细胞生物学 第四章 细胞质膜.ppt

1、第四章 细胞质膜,第一章 细胞膜与细胞表面特化结构,生物膜：细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜。 细胞膜：指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。,生物膜的出现是非细胞生命形态走向细胞生命形态的转折点！,一、细胞膜的分子结构模型,3、 1925年，根据质膜的表面张力比油水界面的张力低，提出“蛋白质脂质蛋白质”的三明治模型；,4、1959年J.D Robertson提出“单位膜模型”，指出所有生物膜都由蛋白质脂质蛋白质构成。 “两暗夹一明”(单位膜模型),5、流动镶嵌模型(fluid mosaic model) 1972年S.J. Singer & G.Nicolson根据免疫荧光技术和

2、冰冻蚀刻技术的研究成果提出。 特点:流动性 （膜蛋白和膜脂）、不对称性（膜蛋白）,5、1975年，晶格镶嵌模型； 指出生物膜处于无序（流动性）和有序性（晶态）之间动态转变。 6、1977年，板块镶嵌模型； 生物膜是由具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成。 7、脂筏模型（lipid rafts model） 指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。,目前对细胞膜的认识：,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，以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相。 2、蛋白质以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面。 3、生物膜可看成是蛋白质在双

3、层脂分子中的二维结构。,二、膜脂的化学组成 （一）成分 均为双亲性分子（极性头部和非极性尾部），包括磷脂、胆固醇和糖脂三种类型。,1 、磷脂 是膜脂的主要成分，约占50%以上。磷脂又可分为： 甘油磷脂：包括磷脂酰胆碱(卵磷脂，PC)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰乙醇胺(PE)。 鞘磷脂：神经组织的主要成分。 磷脂分子的主要特征： （1）具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）； （2）脂肪酸碳链为偶数； （3）除饱和脂肪酸根外（如脂酸），还有不饱和脂肪酸（如 油酸），不饱和脂肪酸多为顺式。,磷脂酰胆碱,磷脂酰肌醇,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺,磷脂分子,2、 糖脂,普

4、遍存在于原核和真核细胞膜上，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5%-10%。,3、 胆固醇和中性脂类 存在于真核细胞膜中，动物细胞膜中的胆固醇比植物多。作用：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。 相变温度以上时，增加膜的稳定性； 相变温度以下时，提高膜的流动性。,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式） 脂分子围绕轴心的自旋运动； 脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动，发生频率较小，但在内质网膜上，新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。,(二)膜脂的运动方式 膜脂有4种运动方式：,膜脂分子的运动,影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环

5、境因子等。包括： 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：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。,（三）脂质体,脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的双层膜的趋势而制备的人工膜。,(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 （一）类型 膜蛋白约占膜的40%-50%，分为

6、： 1）外周蛋白：又称周边蛋白，为水溶性，分布在脂双层的内外侧，通过静电作用及离子健、氢键与膜脂分子极性头部结合，或通过与内在蛋白相互作用，间接与膜结合。 2）内在蛋白：以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在膜上，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面。 3）脂锚定蛋白：又称脂连接蛋白，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧，同脂的结合方式一种是直接结合于脂双分子层，另一种是通过糖分子间接同脂结合。,、以单一a-螺旋横过脂双层，细胞质侧的氨基酸残基共价结合脂肪酸链插入细胞质面的脂单层中、多个a-螺旋横过脂双层，、膜蛋白通过共价连接到脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团插入脂双层，

7、、经寡聚糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非细胞质的单层，、蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互连到膜上。（、内在蛋白，3、4脂锚定蛋白，5、6外周蛋白）,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,内在膜蛋白与膜脂的结合方式： 1 、膜蛋白含约20个疏水氨基酸，以螺旋单次或多次跨膜，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子相互作用。 、螺旋外侧是非极性链，内侧是极性键，形成特异性分子的跨膜通道。 、形成折叠片结构。,（三）去垢剂(detergent) 去垢剂是一端亲水、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。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）,

8、四、膜的流动性 （一）膜脂的流动性 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的.影响侧向运动的因素： 脂分子本身的性质（脂肪酸链越短，不饱和程度越高，流动性越大）； 温度（各种膜脂具有不同的相变温度）：相变温度以上时，增加膜的稳定性；相变温度以下时，提高膜的流动性。 胆固醇（多数情况下动物细胞中的胆固醇的作用是防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态)。,（二）膜蛋白的流动,用抗鼠细胞膜蛋白的荧光抗体（显绿色荧光）和抗人细胞膜蛋白的荧光抗体（显红色荧光）分别标记小鼠和人的细胞表面，然后用灭活的仙台病毒处理使两种细胞融合，10分钟后，不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散，40分钟后，已分辨不出

9、融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域。 注：膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动； 有些细胞90%的膜蛋白是运动的，但只有30%的膜蛋白处于流动状态。 成斑现象：标记荧光聚集在细胞表面的某些部位。 成帽现象：标记荧光聚集在细胞的一端。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,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。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。,（三）光脱色恢复技术,它是研究膜流动性的方法之一，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，过一段时间后，

10、被照的区域会和周围的荧光强度相等。,五、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。 （一）膜脂的不对称性 同一种脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布，如：红细胞膜：PC和SM主要分布在外小页，PE和PS主要分布在内小页。 糖脂为完全不对称分布，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。 （二）膜蛋白的不对称性 所有的膜蛋白，不论是膜周边蛋白，还是膜内蛋白质都是不对称分布的。具有特定的方向性和分布的区域性,ES细胞外表面PS原生质表面EF细胞外小页断裂面PF原生质小页断裂面,磷脂在红细胞膜上的分布,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

11、CI胆固醇,质膜外小叶,质膜内小叶,六、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 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0.2m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）。,经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有： 血影蛋白：由结构相似的链、链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。 锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。 带3蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl，使HCO 3 进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。 带4.1蛋白和肌动蛋白 血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在