第4章細(xì)胞質(zhì)膜PPT課件

1、本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要l細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型l生物膜的結(jié)構(gòu)模型l膜脂l膜蛋白l生物膜基本結(jié)構(gòu)與功能l膜的流動性l膜的不對稱性l細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能l膜骨架l膜骨架l紅細(xì)胞的生物學(xué)特征l紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及骨架第1頁/共62頁l Plasma membrane = Cell membranel細(xì)胞質(zhì)膜= =細(xì)胞膜l主要功能：l分隔l物質(zhì)運輸l能量轉(zhuǎn)換l信息傳遞l生物膜= =細(xì)胞內(nèi)的膜+ +細(xì)胞質(zhì)膜lBiomembrane= Plasma membrane + Intracellular membrane第2頁/共62頁第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)膜質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)模型l生物膜的結(jié)構(gòu)模型l膜脂l膜蛋白第

2、3頁/共62頁一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型生物膜的研究史生物膜的研究史 E. Overton 1895 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，因此推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。 E. Gorter & F. Grendel 1925 用有機(jī)溶劑提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測細(xì)胞膜由雙推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成層脂分子組成。第4頁/共62頁第5頁/共62頁三明治模型三明治模型 J. Danielli & H. Davson 1935

3、發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了“蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-脂類脂類-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。 1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。第6頁/共62頁單位膜模型單位膜模型 J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所謂的“蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-脂類脂類-蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)”“單位膜單位膜”模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。 這一假說得到了電鏡和X射線

4、衍射分析的支持。 單位膜模型的不足之處在于把膜的動態(tài)結(jié)構(gòu)描述成靜止的,不變的。第7頁/共62頁流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型 S. J. Singer & G. Nicolson 1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在“單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型”。第8頁/共62頁 流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型主要強(qiáng)調(diào)：（1）膜的流動性，膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動。（2）膜蛋白分布的不對稱性，有的鑲在膜表面，有的嵌入或橫跨脂雙分子層。 技術(shù)進(jìn)步帶來對于膜的新的認(rèn)識： 液晶態(tài)模型液晶態(tài)模型 無序（流動態(tài)）有序（結(jié)晶態(tài)） 板塊鑲嵌模型板塊鑲嵌模型 流動性不同的板塊 對流動鑲嵌模型

5、的補(bǔ)充和完善第9頁/共62頁脂筏模型脂筏模型（Simon, 1988） 脂筏是細(xì)胞質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域，如同小船一樣載著各種執(zhí)行特定生物學(xué)功能的蛋白。這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。 原子力顯微鏡照片原子力顯微鏡照片第10頁/共62頁 脂筏最初可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體上形成,最終轉(zhuǎn)運到細(xì)胞膜上。 有些脂筏可在不同程度上與膜下細(xì)胞骨架蛋白交聯(lián)。 推測一個100nm大小的脂筏可能載有600個蛋白分子。 脂筏就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、物質(zhì)跨膜運輸、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。第11頁/共62頁膜的研究歷史：膜的研究歷史：1.膜的脂類性質(zhì)2.脂單層3.

6、脂雙層4. 三明治模型5. 單位膜模型6. 流動鑲嵌模型第12頁/共62頁目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識 1. 磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分，尚未發(fā)現(xiàn)在生物膜中起組織作用的蛋白。 2.蛋白分子以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面，蛋白的蛋白的類型類型，蛋白，蛋白分布的不對稱性分布的不對稱性及及其其與脂分子的協(xié)同作用與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜具有各自的特性賦予生物膜具有各自的特性與功能與功能。 3.生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液。然而膜蛋白與膜脂之間，膜蛋白與膜蛋白之間及其與膜兩側(cè)其它生物大分子的復(fù)雜的相互作用

