存在有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构 这种结构使细胞膜的各部分的流动性处于不均一状态 并可随生理状态和环境条件的变化而发生晶态和非晶态的相变化 这种板块镶嵌模型有利于说明膜功能的多样性及调节机制的复杂性 1997 脂筏模型 lipidraftsmodel 1997年 K Simons 西蒙斯 等人提出富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 microdomain 该结构域约70nm左右 是一种动态结构 位于以甘油磷脂为主体的生物膜中 该微结构域形成相对有序的脂相 如同漂浮在脂双层上的 脂筏 一样 载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白他们就像一个蛋白质停泊的平台 与膜的信号转导 蛋白质分选 跨膜物质运输等均有密切的关系 Mechanismsofraftclustering a Rafts red aresmallattheplasmamembrane containingonlyasubsetofproteins b Raftsizeisincreasedbyclustering leadingtoanewmixtureofmolecules Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway 生物膜结构示意图 生物膜结构示意图 生物膜结构特征 1 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质 以疏水性尾部相对 极性头部朝向水相组成生物膜骨架 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 膜的流动性是生物膜的基本特征之一 是细胞进行生命活动的必要条件 2 蛋白质以不同的方式镶嵌在磷脂双分子层中或结合在表面 表现出分布的不对称性 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者 膜蛋白的类型 不对称分布及其与膜脂的协同作用赋予生物膜各自的特性和功能 3 生物膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成 是双脂层中嵌有蛋白质的二维溶液 而膜蛋白与膜脂 膜蛋白与膜蛋白及其与膜两侧其他大分子的复杂作用 在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性 同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏等结构 二 膜脂 生物膜的基本组成成分 一 成分 主要包括磷脂 糖脂和胆固醇三种类型 1 磷脂 phospholipid 膜脂的基本成分 50 以上 分为二类 甘油磷脂和鞘磷脂 其中甘油磷脂又包括 磷脂酰胆碱 卵磷脂 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰乙醇胺 脑磷脂 和磷脂酰肌醇等 磷脂的主要特征 具有一个极性头部和两个非极性尾部 心磷脂除外 脂肪酸碳链碳原子为偶数 大多数由16 18或20个组成 含有饱和脂肪酸 如软脂酸 和不饱和脂肪酸 如油酸 甘油磷脂 以甘油为骨架的磷脂类 在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团 胆碱 乙醇胺 丝氨酸或肌醇等分子靠磷酸基团连接到脂分子上 主要类型有 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine PC 旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine PE 旧称脑磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol DPG 旧称心磷脂 1 分子形式 不同形成的X基团形成不同的磷脂 磷脂酸 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱 磷脂酰甘油 磷脂酰肌醇 2 分子结构 Phospholipidsinplasmamembranes 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱 磷脂酰肌醇 Phospholipids 鞘磷脂 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 2 糖脂 糖脂大多分布在膜的外表面 不分布在膜的内表面 分子形式 由一个或多个糖残基 鞘氨醇 骨干 和两个脂肪酸链组成 glycolipids 糖脂是含糖而不含磷酸的脂类 普遍存在于原核和真核细胞的质膜上 含量约占脂总量的5 以下 在神经细胞膜上糖脂含量较高 约占5 10 糖脂也是两性分子 其结构与SM很相似 只是由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂 在髓鞘的多层膜中含量丰富 变化最多 最复杂的糖脂是神经节苷脂 其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基 神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分 功能 糖脂与细胞的抗原结构 受体 细胞免疫 细胞识别以及细胞癌变有着密切关系 Glycolipids 3 胆固醇 主要存在真核细胞膜上 含量一般不超过膜脂的1 3 植物细胞膜中含量较少 其功能是提高双脂层的力学稳定性 调节双脂层流动性 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 沿膜平面的侧向运动 其扩散系数为10 8cm2 s 是膜的基本运动方式 具有重要的生物学功能 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 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 二 膜脂运动方式 膜脂分子的运动 三 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 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质 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 脂质体的应用 脂质体的类型 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 a 三 膜蛋白 是膜功能的主要体现者 据估计核基因组编码的蛋白质中30 左右为膜蛋白 根据膜蛋白与脂分子的结合方式 可分为 外周蛋白 peripheralprotein 水溶性蛋白整合蛋白 integralprotein 水不溶性蛋白脂锚定蛋白 lipid anchoredprotein 一 膜蛋白的分类 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 tansmembraneproteins 是两性分子 占整个质膜的70 80 与膜的结合非常紧密 只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来 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 如离子型去垢剂SDS 非离子型去垢剂Triton X100 SDS Triton X100 脂锚定蛋白 lipid anchoredprotein 可以分为两类 糖磷脂酰肌醇 