三年級二學期-2.質(zhì)膜和細胞質(zhì)

質(zhì)膜和細胞質(zhì)(plasma

membrane

&

cytoplasma)細胞生物學系質(zhì)膜(plasma

membrane)概述質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)質(zhì)膜的特性質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)模型質(zhì)膜與疾病質(zhì)膜一、概述質(zhì)膜（plasma

membrane，PM）細胞表面的組成部分，是將細胞內(nèi)外

環(huán)境分開的一層單位膜。電鏡下厚度為

6～10nm。為細胞的生命活動提供了相對恒定的內(nèi)環(huán)境質(zhì)膜（plasma

membrane，PM）內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane

system）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、胞內(nèi)體、溶酶體、微體（過氧化物酶體）以及各種膜性小泡等雙層膜包繞的細胞器線粒體、細胞核細胞膜(cellmembrane)曾指質(zhì)膜，現(xiàn)泛指包繞細胞質(zhì)和細胞器的界膜。生物膜(biomembrane)細胞內(nèi)的所有膜相結(jié)構(gòu)《細胞生物學名詞》第二版2009

科學二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)膜質(zhì)的脂類質(zhì)膜的蛋白質(zhì)質(zhì)膜的復合糖類質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)模型二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)（一）膜質(zhì)的脂類生物膜上的脂類稱為膜脂（membranelipid）主要有三類:磷脂(phospholipid)膽固醇

(cholesterol)糖脂(glycolipid)膜脂形成生物膜的基本骨架—膜脂親水頭部疏水尾部這種一端親水一端疏水的分子稱為雙親性分子（amphipathie

molecule）或兼性分子。磷脂脂肪酸烴鏈膽固醇二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)糖脂共價結(jié)合糖鏈的脂質(zhì)為雙親性分子，其極性頭為一個或數(shù)個糖基，非極性的尾部為兩條烴鏈。不同類型糖脂的主要區(qū)別在于其極性頭部的不同，它有一個或幾個糖殘基。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)人工膜-脂脂單層(monolayer)脂微囊(micelles)脂雙層(bilayer)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)（二）質(zhì)膜的蛋白質(zhì)–膜蛋白承擔和執(zhí)行質(zhì)膜的各種功能，不同的細胞其膜蛋白的含量有極大差別二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)動物細胞質(zhì)膜上包含各種酶蛋白、載體和通道蛋白、受體蛋白等。內(nèi)在蛋白(intrinsic

proteins):整合蛋白(integral

proteins)、跨膜或鑲嵌蛋白;外在蛋白(extrinsic

proteins):外周蛋白(peripheral

proteins)脂錨定膜蛋白(lipid

anchored

membraneproteins)蛋白質(zhì)與膜脂的結(jié)合方式：①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的修飾?；鞍踪|(zhì)：蛋白質(zhì)在N端的Gly殘基發(fā)生?；?，并以烴鏈

于質(zhì)膜的內(nèi)層。如Src蛋白。異戊烯化蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)C端或附近的半胱氨酸殘基的SH基與異戊二烯形成硫酯鍵，生成不飽和烴鏈

于質(zhì)膜的內(nèi)層。如

Ras蛋白。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)GPI

(glycosylphosphotidylinositol)－錨定膜蛋白：蛋白質(zhì)的C端通過磷

酸乙醇胺與GPI共價結(jié)合，并

借其烴鏈

于質(zhì)膜的外層中。例如，癌胚抗原（CEA）二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)（三）質(zhì)膜的復合糖類分類糖蛋白(glycoprotein,GP)蛋白聚糖(proteoplycan,PG)糖脂(glycolipid,GL)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)–糖蛋白(glycoprotein,GP)為共價結(jié)合糖的蛋白質(zhì)，其糖鏈為分支的寡糖鏈，可分為：N-連接的糖蛋白天冬酰胺殘基的氮原子（-NH2）與N-乙酰氨基葡萄糖的寡糖鏈共價結(jié)合形成-糖苷鍵的糖蛋白；糖基化位點：Asn-X-Ser/ThrO-連接的糖蛋白：Ser/Thr殘基中的羥基氧(O)原子與N-乙酰氨基半乳糖寡糖鏈共價相連形成-糖苷鍵的糖蛋白；糖基化位點：GalNAc

α→Ser/Thr二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)蛋白聚糖(proteoplycan,PG)由

