细胞分子生物学

细胞分子生物学第1页，共42页，2023年，2月20日，星期六本章内容一、细胞膜的结构模型二、膜脂三、膜蛋白四、膜的流动性五、膜的不对称性六、细胞膜的功能七、细胞表面的特化结构第2页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.1细胞膜:细胞膜又叫质膜,指围绕在细胞最外层,由脂质和蛋白质组成的生物膜.1.2生物膜:真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器.细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜.第3页，共42页，2023年，2月20日，星期六第4页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.3细胞膜的结构模型:1.3.1三明治式的质膜结构模型:1925年,E.Gorter&F.Grendel发现红细胞膜的膜脂单层分子是红细胞表面积的二倍,提示质膜是由双层脂分子构成.随后,人们发现质膜的表面张力比油—水界面的表面张力低得多,已知脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力降低.Davson&Danielli推测,质膜中含有蛋白质成分,并提出“蛋白质—脂质—蛋白质”的三明治式的质膜结构模型.第5页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-1A三明治式的质膜结构模型第6页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.3细胞膜的结构模型:1.3.2单位膜模型:1959年,JD.Robertson发展了三明治模型,提出了单位膜模型,并推断所有的生物膜都是由蛋白质—脂质—蛋白质的单位膜构成.这一模型得到X射线衍射和电镜观察结果的支持.用高锰酸钾或锇酸固定细胞时,电镜超薄切片中细胞显示出暗—亮—暗三条带,两侧的暗带厚度约2nm,推测是蛋白质,中间亮带厚度约3.5nm,推测是脂质双分子层.整个膜厚度约为7.5nm.第7页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.3细胞膜的结构模型:1.3.3生物膜的流动镶嵌模型:1972年,SJSinger&GNicolson提出了生物膜的流动镶嵌模型,这一模型随即得到各种实验结果的支持.这一流动镶嵌模型主要强调:A:膜的流动性,膜蛋白和膜脂均可侧向运动;B:膜蛋白分布的不对称性,有的镶在膜表面,有的嵌入或横跨脂双分子层.第8页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-2细胞膜的流动镶嵌模型第9页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.3细胞膜的结构模型:1.3.4生物膜的液晶态模型和板块镶嵌模型:液晶态模型强调生物膜的膜脂处于无序(流动性)和有序(晶态)之间动态的转变板块镶嵌模型主要强调生物膜是由具有流动性程度不同的“板块”镶嵌而成的“板块镶嵌模型”.这两个模型是对流动镶嵌模型的充实,完善或补充.第10页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.3细胞膜的结构模型:1.3.5生物膜的脂筏模型:指生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相,如同“脂筏”一样载着各种蛋白,脂筏最初可能在内质网上形成,转运到细胞膜上后,有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联.推测一个100nm大小的脂筏可载有600个蛋白分子.第11页，共42页，2023年，2月20日，星期六一、细胞膜的结构模型1.4细胞膜结构磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分.磷脂分子具有极性头部和非极性尾部,在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质,以疏水性非极性尾部相对,极性头部朝向水相.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双分子层中或结合在其表面.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液.第12页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂膜脂是生物膜的基本组成成份,每个动物细胞膜上约有109个脂分子,即5x106个脂分子/1平方微米的质膜.膜脂包括的内容:(一)膜脂成分;(二)膜脂的运动方式;(三)脂质体第13页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分1.磷脂亲水性头部疏水性头部1.1磷脂的分类:磷脂是膜脂的基本成分,约占整个膜脂的50%以上.可分为甘油磷脂和鞘磷脂,甘油磷脂包括磷脂酰胆碱(卵磷脂),磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇1.2磷脂的特征:(1)一般具有一个极性头和两个非极性的尾;(2)脂肪酸碳链为偶数,包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,而且不饱和脂肪酸多位顺式,顺式双键在烃链中产生30℃的弯曲.第14页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分2.糖脂普遍存在于原核和真核细胞的细胞膜上,其含量约占膜脂总量的5%以下,神经细胞膜上糖脂含量较高,约5%-10%.糖脂是鞘氨醇的衍生物.最简单的糖脂是脑苷脂类第15页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(一)膜脂成分3.胆固醇和中性脂质存在于真核细胞膜上,其含量一般不超过膜脂的1/3.胆固醇可以调节膜的流动性,增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等.细菌质膜不含胆固醇成分,但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中心脂质.第16页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(二)膜脂的运动方式膜脂分子有4种热运动的方式:1.沿膜平面的侧向运动侧向运动是膜脂分子的基本运动方式,具有重要的生物学意义扩散速率为10-8cm2/s,相当于每秒移动2μm的距离.侧向运动产生分子间的换位,交换频率在106次/s以上.第17页，共42页，2023年，2月20日，星期六二、膜脂(二)膜脂的运动方式2.脂分子围绕轴心的自旋运动.3.脂分子尾部的摆动.脂肪酸靠近极性头部的摆动较小,尾部摆动较大.X射线衍射分析显示,在距头部第9个碳原子以后的脂肪酸已由较为有序变成无序状态,有些可能折叠形成“小结”.4.双层脂分子之间的翻转运动一般情况下翻转运动极少发生,其发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10.脂分子的翻转运动在细胞某些膜系统中发生的频率很高,特别是在内质网上,新合成的磷脂分子经几分钟后,将有半数从双层脂分子的一侧通过翻转运动转向另一侧.第18页，共42页，2023年，2月20日，星期六1.脂质体定义:根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜二、膜脂(三)脂质体第19页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-3脂质体第20页，共42页，2023年，2月20日，星期六动物细胞主要有9种膜脂,而膜蛋白的种类繁多膜蛋白主要的讲述内容:(一)膜蛋白类型(二)膜内在蛋白与膜脂结合的方式(三)去垢剂三、膜蛋白

