细胞质膜及其表面结构

第四章质膜及细胞表面PlasmalemmaandCellSurface,细胞质膜（plasmamembrane）亦称细胞膜（cellmembrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。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（internalmembrane）。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。,质膜厚度：6-10nm.基本结构:脂质双分子层，蛋白质嵌合在脂质双分子层中。质膜是动态的流动结构，膜脂和膜蛋白两类分子围绕着膜的平面做各种运动。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。,主要内容,第一节质膜的化学组成第二节生物膜的结构第三节细胞表面的分化,第一节质膜的化学组成,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。1.1膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。,（一）、磷脂构成膜脂的基本成分，约占50。主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具有4个非极性的区域。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,极性头部基团,非极性尾部基团,脂肪酸,胆碱,磷酸,甘油,脂肪酸链,A.磷脂酰基胆碱中磷脂分子示意图；B:结构式;C:空间模型,顺式双键,顺式双键,1、甘油磷脂:以甘油为骨架；在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，而磷酸基团又可分别将胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等连接到脂分子上。,主要类型有：磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂）；磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。,2、鞘磷脂（sphingomyelin，SM）脑和神经细胞膜中极丰富，亦称神经醇磷脂。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。,（二）、糖脂,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，占膜脂总量5以下。神经细胞膜上含量较高，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。最简单：半乳糖脑苷脂，只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；最复杂：神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。,葡糖脑苷脂,一些糖脂的结构1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸,（三）、胆固醇,仅存在真核细胞膜上，不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能：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。（如：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。）,（四）、脂质体（liposome）,一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25-1000nm不等。用途：转基因，或制备药物。利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。,1.2膜蛋白,生物膜所含的蛋白，是生物膜最为重要的成分，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。在膜中，蛋白质的种类和数量反映膜功能的复杂程度。功能复杂的，蛋白质含量高。动物细胞主要有9种膜脂，而膜蛋白的种类繁多，多数膜蛋白分子数目较少，但却赋予细胞膜非常重要的生物学功能。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integralprotein，膜内在膜蛋白，跨膜蛋白）、外周蛋白（peripheralprotein，膜周边蛋白）和脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。,整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，一般不易分离开来，只有用去垢剂（detergent）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。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有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成；二是由两性折叠组成。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。,脂锚定蛋白：通过与之共价相连的脂分子（如脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子层中，从而锚定在细胞质膜上。与脂肪酸结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜内侧，与糖脂相结合的脂锚定膜蛋白多分布在质膜外侧。可分两类:一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，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、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）的和亚基。,膜蛋白与膜脂的结合方式:六种,1.单一的-螺旋跨膜，只穿膜一次，N端和C端分别在膜的两侧。2.-螺旋链多次跨膜，多肽链的N端和C端分别在膜的两侧。3.