細胞4,細胞膜與細胞表面2009

第四章:細胞質(zhì)膜I.細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型II.生物膜基本特征與功能III.膜骨架1細胞膜與細胞表面特化結(jié)構(gòu)A.細胞膜的結(jié)構(gòu)模型三明治式結(jié)構(gòu)模型單位膜模型（1959年）流動鑲嵌模型（1972年）（要點：鑲嵌性、不對稱性和蛋白質(zhì)的極性、流動性。液晶態(tài)模型板塊鑲嵌模型B生物膜結(jié)構(gòu)的基本特點A.膜的基本化學(xué)組成：膜脂、膜蛋白、膜糖。B.磷脂分子形成以疏水性非極性尾部相對，極性頭部朝向水相的磷脂雙分子層——生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分。C.蛋白質(zhì)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，蛋白的類型、蛋白分布的不對稱性及其與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜具有各自的特性與功能。D.生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液。主要包括:磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、膽固醇（動物細胞）三類A.膜脂膜脂的基本功能：構(gòu)成細胞膜的基本骨架。為某些膜蛋白維持其特定的構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境。1.2膜的化學(xué)組成磷脂構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50%以上。磷脂有一個極性頭和兩個非極性尾脂肪酸碳鏈為偶數(shù)不飽和脂肪酸多為順式

磷脂膽固醇膽固醇在調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透性方面起重要的作用。磷脂分子自發(fā)的形成圓形雙層膜結(jié)構(gòu)沿膜平面的側(cè)向運動(~107timespersecond)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(lessthanonceamonthforanyindividualmolecule.)膜脂是二維流體，其主要運動方式：胞內(nèi)脂粒被磷脂單層包圍B.膜蛋白有50余種，在不同細胞中的含量差別較大，25-75%。根據(jù)膜蛋白的基本功能可分為：通道蛋白、連接蛋白、受體蛋白、膜蛋白酶按期在膜中的位置大致可分為：整合(內(nèi)在)蛋白、周邊(外在)蛋白、錨定蛋白

膜周邊蛋白為水溶性，靠離子鍵或其他弱相互作用與膜表面的蛋白或脂分子結(jié)合。通過改變?nèi)芤旱碾x子強度甚至提高溫度即可從膜上分離，而膜結(jié)構(gòu)不被破壞。膜內(nèi)在蛋白與膜結(jié)合非常緊密，只有用除垢劑使膜崩解后才能分離出來。

膜蛋白可以通過各種形式與脂雙層交聯(lián)。蛋白質(zhì)與脂雙層交聯(lián)的方式反映其功能。大多數(shù)膜內(nèi)在蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域含有20個左右的疏水氨基酸殘基，形成α螺旋?？缒そY(jié)構(gòu)域兩端攜帶+e的氨基酸殘基與磷脂分子帶-e的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過離子與帶正電的磷脂極性頭相互作用。Bacteriorhodopsinconsistslargelyofmembrane-spanningahelices

Thetransmembrane

αhelicesinmultipassmembraneproteinsoccupyspecificpositionsinthefoldedproteinstructurethataredeterminedbyinteractionsbetweentheneighboringhelices.Theseinteractionsarecrucialforthestructureandfunctionofthemanychannelsandtransportersthatmovemoleculesacrosslipidbilayers.

Convertingasingle-chainmultipassproteinintoatwo-chainmultipassprotein.β

barrel——Anotherstructuralmotifcommoninmembraneproteins跨膜結(jié)構(gòu)域一般僅有10-12個氨基酸殘基。大量存在于線粒體、葉綠體和細菌的外膜，但也僅只是在這些部位比較多。一些是成孔蛋白，選擇性轉(zhuǎn)運通過小的親水分子或離子。一些是非孔蛋白，為受體或酶。single-passtransmembraneproteinsAtransmembraneproteinalwayshasauniqueorientationinthemembrane.ThisreflectsboththeasymmetricmannerinwhichitisinsertedintothelipidbilayerintheERduringitsbiosynthesisandthedifferentfunctionsofitscytosolicandnoncytosolicdomains.Thesedomainsareseparatedbythemembrane-spanningsegmentsofthepolypeptidechain.整合蛋白的方向性可通過可標記蛋白的非滲透劑來確定。MembraneProteinsOftenFunctionasLargeComplexesThethree-dimensionalstructureofthephotosyntheticreactioncenterofthebacteriumRhodopseudomonasviridis.Boththecriticalmicellarconcentration（臨界膠束濃度）andtheaveragenumberofdetergentmoleculesinamicellearecharacteristicpropertiesofeachdetergent,buttheyalsodependonthetemperature,pH,andsaltconcentration.去垢劑Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

