三年级二学期-2.质膜和细胞质

质膜和细胞质(plasma

membrane

&

cytoplasma)细胞生物学系质膜(plasma

membrane)概述质膜的化学组成与分子结构质膜的特性质膜的分子结构模型质膜与疾病质膜一、概述质膜（plasma

membrane，PM）细胞表面的组成部分，是将细胞内外

环境分开的一层单位膜。电镜下厚度为

6～10nm。为细胞的生命活动提供了相对恒定的内环境质膜（plasma

membrane，PM）内膜系统（endomembrane

system）内质网、高尔基体、胞内体、溶酶体、微体（过氧化物酶体）以及各种膜性小泡等双层膜包绕的细胞器线粒体、细胞核细胞膜(cellmembrane)曾指质膜，现泛指包绕细胞质和细胞器的界膜。生物膜(biomembrane)细胞内的所有膜相结构《细胞生物学名词》第二版2009

科学二、质膜的化学组成与分子结构膜质的脂类质膜的蛋白质质膜的复合糖类质膜的分子结构模型二、质膜的化学组成与分子结构（一）膜质的脂类生物膜上的脂类称为膜脂（membranelipid）主要有三类:磷脂(phospholipid)胆固醇

(cholesterol)糖脂(glycolipid)膜脂形成生物膜的基本骨架—膜脂亲水头部疏水尾部这种一端亲水一端疏水的分子称为双亲性分子（amphipathie

molecule）或兼性分子。磷脂脂肪酸烃链胆固醇二、质膜的化学组成与分子结构糖脂共价结合糖链的脂质为双亲性分子，其极性头为一个或数个糖基，非极性的尾部为两条烃链。不同类型糖脂的主要区别在于其极性头部的不同，它有一个或几个糖残基。二、质膜的化学组成与分子结构二、质膜的化学组成与分子结构人工膜-脂脂单层(monolayer)脂微囊(micelles)脂双层(bilayer)二、质膜的化学组成与分子结构（二）质膜的蛋白质–膜蛋白承担和执行质膜的各种功能，不同的细胞其膜蛋白的含量有极大差别二、质膜的化学组成与分子结构动物细胞质膜上包含各种酶蛋白、载体和通道蛋白、受体蛋白等。内在蛋白(intrinsic

proteins):整合蛋白(integral

proteins)、跨膜或镶嵌蛋白;外在蛋白(extrinsic

proteins):外周蛋白(peripheral

proteins)脂锚定膜蛋白(lipid

anchored

membraneproteins)蛋白质与膜脂的结合方式：①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白二、质膜的化学组成与分子结构蛋白质的修饰酰化蛋白质：蛋白质在N端的Gly残基发生酰化，并以烃链

于质膜的内层。如Src蛋白。异戊烯化蛋白质：蛋白质C端或附近的半胱氨酸残基的SH基与异戊二烯形成硫酯键，生成不饱和烃链

于质膜的内层。如

Ras蛋白。二、质膜的化学组成与分子结构GPI

(glycosylphosphotidylinositol)－锚定膜蛋白：蛋白质的C端通过磷

酸乙醇胺与GPI共价结合，并

借其烃链

于质膜的外层中。例如，癌胚抗原（CEA）二、质膜的化学组成与分子结构二、质膜的化学组成与分子结构（三）质膜的复合糖类分类糖蛋白(glycoprotein,GP)蛋白聚糖(proteoplycan,PG)糖脂(glycolipid,GL)二、质膜的化学组成与分子结构–糖蛋白(glycoprotein,GP)为共价结合糖的蛋白质，其糖链为分支的寡糖链，可分为：N-连接的糖蛋白天冬酰胺残基的氮原子（-NH2）与N-乙酰氨基葡萄糖的寡糖链共价结合形成-糖苷键的糖蛋白；糖基化位点：Asn-X-Ser/ThrO-连接的糖蛋白：Ser/Thr残基中的羟基氧(O)原子与N-乙酰氨基半乳糖寡糖链共价相连形成-糖苷键的糖蛋白；糖基化位点：GalNAc

α→Ser/Thr二、质膜的化学组成与分子结构蛋白聚糖(proteoplycan,PG)由

蛋白质与一至数百条糖链共价结合构成，其糖链为无分支的直链多糖，主要由重复的二糖单位构成，由于其二糖单位中普遍含有氨基糖（Ac或GalNAc）故称为氨基聚糖(Glycosaminoglycan,GAG)。二、质膜的化学组成与分子结构糖脂(glycolipid,GL)为共价结合糖链的脂质–高等动物的糖脂主要为鞘糖脂(glycosphingolipid,GSL)脂质部分为神经酰胺(ceramide,Cer)–神经酰胺由神经鞘氨醇(sphingosine)与脂肪酸构成含唾液酸的鞘糖脂称为神经节苷脂(ganglioside,Gg)二、质膜的化学组成与分子结构特点–糖萼的糖链结构复杂多变，可编码大量信息。糖萼所携带的