膜内的表面膜蛋白，以脂肪酸链或异戊二烯基插入细胞质一侧的单层膜内。4.蛋白质与寡糖、糖脂或肌醇磷脂结合，并以其脂肪酸链插入非胞质一侧单层膜内锚定。5、6是位于膜内或膜外的蛋白质以非共价键形式依附于其他跨膜蛋白上。,膜蛋白的提取：去垢剂分离和纯化整合膜蛋白与膜脂间的结合牢固，必须用去垢剂使膜崩解后才能提取。去垢剂是一种一端亲水，一端疏水的两性分子，是分离与研究膜蛋白常用的试剂。它不仅使膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其与膜分离，还能破坏蛋白内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象。常用：SDS（离子型）和TritonX-100（非离子型），其中SDS作用较剧烈，会引起蛋白质变性，因此要得到有生物活性的膜蛋白，常用非离子型去垢剂。,去污剂胶团,水溶性蛋白-脂质-去污剂复合体可溶性脂质去污剂混合胶粒,用去污剂溶解膜蛋白。去污剂破坏脂双层，把蛋白质溶于溶液中，形成蛋白质-脂质-去污剂复合物。膜上的磷脂也被去污剂溶解。,去污剂单体,Review:去垢剂（detergent）,去垢剂(表面活性剂)是一类即具有亲水基又具有疏水基的物质，一般具有乳化、分散和增溶作用。可分阴离子、阳离子和中性去垢剂等多种类型，中性去垢剂在蛋白提取中应用的较多。A中性去垢剂又称非离子表面活性剂，对蛋白质的变性作用影响较少，宜于蛋白质或酶提取之用。一般市售中性去垢剂有聚乙二醇类，如PEG200；多元醇类表面活性剂，如山梨醇、司盘类和吐温类；聚氧乙烯脂肪醇醚，如苄泽类、平平加类；聚氧乙烯烷基苯酚醚，如IgepalCO、乳化剂OP、Triton、Pluronic(用作消泡剂、润湿剂、增溶剂)、泡敌。中性去垢剂作用后可通过SephadexLH-50柱除去；也可直接上DEAE-Sephadex柱层析分离目的蛋白，不必先除去去垢剂。B阴离子去垢剂常见的有十二烷基硫酸钠和十二烷基璜酸钠。前者可促进核蛋白的溶解，将核酸释放出来，并对核酸酶有一定抑制作用，常用于核酸的提取。C阳离子去垢剂如洁尔灭、新洁尔灭、CTAB、CPC、ZEPH、克菌定、消毒净（TMPB）、杜灭芬等，消毒灭菌类居多。,D天然表面活性剂又称为生物表面活性剂，包括种类较为广泛，如各种树胶（阿拉伯胶、杏胶、桃胶、果胶）、明胶、皂甙、卵磷脂、豆磷脂、琼脂、海藻酸钠、酪蛋白、胆甾醇、胆酸类、多糖类（如环糊精）等。E两性表面活性剂在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质，起泡性好，去污力也强；在酸性溶液中则呈现阳离子表面活性剂特征，其杀菌性很强。蛋白质变性剂的作用是破坏蛋白质的次级键，如氢键、盐键和疏水力，引起天然构象的解体；它们并不破坏共价键，如肽键和二硫键，故不涉及一级结构的改变。变性剂有溶解型和沉淀型两类，SDS、尿素和胍盐是有效的溶解型变性剂，而三氯乙酸、甲醇、和氯仿/异戊醇是有效的沉淀变性剂。,第二节生物膜的结构,已知质膜的主要成分是脂类、蛋白质和少量的糖类，那么这些组分在膜中是如何排列和组织的，它们之间如何相互作用？关系到膜的分子结构问题，历史上曾经提出很多模型。主要有片层结构模型、单位膜模型、流动镶嵌模型和脂筏模型。,2.1质膜的结构模型(一)片层结构模型认为细胞有质膜的存在经历了很长的历程。最早的工作是质膜通透性的研究。1895年，E.Overton发现凡是溶于脂肪的物质很容易穿过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质则不容易穿过膜。因此推测，细胞膜是由一层脂类物质所组成。,1917年，Langmuir设计出了膜平衡技术（filmbalance)。,根据所投入的脂分子数，即可计算出单个脂分子所占的面积（如一个硬脂酸分子所占面积约为0.2nm2)。用这种方法也可测定单脂分子层的厚度，硬脂酸的厚度约为2.5nm。当把玻片插入浮有单层脂分子的水中时，玻片表面可吸附上单层脂分子膜。,从真核细胞分离纯净的质膜很困难，主要受内膜的污染。红细胞没有细胞内膜结构和细胞核。经低渗处理后，造成溶血现象，血红蛋白和无机盐等被溶出细胞外，剩下的空壳称为血影。把血影的脂类物质抽提出来，在水面上铺成单分子层。1925年，荷兰科学家E.Gorter和F.Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞膜的膜脂成分并测定膜脂单层分子在水面的铺展面积，发现它为红细胞表面积的二倍，提示了质膜是由双层脂分子构成的。,球形蛋白磷脂双分子层球形蛋白,这个模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，其疏水脂肪酸链在膜的内侧彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。这一模型影响达20年之久。,1935年，J.Daniell（2）无法显示各种膜的功能的不同;（3）各种不同细胞和同一细胞中的不同部分膜的厚度实际上并不都是7.5nm。60年代以后，应用一系列新技术，证明膜中的蛋白质和脂类分子主要以疏水键相结合。电镜冰冻蚀刻技术：脂类双分子层中心部分有蛋白质颗粒分布。红外光谱分析：膜蛋白不是折叠结构而是-螺旋的球状结构。荧光标记和细胞融合实验：生物膜具有液体的性质。,(三）流动镶嵌模型1972年S.J.Singer(2)不饱和链的含量和长度;(3)卵磷脂与鞘磷脂的比值;(4)其他因素,3.膜蛋白的流动膜蛋白的运动方式膜蛋白在一定条件下，可发生位置上的变动，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（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）和细胞融合技术检测侧向扩散（平面移动）。证明膜蛋白在平面移动的直接证据来自1970年David等设计的膜蛋白运动实验：标记时间延长后，抗体可诱导抗原蛋白成斑和成帽现象,最后引起内吞。,淋巴细胞经专一抗体处理后的变化,异核体,在鼠-人杂种细胞上质膜蛋白互相混合的实验表明，最初，鼠和人的蛋白质仅局限在新形成的异核体质膜中各自的半边，但随着时间的推移，它们又交混在一起。,H-2抗原,HLA抗原,4.影响膜蛋白运动的因素：膜蛋白的运动受到其所处微环境的制约。（1）周围膜脂的性质和相态；（2）质膜相关结构的作用；（3）细胞骨架的作用。等如在极性细胞中还被某些特殊的结构（如紧密连接）限定在细胞表面的某个区域。,复合连接体,锚定蛋白,血影糖蛋白,内收蛋白,血影蛋白二聚体,原肌球蛋白,一种蛋白的移动可影响其他蛋白也跟着移动，这是因为在质膜表面和细胞质中的细胞骨架相联系，这些微管和微丝的活动对质膜以及膜中蛋白的移动有一定影响。