第三章细胞质膜与细胞表面教案

1第四章细胞膜与细胞表面第一节细胞膜与细胞表面的特化结构Cellmembrane:指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasmamembrane）。Internalmembrane:细胞质中围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。Biomembrane:质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，总称为生物膜。一、细胞膜的结构模型1、质膜的化学性质（1）E.Overton，1895，推测细胞膜由连续的脂类物质组成凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜（根毛实验）（2）lamgmuir，1917，设计了脂类单分子膜技术，也称脂平衡技术（详见韩p90）方法：将溶有脂类的有机溶剂倒入有水的浅槽中，使脂分子铺展。然后用板条使脂分子排成紧密的脂单层。水面上浮有的灵敏的平衡装置，可测出脂分子单层所占的面积，再根据脂分子数，计算单个脂分子所占的面积。（3）E.Gorter&F.Grendel，1925，推测细胞膜由双层脂分子组成。利用了lamgmuir的方法，测出了红细胞膜（血影）的面积恰是红细胞表面积的2倍。用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积（红细胞直径7μm，推测出其表面积为100μm2）两个错误假定的偶然补偿：丙酮没有提取完所有的脂膜；对红细胞表面积的测定根据的是干样品，实际所测的值少于真实的湿样品。（4）1933年，Collander和Barlund提出膜上有亲水通道一些小分子，如甲醇、水，其穿入细胞的能力大于根据其脂溶性应有的穿膜能力，提出膜上有贯穿脂双层的小孔，便于亲水性分子通过。（5）1932，Cole；1934，Shapiro提出膜中有蛋白的存在海胆卵细胞质膜质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，进一步提纯后张力增加。推测膜中含有蛋白质，从而认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。2、膜的结构模型：（1）双分子片层模型（bimolecularleafletmodel）Danielli&Davson，1935“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型两层磷脂，外面是球形的蛋白1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。（2）单位膜模型（Theunitmembranemodel）1959，J.D.Robertson（英国伦敦大学），2用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm：膜中央为脂双层，厚约3.5nm；膜两侧为展开的蛋白质分子层，各厚约2nm。不足之处：膜静止；无法解释膜的厚度；无法解释膜蛋白的分离为何有难有易unitmembrane：电镜下所看到的暗-明-暗三层式的膜结构。注：人工的脂双层即使不附有蛋白也是暗-明-暗三层结构。电镜下的暗线是蛋白和脂类的亲水端经锇酸染色后的反映。（3）流动镶嵌模型（fluidmosaicmodel）S.J.Singer&G.Nicolson，1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。（流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性）（4）其它模型：晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型）、板块镶嵌模型、脂筏模型（Lipidraftsmodel）：并无本质区别，只是对流动镶嵌模型的进一步补充说明脂筏（lipidraft）和膜窖（caveolae）脂筏是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微区.主要由鞘脂,胆固醇及蛋白质组成，不仅存在于质膜上，而且还存在于高尔基体膜。脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间相互作用和构向转化,可以参与信号转导和蛋白质转运脂筏上富含胆固醇和鞘磷脂，大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：①存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPIanchoredprotein），某些跨膜蛋白，Hedgehog蛋白，双乙酰化蛋白（doublyacylatedprotein）如：非受体酪氨酸激酶Src、G蛋白的Gα亚基、血管内皮细胞的一氧化氮合酶（NOS）；②存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；③介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸链的亲和力低，用甲基-β-环糊精（methyl-β-cyclodextrin）去除胆固醇，抗去垢剂的蛋白就变得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。如致敏原（allergen）能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn（一种非受体酪氨酸激酶）磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应。细胞表面的膜窖（caveolae）具有和脂筏一样的膜脂组成，不含笼形蛋白（clathrin），含有膜窖蛋白caveolin（一种小分子量的蛋白，21KD）。大量存在于脂肪细胞、上皮细胞和平滑肌细胞。这种结构细胞的内吞有关，另外膜窖中还富含某些信号分子，说明它与细胞的3信号转导有关。膜窖现已被确认为一种细胞器。1955年，日本学者首次用电镜确认它的存在。近期研究认为膜窖是一种能进行区室化信号转导的膜系统，在细胞表面形成了一个特殊的分割空间。小结：生物膜结构（“Centraldogma”ofmembranebiology膜生物学的中心法则）*磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；*蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；（强调膜蛋白的含量与功能的关系）*生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。二、质膜的化学组成质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。几乎全都是脂类（50%）和蛋白质（40%），仅含少量糖类（2~10%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（细菌质膜、核膜、mit、chl内膜），结合方式及存在意义尚不清楚。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。注：某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能。如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。（一）、膜脂类型：磷脂、糖脂和胆固醇功能：膜的基本骨架；影响膜的生物学功能1、磷脂约占整个膜脂的50％以上。分甘油磷脂和鞘磷脂。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个（心磷脂具4个）非极性的尾；脂肪酸碳链为偶数（多为16，18或20个碳）；常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。（1）甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上主要类型：PC：磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，旧称卵磷脂）PS：磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine）PE：磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，旧称脑磷脂）PI：磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol）DPG：双磷脂酰甘油（旧称心磷脂）等。（2）鞘磷脂4鞘磷脂（Sphngomydins，SM），亦称神经醇磷脂，以鞘胺醇（Sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。在脑和神经细胞膜中特别丰富，原核细胞和植物中没有鞘磷脂。2、糖脂糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子，是鞘氨醇的衍生物，由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。半乳糖脑苷脂，最简单的糖脂。只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；神经节苷脂，变化最多、最复杂的糖脂，是神经元质膜中具有特征性的成分。其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。3、胆固醇胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。4、脂质体liposome：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径25~1000nm不等（图4-4，略）应用：研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；转基因；药物或酶的载体（二）膜蛋白（膜功能的主要体现者）（1）类型整合蛋白；外周蛋白；脂锚定蛋白（根据所在位置分）integralprotein：跨膜蛋白，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。与膜的结合非常紧密，需去垢剂分离。形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域的两种组成形式：由多个两性α螺旋组成亲水通道；由两性β折叠组成亲水通道内在膜蛋白与膜脂结合的方式：a膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。b跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。5C某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。peripheralprotein：靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，分离方式：改变溶液的离子强度；提高温度（见血影蛋白的提取）有时很难区分整合蛋白和外周蛋白：主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。lipid-anchoredprotein：一类是GPI连接的蛋白，另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。（2）去垢剂（detergent）detergent：是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。如离子型去垢剂SDS和非离子型去垢剂Triton-X100（3）膜蛋白的功能：运输、连接、受体、酶等（可详细解释）（4）确定膜蛋白在膜中定位的方法胰酶消化法、同位素标记法6三、膜的基本特性：1、流动性（以膜脂的运动为主）（1）运动方式膜脂分子运动方式：侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置（最主要的运动形式）旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子