细胞4,细胞膜与细胞表面2009

第四章:细胞质膜I.细胞质膜的结构模型II.生物膜基本特征与功能III.膜骨架1细胞膜与细胞表面特化结构A.细胞膜的结构模型三明治式结构模型单位膜模型（1959年）流动镶嵌模型（1972年）（要点：镶嵌性、不对称性和蛋白质的极性、流动性。液晶态模型板块镶嵌模型B生物膜结构的基本特点A.膜的基本化学组成：膜脂、膜蛋白、膜糖。B.磷脂分子形成以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层——生物膜的基本结构成分。C.蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。D.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。主要包括:磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（动物细胞）三类A.膜脂膜脂的基本功能：构成细胞膜的基本骨架。为某些膜蛋白维持其特定的构象、表现活性提供环境。1.2膜的化学组成磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%以上。磷脂有一个极性头和两个非极性尾脂肪酸碳链为偶数不饱和脂肪酸多为顺式

磷脂胆固醇胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性方面起重要的作用。磷脂分子自发的形成圆形双层膜结构沿膜平面的侧向运动(~107timespersecond)脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部的摆动双层脂分子之间的翻转运动(lessthanonceamonthforanyindividualmolecule.)膜脂是二维流体，其主要运动方式：胞内脂粒被磷脂单层包围B.膜蛋白有50余种，在不同细胞中的含量差别较大，25-75%。根据膜蛋白的基本功能可分为：通道蛋白、连接蛋白、受体蛋白、膜蛋白酶按期在膜中的位置大致可分为：整合(内在)蛋白、周边(外在)蛋白、锚定蛋白

膜周边蛋白为水溶性，靠离子键或其他弱相互作用与膜表面的蛋白或脂分子结合。通过改变溶液的离子强度甚至提高温度即可从膜上分离，而膜结构不被破坏。膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用除垢剂使膜崩解后才能分离出来。

膜蛋白可以通过各种形式与脂双层交联。蛋白质与脂双层交联的方式反映其功能。大多数膜内在蛋白的跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成α螺旋。跨膜结构域两端携带+e的氨基酸残基与磷脂分子带-e的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过离子与带正电的磷脂极性头相互作用。Bacteriorhodopsinconsistslargelyofmembrane-spanningahelices

Thetransmembrane

αhelicesinmultipassmembraneproteinsoccupyspecificpositionsinthefoldedproteinstructurethataredeterminedbyinteractionsbetweentheneighboringhelices.Theseinteractionsarecrucialforthestructureandfunctionofthemanychannelsandtransportersthatmovemoleculesacrosslipidbilayers.

Convertingasingle-chainmultipassproteinintoatwo-chainmultipassprotein.β

barrel——Anotherstructuralmotifcommoninmembraneproteins跨膜结构域一般仅有10-12个氨基酸残基。大量存在于线粒体、叶绿体和细菌的外膜，但也仅只是在这些部位比较多。一些是成孔蛋白，选择性转运通过小的亲水分子或离子。一些是非孔蛋白，为受体或酶。single-passtransmembraneproteinsAtransmembraneproteinalwayshasauniqueorientationinthemembrane.ThisreflectsboththeasymmetricmannerinwhichitisinsertedintothelipidbilayerintheERduringitsbiosynthesisandthedifferentfunctionsofitscytosolicandnoncytosolicdomains.Thesedomainsareseparatedbythemembrane-spanningsegmentsofthepolypeptidechain.整合蛋白的方向性可通过可标记蛋白的非渗透剂来确定。MembraneProteinsOftenFunctionasLargeComplexesThethree-dimensionalstructureofthephotosyntheticreactioncenterofthebacteriumRhodopseudomonasviridis.Boththecriticalmicellarconcentration（临界胶束浓度）andtheaveragenumberofdetergentmoleculesinamicellearecharacteristicpropertiesofeachdetergent,buttheyalsodependonthetemperature,pH,andsaltconcentration.去垢剂Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