可能和遗传

一样重要，

因为它负责着细胞赖以生存的无数种识别功能。–动物细胞糖萼的特点是的唾液酸、硫酸化糖基、糖醛酸等带负电荷的糖残而使细胞表面呈现为负电性。二、质膜的化学组成与分子结构–细胞外被（cellcoat）富含糖类物质，故又称为糖萼（glycocalyx）。二、质膜的化学组成与分子结构膜糖类的功能：提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性；参与细胞的信号识别、细胞的粘着；细菌和

时的识别和结合位点。（四）质膜的分子结构流动镶嵌模型(fluid

mosaicmodel)Singer,

S.

J.

and

Nicolson,

G.

L.,

Science

1972;

175二、质膜的化学组成与分子结构二、质膜的化学组成与分子结构特点膜脂分子的极性头向外、非极性尾向内，尾对尾排列，形成脂质双分子层；膜蛋白由内在蛋白和外在蛋白构成；内在蛋白通过疏水区镶嵌在脂质双分子层中；外在蛋白主要靠静电力与膜的内或外表面相互用；生物膜具有“流动性”和不对称性。，脂筏模型(lipid

rafts

model)1997年K.Simons

et

al提出。Nature

387:569-572.生物膜脂双分子层中存在

由鞘磷脂与胆固醇富集而成

的有序的微功能域，这些微

功能域是鞘磷脂与胆固醇的

动态集合，如同“脂筏”一样脂筏上载着蛋白质。二、质膜的化学组成与分子结构J.

Biol.

Chem2002,.277:26966–26970二、质膜的化学组成与分子结构J.

Biol.Chem2002,.277:26966–26970–

该模型强调质膜的流动性并非是

，而是有相对

的“筏子”–不被去垢剂溶解的部分，又称为detergent-insolubleglycolipid

riched

s(DIGs)或detergent-resistant

fractions(DRF)–55－300nm–组分胆固醇和鞘脂（鞘磷脂和鞘糖脂）；多种蛋白质脂质双层脂筏不同质膜外叶主要含有鞘脂、胆固醇及GPI－锚定蛋白；质膜内叶主要含有许多酰化蛋白质，特别是信号转导蛋白主要功能信号分子和信号复合物的组织者，调节各种受体的功能和协调各种信号途径;参与各种细胞生物学过程，包括细胞增殖、凋亡、黏附、骨架组装、迁移、极化、突触传递和内化/外排时质膜蛋白质的拣出，以及

。二、质膜的化学组成与分子结构三、质膜的特性质膜的不对称性–膜脂的不对称性–膜蛋白的不对称性–质膜上复合糖的不对称性–质膜功能的不对称性质膜的流动性–膜脂分子的运动–膜蛋白分子的运动–影响膜脂流动性和膜蛋白运动性的各种因素三、质膜的特性质膜的流动性膜脂分子的运动侧向扩散(lateral

diffusion)

：在同一个单分子层内脂类分子与其邻近的分子交换位置。自旋运动(rotation)：脂分子围绕与膜平面垂直的纵轴进行的旋转运动。弯曲运动(flexion)或摆动：膜脂分子尾部的左右摆动伸缩振荡运动翻转运动(flip-flop)：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层的运动。碳氢链的异构化互变三、质膜的特性质膜的流动性–膜蛋白分子的运动侧向扩散：许多膜蛋白在膜脂中漂浮和在膜表面扩散旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动三、质膜的特性质膜的流动性影响膜流动性的因素脂肪酸链的长度与不饱和度的影响：脂肪酸链越短、不饱和度越高，流动性越大。胆固醇的影响：降低细胞膜的流动性卵磷脂和鞘磷脂比例的影响：卵磷脂不饱和程度高，卵磷脂和鞘磷脂比例升高，膜的流动性增加。蛋白质的影响：膜蛋白与膜脂分子的相互作用影响了膜的流动性。膜内在蛋白越多，膜的流动性就越小。其它因素：温度、离子浓度等。四、质膜的生物学功能质膜的保护和屏障作用质膜内外物质的交换：选择性物质质膜与细胞的识别和粘合、连接和通讯质膜的跨膜信号转导质膜中的酶参与物质代谢和信号转导五、质膜与疾病肿瘤耐药性的产生多药耐药性HIV T细胞多药耐药性（Multidrug