蛋白質(zhì)與一至數(shù)百條糖鏈共價結(jié)合構(gòu)成，其糖鏈為無分支的直鏈多糖，主要由重復的二糖單位構(gòu)成，由于其二糖單位中普遍含有氨基糖（Ac或GalNAc）故稱為氨基聚糖(Glycosaminoglycan,GAG)。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)糖脂(glycolipid,GL)為共價結(jié)合糖鏈的脂質(zhì)–高等動物的糖脂主要為鞘糖脂(glycosphingolipid,GSL)脂質(zhì)部分為神經(jīng)酰胺(ceramide,Cer)–神經(jīng)酰胺由神經(jīng)鞘氨醇(sphingosine)與脂肪酸構(gòu)成含唾液酸的鞘糖脂稱為神經(jīng)節(jié)苷脂(ganglioside,Gg)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)特點–糖萼的糖鏈結(jié)構(gòu)復雜多變，可編碼大量信息。糖萼所攜帶的

可能和遺傳

一樣重要，

因為它負責著細胞賴以生存的無數(shù)種識別功能。–動物細胞糖萼的特點是的唾液酸、硫酸化糖基、糖醛酸等帶負電荷的糖殘而使細胞表面呈現(xiàn)為負電性。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)–細胞外被（cellcoat）富含糖類物質(zhì)，故又稱為糖萼（glycocalyx）。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)膜糖類的功能：提高膜的穩(wěn)定性，增強膜蛋白對細胞外基質(zhì)中蛋白酶的抗性；參與細胞的信號識別、細胞的粘著；細菌和

時的識別和結(jié)合位點。（四）質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)流動鑲嵌模型(fluid

mosaicmodel)Singer,

S.

J.

and

Nicolson,

G.

L.,

Science

1972;

175二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)特點膜脂分子的極性頭向外、非極性尾向內(nèi)，尾對尾排列，形成脂質(zhì)雙分子層；膜蛋白由內(nèi)在蛋白和外在蛋白構(gòu)成；內(nèi)在蛋白通過疏水區(qū)鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中；外在蛋白主要靠靜電力與膜的內(nèi)或外表面相互用；生物膜具有“流動性”和不對稱性。，脂筏模型(lipid

rafts

model)1997年K.Simons

et

al提出。Nature

387:569-572.生物膜脂雙分子層中存在

由鞘磷脂與膽固醇富集而成

的有序的微功能域，這些微

功能域是鞘磷脂與膽固醇的

動態(tài)集合，如同“脂筏”一樣脂筏上載著蛋白質(zhì)。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)J.

Biol.

Chem2002,.277:26966–26970二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)J.

Biol.Chem2002,.277:26966–26970–

該模型強調(diào)質(zhì)膜的流動性并非是

，而是有相對

的“筏子”–不被去垢劑溶解的部分，又稱為detergent-insolubleglycolipid

riched

s(DIGs)或detergent-resistant

fractions(DRF)–55－300nm–組分膽固醇和鞘脂（鞘磷脂和鞘糖脂）；多種蛋白質(zhì)脂質(zhì)雙層脂筏不同質(zhì)膜外葉主要含有鞘脂、膽固醇及GPI－錨定蛋白；質(zhì)膜內(nèi)葉主要含有許多酰化蛋白質(zhì)，特別是信號轉(zhuǎn)導蛋白主要功能信號分子和信號復合物的組織者，調(diào)節(jié)各種受體的功能和協(xié)調(diào)各種信號途徑;參與各種細胞生物學過程，包括細胞增殖、凋亡、黏附、骨架組裝、遷移、極化、突觸傳遞和內(nèi)化/外排時質(zhì)膜蛋白質(zhì)的揀出，以及

。二、質(zhì)膜的化學組成與分子結(jié)構(gòu)三、質(zhì)膜的特性質(zhì)膜的不對稱性–膜脂的不對稱性–膜蛋白的不對稱性–質(zhì)膜上復合糖的不對稱性–質(zhì)膜功能的不對稱性質(zhì)膜的流動性–膜脂分子的運動–膜蛋白分子的運動–影響膜脂流動性和膜蛋白運動性的各種因素三、質(zhì)膜的特性質(zhì)膜的流動性膜脂分子的運動側(cè)向擴散(lateral

diffusion)

