細(xì)胞生物學(xué) 第4章 細(xì)胞質(zhì)膜

第四章細(xì)胞質(zhì)膜PLASMAMEMBRANE教學(xué)目的要求1.了解生物膜的結(jié)構(gòu)模型2.掌握生物膜的化學(xué)組成3.掌握生物膜的基本特征與功能本章內(nèi)容提要第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第二節(jié)生物膜的基本特征與功能第三節(jié)膜骨架第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、細(xì)胞膜與生物膜二、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型三、生物膜的化學(xué)組成一、細(xì)胞膜與生物膜1.細(xì)胞質(zhì)膜(plasmamembrane)或細(xì)胞膜(cellmembrane)：圍繞在細(xì)胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。2.生物膜(biomembrane)：細(xì)胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜。二、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型(一)脂膜結(jié)構(gòu)的研究歷史(二)生物膜的結(jié)構(gòu)E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，因此推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter&F.Grendel1925用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。(一)脂膜結(jié)構(gòu)的研究歷史3.J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)。提出了“蛋白質(zhì)——脂質(zhì)——蛋白質(zhì)”的三明治模型。4.J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。并提出了“單位膜模型”。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”。

生物膜是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成,膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動(dòng)，膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對(duì)稱分布的。脂筏模型（lipidraftsmodel）：在生物膜上膽固醇富集而形成有序的脂相，如同“脂筏”一樣載著各種蛋白。Overton(1890s):LipidnatureofPM;19591972三、生物膜結(jié)構(gòu)特征1、細(xì)胞膜由流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。膜的流動(dòng)性是生物膜的基本特征之一,是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的必要條件。2、磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；3、蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性。膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者；4、磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分,尚未發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)中起組織作用的蛋白；三、生物膜的化學(xué)組成(一)膜脂：基本骨架(二)膜蛋白：功能的體現(xiàn)者(一)膜脂1.磷脂(phospholipids)

是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個(gè)極性頭部和兩個(gè)非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個(gè)非極性尾部。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個(gè)碳原子組成。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。(一)膜脂2.糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5％以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。半乳糖腦苷脂:最簡(jiǎn)單的糖脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；神經(jīng)節(jié)苷脂:變化最多、最復(fù)雜的糖脂，是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分。是眾多成分的受體，例如：破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺素。家族性白癡病：由于缺乏氨基己糖酯酶，不能將胞質(zhì)中的神經(jīng)節(jié)苷脂GM2，轉(zhuǎn)化為質(zhì)膜上的GM3，結(jié)果使GM2大量積累，導(dǎo)致中樞神經(jīng)退化。(一)膜脂主要存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。3.膽固醇(Cholesterol)膽固醇分子包括三部分：極性的頭部：羥基非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊?一)膜脂4.脂質(zhì)體是一種人工膜。在水中，攪動(dòng)后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備藥物研究生物膜的特性(一)膜脂4.膜脂的功能構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，則使膜解體;是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能;膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境,一般膜脂本身不參與反應(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng));膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團(tuán)存在時(shí)才有功能。(二)膜蛋白1.膜周邊蛋白(外在膜蛋白)靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合為水溶性蛋白占膜蛋白總量的20%～30%,在紅細(xì)胞中占50%,如紅細(xì)胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白。(二)膜蛋白2.內(nèi)在膜蛋白(整合蛋白)部分或全部鑲嵌在細(xì)胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.3.脂錨定膜蛋白

通過與之共價(jià)相連的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂雙分子中蛋白與膜的結(jié)合方式

①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白第二節(jié)生物膜的基本特征與功能一、膜的流動(dòng)性二、膜的不對(duì)稱性三、細(xì)胞膜的功能一、膜的流動(dòng)性(一)膜脂的流動(dòng)1.膜脂分子的運(yùn)動(dòng)側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。膜脂分子的運(yùn)動(dòng)一、膜的流動(dòng)性(一)膜脂的流動(dòng)2.影響膜脂流動(dòng)性的因素膽固醇：膽固醇對(duì)膜脂流動(dòng)性的調(diào)節(jié)作用隨溫度的不同而改變。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。在一定溫度下，脂分子從液晶態(tài)(能流動(dòng)具有一定形狀和體積的物態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀(不流動(dòng))的晶態(tài)。這一能引起物相變化的溫度稱為相變溫度。當(dāng)環(huán)境溫度在相變溫度以上時(shí)，膜脂分子處于流動(dòng)的液晶態(tài)；而在相變溫度以下時(shí)，則處于不流動(dòng)的晶態(tài)。膜脂相變溫度越低，膜脂流動(dòng)性就越大；反之，相變溫度越高，膜脂的流動(dòng)性也就越小。

膽固醇：膽固醇對(duì)膜脂流動(dòng)性的調(diào)節(jié)作用隨溫度的不同而改變。在相變溫度以上，它能使磷脂的脂肪酸鏈的運(yùn)動(dòng)性減弱，從而降低膜脂的流動(dòng)性。而在相變溫度以下時(shí)，膽固醇可通過阻止磷脂脂肪酸鏈的相互作用，緩解低溫所引起的膜脂流動(dòng)性劇烈下降。

一、膜的流動(dòng)性(二)膜蛋白的流動(dòng)

主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。可用光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測(cè)側(cè)向擴(kuò)散。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping)ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

用光脫色恢復(fù)技術(shù)根據(jù)熒光恢復(fù)的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散速度。一、膜的流動(dòng)性(三)膜流動(dòng)性的生理意義質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。二、膜的不對(duì)稱性(一)概念質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對(duì)稱性。(二)細(xì)胞膜各部分的名稱ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細(xì)胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmicface）。兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片EF細(xì)胞外小頁斷裂面；PF，原生質(zhì)小頁斷面。

二、膜的不對(duì)稱性(三)膜脂的不對(duì)稱性

同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域——脂筏。二、膜的不對(duì)稱性(四)復(fù)合糖的不對(duì)稱性：

糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。

(五)膜蛋白的不對(duì)稱性

每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有極性。(六)不對(duì)稱的意義膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對(duì)稱性導(dǎo)致了膜功能的不對(duì)稱性和方向性。保證了生命活動(dòng)的高度有序性膜的不對(duì)稱性膜脂的不對(duì)稱膜蛋白的不對(duì)稱膜糖的不對(duì)稱磷脂與糖脂分布的不對(duì)稱性

三、細(xì)胞膜的功能為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。膜蛋白的異常與某些疾病相關(guān)，可作為藥物靶標(biāo)膜功能第三節(jié)膜骨架一、膜骨架二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架一、膜骨架指細(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),它參與維持細(xì)胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。二、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為7μm,厚度1.7μm,表面積為145μm2；紅細(xì)胞的主要功能是攜帶O2和運(yùn)輸CO2，紅細(xì)胞的壽命約為120天，一生中要行走500,000米。要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道;要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pH值的不利條件;又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。紅細(xì)胞的質(zhì)膜既有良好的彈性又具有較高強(qiáng)度紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。大約有15種主要的蛋白帶，主要蛋白:血影蛋白(Spectrin)、錨蛋白（ankyrin）、肌動(dòng)蛋白（actin）、帶3蛋白(Band3protein)血型糖蛋白(Glycophorin)帶4.1蛋白三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架1.紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，跨膜12次。三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架1.紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白血型糖蛋白：?jiǎn)未慰缒ぬ堑鞍祝s有131個(gè)氨基酸，N端在膜外側(cè)，結(jié)