)指肿瘤细胞

存在或经化疗药物诱导后来的对一种抗肿瘤药物出现耐药的同时,对其他结构不同,作用靶位不同的抗肿瘤药物也有抗药性。细胞表面表达的ABC超

转运蛋白p-gp/ABCB1，MRP/ABCC1和MXP/ABCG2的高表达导致肿瘤耐药性的产生。HIV

T细胞HIV通过表面糖蛋白gp120和膜蛋白gp41多聚体与CD4分子结合，在CXCR4或CCR5帮助下，

外膜与宿主细胞膜融合，进入宿主细胞内。CXCR4gp41HIV/TCell本章要点质膜的化学组成质膜的特性脂筏模型(lipid

rafts

model)细胞质(cytoplasma)细胞质基质(cytosol)核糖

白体

(ribosome)蛋白酶体(proteasome)细胞质是指细胞质膜以内、细胞核以外的部分。

包括：细胞质基质(cytosol)、细胞器(organelle)和内含物(inclusion)等。单层膜的细胞器/内膜系统内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、膜性小泡等双层膜的细胞器：线粒体、叶绿体不具有界膜的结构：细胞骨架系统、核糖 白体、蛋白酶体、中心体等细胞质(cytoplasm)细胞质(cytoplasm)第一节细胞质基质(cytosol)第三节蛋白酶体(proteasome)第一节细胞质基质(cytosol)真核细胞的细胞质中除去可分辨的有形结构以外的胶状物质曾用名：细胞液(cellsap)、透明质(hyaloplasm)、胞质溶胶(cytosol)、可溶相(soluble

phase)、细胞质基质(cytoplasmic

matrix/cytomatrix)等cytosol：生化学家多采用的名称，指通过差速离心方法分离细胞匀浆中的各种有形成分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存在于上清液中的主要成分细胞质基质的化学组成小分子：水、无机离子等中分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等大分子：蛋白质、RNA、多糖等蛋白质占约20～30％蛋白质核糖核蛋白体RNA细胞组分体积百分比细胞质基质54线粒体22粗面内质网9滑面内质网和高尔基体6细胞核6过氧化物酶体1溶酶体1胞内体1肝细胞中细胞质基质及主要细胞器所占体积百分比细胞质基质的功能参与许多中间代谢过程–糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与部分分解过程等参与蛋白质的的蛋白质、在细胞质基质中

的蛋–在内质网腔白质蛋白质的修饰与选择性降解与细胞质骨架相关的功能蛋白酶体(proteasome)真核生物中蛋白质的降解有两条途径②溶酶体内降解过程①依赖泛素(Ubiquitin-proteasome

pathway，UPP)的降解过程依赖ATP降解异常蛋白短

蛋白需要进行数量调控的蛋白质靶蛋白不依赖ATP利用组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白膜蛋白长

的细胞内蛋白蛋白酶体泛素The

ubiquitin-proteasome

systemNobel

prize

in

chemistry,

2004Avram

HershkoAaron

CiechanoverIrwin

Rose26S蛋白酶体由一个20S颗粒（CP）和1-2个19S调节颗粒（RP）组成。活性部位26S蛋白酶体蛋白酶体的结构真核细胞中蛋白酶体存在于细胞质和细胞核,是真核细胞中分解内源性蛋白质的主要酶系统。真核细胞中蛋白酶体在密度梯度离心中的沉降系数为26S，故又称其为26S蛋白酶体。26S蛋白酶体

颗粒的沉降系数为20S，又称20S蛋白酶体，是26S蛋白酶体的催化。20S蛋白酶由4个环组成，每个环有7个亚单位。中间两个内环是β亚单位环，组成中心腔（central

,

CC），腔内侧是催化活性位点所在。外环是α亚单位环，组成外腔(antechamer,AC)，形成，控制底物的进出，仅允许解折叠的多肽通过。中心腔通过一狭窄缢痕，缢痕与β亚单位和α亚单位相连。真核20S蛋白酶体由两个旋转方向相反的环形成二聚体结构。1)20S蛋白酶体β亚单位真核生物中，S蛋白酶体的β亚单位环上各有3个活性位点(，

，

)，共6个活性位点。3个活性β-亚单位以前体形式存在，经自身剪切，使活性中心的苏氨酸残基

于成熟亚单位的N-端。β亚单位环上3个活性位点分别对蛋白质的疏水性、碱性、酸性氨基酸残基的羧基端进行水解，即分别具有糜蛋白酶样（chymotrypsin-like）活性胰蛋白酶样（trypsin-like）活性肽-谷氨酰-肽水解(peptidylglutamyl-peptide

hydrolysing，PGPH)活性。1)20S蛋白酶体β亚单位1)20S蛋白酶体疏水性-aa糜蛋白酶样活性

碱性-aa胰蛋白酶样活性酸性-aa肽－谷氨酰肽水解活性β亚单位活性位点靶蛋白水解部位酶活性1)20S蛋白酶体α亚单位控制着被降解底物进入蛋白酶体α环

口被α亚单位N末端肽链所占据，α环完全关闭α

3亚单位控制环口的关闭7个亚单位均无催化活性，但可提供调节亚单位复合体的锚定位点含核定位信号，可标定蛋白酶体进入核内。允许降解产物出蛋白酶体2)19S调节颗粒位于20S蛋白酶体的一端或两端，与20S蛋白酶体结合后可显著提高其活性。19S复合体由17个不同的亚单位构成，这些亚单位又分为两部分：盖部

