细胞生物学 第四章 质膜及其.ppt

1、AGPs是胞外基质中的一种主要成分，它可以被某种单克隆抗体识别，下 面三种实验结果是用的哪些实验方法？你能从这些结果中得出什么结论？,第四章 细胞质膜与细胞表面,1 概述,细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜(图3-1)，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定， 并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、 分化中起重要作用。,图3-1 细胞质膜模式图,真核生物除了具有细胞表面膜外，还有胞质膜 (cytoplasmic membrane，图3-2)。,图3-2 细胞内主要的胞质膜,图3-3 细胞的生物膜结构,2.细

2、胞的膜结构,膜(membrane)是细胞的重要结构， 包括细胞质膜(plasma membrane)、内膜(internal membrane)， 习惯上把细胞所有膜结构统称为生物膜(biomembrane，图3-3)。,请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同,3.质膜的化学组成,脂和蛋白质是膜的主要成分， 同时还有少量的糖类。,构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜、高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物和原核生物)的不同而不同(表3.1)。一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占1-10%。,表3-1 不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的

3、量,3.1 膜脂(membrane lipids),所有的膜脂都具有双亲媒性(amphipathic)，即这些分子都有一个亲水末端(极性端)和一个疏水末端(非极性端)。这种性质使生物膜具有屏障作用，大多数水溶性物质不能自由通过，只允许亲脂性物质通过。, 膜脂的主要类型,膜脂是生物膜的基本组成成分， 约占膜的50%， 主要有三大类:磷脂、糖脂、胆固醇。, 磷脂(phospholipids),含有磷酸基团的脂称为磷脂，是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部和一个疏水的尾部(图3-12)。 脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,图3-12 磷脂

4、酰乙醇胺的分子结构,1、甘油磷脂,以甘油为骨架，主要有： 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂） 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂） 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG（心磷脂）,Phospholipids in Plasma Membrane,2、鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中

5、不含。, 膜的碳水化合物(membrane carbohydrates),膜中的碳水化合物约占膜重量的110%，糖含量的多少依细胞的不同而不同。细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。, 膜糖的种类,自然界存在的单糖及其衍生物有200多种， 但存在于膜的糖类只有其中的9种， 而在动物细胞膜上的主要是7种(图3-16),图3-16 细胞膜中常见的七种糖类, 膜糖的存在方式,真核细胞质膜中的糖类是通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。 糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-连接和N-连接(图3-17)。 O-连接:是糖链与肽链中的丝氨酸

6、或苏氨酸残基相连，O-连接糖链较短， 约含4个糖基。 N-连接: 是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。,图3-17 糖与多肽连接的两种方式, 膜糖的功能,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，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。同时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。另外，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。, ABO血型决定子(determinant)，即ABO血型抗原，

7、它是一种糖脂， 其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用(图3-18)。,图3-18 血型抗原,人的血型是A型、B型、AB型还是O型，是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。 A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)， B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)， O型则没有这两种糖基， AB型的人则在末端同时具有这两种糖。, 胆固醇(cholesterol),细胞膜上另一类脂是固醇类的胆固醇(图3-13)， 胆固醇存在于真核细胞膜中。动物细胞膜胆固醇的含量较高，有的占膜脂的50%，大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇，酵母细胞膜中是麦角固醇。,图3-13 胆固醇

8、的结构,胆固醇的分子较其他膜脂要小， 双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央(图3-14)。,图3-14 胆固醇在脂双层中的位置, 膜脂的特性和功能, 不同类型的膜含有不同类型的膜脂，使这些膜具有不同的特性(表3-2)。,表3-2 某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数),膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架，此外还有其他一些重要功能(表3-3)。,表3-3 某些膜脂的功能, 膜脂都是两性物质， 都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾， 大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。当这些兼性分子被水环境包围时， 它们就聚集起来， 将疏水的尾部埋在里面， 亲水的

9、头部露在外面与水接触。可能有两种形式: 形成球状的分子团(micelles)， 把尾部包在里面；或者形成双分子层(bilayers)， 把疏水的尾部夹在头部的中间， 或形成脂质体( liposome)(图3-15)。,图3-15 脂在水中的行为,3.2 膜蛋白(membrane protein),由膜脂构成膜的基本结构， 但是生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。功能越复杂的膜，其上的蛋白质种类越多。, 膜蛋白的分类,据膜蛋白与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。,整合蛋白(integral protein)又称内在蛋白(intrinsic protein)， 跨膜蛋白(transm

10、embrane protein)， 部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧(图3-19)。,图3-19 整合蛋白,外周蛋白(peripheral protein)又称附着蛋白(protein-attached)。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部， 或整合蛋白亲水区的一侧， 间接与膜结合(图3-20)。,图3-20 外周蛋白,脂锚定蛋白(lipid-anchored)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合

11、，而是通过一个糖分子间接同脂结合(图3-21)。,图3-21 脂锚定蛋白, 膜蛋白的功能 胞质膜有着许多重要的生物学功能，这些功能大多数是由膜蛋白来执行的(图3-22，表3-4)。, 膜蛋白的研究方法, 膜蛋白的分离,离子型去垢剂SDS,非离子型去垢剂Triton-X100,十二烷基磺酸钠(SDS)和Triton X-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白？, 去垢剂的作用机理,去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子， 它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中， 形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物， 从而使膜

