细胞生物学翟中和编细胞质膜

第4章细胞质膜当前第1页\共有67页\编于星期四\21点第4章细胞质膜

Chapter4PLASMAMEMBRANE细胞生物学教研室杨玥E-mail:yuepearl2005@163.com办公室：实验楼A509Tel:6913225当前第2页\共有67页\编于星期四\21点本章主要内容细胞质膜的结构模型与基本成分生物膜的基本特征与功能膜骨架重点：生物膜的结构模型生物膜的特性当前第3页\共有67页\编于星期四\21点第一节细胞质膜的结构模型与基本成分细胞质膜

（plasmamembrane）真核细胞内的膜（internalmembrane）系统真核细胞内膜系统

（endomembranesystem）生物膜（biomembrane）当前第4页\共有67页\编于星期四\21点电镜下的细胞膜红细胞质膜摄于20世纪50年代末ByRobertson体外培养的肌细胞示质膜和肌质网膜当前第5页\共有67页\编于星期四\21点质膜的分子结构质膜的组成与分子结构方面的早期资料，主要来源于对哺乳动物血红细胞的研究血影（ghost）哺乳动物的血红细胞当前第6页\共有67页\编于星期四\21点一、细胞质膜的结构模型三明治模型单位膜模型流动镶嵌模型脂筏模型每种模型对认识生物膜的贡献及其局限性？当前第7页\共有67页\编于星期四\21点质膜的研究历史当前第8页\共有67页\编于星期四\21点2、1925年，E.Gorter和F.GrendelTheareaoflipidfilmonthewaterwasabouttwicetheestimatedtotalsurfaceareaoftheerythrocytes，sotheyconcludedthattheerythro-cyteplasmamembraneconsistedofnotonebuttwolayersoflipids质膜的研究历史当前第9页\共有67页\编于星期四\21点质膜的研究历史三明治模型当前第10页\共有67页\编于星期四\21点质膜的研究历史当前第11页\共有67页\编于星期四\21点Unitmembranemodel单位膜提出了生物膜的共性单位膜无法解释：膜结构不断的发生动态变化；各种膜没有一成不变的统一性；各种膜均具有各自的特定厚度（5-10nm）；提取膜蛋白的难易程度不同；各种膜的蛋白质与脂类的成分比率不同等。当前第12页\共有67页\编于星期四\21点5、1972年，Singer和Nicolson流动镶嵌模型质膜的研究历史A.Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovementB.Membraneproteinsfromamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegrees当前第13页\共有67页\编于星期四\21点Fluidmosaicmodel当前第14页\共有67页\编于星期四\21点6、1988年，Simons脂筏模型胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”载着执行特定生物学功能膜蛋白质膜的研究历史当前第15页\共有67页\编于星期四\21点Lipidraftmodel当前第16页\共有67页\编于星期四\21点Atomicforcemicroscopyrevealssphyingomyelinrafts(orange)protrudingfromadioleoylphatidylcholinebackground(black)inamica-supportedlipidbilayer.Lipidraftmodel当前第17页\共有67页\编于星期四\21点目前对生物膜结构的认识磷脂分子在水相中具有自发封闭的性质蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层分子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细胞生命活动中，生物膜处于不断的动态变化中变形虫吞噬草履虫当前第18页\共有67页\编于星期四\21点细胞膜的化学组成脂类（L）50%

细胞膜的主体蛋白（P）40-50%糖类

2-10%以糖脂、糖蛋白形式存在水、无机盐、金属离子少量Ｐ／Ｌ(变化范围1:4-4:1之间)越高说明功能越复杂多样当前第19页\共有67页\编于星期四\21点Thebasiccompositionsofsomebio-membrane当前第20页\共有67页\编于星期四\21点二、膜脂(membranelipid)当前第21页\共有67页\编于星期四\21点1.磷脂具有一个极性头和两个非极性的尾脂肪酸碳链为偶数除饱和脂肪酸外常含1-2个双键的不饱和脂当前第22页\共有67页\编于星期四\21点脂分子极性头空间占位对脂双层曲度的影响PE极性头较小，更多地分布在脂双层曲度较大的一侧(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰胆碱)当前第23页\共有67页\编于星期四\21点甘油磷脂与鞘磷脂脑磷脂卵磷脂当前第24页\共有67页\编于星期四\21点鞘磷脂主要在高尔基体合成鞘磷脂形成的脂双层厚度较甘油磷脂厚度大A.卵磷脂B.鞘磷脂C.卵磷脂和胆固醇D.鞘磷脂和胆固醇当前第25页\共有67页\编于星期四\21点2.固醇：胆固醇及其类似物含4个闭环，亲水的头部为一个羟基调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质通透性脂筏基本结构成分，还是很多重要生物活性分子的前体化合物非极性的类固醇环极性的头部非极性的碳氢尾部当前第26页\共有67页\编于星期四\21点胆固醇分子散布于磷脂分子之间,