為膜蛋白功能檢測提供了方法。C.膜碳水化合物（占膜重量的2-10%）共價連接于外膜的膜脂和膜蛋白.糖蛋白通過短的支鏈碳水化合物部分與其他細胞和胞外結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用.糖脂含有較大的碳水化合物鏈，可能是細胞間的識別位點.功能：細胞與細胞的相互作用、特別是細胞識別、物質(zhì)交換、接觸抑制、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、還有保護作用。糖脂：不同細胞中所含糖脂的種類不同，動物細胞中的糖脂都是鞘氨醇的衍生物，含有一個或多個糖殘基。1.3膜的流動性膜脂的流動性;主要指脂分子的側(cè)向運動，主要取決于脂分子本身的組成及溫度。使膜具有融合、形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分離電荷的能力。膜蛋白的流動性;順式雙鍵增加磷脂雙層膜的流動性使其難于凝固。影響膜流動性的因素:脂肪酸的長度；脂肪酸的不飽和程度；溫度；膽固醇的含量微生物和動物細胞會在不同生長情況下不斷調(diào)節(jié)其脂質(zhì)組成以保持穩(wěn)定的流動性。低溫時，合成更多的不飽和脂肪酸，更少的飽和脂肪酸。思考題：從不同的環(huán)境中分離到兩種細菌:一種是從平均溫度為～40℃的溫泉中分離的，另一種是從平均溫度為～4℃的冷水湖中分離的。問:a.請推測兩種細菌的細胞質(zhì)膜中，哪一種具有較多的不飽和脂肪酸?b.那一種細菌質(zhì)膜中的脂肪酸鏈較長?c.在37℃哪一種細菌質(zhì)膜的流動性高?盡管有流動性，脂雙層可以形成有著不同組成的區(qū)域(A)liposomesproducedfroma1:1mixtureofphosphatidylcholineandspingomyelin(B)liposomesproducedfroma1:1:1mixtureofphosphatidylcholine,spingomyelin,andcholesterol脂筏：質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的動態(tài)微結(jié)構(gòu)域。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間。脂筏就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。

ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

膜蛋白的流動性由于抗體有兩個抗原結(jié)合位點，可交聯(lián)相鄰的膜蛋白，隨著時間的延長，已均勻分布在細胞表面的標記熒光重新排布，聚集在細胞表面的某些部位，此為成斑現(xiàn)象，如聚集在細胞的一端，即為成帽現(xiàn)象。Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.由于某些膜蛋白與膜下細胞骨架相結(jié)合，或者由于細胞中某些特殊結(jié)構(gòu)的限定,以及膜蛋白與膜脂分子的相互作用，使某些膜蛋白的流動性受限。Threedomainsintheplasmamembraneofguineapigspermdefinedwithmonoclonalantibodies.Theproteinscanself-assembleintolargeaggregates(A);theycanbetetheredbyinteractionswithassembliesofmacromoleculesoutside(B)orinside(C)thecell;ortheycaninteractwithproteinsonthesurfaceofanothercell(D).人血紅細胞內(nèi)、外膜的脂組成.

脂不對稱性使內(nèi)外膜具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，有助于它們分別進行相應(yīng)不同的相互作用.脂不對稱性具有重要的功能膜脂的不對稱性同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布。1.4膜的不對稱性膜蛋白的不對稱性整合蛋白在脂雙層中不對稱分布，使膜具有明顯的內(nèi)外面之分。膜碳水化合物只分布在外膜。整合蛋白在膜內(nèi)也有方向性。整合蛋白的分布情況可通過冷凍-蝕刻技術(shù)分析。指細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，它參與維持細胞膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。1.5膜骨架紅細胞質(zhì)膜蛋白及其膜骨架（具有柔韌性,變影性,可塑性）血影蛋白錨蛋白帶3蛋白血型糖蛋白帶4.1蛋白肌動蛋白血影蛋白和肌動蛋白不是膜內(nèi)在蛋白，它們在維持膜的形狀及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。帶3蛋白和血型糖蛋白是膜整合蛋白，在維持細胞形態(tài)上不起決定性作用。帶3蛋白的N端伸向細胞質(zhì)基質(zhì)面折疊成不連續(xù)的水不溶性區(qū)域，為膜骨架蛋白提供結(jié)合位點。膜骨架蛋白主要包括血影蛋白，肌動蛋白，錨蛋白和帶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