：在同一個單分子層內(nèi)脂類分子與其鄰近的分子交換位置。自旋運動(rotation)：脂分子圍繞與膜平面垂直的縱軸進行的旋轉(zhuǎn)運動。彎曲運動(flexion)或擺動：膜脂分子尾部的左右擺動伸縮振蕩運動翻轉(zhuǎn)運動(flip-flop)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層的運動。碳氫鏈的異構(gòu)化互變?nèi)①|(zhì)膜的特性質(zhì)膜的流動性–膜蛋白分子的運動側(cè)向擴散：許多膜蛋白在膜脂中漂浮和在膜表面擴散旋轉(zhuǎn)運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)運動三、質(zhì)膜的特性質(zhì)膜的流動性影響膜流動性的因素脂肪酸鏈的長度與不飽和度的影響：脂肪酸鏈越短、不飽和度越高，流動性越大。膽固醇的影響：降低細胞膜的流動性卵磷脂和鞘磷脂比例的影響：卵磷脂不飽和程度高，卵磷脂和鞘磷脂比例升高，膜的流動性增加。蛋白質(zhì)的影響：膜蛋白與膜脂分子的相互作用影響了膜的流動性。膜內(nèi)在蛋白越多，膜的流動性就越小。其它因素：溫度、離子濃度等。四、質(zhì)膜的生物學功能質(zhì)膜的保護和屏障作用質(zhì)膜內(nèi)外物質(zhì)的交換：選擇性物質(zhì)質(zhì)膜與細胞的識別和粘合、連接和通訊質(zhì)膜的跨膜信號轉(zhuǎn)導質(zhì)膜中的酶參與物質(zhì)代謝和信號轉(zhuǎn)導五、質(zhì)膜與疾病腫瘤耐藥性的產(chǎn)生多藥耐藥性HIV T細胞多藥耐藥性（Multidrug

)指腫瘤細胞

存在或經(jīng)化療藥物誘導后來的對一種抗腫瘤藥物出現(xiàn)耐藥的同時,對其他結(jié)構(gòu)不同,作用靶位不同的抗腫瘤藥物也有抗藥性。細胞表面表達的ABC超

轉(zhuǎn)運蛋白p-gp/ABCB1，MRP/ABCC1和MXP/ABCG2的高表達導致腫瘤耐藥性的產(chǎn)生。HIV

T細胞HIV通過表面糖蛋白gp120和膜蛋白gp41多聚體與CD4分子結(jié)合，在CXCR4或CCR5幫助下，

外膜與宿主細胞膜融合，進入宿主細胞內(nèi)。CXCR4gp41HIV/TCell本章要點質(zhì)膜的化學組成質(zhì)膜的特性脂筏模型(lipid

rafts

model)細胞質(zhì)(cytoplasma)細胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol)核糖

白體

(ribosome)蛋白酶體(proteasome)細胞質(zhì)是指細胞質(zhì)膜以內(nèi)、細胞核以外的部分。

包括：細胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol)、細胞器(organelle)和內(nèi)含物(inclusion)等。單層膜的細胞器/內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體、膜性小泡等雙層膜的細胞器：線粒體、葉綠體不具有界膜的結(jié)構(gòu)：細胞骨架系統(tǒng)、核糖 白體、蛋白酶體、中心體等細胞質(zhì)(cytoplasm)細胞質(zhì)(cytoplasm)第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol)第三節(jié)蛋白酶體(proteasome)第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol)真核細胞的細胞質(zhì)中除去可分辨的有形結(jié)構(gòu)以外的膠狀物質(zhì)曾用名：細胞液(cellsap)、透明質(zhì)(hyaloplasm)、胞質(zhì)溶膠(cytosol)、可溶相(soluble

phase)、細胞質(zhì)基質(zhì)(cytoplasmic

matrix/cytomatrix)等cytosol：生化學家多采用的名稱，指通過差速離心方法分離細胞勻漿中的各種有形成分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞膜等細胞器或細胞結(jié)構(gòu)后，存在于上清液中的主要成分細胞質(zhì)基質(zhì)的化學組成小分子：水、無機離子等中分子：脂類、糖類、氨基酸、核苷酸及其衍生物等大分子：蛋白質(zhì)、RNA、多糖等蛋白質(zhì)占約20～30％蛋白質(zhì)核糖核蛋白體RNA細胞組分體積百分比細胞質(zhì)基質(zhì)54線粒體22粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)9滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體6細胞核6過氧化物酶體1溶酶體1胞內(nèi)體1肝細胞中細胞質(zhì)基質(zhì)及主要細胞器所占體積百分比細胞質(zhì)基質(zhì)的功能參與許多中間代謝過程–糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖原的合成與部分分解過程等參與蛋白質(zhì)的的蛋白質(zhì)、在細胞質(zhì)基質(zhì)中