7、，限制了膜蛋白和膜脂的流動性流動性。第13頁/共62頁細(xì)胞質(zhì)膜的化學(xué)構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)膜的化學(xué)構(gòu)成 質(zhì)膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。 一般，脂類約占50，蛋白質(zhì)約40，糖類約210，不同的膜含量不同。 蛋白質(zhì)與脂的多少與膜的功能密切相關(guān)，膜的功能主要由蛋白質(zhì)承擔(dān)，所以功能活動較旺盛的膜，蛋白質(zhì)含量就高， 如線粒體內(nèi)膜是電子傳遞鏈所在。 功能活動較弱的膜，蛋白質(zhì)含量就低，如神經(jīng)鞘主要起對神經(jīng)元的保護(hù)、絕緣作用，所以蛋白質(zhì)含量低。第14頁/共62頁 神經(jīng)鞘的蛋白含量低，脂類含量高第15頁/共62頁二、膜脂二、膜脂（

8、Membrane Lipids） 磷脂Phospholipids 甘油磷脂和鞘磷脂 糖脂Glycolipids 膽固醇Cholesterol 第16頁/共62頁1 1 磷脂磷脂Phospholipids 含有磷酸基團(tuán)的膜脂稱為磷脂（phospholipid），是細(xì)胞膜中含量最豐富和最具特性的脂。 磷脂，是膜脂的基本成分，約占膜脂的 50以上。 磷脂分子的極性端是各種磷脂酸堿基，稱作頭部。它們多數(shù)通過甘油基團(tuán)與非極性端相連。 分兩大類：甘油磷脂和鞘磷脂。 甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺（腦磷脂）、磷脂酸膽堿（卵磷脂）、磷脂酸肌醇、磷脂酰絲氨酸等。第17頁/共62頁磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿第18頁/共62頁

9、甘油磷脂 以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結(jié)合兩個脂肪酸鏈和一個磷酸基團(tuán)，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團(tuán)連接到脂分子上。 主要類型有： 磷脂酰膽堿（phosphatidyl choline，PC，舊稱卵磷脂）、 磷脂酰絲氨酸（phosphatidyl serine，PS） 磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，舊稱腦磷脂） 磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI） 雙磷脂酰甘油（DPG，舊稱心磷脂）等。第19頁/共62頁第20頁/共62頁鞘磷脂 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，亦稱神經(jīng)醇磷

10、脂。 它以鞘胺醇（sphingosine）為骨架，與一條脂肪酸鏈共同組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結(jié)合。 原核細(xì)胞和植物中沒有鞘磷脂。膽堿第21頁/共62頁磷脂特征： 1. 具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），位于線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個非極性局部。 2. 脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個碳原子組成。 3. 常含有不飽和脂肪酸（如油酸），多為順式，在烴鏈中產(chǎn)生30彎曲。第22頁/共62頁2 2 糖脂糖脂Glycolipids 糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，普遍存在于原核和真核細(xì)胞的質(zhì)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，約占5-10。第2

11、3頁/共62頁 糖脂的結(jié)構(gòu)與鞘磷脂很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。Gal半乳糖，Glu葡萄糖，SiA唾液酸，GalNAc:N-乙酰半乳糖胺神經(jīng)節(jié)苷脂A腦苷脂A鞘胺醇 神經(jīng)酰胺 鞘磷脂第24頁/共62頁 最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，它只有一個半乳糖殘基作為極性頭部，在髓鞘的多層膜中含量豐富； 變化最多、最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。 神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分。兒童所患的家族性白癡?。═ay-sachs disease）就是因為在其細(xì)胞內(nèi)缺乏氨基己糖脂酶，不能將神經(jīng)節(jié)苷脂GM2 加工成為GM3，結(jié)果大量的GM2累

12、積在神經(jīng)細(xì)胞中，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化。第25頁/共62頁ABOABO血型糖脂血型糖脂 ABO血型抗原是一種糖脂，其寡糖部分具有決定抗原特異性的作用： A型：膜脂寡糖鏈的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。 B型：末端是半乳糖，Gal。 O型：末端沒有這兩種糖基。 AB型：末端同時具有這兩種糖基。Fucose：海藻糖第26頁/共62頁3 3 膽固醇膽固醇Cholesterol 膽固醇僅存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。 其功能是提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)脂雙層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。 如：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。

