质膜的结构与功能.ppt

第二讲质膜的结构与功能主讲武梅 质膜 plasmamembrane 包在细胞外面 所以又称细胞膜 cellmembrane 它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障 更是细胞物质交换和信息传递的通道 围绕各种细胞器的膜 称为细胞内膜 质膜和内膜在起源 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 细胞的能量转换 蛋白质合成 物质运输 信息传递 细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系 图1动物细胞的结构 图2植物细胞的结构 一 Overviewofmembranefunctions1 Compartmentalization2 Scaffoldbiochemicalactivities3 Providingaselectivelypermeablebarrier4 Transportingsolutes5 Respondingtoexternalsignal6 Intercellularinteraction7 Energytransduction Asummaryofmembranefunctionsinaplantcell 二 膜的分子结构膜的分子结构模型 E Overton 1895 Gorter Gredel 1925 Danielli Davson 1935 Roberson单位膜模型 1959 Singer Nicolson流动 镶嵌模型 1972 Darnell分子结构 1986 2 质膜的化学组成 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 动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质 1 膜脂膜脂主要包括磷脂 糖脂和胆固醇三种类型 磷脂的结构 心磷脂 甘油磷脂主要类型有 磷脂酰胆碱 phosphatidylcholine PC 磷脂酰丝氨酸 phosphatidylserine PS 磷脂酰乙醇胺 phosphatidylethanolamine PE 磷脂酰肌醇 phosphatidylinositol PI 和双磷脂酰甘油 DPG 等 不同类型的甘油磷脂 鞘磷脂 sphingomyelin SM 在脑和神经细胞膜中特别丰富 亦称神经醇磷脂 它是以鞘胺醇 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 原核细胞和植物中没有鞘磷脂 鞘磷脂 糖脂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 其含量约占膜脂总量的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了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合 葡糖脑苷脂 糖脂的结构1 半乳糖脑苷脂 2 GM1神经节苷脂 3 唾液酸 胆固醇仅存在真核细胞膜上 含量一般不超过膜脂的1 3 植物细胞膜中含量较少 其功能是提高脂双层的力学稳定性 调节脂双层流动性 降低水溶性物质的通透性 胆固醇 2 膜蛋白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 左右的为膜蛋白 蛋白质的构造 球状和线状蛋白两大类 A 螺旋是较常见 每一轮有3 6 n 个氨基酸 每个氨基酸的平移距离是1 5 d 埃 轮间距为5 44 p 埃 所有的R基团远离螺旋轴 B 折叠 多肽链平行排列 蛋白质的结构之一 螺旋 折叠 膜蛋白的分类根据膜蛋白与脂分子的结合方式 可分为 整合蛋白 integralprotein 外周蛋白 peripheralprotein 脂锚定蛋白 lipid anchoredprotein ThreeclassesofmembraneproteinIntegralproteinstypicallycontainoneormoretransmembranehelicesPeripheralproteinsarenoncovalentlybondedtothepolarheadgroupsofthelipidbilayerand ortoanintegralmembraneproteinLipid anchoredproteinsarecovalentlybondedeithertoaphospholipidorafattyacidthatisembeddedinoneoftheleafletsofthelipidbilayer 整合蛋白 integralprotein distribution Freeze fractureanalysisthestructureandpropertiesa determiningmembranesidednessb identifyingtransmembranedomainsc bacteriorhodopsin 细菌视紫红质 Freezefracture atechniqueforinvestigatingcellmembranestructureIllustrationoffreezefractureReplicaofafreeze fracturedhumanerythrocyteSurfaceofanerythrocyte Anintegralproteinasitresideswithintheplasmamembrane TertiarystructureofthephotosynthesisreactioncenterofabacteriumasdeterminedbyX raycrystallograph Theproteincontainsthreedifferentmembrane spanningpolypepetides 嗜盐菌的紫膜斑及视紫红质分子 3 膜蛋白与脂层双分子层的结合方式a 许多膜蛋白伸入脂双层 在膜的两侧露出一部份大部份膜蛋白以单一 螺旋构象横过脂双层 有些多肽链是一次通过脂层并联的几条 螺旋伸展越过脂层b 一些多次跨膜的蛋白 其多肽链多次跨膜节段不是 螺旋 而是排列成封闭的 折叠片 通称为 筒 barrel c 周边蛋白由一个共价键经低聚糖付着在磷脂和磷脂先肌醇上 插入远离细胞质的单分子层中d 与膜结合 不伸入脂层的疏水区 而由非共价键与其他蛋白质相互作用 付着在膜上 蛋白与膜的结合方式 整合蛋白 脂锚定蛋白 外周蛋白 三 Thedynamicnatureoftheplasmamembrane1 Thepossiblemovementsofphospholipidsinamembrane2 Thediffusionofmembraneproteinsaftercellfusion3 Patternsofproteinmobilityfluorescencerecoveryafterphotobleaching FRAP techniquea membraneproteinsmovedmuchmoreslowlyinplasmamembranethantheywouldinapurelipidbilayerb asignificantfractionofmembraneproteins 30 70 werenotfreetodiffusebackintotheirradiatedcircle 影响膜流动性的因素a 胆固醇 胆固醇的含量增加会降低膜的流动性 b 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 c 脂肪酸链的链长 长链脂肪酸相变温度高 膜流动性降低 d 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 e 其他因素 