第4章細胞質(zhì)膜

1、1第四章第四章 細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜2 OUTLINEOUTLINE細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜細胞表面特化結(jié)構(gòu)細胞表面特化結(jié)構(gòu)3第一節(jié)第一節(jié) 細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型 細胞質(zhì)膜或細胞膜：細胞質(zhì)膜或細胞膜：生物膜：生物膜：圍繞在細胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜圍繞在細胞最外層的由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜細胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細胞膜和細胞內(nèi)膜。細胞的所有膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括細胞膜和細胞內(nèi)膜。4細細胞胞的的生生物物膜膜體體系系5一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型“三明治式三明治式”結(jié)構(gòu)模型：結(jié)構(gòu)模型： “蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)” 。 Gorter & Gren

2、del (1925)：實驗：實驗 Davision & DanielliDavision & Danielli (1935) (1935)：推測：推測 單位膜模型單位膜模型(unit membrane model(unit membrane model）：）： 所有的生物膜所有的生物膜都是由都是由“蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)” ” 的單位膜構(gòu)成。的單位膜構(gòu)成。 J.D.RobertsonJ.D.Robertson（19591959）流動鑲嵌模型流動鑲嵌模型(fluid mosaic model) (fluid mosaic model) ：生物膜是由磷生物膜是

3、由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成脂雙分子層和蛋白質(zhì)構(gòu)成, ,膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動，膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動，膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對稱分布的。膜蛋白是鑲嵌于脂雙分子層中，是不對稱分布的。 S.J.SingerS.J.Singer和和G.NicolsonG.Nicolson（19721972）脂筏模型（脂筏模型（lipid rafts modellipid rafts model）6Typical plasma Membrane 膽固醇膽固醇磷脂磷脂膜蛋白的非極性區(qū)膜蛋白的非極性區(qū)糖基鏈糖基鏈蛋白鏈蛋白鏈7二、生物膜的化學組成二、生物膜的化學組成（一）、膜脂（一）、膜脂（Membrane

4、 Lipids）膜脂、膜蛋白膜脂、膜蛋白磷脂磷脂(phospholipids)(phospholipids) 動、植物細胞膜上都有磷脂動、植物細胞膜上都有磷脂, ,約占膜脂的約占膜脂的50%50%以上以上； 磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部；磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部； 磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈, , 稱為尾部稱為尾部, ,一般一般含有含有 14142424個偶數(shù)碳原子；個偶數(shù)碳原子； 其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵, ,雙鍵的存在造成這條不雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。飽和鏈有一定角度的

5、扭轉(zhuǎn)。8Phospholipids9Four major phospholipids in mammalian plasma membranes. Note that different head groups are represented by different symbols in this figure and the next. All of the lipid molecules shown are derived from glycerol except for sphingomyelin, which is derived from serine.10糖脂糖脂(Glycoli

6、pid(Glycolipid) ) 糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜上糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜上, ,含量約含量約占膜脂的占膜脂的5%5%以下以下; ; 最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂, ,它僅有一個半它僅有一個半乳糖作為極性頭部乳糖作為極性頭部; ; 變化最多、最復雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂變化最多、最復雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂, ,它是神經(jīng)它是神經(jīng)原質(zhì)膜具特征性的成分。原質(zhì)膜具特征性的成分。111、半乳糖 腦苷脂 2、神經(jīng)節(jié)苷脂 3、唾液酸.12膽固醇膽固醇(Cholesterol)(Cholesterol) 膽固醇存在于真核細胞膜中：膽固醇存在于真核細胞膜中： 動物細胞膜膽固醇的

7、含量較高動物細胞膜膽固醇的含量較高 大多數(shù)高等植物細胞膜中沒有大多數(shù)高等植物細胞膜中沒有膽固醇膽固醇 膽固醇分子包括三部分膽固醇分子包括三部分: : 極性的頭部：羥基極性的頭部：羥基 非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu) 一個非極性的碳氫尾部一個非極性的碳氫尾部 作用作用: :調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性、降低水溶性調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性、降低水溶性物質(zhì)的通透性等物質(zhì)的通透性等13膜脂的運動膜脂的運動 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）基本運動方式）, ,其擴散其擴散系數(shù)為系數(shù)為1010-8-8cm/scm/s； 脂分子圍繞軸心的自旋運動；脂分子圍繞軸心的自

8、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，發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向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)向交換頻率的交換頻率的10101010。但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高。運動發(fā)生頻率很高。14Phospholipid mobility. The types of movement possible for phospholipid molecules in a lipid bilayer. 15脂質(zhì)體脂質(zhì)體(Liposome)(Liposome)是人工膜是人工膜，是根據(jù)磷脂分子可在水相是根據(jù)

