第4章細(xì)胞質(zhì)膜

1、第第4章章 細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)容：內(nèi)容：細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能 細(xì)胞質(zhì)膜在結(jié)構(gòu)上作為細(xì)胞的界膜，使細(xì)胞具有一個相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境 在細(xì)胞與環(huán)境之間的物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞過程中也起著重要的作用第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分與基本成分一、一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型 1959 年，Robertson 根據(jù)電子顯微鏡觀察結(jié)果提出了單位膜模型(unit membrane model)電鏡超薄切片中的細(xì)胞質(zhì)膜顯示出暗亮暗三條帶 1972年Singer 和Nicolson提出了

2、生物膜的流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型(fluid mosaic model)膜的流動性，即膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動膜蛋白分布的不對稱性，有的結(jié)合在膜表面，有 的嵌入或橫跨脂雙分子層 脂筏模型(lipid raft model, Simons, 1988) 膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“脂筏” 脂筏載著執(zhí)行特定生物學(xué)功能膜蛋白對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識:（1）具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中具有自發(fā)形成封閉的膜系統(tǒng)的性質(zhì)核移植后“創(chuàng)傷”會自動愈合（2）蛋白質(zhì)分子以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面，蛋白質(zhì)的類型，蛋白質(zhì)分布的不對稱性及其

3、與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜各自的特性與功能（3）生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液。膜蛋白、膜脂相互作用限制了膜蛋白和膜脂的流動性（4）在細(xì)胞生長和分裂等生命活動中，生物膜在三維空間上可出現(xiàn)彎曲、折疊、延伸等改變，處于不斷的動態(tài)變化中二、二、膜脂膜脂(membrane lipid) 膜脂主要包括甘油磷脂、鞘脂和固醇三種基本類型1、甘油磷脂甘油磷脂 甘油磷脂構(gòu)成了膜脂的基本成分 甘油磷脂特征：具有一個極性頭和兩個 非極性的尾脂肪酸碳鏈為偶數(shù)除飽和脂肪酸外常含1-2 個雙鍵的不飽和脂 脂分子極性頭的空間占位對脂雙層曲度的影響PE 極性頭較小，更多地分布在脂雙層曲度較小的一側(cè)2、鞘脂鞘脂

4、 主要在高爾基體合成 鞘磷脂形成的脂雙層的厚度較甘油磷脂的厚度更大A.卵磷脂 PCB.鞘磷脂 SMC.卵磷脂和膽固醇D.鞘磷脂和膽固醇3、固醇：膽固醇及其類似物固醇：膽固醇及其類似物 與磷脂不同，本身不能形成脂雙層，只能參與生物膜的形成 調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透性 是脂筏的基本結(jié)構(gòu)成分，還是很多重要的生物活性分子的前體化合物（二）（二）膜脂的運動方式膜脂的運動方式(4種種)（1）沿膜平面的側(cè)向運動（2）脂分子圍繞軸心的自旋運動（3）脂分子尾部的擺動（4）雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動Figure 10-11b Molecular Biology of the Cell

5、( Garland Science 2008)（三）（三）脂質(zhì)體脂質(zhì)體(liposome) 根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的現(xiàn)象而制備的人工膜 可以嵌入不同的膜蛋白, 是研究膜脂與膜蛋白生物學(xué)性質(zhì)以及基因、藥物靶向的好材料三、三、膜蛋白膜蛋白(membrane protein) 膜蛋白的種類繁多。酵母基因組中約1/3 的基因編碼膜蛋白，多細(xì)胞有機體膜蛋白的種類更多, 賦予生物膜非常重要的生物學(xué)功能。（一）（一）膜蛋白的類型膜蛋白的類型 根據(jù)膜蛋白分離的難易程度及其與脂分子的結(jié)合方式，膜蛋白可分為3 種基本類型 脂錨定膜蛋白與膜脂分子共價相連，有3類A：脂肪酸結(jié)合到膜 蛋白N端的甘氨酸

6、殘基上B：烴鏈結(jié)合到膜蛋白C端的半胱氨酸殘基上C：通過糖脂錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上（二）（二）內(nèi)在膜蛋白內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式與膜脂結(jié)合的方式 內(nèi)在膜蛋白為跨膜蛋白, 在結(jié)構(gòu)上可分為：胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域等3 個組成部分 膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用 跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+與帶負(fù)電的磷脂極性頭部相互作 半胱氨酸殘基共價結(jié)合到膜脂肪酸分子上內(nèi)在膜蛋白內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂結(jié)合：跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂結(jié)合： 跨膜結(jié)構(gòu)域形成 螺旋 跨膜結(jié)構(gòu)域主要由 折疊片組成 跨膜區(qū)域非極性氨基酸殘基朝外，與膜脂作用，極性氨基

7、酸朝內(nèi)，可形成極性通道 跨膜蛋白既有疏水區(qū)域(跨膜區(qū))，也有親水區(qū)域(膜表面區(qū))，其結(jié)構(gòu)解析主要是應(yīng)用低溫電鏡技術(shù)和X射線晶體衍射技術(shù)圖圖4-12 4-12 轉(zhuǎn)運甘油的水孔蛋轉(zhuǎn)運甘油的水孔蛋白白GlpfGlpf的三維結(jié)構(gòu)圖像的三維結(jié)構(gòu)圖像圖圖4-13 3-4-13 3-磷酸甘油轉(zhuǎn)磷酸甘油轉(zhuǎn)運蛋白的三維結(jié)構(gòu)圖像運蛋白的三維結(jié)構(gòu)圖像（三）（三）去垢劑去垢劑 去垢劑是一端親水、一端疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑 插入膜脂與膜脂或膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域等疏水部位結(jié)合，形成可溶性的微粒離子型去垢劑：十二烷基硫酸鈉（離子型去垢劑：十二烷基硫酸鈉（SDSSDS）非離子去垢劑：非離子去垢劑：Tri