的蛋–在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔白質(zhì)蛋白質(zhì)的修飾與選擇性降解與細胞質(zhì)骨架相關的功能蛋白酶體(proteasome)真核生物中蛋白質(zhì)的降解有兩條途徑②溶酶體內(nèi)降解過程①依賴泛素(Ubiquitin-proteasome

pathway，UPP)的降解過程依賴ATP降解異常蛋白短

蛋白需要進行數(shù)量調(diào)控的蛋白質(zhì)靶蛋白不依賴ATP利用組織蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白膜蛋白長

的細胞內(nèi)蛋白蛋白酶體泛素The

ubiquitin-proteasome

systemNobel

prize

in

chemistry,

2004Avram

HershkoAaron

CiechanoverIrwin

Rose26S蛋白酶體由一個20S顆粒（CP）和1-2個19S調(diào)節(jié)顆粒（RP）組成。活性部位26S蛋白酶體蛋白酶體的結(jié)構(gòu)真核細胞中蛋白酶體存在于細胞質(zhì)和細胞核,是真核細胞中分解內(nèi)源性蛋白質(zhì)的主要酶系統(tǒng)。真核細胞中蛋白酶體在密度梯度離心中的沉降系數(shù)為26S，故又稱其為26S蛋白酶體。26S蛋白酶體

顆粒的沉降系數(shù)為20S，又稱20S蛋白酶體，是26S蛋白酶體的催化。20S蛋白酶由4個環(huán)組成，每個環(huán)有7個亞單位。中間兩個內(nèi)環(huán)是β亞單位環(huán)，組成中心腔（central

,

CC），腔內(nèi)側(cè)是催化活性位點所在。外環(huán)是α亞單位環(huán)，組成外腔(antechamer,AC)，形成，控制底物的進出，僅允許解折疊的多肽通過。中心腔通過一狹窄縊痕，縊痕與β亞單位和α亞單位相連。真核20S蛋白酶體由兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的環(huán)形成二聚體結(jié)構(gòu)。1)20S蛋白酶體β亞單位真核生物中，S蛋白酶體的β亞單位環(huán)上各有3個活性位點(，

，

)，共6個活性位點。3個活性β-亞單位以前體形式存在，經(jīng)自身剪切，使活性中心的蘇氨酸殘基

于成熟亞單位的N-端。β亞單位環(huán)上3個活性位點分別對蛋白質(zhì)的疏水性、堿性、酸性氨基酸殘基的羧基端進行水解，即分別具有糜蛋白酶樣（chymotrypsin-like）活性胰蛋白酶樣（trypsin-like）活性肽-谷氨酰-肽水解(peptidylglutamyl-peptide

hydrolysing，PGPH)活性。1)20S蛋白酶體β亞單位1)20S蛋白酶體疏水性-aa糜蛋白酶樣活性

堿性-aa胰蛋白酶樣活性酸性-aa肽－谷氨酰肽水解活性β亞單位活性位點靶蛋白水解部位酶活性1)20S蛋白酶體α亞單位控制著被降解底物進入蛋白酶體α環(huán)

口被α亞單位N末端肽鏈所占據(jù)，α環(huán)完全關閉α

3亞單位控制環(huán)口的關閉7個亞單位均無催化活性，但可提供調(diào)節(jié)亞單位復合體的錨定位點含核定位信號，可標定蛋白酶體進入核內(nèi)。允許降解產(chǎn)物出蛋白酶體2)19S調(diào)節(jié)顆粒位于20S蛋白酶體的一端或兩端，與20S蛋白酶體結(jié)合后可顯著提高其活性。19S復合體由17個不同的亞單位構(gòu)成，這些亞單位又分為兩部分：蓋部

(

lid

plex)基底部(baseplex)去泛素化作用連接基底部和蓋部參與靶蛋白的識別泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對蛋白質(zhì)的降解降解的蛋白質(zhì)種類錯誤折疊或異常的蛋白質(zhì)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激需要進行數(shù)量調(diào)控的蛋白質(zhì)N端原則(N-endrule):蛋白質(zhì)的半壽期與N-末端的氨基酸殘基的關系。蛋白質(zhì)開始