9、磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的。的。脂質(zhì)體的形成過程脂質(zhì)體的形成過程16脂質(zhì)體脂質(zhì)體17 脂質(zhì)體的應(yīng)用脂質(zhì)體的應(yīng)用 研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)；研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)； 脂質(zhì)體中裹入脂質(zhì)體中裹入DNADNA可用于基因轉(zhuǎn)移；可用于基因轉(zhuǎn)移； 在臨床治療中在臨床治療中,脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體脂質(zhì)體作為藥物或酶等載體18膜脂的功能膜脂的功能構(gòu)成膜的基本骨架構(gòu)成膜的基本骨架, ,去除膜脂，則使膜解體去除膜脂，則使膜解體; ;是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行

10、特殊的功能用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能; ;膜脂為某些膜蛋白膜脂為某些膜蛋白( (酶酶) )維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境環(huán)境, , 一般膜脂本身不參與反應(yīng)一般膜脂本身不參與反應(yīng)( (細菌的膜脂參與反細菌的膜脂參與反應(yīng)應(yīng)); ); 膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。19（二）、膜蛋白（二）、膜蛋白（Membrane ProteinsMembrane Proteins） 生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)完成的生物膜的特定功能主要是由

11、蛋白質(zhì)完成的; ;膜蛋白約占膜的膜蛋白約占膜的40%40%50%, 50%, 有有5050余種膜蛋白余種膜蛋白; ; 在不同細胞中膜蛋白的種類及含量有很大差異。在不同細胞中膜蛋白的種類及含量有很大差異。有的含量不到有的含量不到25%, 25%, 有的達到有的達到75%;75%;一般來說一般來說, ,功能越復雜的膜功能越復雜的膜, , 其上的蛋白質(zhì)含量其上的蛋白質(zhì)含量越多。越多。20整合蛋白整合蛋白(Integral Proteins) 膜蛋白的種類膜蛋白的種類整合蛋白、膜周邊蛋白整合蛋白、膜周邊蛋白 部分或全部鑲嵌部分或全部鑲嵌在細胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白在細胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；質(zhì)； 整合

12、蛋白約占膜蛋白的整合蛋白約占膜蛋白的70-80%。21Integral Proteins-+22內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式 跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙分子層的疏水核心相互作用跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙分子層的疏水核心相互作用 跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶帶正正電荷電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶的氨基酸殘基與磷脂分子帶 負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負負電的氨基酸殘基通過電的氨基酸殘基通過 Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱

13、氨酸殘基半胱氨酸殘基上共價結(jié)上共價結(jié) 合脂肪酸分子合脂肪酸分子, ,插入脂雙層之間插入脂雙層之間, ,進一步加強膜蛋白與脂進一步加強膜蛋白與脂 雙層的結(jié)合力雙層的結(jié)合力, ,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。23膜周邊蛋白膜周邊蛋白Peripheral ProteinsPeripheral Proteins24 靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子結(jié)合白質(zhì)分子或脂分子結(jié)合; 外周蛋白為水溶性外周蛋白為水溶性; ; 占膜蛋白總量的占膜蛋白總量的20%20%30%,30%,在紅細胞中占在紅細胞中占50%,50%,如紅細胞的血影蛋

14、白和錨定蛋白都如紅細胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白是外周蛋白。 膜周邊蛋白膜周邊蛋白(peripheral proteins)(peripheral proteins)25膜蛋白的提取方法膜蛋白的提取方法根據(jù)膜的組成特性，可用去污劑分離小的跨膜蛋根據(jù)膜的組成特性，可用去污劑分離小的跨膜蛋白白, , 這是膜蛋白研究的重要手段：這是膜蛋白研究的重要手段： 去污劑去污劑(detergent)(detergent)是一種一端親水一端疏水的是一種一端親水一端疏水的兩性小分子，可以使膜崩解兩性小分子，可以使膜崩解 當它們與膜蛋白作用時當它們與膜蛋白作用時, ,其疏水端與膜蛋白的疏水其疏水端與膜蛋白的疏

15、水區(qū)域相結(jié)合區(qū)域相結(jié)合, ,極性端指向水中極性端指向水中, ,形成溶于水的去垢劑形成溶于水的去垢劑- -膜蛋白復合物膜蛋白復合物, ,從而使膜蛋白在水中溶解而達到分離從而使膜蛋白在水中溶解而達到分離的目的的目的 常用的有常用的有SDS， Triton X-100 當去除去垢劑并加入磷脂后當去除去垢劑并加入磷脂后, ,可使膜蛋白復性并可使膜蛋白復性并恢復功能恢復功能26第二節(jié)第二節(jié).膜的基本特征與功能膜的基本特征與功能一、膜的流動性一、膜的流動性 圖圖 膜脂流動的影響因素膜脂流動的影響因素 內(nèi)因：脂肪酸鏈、膽固醇內(nèi)因：脂肪酸鏈、膽固醇 外因：溫度外因：溫度 膜蛋白流動的影響因素膜蛋白流動的影響因