13、第27頁/共62頁膽固醇與脂分子的關(guān)系膽固醇與脂分子的關(guān)系第28頁/共62頁膜脂的運動方式膜脂的運動方式 沿膜平面的側(cè)向運動沿膜平面的側(cè)向運動（基本運動方式）, 每秒2微米； 脂分子圍繞軸心的自旋運動脂分子圍繞軸心的自旋運動； 脂分子尾部的擺動脂分子尾部的擺動； 雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動，發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的1010。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。第29頁/共62頁膜脂的4種運動方式第30頁/共62頁脂質(zhì)體脂質(zhì)體第31頁/共62頁脂脂 質(zhì)質(zhì) 體體 的的 應(yīng)應(yīng) 用用 研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)； 脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移；

14、 在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體 第32頁/共62頁三、膜蛋白三、膜蛋白 （一）類型（一）類型 外在外在(外周外周)膜蛋白膜蛋白：水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子結(jié)合，易分離（通過改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度或溫度即可）。 脂錨定蛋白脂錨定蛋白：共價結(jié)合脂肪酸或糖脂，插入磷脂分子層 內(nèi)在（整合）膜蛋白內(nèi)在（整合）膜蛋白 ：水不溶性蛋白，以非極性氨基酸與脂雙分子層的非極性區(qū)相互作用而緊密結(jié)合在質(zhì)膜上 ，需用去垢劑使膜崩解后才可分離。第33頁/共62頁蛋白與膜的結(jié)合方式蛋白與膜的結(jié)合方式、整合蛋白；、脂錨定蛋白；、外周蛋白、整合蛋白；、脂錨定蛋白；、外周蛋白第34頁/共62

15、頁（二）內(nèi)在蛋白與膜脂的結(jié)合方式（二）內(nèi)在蛋白與膜脂的結(jié)合方式 1.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。 1至多個疏水的螺旋形成跨膜結(jié)構(gòu)域。 折疊片組成折疊片桶( barrel)，形成親水通道 。 2.跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過 Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。 3.某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強(qiáng)膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。第35頁/共62頁第36頁/共62頁去垢劑去垢劑去垢劑是一端親水一端疏水的兩性小分

16、子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。離 子 型 去 垢 劑 ( S D S ) 和 非 離 子 型 去 垢 劑（Triton X-100）。非離子型去垢劑對蛋白的作用比較溫和。第37頁/共62頁The structures of two commonly used detergents. SDS is an anionic detergent, and Triton X-100 is a nonionic detergent. The hydrophobic portion of each detergent is shown in green, and the hydrophilic port

17、ion is shown in blue. 第38頁/共62頁Solubilizing membrane proteins with a mild detergent. The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes. The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent. 第39頁/共62頁第第二二節(jié)節(jié) 生物膜基本結(jié)構(gòu)與功

18、能生物膜基本結(jié)構(gòu)與功能一、膜的流動性（一）膜脂的流動性影響膜脂流動性的因素影響膜脂流動性的因素 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)境因子等。包括： 膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。 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。 脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。 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。 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。第40頁/共62頁（二）膜蛋白的流動性（二）膜蛋白的流動性 主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運動方式。 可用熒光漂白技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測側(cè)向擴(kuò)散

19、。 膜蛋白的流動性受多種因素影響；細(xì)胞骨架不但影響膜蛋白的運動，也影響其周圍的膜脂的流動。膜蛋白與膜脂分子的相互作用也是影響膜流動性的重要因素。第41頁/共62頁膜蛋白的運動第42頁/共62頁熒光標(biāo)記的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實驗示意圖第43頁/共62頁熒光漂白恢復(fù)技術(shù)熒光漂白恢復(fù)技術(shù)第44頁/共62頁Four ways in which the lateral mobility of specific plasma membrane proteins can be restricted. The proteins can self-assemble into large aggregates (

