細(xì)胞生物學(xué) 第四章 細(xì)胞質(zhì)膜.ppt

1、第四章 細(xì)胞質(zhì)膜,第一章 細(xì)胞膜與細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu),生物膜：細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)與細(xì)胞膜統(tǒng)稱為生物膜。 細(xì)胞膜：指圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。,生物膜的出現(xiàn)是非細(xì)胞生命形態(tài)走向細(xì)胞生命形態(tài)的轉(zhuǎn)折點！,一、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型,3、 1925年，根據(jù)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低，提出“蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)”的三明治模型；,4、1959年J.D Robertson提出“單位膜模型”，指出所有生物膜都由蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)構(gòu)成。 “兩暗夾一明”(單位膜模型),5、流動鑲嵌模型(fluid mosaic model) 1972年S.J. Singer & G.Nicolson根據(jù)免疫熒光技術(shù)和

2、冰凍蝕刻技術(shù)的研究成果提出。 特點:流動性 （膜蛋白和膜脂）、不對稱性（膜蛋白）,5、1975年，晶格鑲嵌模型； 指出生物膜處于無序（流動性）和有序性（晶態(tài)）之間動態(tài)轉(zhuǎn)變。 6、1977年，板塊鑲嵌模型； 生物膜是由具有流動性程度不同的“板塊”鑲嵌而成。 7、脂筏模型（lipid rafts model） 指生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相，如同“脂筏”一樣載著各種蛋白。,目前對細(xì)胞膜的認(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)，以疏水性非極性尾部相對，極性頭部朝向水相。 2、蛋白質(zhì)以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面。 3、生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙

3、層脂分子中的二維結(jié)構(gòu)。,二、膜脂的化學(xué)組成 （一）成分 均為雙親性分子（極性頭部和非極性尾部），包括磷脂、膽固醇和糖脂三種類型。,1 、磷脂 是膜脂的主要成分，約占50%以上。磷脂又可分為： 甘油磷脂：包括磷脂酰膽堿(卵磷脂，PC)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰絲氨酸(PS)、磷脂酰乙醇胺(PE)。 鞘磷脂：神經(jīng)組織的主要成分。 磷脂分子的主要特征： （1）具有一個極性頭部和兩個非極性的尾部（心磷脂除外）； （2）脂肪酸碳鏈為偶數(shù)； （3）除飽和脂肪酸根外（如脂酸），還有不飽和脂肪酸（如 油酸），不飽和脂肪酸多為順式。,磷脂酰膽堿,磷脂酰肌醇,磷脂酰絲氨酸,磷脂酰乙醇胺,磷脂分子,2、 糖脂,普

4、遍存在于原核和真核細(xì)胞膜上，其含量約占膜脂總量的5%以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約5%-10%。,3、 膽固醇和中性脂類 存在于真核細(xì)胞膜中，動物細(xì)胞膜中的膽固醇比植物多。作用：調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性及降低水溶性物質(zhì)的通透性。 相變溫度以上時，增加膜的穩(wěn)定性； 相變溫度以下時，提高膜的流動性。,沿膜平面的側(cè)向運動（基本運動方式） 脂分子圍繞軸心的自旋運動； 脂分子尾部的擺動； 雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動，發(fā)生頻率較小，但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高。,(二)膜脂的運動方式 膜脂有4種運動方式：,膜脂分子的運動,影響膜流動的因素主要來自膜本身的組分，遺傳因子及環(huán)

5、境因子等。包括： 1. 膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。 2. 脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。 3. 脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。 4. 卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 5. 其他因素：膜蛋白和膜脂的結(jié)合方式、溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。,（三）脂質(zhì)體,脂質(zhì)體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的雙層膜的趨勢而制備的人工膜。,(a) 水溶液中的磷脂分子團(tuán)； (b) 球形脂質(zhì)體； (c) 平面脂質(zhì)體膜； (d）用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖,三、膜蛋白 （一）類型 膜蛋白約占膜的40%-50%，分為

6、： 1）外周蛋白：又稱周邊蛋白，為水溶性，分布在脂雙層的內(nèi)外側(cè)，通過靜電作用及離子健、氫鍵與膜脂分子極性頭部結(jié)合，或通過與內(nèi)在蛋白相互作用，間接與膜結(jié)合。 2）內(nèi)在蛋白：以非極性氨基酸與脂雙分子層的非極性疏水區(qū)相互作用而結(jié)合在膜上，親水部分暴露在膜的一側(cè)或兩側(cè)表面。 3）脂錨定蛋白：又稱脂連接蛋白，通過共價鍵的方式同脂分子結(jié)合，位于脂雙層的外側(cè)，同脂的結(jié)合方式一種是直接結(jié)合于脂雙分子層，另一種是通過糖分子間接同脂結(jié)合。,、以單一a-螺旋橫過脂雙層，細(xì)胞質(zhì)側(cè)的氨基酸殘基共價結(jié)合脂肪酸鏈插入細(xì)胞質(zhì)面的脂單層中、多個a-螺旋橫過脂雙層，、膜蛋白通過共價連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯基團(tuán)插入脂雙層，

