化学细胞质膜

1、 第四章 细胞质膜 细胞质膜的结构模型 生物膜基本特征与功能 膜骨架 第一节 细胞质膜的结构模型 细胞膜(cell membrane),又称质膜(plasma membrane)指围绕在细胞最外层, 由脂类和蛋白质组 成的薄膜. 细胞内膜 生物膜(biomembrane) 。 细胞膜的结构模型(流动镶嵌模型) 膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白 一、生物膜的结构模型 1890s,E.Overton 发现了脂溶性物质容易透过细胞, 推测细胞膜由连续的脂类 物质组成。 1925年, 荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出 质膜的脂双层(lipid bilayer

2、)结构 6 电镜下的红细胞 实验结果证明红细胞膜脂与表面 积之比约为1.82.21。 但细胞质膜的表面张力比油水界 面的表面张力小得多, 加入蛋白质则 降低了表面张力.( ? ) 蛋白质-脂类-蛋白质三明治质膜结构模型 J.F.Danielli 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部; 变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经原质膜具特征性的成分; glycolipids Glycolipids 半乳糖脑甘脂 GM1神经节甘脂 唾液酸 Blood group antigens. ABO血型抗原是 一种糖脂, 其寡 糖部分决定抗原 特异性 3.胆固醇和中性脂1/3 胆固醇存在于

3、动物和少数植物细胞膜上， 细菌细胞不含胆固醇，某些细菌膜中含甘油 作用： 调节膜的流动性 增强膜的稳定性 降低水溶性物质的通透性 * Steroid * Amphipathic(两性分子) * Animal cells * Membrane fluidity “buffer” 胆固醇 固醇环 膜脂的功能 构成膜的基本骨架,去除膜脂,则使膜解体; 是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端 同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执 行特殊的功能; 膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活 性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细 菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。 有些膜蛋白只有在特异

4、的磷脂头部基团存 在时才有功能。 （二）膜脂的运动方式 六种主要方式 侧向扩散运动；旋转运动；摆动运动 伸缩震荡运动；翻转运动；旋转异构化运动。 是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂 双层的趋势而制备的人工膜. 分子团 脂质体 1. 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 2. 脂质体的应用 研究膜生物学性质 基因转移 作为药物载体 三、膜蛋白 是膜功能的主要体现者 占核基因组编码蛋白质的30%。 （一）、类型： 外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins )

5、 内在（整合）膜蛋白：(intrinsic/ integral membrane proteins) 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein） How Proteins Associate with the membrane 、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白 外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋 白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高 温度就可以从膜上分离下来。 一个蛋白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。 外周蛋白 离子键 氢键 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 (1)1至多个a-螺旋形成跨膜结构域 (2)b片层形

6、成疏水通道 2. 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与带负电荷的磷脂 分子头部结合, 或带负电荷的氨基酸残基通过钙离子等与磷 脂头部相互作用. 3. 某些膜蛋白在细胞质基质恻的半胱氨酸残基上结合脂肪酸分 子, 插入脂双层间, 加强膜蛋白与膜脂的结合 （二）内在蛋白与膜脂结合的方式 膜内在蛋白（intrinsic proteins） 两亲分子 螺旋 如: 带三蛋白 脂锚定蛋白分为两类： 糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外 小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白。 许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和 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。

7、脂锚定蛋白 （三）去垢剂（detergent) 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。 离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X- 100） 离子型 十二烷基磺酸钠（SDS) 作用剧烈，引起蛋白质变性 非离子型 Triton X-100 作用较温和 H3CC CH3 CH2 CH3 C CH3 CH3 (OCH2CH2)10OH H3CC CH3 CH2 CH3 C CH3 CH3 (OCH2CH2)10OH H3C(CH2)11OSO3Na+ SDS Triton X-100 膜蛋白的功能膜蛋白的功能 1、转运分子进出细胞 2、接受并传递信号

8、3、支撑连接细胞骨架成分和细胞间质成分 4、与细胞分化及细胞间连接有关 糖脂与糖蛋白糖脂与糖蛋白 糖-共价键- 脂 糖-共价键-蛋白 第二节 生物膜基本特征与功能 膜的流动性 膜的不对称性 基本功能 一 膜的流动性 膜脂的流动性和膜蛋白的流动性 , 主要由膜 脂双层的变化引起 （一）膜脂的流动 脂分子的侧向运动 1. 脂肪酸链长短 越短，流动性越大 2. 脂肪酸不饱和度 越高，流动性越大 3. 温度 相变温度。在细菌和动物细胞中常通过 增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变 温度以维持膜脂的流动性。 4. 胆固醇: 防止膜脂由液相 固相。 在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起 重要的双向调节作用