为膜蛋白功能检测提供了方法。C.膜碳水化合物（占膜重量的2-10%）共价连接于外膜的膜脂和膜蛋白.糖蛋白通过短的支链碳水化合物部分与其他细胞和胞外结构发生相互作用.糖脂含有较大的碳水化合物链，可能是细胞间的识别位点.功能：细胞与细胞的相互作用、特别是细胞识别、物质交换、接触抑制、信号转导、还有保护作用。糖脂：不同细胞中所含糖脂的种类不同，动物细胞中的糖脂都是鞘氨醇的衍生物，含有一个或多个糖残基。1.3膜的流动性膜脂的流动性;主要指脂分子的侧向运动，主要取决于脂分子本身的组成及温度。使膜具有融合、形成网络结构和分离电荷的能力。膜蛋白的流动性;顺式双键增加磷脂双层膜的流动性使其难于凝固。影响膜流动性的因素:脂肪酸的长度；脂肪酸的不饱和程度；温度；胆固醇的含量微生物和动物细胞会在不同生长情况下不断调节其脂质组成以保持稳定的流动性。低温时，合成更多的不饱和脂肪酸，更少的饱和脂肪酸。思考题：从不同的环境中分离到两种细菌:一种是从平均温度为～40℃的温泉中分离的，另一种是从平均温度为～4℃的冷水湖中分离的。问:a.请推测两种细菌的细胞质膜中，哪一种具有较多的不饱和脂肪酸?b.那一种细菌质膜中的脂肪酸链较长?c.在37℃哪一种细菌质膜的流动性高?尽管有流动性，脂双层可以形成有着不同组成的区域(A)liposomesproducedfroma1:1mixtureofphosphatidylcholineandspingomyelin(B)liposomesproducedfroma1:1:1mixtureofphosphatidylcholine,spingomyelin,andcholesterol脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的动态微结构域。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。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。

ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

膜蛋白的流动性由于抗体有两个抗原结合位点，可交联相邻的膜蛋白，随着时间的延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，此为成斑现象，如聚集在细胞的一端，即为成帽现象。Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.由于某些膜蛋白与膜下细胞骨架相结合，或者由于细胞中某些特殊结构的限定,以及膜蛋白与膜脂分子的相互作用，使某些膜蛋白的流动性受限。Threedomainsintheplasmamembraneofguineapigspermdefinedwithmonoclonalantibodies.Theproteinscanself-assembleintolargeaggregates(A);theycanbetetheredbyinteractionswithassembliesofmacromoleculesoutside(B)orinside(C)thecell;ortheycaninteractwithproteinsonthesurfaceofanothercell(D).人血红细胞内、外膜的脂组成.

脂不对称性使内外膜具有不同的物理化学性质，有助于它们分别进行相应不同的相互作用.脂不对称性具有重要的功能膜脂的不对称性同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。1.4膜的不对称性膜蛋白的不对称性整合蛋白在脂双层中不对称分布，使膜具有明显的内外面之分。膜碳水化合物只分布在外膜。整合蛋白在膜内也有方向性。整合蛋白的分布情况可通过冷冻-蚀刻技术分析。指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。1.5膜骨架红细胞质膜蛋白及其膜骨架（具有柔韧性,变影性,可塑性）血影蛋白锚蛋白带3蛋白血型糖蛋白带4.1蛋白肌动蛋白血影蛋白和肌动蛋白不是膜内在蛋白，它们在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。带3蛋白和血型糖蛋白是膜整合蛋白，在维持细胞形态上不起决定性作用。带3蛋白的N端伸向细胞质基质面折叠成不连续的水不溶性区域，为膜骨架蛋白提供结合位点。膜骨架蛋白主要包括血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白和带4.1蛋白等。Eachspectrinheterodimerconsistsoftwoantiparallel,looselyintertwined,flexiblepolypeptidechainscalledαandβ.Theyareattachednoncovalentlytoeachotheratmultiplepoints,includingbothends.Thephosphorylated"head"end,wheretwodimersassociatetoformatetramer,isontheleft.Boththeαandβchainsarecomposedlargelyofrepeatingdomains106aminoacidslong.血影蛋白（spectrin）Thespectrin(血影蛋白)-basedcytoskeletononthecytoplasmicsideofthehumanredbloodcellm