glycophosphatidylinositol GPI 连接的蛋白 GPI位于细胞质膜的外侧 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 细胞粘附分子等都是这类蛋白 另一类脂锚定蛋白与插入质膜内部的长碳氢链结合 多分布在质膜的内侧 integralprotein lipid anchoredprotein peripheralprotein 膜蛋白与膜双脂结合的几种方式 二 膜内在蛋白与膜脂结合的方式 膜内在蛋白多数为跨膜蛋白 tranmemblraneproteins 也有些插入脂双层中 它与膜结合的主要方式有 1 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用 2 跨膜结构域两端携带正电荷的AA残基与磷脂分子带负电荷的极性头部形成离子键 或携带负电荷的AA残基通过Ca2 Mg2 等阳离子与带负电荷的磷脂极性头部相互作用 3 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而插入脂双层中 还原少数蛋白与糖脂共价结合 膜蛋白的跨膜结构域 1 跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基 形成a 螺旋 其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用 2 某些a 螺旋既具有极性侧链 内侧 跨膜通道 又具有非极性侧链 外侧 3 某些跨膜蛋白中 如大肠杆菌和线粒体内膜上的孔蛋白 的跨膜结构域常常仅有10 12个氨基酸残基 形成 折叠片结构 反向平行的 折叠片相互作用形成特异的跨膜通道 研究手段 X射线晶体衍射技术和低温电镜技术 第二节生物膜的基本特征与功能 膜的流动性 膜的不对称性 膜的基本功能 一 膜的流动性 膜的流动性是生物膜基本特征之一 也是细胞进行生命活动的必要条件 由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成 一 膜脂分子的运动1 侧向扩散运动 同一平面上相邻的脂分子交换位置 2 旋转运动 围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转 3 摆动运动 围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动 4 伸缩震荡运动 脂肪酸链进行伸缩震荡运动 5 翻转运动 膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层 6 旋转异构化运动 脂肪酸链围绕C C键旋转 膜脂的各种运动示意图 影响膜脂流动性的因素 膜的流动性主要受膜分子本身的性质决定 一般来说 脂肪酸链越短 不饱和程度越高 膜脂的流动性越大 温度也影响膜脂的流动性 一般程正相关 在动物细胞中 胆固醇对膜脂的流动性其重要的双重调节作用 它既能与磷脂分子结合限制其运动的作用 又能将磷脂分子隔开使其更易流动的作用 二 膜蛋白的分子运动 膜蛋白的分子运动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 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一 原理 用荧光素标记膜蛋白或膜脂 然后用激光束照射细胞表面的某一区域 使被照射区的荧光淬灭变暗 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度 荧光脱色恢复技术 fluorescencerecoveryafterphotobleaching FRAP ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching FRAP 用光脱色恢复技术观察蛋白质运动 利用细胞融合技术观察蛋白质运动 荧光抗体免疫标记实验 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件例如物质运输 细胞识别 细胞信号转导等 与细胞生长发育 抗寒性有关 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 膜流动性的生物学意义 影响膜流动性的因素 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 脂质和蛋白质的相互作用 内在蛋白越多 界面脂越多 膜的流动性降低 六 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 一 细胞膜各部分的名称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 extrocytoplasmicsurface EF 细胞外小页断面 extrocytoplasmicface PS 原生质表面 protoplasmicsurface PF 原生质小页断面 protoplasmicface EF PF 小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻 二 膜脂的不对称性 同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布 如 PC和SM主要分布在外小叶 PE和PS分布在内小叶 用磷脂酶处理完整的人类红细胞 80 的PC降解 PE和PS分别只有20 和10 的被降解 膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域 脂筏 三 膜蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证 四 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 是完成其生理功能的结构基础 膜蛋白与糖蛋白的不对称性 生物膜结构的特征总结 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 膜的分相现象 七 细胞质膜的功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境 选择性的物质运输 包括代谢底物的输入与代谢产物的排除 并伴随着能量的传递 提供细胞识别位点 并完成细胞内外信息跨膜传递 为多种酶提供结合位点 使酶促反应高效而有序地进行 介导细胞与细胞 细胞与基质之间的连接 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构 膜蛋白的异常与某些遗传病 恶性肿瘤 甚至神经衰退性疾病相关 1 Definetheboundariesofthecellanditsorganelles 2 Serveaslociforspecificfunctions 3 provideforandregulatetransportprocesses 4 containthereceptorsneededtodetectexternalsignals 5 providemechanismsforcell to cellcontact communicationandadhesion 第三节膜骨架 细胞质膜常常与膜下结构 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以完成特定的功能 这些特殊的结构包括膜骨架 鞭毛和纤毛 微绒毛及细胞的变形足等 一 膜骨架 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 二 红细胞的生物学特性 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度 膜骨架是质膜下纤