9、。 5. 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:酸碱度、离子强度等。 The structure of the lipid bilayer depends on the temperature. （二）、膜蛋白的流动性 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件 鼠、人细胞融合实验 淋巴细胞的成帽效应 光脱色恢复技术 1970年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验， 令人信服地证明膜的流动性。 人鼠细胞融合实验 淋巴细胞的成帽效应淋巴细胞的成帽效应 通过抗体交 联膜蛋白分子

10、聚集 成斑(patching)、 成帽(capping)的 现象也是膜蛋白在 膜平面侧向扩散的 例子。 54 （FRAP) 光脱色恢复技术 二、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。 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 ： E S ， 细 胞 外 表 面 （extrocytoplasmic surface）；EF，细胞外小页断面 （extrocytoplasmic face）；PS，原生质表面 （protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面 （protoplasmic face） 。 1 膜脂的不对称

11、同一种膜脂在膜的双分子层中呈不均匀分布 糖脂的分布完全不对称 磷脂在红细胞膜上的分布不对称性 质膜内小页 质膜外小页 SM:鞘磷脂 PC: 卵磷脂 PS:磷脂酰丝氨酸 PE: 磷脂酰乙醇胺 PI: 磷脂酰肌醇 CI:胆固醇 2 膜蛋白的分布不对称 在膜两侧分布不对称，如： 红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。 血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。 一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如： 5-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面； 腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。 3 膜糖的不对称 The biological

12、 role of asymmetry 膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命 活动的高度有序性。 膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要 是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。 细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠 分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。 三、细胞质膜的基本功能 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

13、序 地进行; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 第三节 膜骨架 细胞表面的特化结构如： 膜骨架(溶胶层) 鞭毛和纤毛 微绒毛 细胞变形足 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。 膜骨架的概念：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,位于细胞质膜下约 0.2m厚的溶胶层。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。 一、膜骨架 生物学功能和意义：膜骨架赋予细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。维持质 膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。

14、 1. 红细胞的生物学特性 无核和内膜体系 膜强度大且有弹性 质膜与膜骨架易分离 2. 血影 (ghost) 红细胞 低渗处理 质膜破裂 （释放内容物） 红细胞仍保持原来表面形态结构 的空壳，称为血影（ghost）。 二 红细胞的生物学特性 68 红细胞血影 红细胞膜(含膜骨架部分)大约有15种 主要的蛋白带, 其中有三种主要的 蛋白: 血影蛋白 (Spectrin)、 血型糖蛋白(Glycophorin)、 带3蛋白(Band 3 protein) 70 红 细 胞 膜 蛋 白 ？ 带3蛋白 带3蛋白约为红细胞膜蛋白的25%; 带3蛋白主要功能是作为Cl-/HCO3-的载体 带 3 蛋 白

15、的 功 能 血型糖蛋白 血影蛋白(Spectrin) 又称收缩蛋白，有两个相似的亚基亚基 （相对分子质量：220 000)，亚基(相 对分子质量：200 000)； 链和链反向平行排列, 扭曲成麻花状，形 成异二聚体； 两个异二聚体头-头连接成200nm长的四聚 体； 五个或六个四聚体的尾端一起连接于短的肌 动蛋白纤维和另一种蛋白质(带4.1蛋白), 形成“连接复合物”； 这些血影蛋白在整个细胞膜的细胞质面下 面形成韧性的网架结构。 血影经非离子去垢剂处理后, 所有的脂质和血型糖蛋白及大部分带3蛋白都 被溶去, 存留的部分即为纤维状的膜骨架蛋白网络及部分与之结合的膜内在蛋白. 膜骨架蛋白的主要

16、成分包括: 血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、 带4.1蛋白等，这些都是外周蛋白。 75 血影蛋白、肌动蛋白、带4.1蛋白连接方式 1.磷脂 phospholipids, 50%, 含有磷酸基团 （甘油磷脂,鞘磷脂） 生物膜磷脂特征： (1)1极性头+2非极性尾； (2)脂肪酸碳链为偶数(14, 16, 18 或20个碳原 子)； (3)饱和脂肪酸根（如软脂酸） 常含不饱和脂肪酸（如油酸, 300弯曲） glycolipids Blood group antigens. ABO血型抗原是 一种糖脂, 其寡 糖部分决定抗原 特异性 1. 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 脂锚定蛋白分为两类： 糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外 小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白