-细胞质膜课件

第四章细胞质膜及其表面结构PLASMAMEMBRANEANDITSSURFACESTRUCTURES本章内容提要第一节质膜的化学组成一、膜脂二、膜蛋白第二节质膜的结构一、质膜结构的研究历史二、质膜的流动镶嵌模型三、细胞膜的功能第三节细胞表面的分化一、细胞外被二、膜骨架三、质膜的特化结构

膜的概念：

细胞膜(cellmembrane)：是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜。它既是细胞质与外环境之间的一道屏障，又是细胞与外环境之间进行物质、能量的交换和信息传递的特别通道。

内膜系统(endomembranesystem)细胞膜外的其他膜结构，是许多细胞器的界膜。

生物膜(biomembrane)：细胞膜和细胞内膜统称为生物膜。

单位膜(unitmembrane)：在透射电镜下呈现为“两暗夹一明”的三层结构。红细胞膜的结构显示暗-明-暗三层结构

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。膜脂生物膜基本骨架膜蛋白多种方式与脂双层结合膜糖质膜表面磷脂糖脂胆固醇膜内在蛋白（整合膜蛋白）膜外在蛋白（周边膜蛋白）与脂类结合-糖脂与蛋白结合-糖蛋白细胞膜的基本骨架1、甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，旧称心磷脂磷脂酰乙醇胺的分子结构双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。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、植物中没有鞘磷脂。3．糖脂

糖脂是含有1个或几个糖基的脂类。分子组成：主要是鞘氨醇的衍生物。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。结构与鞘磷脂（SM）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。分布：均位于膜的非细胞质侧的单层,糖基暴露在细胞表面，与细胞识别及信息传导有关。功能：1.膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，它们可以提高膜的稳定性，2.增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，3.帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。4.膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样，膜蛋白中的糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。5.糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位

Glycolipids

ABO血型决定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用

血型抗原（三）、胆固醇主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。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）是一种人工膜。在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。人工脂质体可用于：转基因(脂质体中裹入DNA可用于基因转移)制备的药物(在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体)研究生物膜的特性(研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质)膜脂的功能：1.支撑，膜脂是细胞的骨架；2.维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；3.是部分酶行使功能所必需的。蛋白与膜的结合方式

①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白二、膜蛋白外周蛋白特点：占膜蛋白的20%~30%，分布在膜的内外表面，是水溶性蛋白，它通过离子键、氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过内在蛋白与膜结合。外在膜蛋白的结合力较弱，一般用一些温和的方法既可将他们从膜上分离下来而不破坏膜的其他结构。

去垢剂在膜蛋白分离中的作用外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins)；

水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白

(intrinsic/integralmembraneproteins)。

水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。

脂质锚定蛋白（lipid-anchoredproteins)

通过糖脂、长烃链或脂肪酸锚定，共价结合。总结第二节质膜的结构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。一、质膜结构的研究历史2.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。一、质膜结构的研究历史3、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。一、质膜结构的研究历史4、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。5、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”。６、脂筏模型（LipidRafts）生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同“脂筏”一样载着各种蛋白质。富含胆固醇和鞘磷脂的脂筏区域以橙色表示70nm左右，是一种动态结构1、细胞膜具有流动性定义：生物膜内部的黏滞特性。与膜脂肪酸的饱和度和胆固醇含量密切有关。膜流动性使膜内分子可侧向移动,有的还能翻转移动。2、细胞膜具有不对称性定义：指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的,包括种类和数量的不均匀。二、生物膜的特征（一）、膜的流动性质膜流动性的影响因素：（1）.胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。（2）.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。（3）.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。（4）.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。（5）.其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。二、生物膜的特征人-鼠细胞融合实验标记：用发绿光的荧光素标记能小鼠细胞表面抗原结合的抗体；用发红光的荧光素标记能与人体细胞表面抗原结合的抗体；融合：将两种细胞混合（加入仙台病毒即可实现）。培养：在不同的培养时间下取样观察。培养之初观察：标记物分别在各自细胞膜上分布。

37℃孵育40分钟观察：两种标记物分别移到对方细胞膜中。膜蛋白的流动具有区域性。这与细胞功能密切相关。淋巴细胞成班成冒反应荧光漂白恢复技术(fluorescencerecoveryafterphotobleachingFRAP)-细胞膜蛋白运动动力学参数

定义：是使用亲脂性或亲水性的荧光分子，如荧光素、绿色荧光蛋白等与蛋白或脂质耦联，用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部运动及其迁移速率。原理：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，使淬灭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。膜脂分子的运动方式侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。（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：ES，细胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmicface）；PS，原生质表面（protoplasmicsurface）；PF，原生质小页断面（protoplasmicface）。

冰冻蚀刻技术(freeze-etching)原理：标本置于-100˚C的干冰或-196˚C的液氮中，进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华，暴露出断面结构，称为蚀刻（etching）。蚀刻后，向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂，再以90度角喷涂一层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。1、膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。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．复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。3、膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。三、细胞膜的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出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。第三节细胞表面特化结构细胞表面的特化结构如：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。一、细胞外被动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。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。作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，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；O型血则缺少这两种糖基。Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)二、膜骨架膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。作用：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。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。红细胞膜骨架指质膜下与膜蛋白相连由纤维蛋白组成的网架结构红细胞膜骨架包括：血影蛋白肌动蛋白锚定蛋白带4.1蛋白带3蛋白三、质膜的特化结构质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。（一）、微绒毛microvilli是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。直径约为0.1μm。内芯由肌动蛋