第21页，共42页，2023年，2月20日，星期六根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的结合方式,膜蛋白可分为两大基本类型:1.膜周边蛋白或外在蛋白:为水溶性蛋白,靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合.借助改变溶液的离子强度甚至提高温度就可从膜上分离出来,膜结构不被破坏.2.膜内在蛋白或整合膜蛋白与膜紧密结合,只有用去垢剂使膜崩解才可分离出来.三、膜蛋白

(一)膜蛋白类型第22页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-4膜蛋白①,②整合蛋白；③,④膜周边蛋白；⑤,⑥脂分子或糖脂连接的膜蛋白第23页，共42页，2023年，2月20日，星期六膜内在蛋白多数为跨膜蛋白,也有些插入脂双层中,它与膜结合的主要方式有:1.膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用.2.跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键,或带负电的氨基酸残基通过Ca2+,Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用.3.某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合.三、膜蛋白

(二)膜内在蛋白与膜脂结合的方式第24页，共42页，2023年，2月20日，星期六定义:去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂分类:离子型去垢剂和非离子型去垢剂离子型去垢剂:如SDS,可使细胞膜崩解,并与膜蛋白疏水部分结合使其分离,而且还可以破坏蛋白内部的非共价键甚至改变水部分的构象.非离子型去垢剂:如TritonX-100,可使细胞膜崩解,但对蛋白质的作用比较温和,它不仅用于膜蛋白的分离与纯化,也用于除去细胞的膜系统,以便对细胞骨架蛋白鹤其他蛋白进行研究.三、膜蛋白

(三)去垢剂第25页，共42页，2023年，2月20日，星期六膜的流动性是生物膜的基本特征之一,也是细胞进行生命活动的必要条件.由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成.四、膜的流动性

第26页，共42页，2023年，2月20日，星期六1、膜脂分子的运动侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。四、膜的流动性

(一)膜脂的流动第27页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-5膜脂分子的运动①侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。②旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。③摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。④伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。⑤翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。⑥旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。第28页，共42页，2023年，2月20日，星期六2、影响膜脂流动性的因素胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。四、膜的流动性

(一)膜脂的流动第29页，共42页，2023年，2月20日，星期六1、膜蛋白的分子运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。四、膜的流动性

(二)膜蛋白的流动第30页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-6利用细胞融合技术观察蛋白质运动

第31页，共42页，2023年，2月20日，星期六膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。四、膜的流动性

(三)膜流动的意义第32页，共42页，2023年，2月20日，星期六定义:质膜内外两层的组分和功能的差异，为膜的不对称性。细胞膜各部分的名称:质膜的细胞外表面(ES):与细胞外环境接触的膜面质膜的原生质表面(PS):与细胞质基质接触的膜面质膜的细胞外小页断裂面(EF):样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，靠近ES的断面原生质小页断裂面(PF)：样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，靠近PS的断面。五、膜的不对称性

第33页，共42页，2023年，2月20日，星期六图4-7生物膜各膜面的名称(右侧为冷冻断裂复型技术所显示的两个断裂面)

第34页，共42页，2023年，2月20日，星期六1、膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：卵磷脂(PC)和鞘磷脂(SM)主要分布在外小页，磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰丝氨酸(PS)分布在内小页。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。2．复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。3、膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。五、膜的不对称性

第35页，共42页，2023年，2月20日，星期六为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。五、细胞膜的功能

第36页，共42页，2023年，2月20日，星期六细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。六、细胞表面的特化结构第37页，共42页，2023年，2月20日，星期六膜骨架六、细胞表面的特化结构膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内