细胞质膜.ppt

1、2020/7/23,1,Cell Biology 双语教材,第三章 细胞质膜,2020/7/23,2,细胞膜(cell membrane)又称质膜(plasma membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。 细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过程中也起着决定性的作用。 真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器。细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜(biomembrane)，它们具有共同的结构特征。,2020/7/23,3,2020/7/23,4,2020/7/23,5,一、生物膜的结构模型

2、20世纪50年代初，在电镜下显示出了质膜的超微结构。 1925年EGorter和FGrendel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，发现它为红细脑表面积的二倍，提示了质膜是由双层脂分子构成的。 Davson和Danielli推测，质膜中含有蛋白质成分并提出“蛋白质脂质蛋白质”的三明治式的质膜结构模型。 1959年，JDRobertson发展了三明治模型，提出了单位膜模型(unit membrane model)，并大胆地推断所有的生物膜部由蛋白质脂质蛋白质的单位膜构成。,第一节 细胞质膜的结构模型,2020/7/23,6,电镜超薄切片技术显示的细胞膜结构 A

3、：红细胞质膜，中间亮带厚度约3.5nm，两侧暗带厚约2nm B:电镜超薄切片显示的小鼠膀胱上皮细胞脂膜及胞质中的囊泡膜,2020/7/23,7,2020/7/23,8,在此基础上，SJSinger和G.Nicolson于1972年提出了生物膜的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。 膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动； 膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。 还有学者提出强调生物脂的膜脂处于无序(流动性)和有序(晶态)之间动态转变的“液晶态模型”以及强调生物膜是内具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成的“板块镶嵌模型”等。,2020/7/23,9,三明

4、治式的脂膜结构模型,流动镶嵌模型,2020/7/23,10,Simon提出脂筏模型(lipid raft model)，即在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白。 脂筏最初可能在内质网或高尔基体上形成，最终转移到细胞质膜上。,2020/7/23,11,2020/7/23,12,目前对生物膜结构的认识,(1)具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层，它是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用

5、的蛋白，但在脂筏中存在某些有助于其结构相对稳定的功能蛋白。 (2)蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、蛋白分布的不对称性及其别与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。,2020/7/23,13,(3)生物膜可看成在双层脂分子中嵌有蛋白质的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用在不向程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性，同时也行成了赖以完成多种膜功能的脂筏等结构。,2020/7/23,14,二、膜脂 （一）膜脂的成分 膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞膜上约有109个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5

6、106个脂分子。 膜脂主要包括磷脂（phospholipid）、糖脂（glycolipid）和胆固醇（cholesterol）3种类型。,2020/7/23,15,1、磷脂 磷脂构成了膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。磷脂又可分为两类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等。 磷脂分子的主要特征是：具有一个极性头和两个作极性的尾(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除外，它具有4个非极性的尾部；脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成；除饱和脂肪酸外(如软脂酸)，还常常有不饱和脂肪酸(如油酸)，不饱和

7、脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30角的弯曲。,2020/7/23,16,磷脂分子,2020/7/23,17,磷酸甘油酯,X,PC: 卵磷脂 X=胆碱 PE: 磷脂酰乙醇胺 X=乙醇胺 PS: 磷脂酰丝氨酸 X=丝氨酸,2020/7/23,18,卵磷脂,2020/7/23,19,鞘磷脂(SM),2020/7/23,20,二磷脂酰甘油（心磷脂）,2020/7/23,21,2、糖脂 糖脂普遍存在于原核和真核细胞的细胞膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经元质膜上糖脂含量较高，约5一10。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，如神经元含有神经节苷脂，人红细胞表面含有ABO血

8、型糖脂等，它们都具有重要的生物学功能。 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。,2020/7/23,22,2020/7/23,23,3、胆固醇 存在于动物细胞和少数植物细胞质膜上，其含量一般不超过膜脂的1/3。 胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等都起着重要作用。同时，它又是脂筏的基本结构成分。 细菌质膜中不合有胆固醇成分，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂质。,2020/7/23,24,胆固醇结构,2020/7/23,25,胆固醇,

9、在膜脂中的胆固醇,2020/7/23,26,（二）膜脂的运动方式 1、沿膜平面的侧向运动，其扩散系数为10-8cm2/s，相当干每秒移动2m的距离。由于侧向运动产生分子间的换位，其交换频率在106次/s以上。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。 2、脂分子围绕轴心的自旋运动 3、脂分子尾部的摆动：脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆功较大。 4、双层脂分子之间的翻转运动：一般情况下极少发生。 5、伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。 6.旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。,2020/7/23,27,膜脂的运动方式,2020/7/23,28,膜脂的运动方式,20