7、、經(jīng)寡聚糖連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非細(xì)胞質(zhì)的單層，、蛋白質(zhì)通過非共價鍵與其他膜蛋白相互連到膜上。（、內(nèi)在蛋白，3、4脂錨定蛋白，5、6外周蛋白）,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,內(nèi)在膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式： 1 、膜蛋白含約20個疏水氨基酸，以螺旋單次或多次跨膜，其外部疏水側(cè)鏈通過范德華力與脂雙層分子相互作用。 、螺旋外側(cè)是非極性鏈，內(nèi)側(cè)是極性鍵，形成特異性分子的跨膜通道。 、形成折疊片結(jié)構(gòu)。,（三）去垢劑(detergent) 去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑。離子型去垢劑(SDS)和非離子型去垢劑（Triton X-100）,

8、四、膜的流動性 （一）膜脂的流動性 膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的.影響側(cè)向運動的因素： 脂分子本身的性質(zhì)（脂肪酸鏈越短，不飽和程度越高，流動性越大）； 溫度（各種膜脂具有不同的相變溫度）：相變溫度以上時，增加膜的穩(wěn)定性；相變溫度以下時，提高膜的流動性。 膽固醇（多數(shù)情況下動物細(xì)胞中的膽固醇的作用是防止膜脂由液相變?yōu)楣滔嘁员ＷC膜脂處于流動狀態(tài))。,（二）膜蛋白的流動,用抗鼠細(xì)胞膜蛋白的熒光抗體（顯綠色熒光）和抗人細(xì)胞膜蛋白的熒光抗體（顯紅色熒光）分別標(biāo)記小鼠和人的細(xì)胞表面，然后用滅活的仙臺病毒處理使兩種細(xì)胞融合，10分鐘后，不同顏色的熒光在融合細(xì)胞表面開始擴(kuò)散，40分鐘后，已分辨不出

9、融合細(xì)胞表面綠色熒光或紅色熒光區(qū)域。 注：膜蛋白在脂雙層二維溶液中的運動是自發(fā)的熱運動； 有些細(xì)胞90%的膜蛋白是運動的，但只有30%的膜蛋白處于流動狀態(tài)。 成斑現(xiàn)象：標(biāo)記熒光聚集在細(xì)胞表面的某些部位。 成帽現(xiàn)象：標(biāo)記熒光聚集在細(xì)胞的一端。,利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動,膜流動性的生理意義 質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。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輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。,（三）光脫色恢復(fù)技術(shù),它是研究膜流動性的方法之一，用熒光素標(biāo)記膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射細(xì)胞表面某一區(qū)域，使被照射區(qū)的熒光淬滅變暗，由于膜的流動性，過一段時間后，

10、被照的區(qū)域會和周圍的熒光強(qiáng)度相等。,五、膜的不對稱性 質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。 （一）膜脂的不對稱性 同一種脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布，如：紅細(xì)胞膜：PC和SM主要分布在外小頁，PE和PS主要分布在內(nèi)小頁。 糖脂為完全不對稱分布，糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。 （二）膜蛋白的不對稱性 所有的膜蛋白，不論是膜周邊蛋白，還是膜內(nèi)蛋白質(zhì)都是不對稱分布的。具有特定的方向性和分布的區(qū)域性,ES細(xì)胞外表面PS原生質(zhì)表面EF細(xì)胞外小頁斷裂面PF原生質(zhì)小頁斷裂面,磷脂在紅細(xì)胞膜上的分布,SM-鞘磷脂 PC-卵磷脂 PS-磷脂酰絲氨酸 PE-磷脂酰乙醇胺 PI-磷脂酰肌醇

11、CI膽固醇,質(zhì)膜外小葉,質(zhì)膜內(nèi)小葉,六、細(xì)胞膜的功能,、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，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出； 、提供細(xì)胞識別位點，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，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)。,第三節(jié) 膜骨架,膜骨架是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。 作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。 成熟的哺乳動物血紅細(xì)胞沒有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。 紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。,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)相似的鏈、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3蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl，使HCO 3 進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個單體含929個氨基酸，跨膜12次。 帶4.1蛋白和肌動蛋白 血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個氨基酸， N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C-端在