16、素 內(nèi)因：內(nèi)因：膜下細胞骨架膜下細胞骨架 外因：溫度外因：溫度 熒光漂白恢復技術(shù)熒光漂白恢復技術(shù)二、膜的不對稱性二、膜的不對稱性 圖圖三、細胞質(zhì)膜的功能三、細胞質(zhì)膜的功能 圖圖27膜蛋白的運動膜蛋白的運動28不對稱性不對稱性 質(zhì)膜的內(nèi)外兩層的組分和功能有明顯的差異，稱為膜質(zhì)膜的內(nèi)外兩層的組分和功能有明顯的差異，稱為膜的不對稱性。的不對稱性。29In addition, glycolipids are drawn with hexagonal polar head groups (blue). Cholesterol (not shown) is thought to be distribute

17、d about equally in both monolayers. 30 FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS31第三節(jié)第三節(jié) 膜膜 骨骨 架架特殊結(jié)構(gòu)：膜下的膜骨架系統(tǒng)，膜表面的其它特化結(jié)構(gòu)：特殊結(jié)構(gòu)：膜下的膜骨架系統(tǒng)，膜表面的其它特化結(jié)構(gòu)：鞭毛、纖毛、微絨毛、細胞變形足等。鞭毛、纖毛、微絨毛、細胞變形足等。膜骨架的概念膜骨架的概念 指細胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)指細胞質(zhì)膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)架結(jié)構(gòu), ,它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多它參與維持細胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。種生理功能。人們對膜骨架的認識，大多

18、來自于對紅細人們對膜骨架的認識，大多來自于對紅細胞的研究。胞的研究。32電鏡下的紅細胞電鏡下的紅細胞33紅細胞紅細胞 Red Blood Cells Red Blood Cells是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞: : 成熟的紅細胞沒有細胞器；成熟的紅細胞沒有細胞器； 質(zhì)膜是紅細胞惟一的膜結(jié)構(gòu)；質(zhì)膜是紅細胞惟一的膜結(jié)構(gòu)； 紅細胞質(zhì)膜易于提純和分離；紅細胞質(zhì)膜易于提純和分離； 紅細胞的基本性質(zhì)紅細胞的基本性質(zhì) 成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為直徑約為7m,7m,厚度厚度1.7m,1.7m,表面積為表面積為145m2145m2； 紅細胞的主要

19、功能是攜帶紅細胞的主要功能是攜帶O O2 2和運輸和運輸COCO2 2，紅細，紅細胞的壽命約為胞的壽命約為120120天，一生中要行走天，一生中要行走500,000500,000米。米。34紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架問題提出的依據(jù)問題提出的依據(jù) 行程行程500,000500,000米米 要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道; ; 要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pHpH值的不利條件值的不利條件; ; 又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。持結(jié)構(gòu)的完整。35紅細胞血影（紅細胞血影（E

20、rythrocyte GhostErythrocyte Ghost） 36紅細胞膜蛋紅細胞膜蛋白成分：白成分：大約有大約有1515種主要的蛋白帶，種主要的蛋白帶，主要蛋白主要蛋白: : 血影蛋白血影蛋白(Spectrin(Spectrin) )、錨蛋白（錨蛋白（ankyrinankyrin）、）、肌動蛋白（肌動蛋白（actinactin）、）、帶帶4.1蛋白蛋白(Band4.1protein)、帶帶3 3蛋白蛋白(Band 3 protein)(Band 3 protein)、血型糖蛋白血型糖蛋白(Glycophorin(Glycophorin) )37 改變處理血影的離子強度，則改變處理血影

21、的離子強度，則血影蛋白血影蛋白和和肌動蛋白肌動蛋白條帶消條帶消失，說明這兩種蛋白不是內(nèi)在膜蛋白，比較容易除去，此失，說明這兩種蛋白不是內(nèi)在膜蛋白，比較容易除去，此時血影的形狀變得不規(guī)則，膜蛋白的流動性增強，說明這時血影的形狀變得不規(guī)則，膜蛋白的流動性增強，說明這兩種蛋白兩種蛋白在維持膜的形狀及固定其它膜蛋白的位置方面起在維持膜的形狀及固定其它膜蛋白的位置方面起重要作用重要作用。若用去垢劑。若用去垢劑TritonX-100處理血影，這時帶處理血影，這時帶3蛋白蛋白及一些血型糖蛋白消失，但血影仍能維持原來的形狀，說及一些血型糖蛋白消失，但血影仍能維持原來的形狀，說明明帶帶3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在維持細胞形態(tài)上，在維持細胞形態(tài)上并不起決定性作用。并不起決定性作用。 血