,精子的头、颈、尾蛋白不能相互流动,5.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。,2.3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。1.膜脂的不对称性同一种膜脂在脂质双分子层上分布是不对称的。但不是绝对的，仅在含量和比例上有差异。,含胆碱的磷脂多分布在外层；胆固醇的分布集中于细胞膜的外层，糖脂也存在于外层。含氨基的磷脂多分布在内层；带有负电荷的磷脂酰丝氨酸位于内层，其结果是两个单层间有明显的电荷差。,糖脂,磷脂酰胆碱和鞘磷脂,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸,由于膜上磷脂更新率很高，这种不对称性的维持与磷脂的合成、交换、转移和降解都有密切关系。脂质双层不对称性的生理意义目前还不大清楚，但它可以使膜的两层流动性有所不同，有助于维持膜蛋白的极向。保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能。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。,2.膜蛋白的不对称性每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。如细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的方向传递信号和转运物质。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。用冰冻蚀刻技术得到生物膜的两个剖面，清楚看到，膜蛋白分布有明显差异。与细胞膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白，其糖残基均分布在质膜的细胞外表面（ES面）。而起骨架作用的蛋白分布在原生质的表面（PS面），如血影蛋白。,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（extrocytopasmicsurface），质膜的细胞外表面；EF（extrocytopasmicface），质膜的细胞外小页断裂面；PS（protoplasmicsurface），质膜的原生质表面；PF（protoplasmicface），原生质小页断裂面。,3.复合糖的不对称性膜糖脂是组成膜结构的成分，主要与膜脂、膜蛋白以共价键形成膜糖脂和膜糖蛋白，分布在膜的表面，仅三个糖基连在一起就能形成1000多种不同的糖。膜蛋白结合的糖类主要有：中性糖（D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖）氨基糖（D-半乳糖胺、D-葡萄糖胺以及氨基糖等）。特点：所有的糖类都在细胞的外面，真核细胞表面上的静电荷主要是由膜糖脂造成的。无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。,整合膜蛋白,外周蛋白,细胞骨架纤维,糖糖蛋白糖脂,胆固醇,2.4细胞质膜的功能生物膜的结构模型与生物学特征也基本适于细胞质膜，但要指出的是，细胞质膜作为细胞内外边界，其结构上更为复杂,功能更为多样。为细胞的生命活动提供相对稳定的环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出，其中伴随着能量的传递；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信号跨膜转导；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序进行；介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。膜蛋白的异常表达与某些遗传病、恶性肿瘤，甚至神经退行性疾病相关。很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。,第三节细胞表面的分化,细胞表面不是平整的，有许多特化结构如：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。,3.1细胞外被,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）。用重金属染料如钌红染色后，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。,糖链构成的细胞外被,细胞外被的作用,1、保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜。2、细胞识别：细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时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。因此，细胞识别实质上是分子识别。(物以类聚),1955年，Townes和Holtfreter把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。,3、决定血型：血型实质：不同红细胞表面抗原差别所形成的。人有20几种血型，最基本的血型是AB0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、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。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。,4.具有酶活性,细胞外被中有的糖蛋白具有酶活性。如小肠上皮细胞的游离端，表面上的糖萼即与消化有关。有的糖蛋白是消化酶，有的则为整合蛋白。有的酶为受体蛋白，在细胞信号转导中发挥重要作用。,3.2膜骨架,质膜下约0.2m厚的溶胶层，与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构(meshwork)，参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料（血影）。此系统赋予红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。还存在其他膜骨架结构，但体系复杂。,糖萼与微绒毛,（一）微绒毛（microvilli,）细胞表面伸出的细长指