(

lid

plex)基底部(baseplex)去泛素化作用连接基底部和盖部参与靶蛋白的识别泛素－蛋白酶体系统对蛋白质的降解降解的蛋白质种类错误折叠或异常的蛋白质/内质网应激需要进行数量调控的蛋白质N端原则(N-endrule):蛋白质的半寿期与N-末端的氨基酸残基的关系。蛋白质开始

时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，

后被特异的氨基肽酶水解，然后由氨酰-tRNA蛋白质转移酶(aminoacyl-tRNA-proteintransferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。N-末端氨基酸为蛋氨酸的蛋白质半衰期大于20小时N-末端氨基酸为精氨酸的蛋白质半衰期仅2分钟1)靶蛋白的选择蛋白质半寿期与N末端氨基酸序列的关系N端氨基酸残基半寿期（t1/2）稳定的氨基酸残基Met，Gly，Ala，Ser

，Thr，Val>20h不稳定的氨基酸残基Ile，Gln~30minTyr，Glu~10minPro~7minLeu，Phe，Asp，Lys~3minArg~2min1)靶蛋白的选择降解信号（泛素化降解的对象）：周期蛋白（M期周期蛋白和G1期周期蛋白）破坏框(destruction

box)Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asp/Asn

(X：任意氨基酸)PEST序列（Pro-Glu-Ser-Thr）蛋白质疏水–当发生变性、中的信号：折叠、被氧化或其他

修饰时，则可

在分子表面，从而被泛素蛋白连接酶E3作为降解信号识别1)靶蛋白的选择在真核细胞的细胞质基质中，识别蛋白质中不稳

定的氨基酸残基信号，准确的将该种蛋白质降解，依赖于泛素。在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有降解信号的蛋白质分子，然后26S蛋白酶体将靶蛋白完全水解。2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)一种普遍存在于真核细胞中的小分子蛋白质，由76个氨基酸残基组成。真核细胞中，泛素分子结构高度保守。X线衍射分析，泛素呈紧密的球状结构，包括4个β片层和1个α螺旋，共形成三个半转角。热稳定蛋白质2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)泛素通过共价键与其它蛋白质相结合。泛素本身并不降解蛋白质，它仅作为一个标记需要被降解的靶蛋白。泛素羧基端的C-Gly76

与蛋白质或下一个泛素分子lys-的-氨基共价连接，形成异肽键(-isopeptide

bond)，由ATP供能。泛素分子有7个赖氨酸残基（K6，K11，K27，K29，K33，K48和K63），一旦有泛素分子连接到靶蛋白上，下一个泛素分子的羧基端又可以连接到前一个泛素分子的赖氨酸残基上，形成多聚泛素链。K48

型泛素链和K29

型泛素链进入蛋白酶体降解途径。各个泛素分子单体之间连接的位点主要是lys48，在某些情况下也可能是lys63、lys29。2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)依赖ATP的酶促反应过程，涉及：泛素活化酶(E1)泛素结合酶(E2)泛素蛋白质连接酶(E3)泛素包括三个步骤化：E1激活泛素分子；活化的泛素转移到E2上；E2负责提供与靶蛋白结合的泛素分子E2不识别靶蛋白E3具有识别靶蛋白的功能。在E3的作用下，泛素分子转移到靶蛋白上；靶蛋白标记了多个泛素分子，泛素化后，通过蛋白酶体的作用被水解。进一步的循环产生多聚泛素。2)靶蛋白的泛素化5.靶蛋白被降解成小的肽片段；靶蛋白的泛素化分解信号：26S

的蛋白酶体识别多聚泛素化的蛋白质最少含4个G76-K48

异肽键的泛素链26S蛋白酶体对底物的降解：processive方式，没有降解中间产物的降解产物：3~25个氨基酸残基，其长度的分布呈对数正态分布。在细胞内的环境中，蛋白酶体的肽产物是不稳定的，其绝大部分被一系列下游的蛋白酶和氨基肽酶水解，形成

氨基酸。3)蛋白质酶体对泛素化蛋白质的降解26S蛋白酶体对靶蛋白的降解过