第四章___质膜和细胞表面

第四章质膜和细胞表面掌握质膜的分子结构特点和功能,细胞连接的类型、结构特点和功能；熟悉细胞外被的分子结构特点和功能，了解质膜的化学组成和细胞表面的特化结构。细胞质膜(PlasmaMembrane)内膜系统（EndomembraneSystem)生物膜(Biomembrane)膜生物学membranebiology质膜与细胞表面质膜的基本结构质膜的化学组成细胞外被细胞连接质膜的特化结构一．质膜的基本结构（一）质膜的化学性质1895Overton植物细胞细胞质膜由一层连续的脂类物质构成1917Langmiür脂类单分子膜技术，又称膜均衡(filmbalance)技术测脂类分子总表面积1925Gorter&Grendel红细胞血影（ghost）质膜由双层脂类分子构成（二）质膜的主要结构模型1.双分子片层模型biomolecularleafletmodel1935Danielli&Davson２．单位膜模型unitmembranemodel1959Robertson■单位膜有一些不足∶●首先，该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；●其二，各种膜的属性和功能不完全相同，不同的膜其厚度不都是7.5nm一般在5-10nm之间，各种膜的蛋白质与脂类的成分比率不同；●其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系；●该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。3.流动镶嵌模型fluidmosaicmodel1972S.J.Singer&G.L.Nicolson膜的流动性，膜蛋白分布的不对称性质膜的分子结构特点（1）镶嵌性(mosaicism)（2）流动性(fluidity)（3）不对称性(asymmetry)（4）蛋白质极性(proteinpolarity)★Factorsofinfluencebilayerfluidity◆脂肪酸链的影响:脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短：■Thegreaterthedegreeofunsaturationofthefattyacidsofthebilayer,thelowerthetemperaturebeforethebilayergels.■Theshorterthefattyacylchainsofaphospholipid,theloweritsmeltingtemperature.十八碳脂肪酸的熔点温度脂肪酸双键数熔点温度（℃）硬脂酸油酸亚油酸亚麻酸01237014－5－11◆胆固醇的影响■cholesterolmoleculesareorientedwiththeirsmallhydrophilichydroxylgrouptowardthemembranesurfaceandtheremainderofthemoleculeembeddedinthelipidbilayer.■Thehydrophobicringsofacholesterolmoleculeareflatandrigid,andtheyinterferewiththemovementsofthefattyacidtailsofthephospholipids■在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。■在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。鼠人细胞融合实验成斑成帽反应凝集素同质膜糖蛋白的糖链结合后引起膜蛋白的簇集反应◆光脱色荧光恢复技术Fluorescencerecoveryafterphotobleaching（FRAP)◆影响膜蛋白移动的因素■整合蛋白相互间的影响■膜骨架的影响■细胞外基质的影响■相邻细胞的影响■细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响细胞外基质对整合蛋白移动的影响膜骨架对膜蛋白流动性的影响★TheImportanceofMembraneFluidity◆酶活性◆物质运输◆信号转导◆细胞周期在M期,膜的流动性最大,而在G1期和S期,膜流动性最低；◆能量转换★膜不对称性的表现◆TheAsymmetryofMembraneLipids■脂双层两小叶（leaflet）中分布的各类脂的含量不同。例如在红细胞膜中：●外层含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多；●内层含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸较多。膜脂的不对称分布◆膜蛋白的分布不对称：■在膜两侧分布不对称，如：●红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。●血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。■一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：●5’-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+-ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面；●腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。◆膜糖分布的不对称∶Allofthecarbohydrateoftheplasmamembranefacesoutwardintotheextracellularspace.膜糖与膜脂的分布不对称性★Thebiologicalroleofasymmetry◆膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。◆膜不仅内外两侧的功能不同,不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。◆细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。蛋白质极性二、质膜的化学组成生物膜质膜蛋白质20～70﹪40﹪脂类30～80﹪50﹪糖类1～10﹪10﹪各种膜中脂类与蛋白质的含量比（％）膜类别脂类蛋白质糖髓磷脂79183人红细胞质膜43498线粒体内膜24790变形虫质膜42544１．