第四章質(zhì)膜及其表面結(jié)構(gòu)

第四章質(zhì)膜及其表面結(jié)構(gòu)第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五本章內(nèi)容提要第一節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成一、膜脂二、膜蛋白第二節(jié)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型三、細(xì)胞膜的功能第三節(jié)細(xì)胞表面的分化一、細(xì)胞外被二、膜骨架三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)膜（plasmamembrane）包在細(xì)胞外面所以又稱細(xì)胞膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。質(zhì)膜表面寡糖鏈形成細(xì)胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）。質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除對質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以這部分細(xì)胞骨架又稱為膜骨架。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞表面。第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成質(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。動物細(xì)胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質(zhì)。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。（一）、磷脂是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個(gè)非極性局部。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個(gè)碳原子組成。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Phospholipids第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五1、甘油磷脂以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈一個(gè)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phosphatidylcholine，PC，舊稱卵磷脂磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，舊稱腦磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，舊稱心磷脂第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Phospholipidsinplasmamembranes第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Diphosphatidylglycerol第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結(jié)合。原核細(xì)胞、植物中沒有鞘磷脂。第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）、糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5％以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，其結(jié)構(gòu)與SM很相似，只是由一個(gè)或多個(gè)糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，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(gè)或幾個(gè)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。第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五glycolipids第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Glycolipids

第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（三）、膽固醇主要存在真核細(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，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。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。第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（四）、脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中，攪動后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備的藥物研究生物膜的特性第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五二、膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計(jì)核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是兩性分子。與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。SDSTriton-X100第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五整合蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域可以是1至多個(gè)疏水的α螺旋，形成親水通道的整合蛋白跨膜區(qū)域有兩種組成形式，一是由多個(gè)兩性α螺旋組成親水通道；而是由兩性β折疊組成親水通道。外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時(shí)很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因?yàn)橐粋€(gè)蛋白質(zhì)可以由多個(gè)亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）可以分為兩類：糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)連接的蛋白，GPI位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C（能識別含肌醇的磷脂）處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合的蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五①,②integralprotein；③,④peripheralprotein；⑤,⑥lipid-anchoredprotein第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五E.Overton1895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。E.Gorter&F.Grendel1925用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(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)胞膜由雙層脂分子組成。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3、J.Danielli&H.Davson1935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)。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。第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4、J.D.Robertson1959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)，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，總厚約7.5nm。第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型根據(jù)Fluid-mosaicmodel：細(xì)胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（一）、質(zhì)膜的流動性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動兩個(gè)方面組成。1、膜脂分子的運(yùn)動側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運(yùn)動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動。伸縮震蕩運(yùn)動：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五膜脂分子的運(yùn)動第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2、影響膜脂流動性的因素膽固醇：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?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3、膜蛋白的分子運(yùn)動主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動方式。可用光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測側(cè)向擴(kuò)散。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動。4、膜流動性的生理意義質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動

第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）、膜的不對稱性質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細(xì)胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmicface）。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五EFPF小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五1、膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域——脂筏。

2．復(fù)合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。3、膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有極性，細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（三）脂筏lipidraft是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域（microdomain）。約70nm左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。就像一個(gè)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。第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五三、細(xì)胞膜的功能為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；提供細(xì)胞識別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)細(xì)胞表面的分化細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等等，分別與細(xì)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五一、細(xì)胞外被動物細(xì)胞表面的一層富含糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱為細(xì)胞外被或糖萼。用重金屬染料,如釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚約10~20nm的結(jié)構(gòu)，邊界不甚明確。作用：保護(hù)，細(xì)胞通信，并與細(xì)胞表面的抗原性有關(guān)。紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血則缺少這兩種糖基。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五二、膜骨架膜骨架是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。成熟的哺乳動物血紅細(xì)胞沒有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，跨膜12次。血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個(gè)氨基酸，N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C-端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關(guān)，其功能尚不明確。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五紅細(xì)胞膜骨架的構(gòu)成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋白纖維（約13~15單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。通過兩個(gè)錨定點(diǎn)固定在質(zhì)膜下方：通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)；通過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu)質(zhì)膜常帶有許多特化的附屬結(jié)構(gòu)。如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛等等，這些特化結(jié)構(gòu)在細(xì)胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其結(jié)構(gòu)細(xì)微，多數(shù)只能在電鏡下觀察到。第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（一）、微絨毛microvilli是細(xì)胞表面伸出的細(xì)長突起，廣泛存在于動物細(xì)胞表面。直徑約為0.1μm。內(nèi)芯由肌動蛋白絲束組