细胞生物学-03细胞质膜

教学目的：理解和掌握细胞膜的结构与化学组成，对生物膜的结构有清晰的认识。理解和掌握膜的流动性和不对称性。教学难点：膜的结构及其特征教学方法：讲授、讨论教学学时：2学时,第四章细胞质膜,第一节细胞质膜的结构模型,E.Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter&F.Grendel1925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，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。,J.Danielli&H.Davson1935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。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。,J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。,S.J.Singer&G.Nicolson1972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”。,细胞膜又称质膜，是围绕在细胞最外层，由膜脂和膜蛋白构成。比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同？一、生物膜的结构模型双分子片层模型1925年Gorter和Grendel等人提出质膜由双层脂分子构成。1935年Danielli和Davson提出双分子片层模型(也称三夹板模型)(图4-2A)。单位膜模型1959年Robertson提出单位膜模型(图4-1),图4-1电镜超薄切片技术显示的细胞膜结构A：红细胞膜B：小鼠膀胱上皮细胞膜,图4-2生物膜的模型A：三明治式的质膜模型B：流动镶嵌模型C：生物膜模型,流动镶嵌模型1972年Singer和Nicolson提出流动镶嵌模型(图4-2B)。该模型主要强调膜的流动性；膜蛋白的分布不对称性。这是生物膜的基本特征。脂筏脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。,原子力显微镜观察（脂筏）,生物膜的主要特征根据已有的实验结果，生物膜具有如下共同特征(图4-2C)：镶嵌性膜的基本结构由脂双层分子层镶嵌蛋白构成，双层脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相。,流动性蛋白质和脂类分子具有相对侧向流动性。不对称性膜两侧的分子性质和结构不同。蛋白质极性多肽链的极性区突向膜表面，非极性部位埋在脂双层内。通透性,冷冰蚀刻技术,不对称性,二、膜脂成分膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇三种类型。磷脂磷脂构成了膜脂的基本成分，分为甘油磷脂和鞘磷脂。由极性头部和两条疏水尾部组成，为双极性分子。糖脂质膜中的糖存在方式：以糖蛋白或糖脂的形式存在于细胞膜。糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。合成场所:内膜系统中内质网和高尔基体是糖蛋白和糖脂的合成场所。,糖脂功能(举例说明糖脂的功能？)目前已发现40余种糖脂，不同的细胞中所含糖脂的种类不同。如红细胞质膜中糖脂对ABO血型的决定作用。ABO血型决定子是短的、分支寡糖链，即ABO抗原，它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。如A型血的人红细胞膜寡糖链末端是N乙酰半乳糖；B型血的人末端是半乳糖；O型则没有这两种糖；AB型血的人则在末端同时具有这两种糖。,图4-3磷脂的运动,胆固醇和中性脂质胆固醇主要存在于动物细胞，可调节膜的流动性、增加膜的稳定性及降低水溶性物质的通透性。某些细菌含有中性脂类。膜脂的运动方式膜脂分子的热运动方式：侧向运动；自旋运动；尾部摆动；翻转运动。,脂质体脂质体（liposome)：是人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊。将少量的磷脂放在水溶液中，它能够自我装配成脂分子团或脂双层的球状结构即脂质体。脂质体的应用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。在构建药物人工脂质体时，不仅要将被运载的分子或药物包入脂质体的内部水相，同时要在脂质体的膜上做些修饰，如插入抗体便于脂质体进入机体后寻靶。,图4-4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,三、膜蛋白类型根据膜蛋白与膜脂的关系，膜蛋白可分为：外在膜蛋白、内在膜蛋白和脂锚定膜蛋白。外在膜蛋白为水溶性蛋白，分布在膜表面，与膜结合较疏松，用温和的方法就可从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。内在蛋白多为跨膜蛋白，也有些插入脂双层中，与脂双层分子结合紧密。只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出。占70%-80%。,内在膜蛋白与膜脂结合的方式与膜结合的主要方式有3种。内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位。具体作用方式为：跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基形成螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分相互作用。某些螺旋的外侧是非极性链，内侧极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。某些跨膜蛋白的跨膜结构域常常仅有1012个氨基酸残基形成折叠结构。,膜蛋白的功能细胞质膜有着许多重要的生物学功能，这些功能大多数是由膜蛋白来执行的。膜蛋白中有些是运输蛋白，转运特殊的分子和离子进出细胞；有些是酶，催化与酶相关的代谢反应；有些是连接蛋白，起连接作用；还有些是受体，起信号接收和转导作用等。,去垢剂一端亲水另一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂，可使细胞膜分解。去垢剂有离子型去垢剂(如SDS)和非离子去垢剂(TritonX-100)。四、膜的流动性膜脂的流动膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的。,膜蛋白的流动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，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。膜流动性的研究方法细胞融合即细胞杂交成斑现象和成帽现象荧光漂白恢复技术,细胞融合,成斑现象和成帽现象,荧光漂白恢复技术,荧光漂白恢复技术：首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性，漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光光强度相等。用荧光标记的抗体与细胞膜上抗原反应，使细胞膜带有荧光，用紫外线照射，使一侧细胞的荧光淬灭，放置一段时间后会发现荧光物质又均匀分布在细胞表面。,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。,五、膜的不对称性细胞膜各部分的名称膜脂的不对称性是指膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性。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。各种生物膜的特征及其生物学功能主要由膜蛋白来决定的。,六、细胞膜的功能细胞质膜的主要功能：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输并伴随着能量的传递；细胞识别与信息传递；为多种酶提供结合位点；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成细胞表面特化结构。,细胞膜的功能,界膜和区室化调节运输功能定位与组织化信号的检测与传递参与细胞间的相互作用能量转换,细胞表面的特化结构包括膜骨架、鞭毛、纤毛、变形足和微绒毛等，它们都是细胞质膜与膜内细胸骨架纤维形成的复合结构，分别于维持细胞的形态、细胞的运动、细胞与环境的物质交换等功能有关。,第三节膜骨架,红细胞质膜蛋白及膜骨架膜骨架蛋白网络与细胞膜之间的连接主要通过锚蛋白。此外，带4.1蛋白还可以与血型糖蛋白或带3蛋白结合，起到与质膜连接的作用。SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析结果表明，红细胞的膜骨架成分主要包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白、带3蛋白，此外还有一些血型糖蛋白。,带3蛋白为跨膜1214次的内在膜蛋白，在细胞质基质一侧的结构域存在与膜骨架蛋白的结合位点,带3蛋白为跨膜1214次的内在膜蛋白，在细