時，N端的第一個氨基酸都是甲硫氨酸(細菌中為甲酰甲硫氨酸)，

后被特異的氨基肽酶水解，然后由氨酰-tRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移酶(aminoacyl-tRNA-proteintransferase)把一個信號氨基酸加到某些蛋白質(zhì)的N端，最終在蛋白質(zhì)的N端留下一個不穩(wěn)定的或穩(wěn)定的氨基酸殘基。N-末端氨基酸為蛋氨酸的蛋白質(zhì)半衰期大于20小時N-末端氨基酸為精氨酸的蛋白質(zhì)半衰期僅2分鐘1)靶蛋白的選擇蛋白質(zhì)半壽期與N末端氨基酸序列的關系N端氨基酸殘基半壽期（t1/2）穩(wěn)定的氨基酸殘基Met，Gly，Ala，Ser

，Thr，Val>20h不穩(wěn)定的氨基酸殘基Ile，Gln~30minTyr，Glu~10minPro~7minLeu，Phe，Asp，Lys~3minArg~2min1)靶蛋白的選擇降解信號（泛素化降解的對象）：周期蛋白（M期周期蛋白和G1期周期蛋白）破壞框(destruction

box)Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asp/Asn

(X：任意氨基酸)PEST序列（Pro-Glu-Ser-Thr）蛋白質(zhì)疏水–當發(fā)生變性、中的信號：折疊、被氧化或其他

修飾時，則可

在分子表面，從而被泛素蛋白連接酶E3作為降解信號識別1)靶蛋白的選擇在真核細胞的細胞質(zhì)基質(zhì)中，識別蛋白質(zhì)中不穩(wěn)

定的氨基酸殘基信號，準確的將該種蛋白質(zhì)降解，依賴于泛素。在蛋白質(zhì)降解過程中，多個泛素分子共價結(jié)合到含有降解信號的蛋白質(zhì)分子，然后26S蛋白酶體將靶蛋白完全水解。2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)一種普遍存在于真核細胞中的小分子蛋白質(zhì)，由76個氨基酸殘基組成。真核細胞中，泛素分子結(jié)構(gòu)高度保守。X線衍射分析，泛素呈緊密的球狀結(jié)構(gòu)，包括4個β片層和1個α螺旋，共形成三個半轉(zhuǎn)角。熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)泛素通過共價鍵與其它蛋白質(zhì)相結(jié)合。泛素本身并不降解蛋白質(zhì)，它僅作為一個標記需要被降解的靶蛋白。泛素羧基端的C-Gly76

與蛋白質(zhì)或下一個泛素分子lys-的-氨基共價連接，形成異肽鍵(-isopeptide

bond)，由ATP供能。泛素分子有7個賴氨酸殘基（K6，K11，K27，K29，K33，K48和K63），一旦有泛素分子連接到靶蛋白上，下一個泛素分子的羧基端又可以連接到前一個泛素分子的賴氨酸殘基上，形成多聚泛素鏈。K48

型泛素鏈和K29

型泛素鏈進入蛋白酶體降解途徑。各個泛素分子單體之間連接的位點主要是lys48，在某些情況下也可能是lys63、lys29。2)靶蛋白的泛素化泛素(Ubiquitin,

Ub)依賴ATP的酶促反應過程，涉及：泛素活化酶(E1)泛素結(jié)合酶(E2)泛素蛋白質(zhì)連接酶(E3)泛素包括三個步驟化：E1激活泛素分子；活化的泛素轉(zhuǎn)移到E2上；E2負責提供與靶蛋白結(jié)合的泛素分子E2不識別靶蛋白E3具有識別靶蛋白的功能。在E3的作用下，泛素分子轉(zhuǎn)移到靶蛋白上；靶蛋白標記了多個泛素分子，泛素化后，通過蛋白酶體的作用被水解。進一步的循環(huán)產(chǎn)生多聚泛素。2)靶蛋白的泛素化5.靶蛋白被降解成小的肽片段；靶蛋白的泛素化分解信號：26S

的蛋白酶體識別多聚泛素化的蛋白質(zhì)最少含4個G76-K48

異肽鍵的泛素鏈26S蛋白酶體對底物的降解：processive方式，沒有降解中間產(chǎn)物的降解產(chǎn)物：3~25個氨基酸殘基，其長度的分布呈對數(shù)正態(tài)分布。在細胞內(nèi)的環(huán)境中，蛋白酶體的肽產(chǎn)物是不穩(wěn)定的，其絕大部分被一系列下游的蛋白酶和氨基肽酶水解，形成

氨基酸。3)蛋白質(zhì)酶體對泛素化蛋白質(zhì)的降解26S蛋白酶體對靶蛋白的降解過