質(zhì)膜及其表面結(jié)構(gòu)

關(guān)于質(zhì)膜及其表面結(jié)構(gòu)質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細(xì)胞膜。內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細(xì)胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞表面。第2頁,共55頁，星期六，2024年，5月第一節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。第3頁,共55頁，星期六，2024年，5月一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。（一）磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：一個極性頭、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。第4頁,共55頁，星期六，2024年，5月Phospholipids第5頁,共55頁，星期六，2024年，5月1、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）第6頁,共55頁，星期六，2024年，5月PhospholipidsinPlasmaMembrane第7頁,共55頁，星期六，2024年，5月Diphosphatidylglycerol第8頁,共55頁，星期六，2024年，5月2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，原核和植物細(xì)胞膜中不含。第9頁,共55頁，星期六，2024年，5月（二）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。第10頁,共55頁，星期六，2024年，5月glycolipids第11頁,共55頁，星期六，2024年，5月Glycolipids

第12頁,共55頁，星期六，2024年，5月（三）膽固醇存在真核細(xì)胞膜上，含量約膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。功能是提高膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流動性，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。第13頁,共55頁，星期六，2024年，5月（四）脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中攪動后形成雙層或單層脂分子球體，直徑25~1000nm。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備的藥物研究生物膜的特性第14頁,共55頁，星期六，2024年，5月第15頁,共55頁，星期六，2024年，5月二、膜蛋白占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。第16頁,共55頁，星期六，2024年，5月整合蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins），兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域為1至多個疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100第17頁,共55頁，星期六，2024年，5月外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，只要改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度、提高溫度就可以從膜上分離下來。一個蛋白可以由多個亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。第18頁,共55頁，星期六，2024年，5月脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。第19頁,共55頁，星期六，2024年，5月①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein第20頁,共55頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史第21頁,共55頁，星期六，2024年，5月E.Overton1895推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter等1925推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。第22頁,共55頁，星期六，2024年，5月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，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。第23頁,共55頁，星期六，2024年，5月4、JD.Robertson1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。第24頁,共55頁，星期六，2024年，5月5、Singer和Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。Fluid-mosaicmodel第25頁,共55頁，星期六，2024年，5月二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型細(xì)胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。第26頁,共55頁，星期六，2024年，5月（一）質(zhì)膜的流動性膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動組成。1、膜脂分子的運(yùn)動①側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動；②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；③擺動運(yùn)動④伸縮震蕩運(yùn)動；⑤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動；⑥旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動。第27頁,共55頁，星期六，2024年，5月2、影響膜脂流動性的因素膽固醇脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長卵磷脂/鞘磷脂其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。第28頁,共55頁，星期六，2024年，5月3、膜蛋白的分子運(yùn)動側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動方式。檢測：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)。4、膜流動性的生理意義當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。第29頁,共55頁，星期六，2024年，5月利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動

第30頁,共55頁，星期六，2024年，5月（二）膜的不對稱性膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面；EF細(xì)胞外小頁斷裂面；PS，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁斷面。第31頁,共55頁，星期六，2024年，5月兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片第32頁,共55頁，星期六，2024年，5月1．膜脂的不對稱性：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。2．復(fù)合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。3．膜蛋白的不對稱性：如細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。第33頁,共55頁，星期六，2024年，5月（三）脂筏lipidraft是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。約70nm左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（DRMs）。就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。第34頁,共55頁，星期六，2024年，5月Mosaicdomainmodeloftheplasmamembrane第35頁,共55頁，星期六，2024年，5月Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.第36頁,共55頁，星期六，2024年，5月三、細(xì)胞膜的功能保護(hù)；運(yùn)輸；通信；提供酶結(jié)合位點(diǎn)；介導(dǎo)細(xì)胞連接；形成細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)。第37頁,共55頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)細(xì)胞表面的分化包括膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等結(jié)構(gòu)。第38頁,共55頁，星期六，2024年，5月一、細(xì)胞外被動物細(xì)胞表面富含糖類的結(jié)構(gòu)，也稱為糖萼。用釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚約10~20nm的結(jié)構(gòu)，邊界不甚明確。作用：保護(hù)、通信、并與細(xì)胞表面抗原性有關(guān)。紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，但末端糖基不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血則缺少這兩種糖基。第39頁,共55頁，星期六，2024年，5月第40頁,共55頁，星期六，2024年，5月Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)第41頁,共55頁，星期六，2024年，5月二、膜骨架質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層。主要作用：維持質(zhì)膜的形態(tài)。模式材料：紅細(xì)胞，經(jīng)低滲處理破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。第42頁,共55頁，星期六，2024年，5月經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個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：陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個單體跨膜12次。血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，功能尚不明確，與MN血型有關(guān)，與帶4.1蛋白相連。第43頁,共55頁，星期六，2024年，5月紅細(xì)胞膜骨架的構(gòu)成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋白纖維（約13~15單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。通過兩個錨定點(diǎn)固定在質(zhì)膜下方：通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)；通過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。第44頁,共55頁，星期六，2024年，5月第45頁,共55頁，星期六，2024年，5月第46頁,共55頁，星期六，2024年，5月三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛，結(jié)構(gòu)細(xì)微，只能在電鏡下觀察到。第47頁,共55頁，星期六，2024年，5月（一）微絨毛microvilli是細(xì)胞表面伸出的細(xì)長突起，直徑約為0.1μm。內(nèi)芯由肌動蛋白絲束組成。肌動蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白（villin）和絲束蛋白（fimbrin）組成的橫橋相連。微絨毛處質(zhì)膜有myosinI構(gòu)成的側(cè)臂與肌動蛋白絲束相連。作用：擴(kuò)大了細(xì)胞的表面積，有利于細(xì)胞同外環(huán)境的物質(zhì)交換。如小腸上微絨毛，使細(xì)胞表面積擴(kuò)大了30倍。第48頁