第4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)PLASMAMEMBRANEANDITSSURFACESTRUCTURES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(dòng)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)質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱細(xì)胞膜。內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。細(xì)胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細(xì)胞表面。第一節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動(dòng)物細(xì)胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。（一）磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：一個(gè)極性頭、兩個(gè)非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個(gè)碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。Phospholipids1、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembraneDiphosphatidylglycerol2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富，原核和植物細(xì)胞膜中不含。（二）糖脂約占5％以下，神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個(gè)或多個(gè)糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。glycolipidsGlycolipids

（三）膽固醇存在真核細(xì)胞膜上，含量約膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。功能是提高膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流動(dòng)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。（四）脂質(zhì)體（liposome）是一種人工膜。在水中攪動(dòng)后形成雙層或單層脂分子球體，直徑25~1000nm。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二、膜蛋白占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。整合蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins），兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域?yàn)?至多個(gè)疏水的α螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度、提高溫度就可以從膜上分離下來。一個(gè)蛋白可以由多個(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。脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和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。①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein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E.Overton1895推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter等1925推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。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，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。4、JD.Robertson1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。5、Singer和Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”。Fluid-mosaicmodel二、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型細(xì)胞膜由流動(dòng)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(duì)，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(duì)稱性。（一）質(zhì)膜的流動(dòng)性膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)組成。1、膜脂分子的運(yùn)動(dòng)①側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；③擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)④伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)；⑤翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；⑥旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。2、影響膜脂流動(dòng)性的因素膽固醇脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長卵磷脂/鞘磷脂其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。3、膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式。檢測(cè)：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)。4、膜流動(dòng)性的生理意義當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過高，又會(huì)造成膜的溶解。利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)

（二）膜的不對(duì)稱性膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對(duì)稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面；EF細(xì)胞外小頁斷裂面；PS，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁斷面。兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片1．膜脂的不對(duì)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。2．復(fù)合糖的不對(duì)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(duì)稱性：如細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。（三）脂筏lipidraft是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位