8、ton X-100Triton X-100 離子型去垢劑如SDS可破壞蛋白質(zhì)中的離子鍵和氫鍵等非共價鍵，甚至改變蛋白質(zhì)親水部分的構(gòu)象 非離子去垢劑Triton X100對蛋白質(zhì)作用比較溫和，用于膜蛋白的分離與純化用不同去垢劑處理膀胱上皮細(xì)胞質(zhì)膜，所萃取的膜蛋白的SDS 凝膠電泳圖譜第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的基本細(xì)胞質(zhì)膜的基本 特征與功能特征與功能一、一、生物膜的流動性生物膜的流動性 膜的流動性是所有的生物膜的基本特征，是細(xì)胞生長增殖等生命活動的必要條件 膜的流動狀態(tài)受細(xì)胞代謝過程的調(diào)節(jié)（一）（一）膜脂的流動性膜脂的流動性 脂肪酸鏈越短，不飽和程度越高，膜脂的流動性越大 溫度對膜脂的運動有明顯的影

9、響 膽固醇對膜的流動性起著雙重調(diào)節(jié)作用（二）（二）膜蛋白的流動性膜蛋白的流動性 熒光標(biāo)記的人-鼠細(xì)胞融合實驗顯示膜蛋白的流動性Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 膜蛋白流動性受多種因素限制： 如緊密連接、細(xì)胞骨架的影響等（三）（三）膜脂和膜蛋白運動速率的檢測膜脂和膜蛋白運動速率的檢測 熒光漂白恢復(fù)(FRAP)Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)二、二、膜的不對稱性膜的不對稱性 膜脂和膜蛋白在生物膜上呈

10、不對稱分布。同一種膜脂在脂雙層中的分布不同；同一種膜蛋白在脂雙層中的定向或其拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)完全不同，糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)（一）生物膜各膜面的名稱ES-外小葉 EF-外小葉斷面PS-內(nèi)小葉 PF-內(nèi)小葉斷面（二）（二）膜脂的不對稱性膜脂的不對稱性 膜脂的不對稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布 糖脂的分布表現(xiàn)出完全不對稱性：非胞質(zhì)側(cè)SMSM：鞘磷脂；：鞘磷脂；PCPC：卵磷脂；：卵磷脂；PEPE：磷脂酰絲氨酸；：磷脂酰絲氨酸；PSPS：磷脂酰乙醇胺；：磷脂酰乙醇胺；PIPI：磷脂酰肌醇；：磷脂酰肌醇；CICI：膽固醇：膽固醇 （三）（三）膜蛋白的不對稱性膜蛋白的不對

11、稱性 所有的膜蛋白在質(zhì)膜上都呈不對稱分布，每種膜蛋白分子在質(zhì)膜上都具有明確的方向性 糖蛋白的糖殘基均分布在生物膜的非胞質(zhì)一側(cè)Figure 10-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)三、三、細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨架細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨架 細(xì)胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，參與維持質(zhì)膜形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能 哺乳動物紅細(xì)胞具有很好的彈性和強度Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）膜骨架（一）膜骨架（二）（二

12、）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架 紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性主要由質(zhì)膜蛋白與膜骨架復(fù)合體的相互作用來實現(xiàn) 紅細(xì)胞雙凹形橢圓結(jié)構(gòu)的形成還需要其他的骨架纖維參與A.紅細(xì)胞血影；B.SDS-聚丙酰胺凝膠電泳對血影成分的分析；C.血影的負(fù)染色電鏡照片，顯示出網(wǎng)狀的膜骨架結(jié)構(gòu)；D.膜骨架與膜蛋白結(jié)合的示意圖 除紅細(xì)胞外，已發(fā)現(xiàn)在其他細(xì)胞中也存在與錨蛋白、血影蛋白及帶4.1 蛋白類似的蛋白質(zhì)，大多數(shù)細(xì)胞中也都存在膜骨架結(jié)構(gòu)細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能 為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境 選擇性的物質(zhì)運輸 提供細(xì)胞識別位點，完成信息跨膜傳導(dǎo) 為多種酶提供結(jié)合與反應(yīng)位點 介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間連接 參與形成細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)作業(yè)：作業(yè)：一、解釋一、解釋 1、生物膜系統(tǒng)、生物膜系統(tǒng) 2、流動鑲嵌模型、流動鑲嵌模型 3、血影、血影 4、膜骨架、膜骨架二、簡答題或論述題二、簡答題或論述題1、從生物膜結(jié)構(gòu)模型的演化，談?wù)勅藗儗ι锬さ膹纳锬そY(jié)構(gòu)模型的演化，談?wù)勅藗儗ι锬さ恼J(rèn)識過程。認(rèn)識過程。2、膜脂有哪幾種基本類型？它們各自的結(jié)構(gòu)特征與、膜脂有哪幾種基本類型？它們各自的結(jié)構(gòu)特征與功能是什么？功能是什么？3、何謂