10、20/7/23,29,（三）脂质体 根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜（4种类型）。 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,2020/7/23,30,三、膜蛋白 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。 (一)类型 1、外在膜蛋白：外周膜蛋白，为水溶性蛋白，以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，改变溶液离子强度或加热就可以从膜上分离下来。 2、内在膜蛋白：整合膜蛋白，与膜结合紧密，用去垢剂使膜崩解后才可分离。 3、脂锚定蛋白：与脂

11、分子（如脂肪酸或糖脂）共价连接。,2020/7/23,31,2020/7/23,32,（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式 1膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 2跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸、赖氨酸等与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基强残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。 3某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子，插入脂双层之间，进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力，还有少数蛋白与糖脂共价结合。,2020/7/23,33,内在膜蛋白与膜脂结合方式示意图,2020/7/23,34,（三）去垢剂 去垢剂

12、(detergent)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。 去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂两类。,2020/7/23,35,1、离子型去垢剂 十二烷基磺酸钠(SDS)，其分子式如下： 它不仅可使细胞膜崩解，并与膜蛋白疏水部分结合使其分离，而且还可以破坏蛋白内部的非共价键，甚至改变亲水部分的构象。 蛋白质的作用较为剧烈，引起蛋白质变性，因此在纯化膜蛋白时，特别是为获得有生物活性的膜蛋白时，常采用非离子去垢剂。,2020/7/23,36,2、非离子型去垢剂 Triton X-100，其分子式如下： 非离子型去垢剂也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和，它不仅用

13、于膜蛋白的分离与纯化，也用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白进行研究。,2020/7/23,37,第二节 生物膜基本特征与功能,一、膜的流动性 膜的流动性是生物膜的基本特征之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。,2020/7/23,38,（一）膜脂的流动 主要指脂分子的侧向运动。 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。 脂肪酸链的长度：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。,2020

14、/7/23,39,（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。,2020/7/23,40,（三）荧光漂白恢复技术 荧光漂白恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速率，如质膜上的膜蛋白扩散速率为510-11510-9cm2/s，而蛋白质在水溶液中的扩散速率为10-7cm2/s，要比膜蛋白大1001000倍，显然脂分子与蛋白分子及蛋白分子之间的相互作用束缚了膜蛋白的扩

15、散。,2020/7/23,41,二、膜的不对称性 （一）细胞质膜各部分的名称 1、与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface，ES); 2、与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmic surface，PS)。 3、冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(extrocytoplasmic face，EF)和原生质小页断裂面(protoplasmic face，PF)。,2020/7/23,42,ES，细胞外表面； EF，细胞外小页断面； PS，原生质表面； PF，原生质小

16、页断面。,2020/7/23,43,（二）膜脂的不对称性 2、膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。 如：PC（卵磷脂）和SM（鞘磷脂）主要分布在外小叶，PE（磷脂酰乙醇胺）和PS（磷脂酰丝氨酸）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。 2、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。,2020/7/23,44,磷脂在红细胞质膜上的分布 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,2020/7/23,45,（三）复合糖的不对称性

17、糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。 （四）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位于线粒体内膜的C侧（向细胞质的一侧），而ATP酶位于内膜的M侧（向线粒体基质的一侧）。,2020/7/23,46,三、细胞质膜的基本功能 1、为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。 2、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。 3、提供细胞识别位点，并完成细胞内外信号跨膜传递。 4、为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行。 5、介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接； 6、参与形成具有不同功能的

18、细胞表面特化结构（膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等）。 7、膜蛋白的异常与某些疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。,2020/7/23,47,第三节 膜骨架,一、膜骨架 膜骨架是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，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。 光镜下人们曾发现细胞膜下存在约0.2m厚的溶胶层，电镜出现以后，人们才逐渐认识到膜下溶胶层的实质，其中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝、微管等)，这些骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。 迄今为止，对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。,2020/7/23,48,二、红细胞的生物学特性 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）。 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。,2020/7/23,49,三、红细胞质膜蛋白及膜骨架 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白成分显示：红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白或称红膜肽(spectrin)、锚蛋白(ankyrin)、带3蛋白、带4.1蛋白和肌动蛋白(actin)，但此外还有一些血型糖蛋白(glycophorin)。,2020/7/23,50,改变处理血影的离子强度，则血影蛋白