12、蛋白在水中溶解、变性、沉淀(图3-23)。,图3-23 去垢剂在膜蛋白分离中的作用,4 膜的分子结构及特点,虽然细胞质膜是包裹在细胞最外层的界膜，但由于细胞的新陈代谢活动必须同细胞外进行物质交换，这就要求细胞质膜具有特殊的结构，以保证生命活动的正常进行。,4.1 结构模型, 1890年，E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞，提出了脂肪酸的膜结构设想。 1925年，荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。, 片层结构模型(Lamella structure model),1935年James Daniellie和Hug

13、h Davson提出双分子片层结构模型（图3-24），该模型是第一次用分子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。,图3-24 质膜的片层结构模型, 单位膜模型(unit membrane model),1959年，J.D.Robertson利用电子显微镜技术对各种膜结构进行了详细研究，在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构(railroad track)，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗明暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜（图3-25）。,图3-2

14、5 质膜的单位膜模型,单位膜有一些不足 首先，该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化； 其二，不同的膜其厚度不都是75一般在50-100之间； 其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系； 该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。, 流动镶嵌模型(fluid mosaic model),1972年Singer和Nicolson总结了当时有关膜结构模型及各种研究的新成就，提出了流动镶嵌模型（图3-26）。 这一模型强调了膜的流动由性和不对称性，较好地体现细胞的功能特点，被广泛接受，也得到许多实验的支持。,图3-26 质膜的流动镶嵌模型,细胞膜

15、由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。 磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架； 蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。,质膜的流动镶嵌模型内容:,脂筏模型（lipid raft model）,在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.脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70nm 左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。脂筏最初可能在内质网上形成,转运

16、到细胞膜上后,有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联.推测一个100nm大小的脂筏可能载有600个蛋白分子.从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：1. 存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，某些跨膜蛋白，Hedgehog 蛋白，双乙酰化蛋白如：非受体酪氨酸激酶Src、G 蛋白的G亚基、血管内皮细胞的一氧化氮合酶。2. 存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；3. 介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。,4.2 膜的不对称性(membrane asymmetry),细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是

17、均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。, 不对称性的表现,膜的主要成分是蛋白、脂和糖，膜的不对称性主要是指这些成分分布的不对称以及这些分子在方向上的不对称。, 膜脂的不对称性 膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同， 各种细胞的膜脂不对称性差异很大（图3-29）。,图3-29 膜脂的不对称分布, 膜蛋白的不对称 每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称（图3-30）。,图3-30 红细胞血型糖蛋白A在质膜中不对称分布, 膜糖的不对称 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在

18、，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面（图3-31、3-32）。,图3-31 磷脂与糖脂分布的不对称性,图3-32 膜糖分布的不对称性, 不对称性的意义,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。, 不对称性的研究方法,研究膜结构不对称性的方法有很多种，其中最重要的就是冰冻断裂技术，此外还有同位素标记法、酶水

19、解法等。, 冰冻断裂(freeze fracture)法,冰冻断裂法不仅可用于研究膜组份分布的不对称，也是膜的脂双层结构的直接证据的来源（图3-33）。, 放射性标记法(radioactive labeling procedure),实验中首先要分离细胞膜，然后用过氧化物酶进行膜蛋白标记。过氧化物酶的分子较大而不能透过细胞膜，这样可以用于标记膜外表面的蛋白，标记后，分离膜蛋白，电泳分离和放射自显影进行鉴定。,图3-34 放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性,4.3 膜的流动性 Fluidity of cell membrane,Membrane protein fluidity,侧向扩散和旋转

20、扩散两种运动方式。 检测：光脱色恢复技术和细胞融合技术。,膜脂分子的运动,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。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,Experimental Observation of Fluidity,Fluorescence recovery after photobleaching FRAP),影响膜蛋白移动的因素 整合蛋白相互间的影响 膜骨架的影响 细胞外基质的影响 相邻细胞的影响 细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响,影响膜脂流动性的因素,胆固醇 脂肪酸链的饱和度 脂肪酸链的链长 卵磷脂/鞘磷脂 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。

21、,The physical state of the lipid of a membrane 相变温度（transition temperature） 在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下, 晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。 相变(phase transition) 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。 不同的膜脂由于成分不同而各有其相变温度。,胆固醇的影响 在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。 在相变温度以下,

22、可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。,脂肪酸链的影响 膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短： The greater the degree of unsaturation of the fatty acids of the bilayer, the lower the temperature before the bilayer gels. The shorter the fatty acyl chains of a phospholipid,the lower its melting temperature.,卵磷脂/鞘磷脂比值的影响 哺乳动物膜中,卵磷脂(ph

23、osphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%; 卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大; 而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。,5 细胞膜的功能,细胞膜是多功能的结构体系，图3-4勾画出它的主要功能:,图3-4 细胞膜的功能, 界膜和区室化(delineation and compartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。, 调节运输(regulation of transport)

24、 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质自由通透，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。, 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体。, 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，进行信号的传递。, 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜（包括膜中的一些蛋白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。, 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。,6、膜骨架,质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约0.2m厚的溶胶层。 主要作用：维持质膜的形态。 模式材料：红细胞，经低渗处理破裂释放出内容物，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