膜蛋白和膜脂的结合方式 温度 酸碱度 离子强度等 Theuseofcellfusiontorevealmobilityofmembrane a Precedureofcellfusion b fusedcell c Theeffectoftemperatureonthediffusionofmembraneproteins Measuringthediffusionratesofmembraneproteinsbyfluorescencerecoveryafterphotobleaching FRAP a PrecedureofFRAPb Therateoffluorescencerecoverywithintheilluminatedspot 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 例如跨膜物质运输 细胞信息传递 细胞识别 细胞免疫 细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关 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 膜的不对称性质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异 称为膜的不对称性 膜脂 膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布 导致膜功能的不对称性和方向性 即膜内外两层的流动性不同 使物质传递有一定方向 信号的接受和传递也有一定方向等 样品经冰冻断裂处理后 细胞膜往往从脂双层中央断开 为了便于研究 各部分都有固定的名称 ES 质膜的细胞外表面 extrocytopasmicsurface PS 质膜的原生质表面 protoplasmicsurface EF extrocytopasmicface 质膜的细胞外小页断裂面 PF protoplasmicface 原生质小页断裂面 膜各个断面的名称 四 细胞被 cellcoat 动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构 称为细胞外被 cellcoat 或糖萼 glycocalyx 用重金属染料染色后 在电镜下可显示厚约10 20nm的结构 边界不甚明确 细胞外被是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的 实质上是质膜结构的一部分 细胞外被的作用有 a 保护作用b 细胞识别 细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关 细胞表面尚有寡糖的专一受体 对具有一定序列的寡糖链具有识别作用 c 决定血型 红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原 血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成 A型血的糖链末端为N 乙酰半乳糖 B型血为半乳糖 AB型两种糖基都有 O型血则缺少这两种糖基 五 质膜的功能 Fourbasicmechanismsbywhichsolutemoleculesmoveacrossmembrane A simplediffusionfromhightolowconcentration b simplediffusionthroughanaqueouschannel c facilitateddiffusioninwhichsolutemolecularbindspecificallytoamembranecarrier d activetransportbyaproteintransporter 一 被动运输 1 简单扩散也叫自由扩散 freediffusing 特点是 沿浓度梯度 或电化学梯度 扩散 不需要提供能量 没有膜蛋白的协助 不同物质透过人工脂双层的能力 2 协助扩散也称促进扩散 faciliatieddiffusion 其运输特点是 比自由扩散转运速率高 存在最大转运速率 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比 如超过一定限度 浓度再增加 运输也不再增加 因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和 有特异性 即与特定溶质结合 这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型 1 离子载体离子载体 ionophore 是疏水性的小分子 可溶于双脂层 提高所转运离子的通透率 多为微生物合成 是微生物防御被捕食或与其它物种竞争的武器 离子载体也是以被动的运输方式运输离子 可分成可动离子载体 mobileioncarrier 和通道离子载体 channelformer 两类 缬氨霉素的分子结构 短杆菌肽构成的通道 二 主动运输 主动运输的特点是 逆浓度梯度 逆化学梯度 运输 需要能量 由ATP直接供能 或与释放能量的过程偶联 协同运输 都有载体蛋白 主动运输所需的能量来源主要有 协同运输中的离子梯度动力 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 光驱动的泵利用光能运输物质 见于细菌 1 CouplingactivetransporttoATPhydrolysis Na KATPase 实际上就是Na K ATP酶 一般认为是由2个大亚基 2个小亚基组成的4聚体 Na K ATPasetransportcycle Na 1 bindtoprotein ATPishydrolyzed Ptransferredtotheprotein 2 changingitsconformation 3 andallowingNatobeexpelledtotheexternalspace Kbindtotheprotein 4 thenthePremoved 5 whichcausedtheproteintosnapbacktoitsoriginalconformation movingKtotheinsideofthecell 6 钠钾泵的一个特性是它对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上 导致构象的变化 所以也叫P type Na K 泵作用是 维持细胞的渗透性 保持细胞的体积 维持低Na 高K 的细胞内环境 维持细胞的静息电位 乌本苷 ouabain 地高辛 digoxin 等强心剂能抑制心肌细胞Na K 泵的活性 Mg2 和少量膜脂有助于提高其活性 2 钙泵 Ca2 pump 三 协同运输 cotransport 一类靠间接提供能量完成的主动运输方式 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度 而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵 动物细胞中常常利用膜两侧Na 浓度梯度来驱动 植物细胞和细菌常利用H 浓度梯度来驱动 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向 协同运输又可分为 同向协同 symport 与反向协同 antiport 四 膜泡运输 真核细胞通过内吞作用 endocytosis 和外排作用 exocytosis 完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输 在转运过程中 质膜内陷 形成包围细胞外物质的囊泡 因此又称膜泡运输 细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用 cytosis 1 吞噬作用细胞内吞