20、such as bacteriorhodopsin in the purple membrane of Halobacterium) (A); they can be tethered by interactions with assemblies of macromolecules outside (B) or inside (C) the cell; or they can interact with proteins on the surface of another cell (D). 膜蛋白的流動性的幾種限制第45頁/共62頁思考：膜的流動性有何生物學(xué)意義？ 質(zhì)膜的流動性是保證其正常

21、功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關(guān)。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。 細(xì)胞質(zhì)膜適宜的流動性是生物膜正常功能的必要條件。 酶活性與流動性有極大的關(guān)系，流動性大活性高。 如果沒有膜的流動性，細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)無法進(jìn)入，細(xì)胞內(nèi)合成的胞外物質(zhì)及細(xì)胞廢物也不能運到細(xì)胞外，這樣細(xì)胞就要停止新陳代謝而死亡。 膜流動性與信息傳遞有著極大的關(guān)系。 如果沒有流動性，能量轉(zhuǎn)換是不可能的。 膜的流動性與發(fā)育和衰老過程都有相當(dāng)大的關(guān)系。第46頁/共62頁二、膜的不對稱性二、膜

22、的不對稱性（一）細(xì)胞質(zhì)膜各部分的名稱ESES，質(zhì)膜的細(xì)胞外表面（extrocytoplasmic extrocytoplasmic surfacesurface）；PSPS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（protoplasmic surfaceprotoplasmic surface）；EFEF（extrocytoplasmic faceextrocytoplasmic face），質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁斷裂面；PFPF（protoplasmic faceprotoplasmic face），原生質(zhì)小頁斷裂面。第47頁/共62頁磷脂酰膽堿PC和鞘磷脂SM主要分布在外小頁，而磷脂酰乙醇胺PE和磷脂酰絲氨酸PS主要

23、分布在質(zhì)膜內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，而PE和PS分別只有20%和10%的被解。生物學(xué)意義不明膜脂的不對稱性第48頁/共62頁第49頁/共62頁膜蛋白的不對稱性膜蛋白的不對稱性 膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。 某些膜蛋白只有在特定膜脂存在時才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合于膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用。糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面，這些成分可能是細(xì)胞表面受體，并且與細(xì)胞的抗原性有關(guān)。 第50頁/共62頁思考：膜的不對稱性有何生物學(xué)意義？ 膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不

24、對稱性導(dǎo)致了膜功能的不對稱性和方向性。保證了生命活動的高度有序性。 膜脂在膜中的分布是不對稱的，雖然這種不對稱性的生物學(xué)作用還了解得很少，但已經(jīng)取得了不少進(jìn)展。 如糖脂是位于脂雙層的外側(cè)，其作用可能作為細(xì)胞外配體(ligand)的受體。 磷脂酰膽堿也出現(xiàn)在血小板的外表面，此時作為血凝固的信號。 磷脂酰肌醇主要集中在內(nèi)葉，它們在將細(xì)胞質(zhì)膜的刺激向細(xì)胞質(zhì)傳遞中起關(guān)鍵作用。 膜不僅內(nèi)外兩側(cè)的功能不同， 分布的區(qū)域?qū)δ芤灿杏绊?。造成這種功能上的差異， 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不對稱引起的。 細(xì)胞間的識別、運動、物質(zhì)運輸、信號傳遞等都具有方向性。這些方向性的維持就是靠分布不對稱的膜蛋白、膜脂和膜糖來提供。第51頁/共62頁三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能三、細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能 細(xì)胞質(zhì)膜的主要功能概括如下：1.為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；2.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，伴隨著能量傳遞；3.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；4.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；5. 介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；6. 參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。第52頁/共62頁膜膜 功功 能能第53頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 膜骨架膜骨架一、膜骨架 概念：指細(xì)胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連