其极性头部紧靠磷脂极性头部,

其余部分游离当前第27页\共有67页\编于星期四\21点含1个或几个糖基的类脂脑苷脂（神经髓鞘膜）神经节苷脂（神经元细胞膜）无论那一种膜脂，都是双亲性分子3.糖脂当前第28页\共有67页\编于星期四\21点◆构成膜的基本骨架；◆是膜蛋白的溶剂；◆为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境。膜脂的功能当前第29页\共有67页\编于星期四\21点膜脂的运动方式沿膜平面的侧向运动脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部摆动双层脂分子之间的翻转运动当前第30页\共有67页\编于星期四\21点脂质体(liposome)脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白，是研究膜脂与膜蛋白生物学性质以及转基因、药物靶向的好材料当前第31页\共有67页\编于星期四\21点三、膜蛋白(membraneprotein)膜蛋白种类繁多赋予生物膜重要的生物学功能当前第32页\共有67页\编于星期四\21点（一）膜蛋白的三种基本类型外在膜蛋白或外周膜蛋白内在膜蛋白或整合膜蛋白脂锚定膜蛋白当前第33页\共有67页\编于星期四\21点脂锚定膜蛋白的3种类型A：脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上B：烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基上C：通过糖脂锚定在细胞质膜上当前第34页\共有67页\编于星期四\21点（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式内在膜蛋白为跨膜蛋白可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域当前第35页\共有67页\编于星期四\21点内在膜蛋白与膜脂结合的方式膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与带负电的磷脂极性头部相互作用通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上当前第36页\共有67页\编于星期四\21点内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂跨膜结构域形成α螺旋跨膜结构域主要由β折叠片组成某些α螺旋外侧非极性链与膜脂相互作用，内侧极性链形成特异极性分子的跨膜通道当前第37页\共有67页\编于星期四\21点三种膜蛋白的比较当前第38页\共有67页\编于星期四\21点◆运输蛋白：转运特殊的分子和离子进出细胞;◆酶：催化相关的代谢反应;◆连接蛋白：起连接作用；◆受体：起信号接收和传递作用。膜蛋白的功能当前第39页\共有67页\编于星期四\21点（三）去垢剂一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂插入膜脂与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒当前第40页\共有67页\编于星期四\21点（三）去垢剂离子型去垢剂：如SDS，可破坏蛋白质中离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象非离子去垢剂：如TritonX-100，对蛋白质作用比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化当前第41页\共有67页\编于星期四\21点（三）去垢剂当前第42页\共有67页\编于星期四\21点四、膜糖糖脂糖蛋白细胞质膜上的膜糖都位于质膜外表面，内膜系统中的膜糖则面向细胞器腔面！当前第43页\共有67页\编于星期四\21点第二节细胞质膜的基本特征与功能流动性不对称性膜骨架质膜的基本功能当前第44页\共有67页\编于星期四\21点一、膜的流动性膜的流动性是是所有的生物膜的基本特征，是细胞生长增殖等生命活动的必要条件膜的流动状态受细胞代谢过程的调节当前第45页\共有67页\编于星期四\21点（一）膜脂的流动性脂肪酸链越短、不饱和程度越高，流动性越大温度对膜脂的运动有明显影响胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用相变温度当前第46页\共有67页\编于星期四\21点膜蛋白的可能运动方式随机移动、定向运动、局部扩散当前第47页\共有67页\编于星期四\21点（二）膜蛋白的流动性荧光标记人-鼠细胞融合实验成斑现象（patching）或成帽现象（capping）当前第48页\共有67页\编于星期四\21点（二）膜蛋白的流动性膜蛋白流动性受多种因素限制：如紧密连接、细胞骨架的影响等当前第49页\共有67页\编于星期四\21点（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测荧光漂白恢复（FRAP）技术当前第50页\共有67页\编于星期四\21点二、膜的不对称性膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧电镜冷冻蚀刻技术当前第51页\共有67页\编于星期四\21点（一）细胞质膜各膜面的名称质膜的细胞外表面（extrocytoplasmicsurface，ES）质膜的原生质表面（protoplasmicsurface，PS）细胞外小叶断裂面（extrocytoplasmicface，EF）原生质小叶断裂面（protoplasmicface，PF）当前第52页\共有67页\编于星期四\21点（二）膜脂的不对称性膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布糖脂分布表现出完全不对称性：非胞质侧当前第53页\共有67页\编于星期四\21点（二）膜脂的不对称性当前第54页\共有67页\编于星期四\21点（三）膜蛋白的不对称性所有的膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性糖蛋白的糖残基均分布在生物膜的非胞质一侧当前第55页\共有67页\编于星期四\21点当前第56页\共有67页\编于星期四\21点三、细胞质膜相关的膜骨架Figure10-42aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)当前第57页\共有67页\编于星期四\21点（一）膜骨架细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度当前第58页\共有67页\编于星期四\21点（二）红细胞的生物学特性血影(ghost)当前第59页\共有67页\编于星期四\21点（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜的刚性