膜脂(membranelipid)磷脂(phospholipid)50﹪以上胆固醇(cholesterol)1/3糖脂(glucolipid)5﹪以下★maintypesofmembranelipids◆磷脂(phospholipids)Becausemostmembranephospholipidsarebuiltonaglycerolbackbone,theyarecalledphosphoglycerides■动、植物细胞膜上都有磷脂,约占膜脂的50%以上；■磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；■磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链,称为尾部,一般含有14～24个偶数碳原子；■其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。鞘磷脂(sphingomyelin)甘油磷脂(glycerolphosphatide)磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)（卵磷脂(lecithin)）磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol各种膜的脂类组成重量百分比脂类肝细胞质膜红细胞质膜髓鞘线粒体膜内膜＋外膜内质网膜E.coli质膜胆固醇172322360磷脂酰乙醇胺71815251770磷脂酰丝氨酸47925微量磷脂酰胆碱24171039400鞘磷脂19188050糖脂7328微量微量0其他22138212730◆胆固醇(Cholesterol)■胆固醇存在于真核细胞膜中：●动物细胞膜胆固醇的含量较高●Cholesterolisabsentfromtheplasmamembranesofmostplant.●酵母细胞膜中是麦角固醇;■胆固醇分子包括三部分:●极性的头部：羟基●非极性的类固醇环结构●一个非极性的碳氢尾部。■Cholesterolissmallerthantheotherlipidsofthemembraneandlessamphipathic.■糖脂(Glycolipid)●糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下;●最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部;●变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经原质膜具特征性的成分;●Glycolipidsareinterestingmembranecomponents.Relativelylittleisknownaboutthem.★TheNatureofLipid膜脂的基本性质是两性物质,能够自我装配成双层结构或自我封闭成球状。★膜脂的功能◆构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;◆是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;◆膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境,一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);◆膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。◆脂质体(Liposome)■phospholipidmoleculesassemblespontaneouslytoformthewallsoffluid-filledsphericalvesicles,calledliposomes.■脂质体可用作生物膜的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。Liposomes（脂质体）2.MEMBRANEPROTEINS◆生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的;◆膜蛋白约占膜的40%～50%,有50余种膜蛋白;◆在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%,有的达到75%;◆一般来说,功能越复杂的膜,其上的蛋白质含量越多。膜蛋白的种类：外在膜蛋白extrinsicmembraneproteins（外周膜蛋白peripheralmembraneproteins）内在膜蛋白intrinsicmembraneproteins（整合膜蛋白integralmembraneproteins）脂锚定蛋白(Lipid-anchoredproteins)◆外周蛋白(peripheralproteins)■Proteinsarelocatedentirelyoutsideofthelipidbilayer,onthecytoplasmicorextracellularside,yetareassociatedwiththesurfaceofthemembranebynoncovalentbonds.■外周蛋白为水溶性;■占膜蛋白总量的20%～30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。IntegralProteins◆脂锚定蛋白(Lipid-anchoredproteins)■Proteinsthatarelocatedoutsidethelipidbilayer,oneithertheextracellularorcytoplasmicsurface,butarecovalentlylinkedtoalipidmoleculethatissituatedwithinthebilayer;■又称脂连接蛋白(lipid-linkedproteins),同脂的结合有两种方式：●一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合；●一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。★膜蛋白的研究方法◆用去垢剂分离小的跨膜蛋白,是膜蛋白研究的重要手段：■去垢剂(detergent)是一种一端亲水一端疏水的两性小的脂分子■当它们与膜蛋白作用时,其疏水端与膜蛋白的疏水区域相结合,极性端指向水中,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀■当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。■有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能。★MajorProteinsofErythrocyteMembrane红细胞膜(含膜骨架部分)大约有15种主要的蛋白带:其中有三种主要的蛋白:血影蛋白(Spectrin)、血型糖蛋白(Glycophorin)、带3蛋白(Band3protein)。★