第四章 细胞膜的分子结构和特性

第四章细胞膜的分子结构和特性第一节细胞膜的化学组成一、膜脂二、膜蛋白三、膜糖类第二节细胞膜的分子结构一、单位膜模型二、液态镶嵌模型三、晶格镶嵌模型四、板块镶嵌模型第三节细胞膜的特性一、不对称性二、流动性第一节细胞膜的化学组成一、膜脂二、膜蛋白三、膜糖类脂类：30-80%蛋白质：20-70%糖类：2-10%膜的分类：高脂性膜：功能单一高蛋白质性膜：功能复杂普通膜：脂类、蛋白质大致相等一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。（一）磷脂约占膜脂的50％以上。主要特征：1.一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。2.脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。3.常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。（一）磷脂磷脂酰胆硷（卵磷脂）磷酸甘油脂磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）磷脂酰丝氨酸鞘磷脂1、甘油磷脂以甘油为骨架，主要有：①磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）②磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS③磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）④磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI⑤双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）不同类型的甘油磷脂2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。鞘磷脂（二）胆固醇双亲性分子，仅存在真核细胞膜上；功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，维持膜稳定性。在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。胆固醇（三）糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上，位于膜的非胞质面单层，神经细胞糖脂含量较高。如半乳糖脑苷脂，神经节苷脂。作为某些大分子的受体，与细胞识别和信息传导有关。糖脂糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。半乳糖苷脂，神经节苷脂和唾液酸膜脂分子的结构特点1、兼性分子膜脂分子均具有亲水性头部和疏水性尾部，称兼性分子。2、在水相中磷脂分子能自发组装成团粒或片状分子层，如脂质体。脂质体（liposome）：一种人工膜，脂质分子为避免双分子疏水尾部与水的接触，在水中聚拢成双分子层后，其游离端往往自动闭合，形成一种自我封闭而稳定的中空结构。脂质体的应用：研究生物膜的特性；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体脂质体的类型(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图二、膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质30%左右的为膜蛋白。根据与脂分子的结合方式分为：–整合蛋白（integralprotein）–外周蛋白（peripheralprotein）(一)整合蛋白（镶嵌蛋白）特征：水不溶性分布:贯穿整个脂质双分子层部分插入脂质双分子层（二）外周蛋白（外在蛋白）特征：水溶性分布：膜的内外表面蛋白与膜的结合方式①,②膜内在蛋白；③,④脂锚定蛋白；⑤,⑥膜外在蛋白整合蛋白的多肽链与脂肪酸链共价结合，亲水头部位于膜的内外表面。较剧烈的条件下用去垢剂SDS(离子型)或TritonX-100（非离子型）处理，膜内在蛋白从膜上溶解下来。外周蛋白通过静电作用、离子键、氢键间接与膜结合。一般用比较温和的方法，如改变溶液的离子强度或酸碱度、加入金属螯合剂等就能使其从膜上溶解下来，不能再与脂类聚合重新形成膜结构。红细胞膜血影蛋白（spectrin）；血型糖蛋（glycophorin)；带3蛋白（band3protein)；锚蛋白（ankyrin)膜蛋白的功能1、转运分子进出细胞2、接受并传递信号3、支撑连接细胞骨架成分和细胞间质成分；4、与细胞分化及细胞间连接有关三、膜糖类分布：在生物膜的非胞质面。分类：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡糖胺和唾液酸等7种。功能：细胞与环境相互作用有关的生物现象,都涉及到糖脂和糖蛋白。膜糖类：一般以糖脂、糖蛋白形式存在，主要分布在细胞膜的外表面（其它膜性细胞器的非胞质侧）。第二节细胞膜的分子结构一、单位膜模型二、液态镶嵌模型三、晶格镶嵌模型四、板块镶嵌模型膜的分子结构一、单位膜模型单层蛋白质分子——内、外两层（深色带，各厚2nm）双层脂类分子——膜中间（浅色带，3.5nm）两暗一明:蛋白质：单层肽链——折叠结构脂双层细胞膜细胞质（二）液态镶嵌模（1972，Singer，Nicolson）1．脂分子呈双层排列，亲水端向着细胞膜的内外表面，疏水端在膜内，构成膜的连续主体。2．蛋白质分子镶嵌或附在膜上3．糖分子分布在膜的外表面优点：强调了膜的流动性；强调了膜的不对称性缺点：忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用忽视了膜各部分流动的不均一性。液态镶嵌模型脂质双分子层极性头部疏水尾部镶嵌蛋白外周蛋白（三）晶格镶嵌模型晶格：指膜中晶态部分,即膜内在蛋白和界面脂。该模型强调了：1、蛋白质分子对脂类分子流动性具控制作用2、膜流动性是局部的（四）板块镶嵌模型生物膜各部分的流动性处于不均一状态第三节细胞膜的特性一、膜的不对称性膜的内外两层在结构和功能上的差异。膜蛋白分布的不对称结构不对称膜脂分布的不对称功能不对称（一）结构不对称1、膜蛋白分布的不对称（绝对）数量、种类不对称具有方向性2、膜脂分布的不对称磷脂分布不对称（相对）胆固醇分布不对称（相对）糖脂分布不对称（绝对）（二）功能不对称各种生物膜的生物学功能主要由膜蛋白决定，膜蛋白、膜脂的分布不对称导致其功能的不对称。二、膜的流动性——膜脂的流动性和膜蛋白的运动性（一）膜脂的流动性加热到熔点固态液态气态温度↓相变有序，不具流动性无序，具流动性在正常生理温度下，脂质双层大多呈液晶态：固态液晶态液态既具流动性，又具有序性膜脂分子的运动：1．烃链的旋转异构运动2．脂肪酸链的伸缩振荡运动3、膜脂分子的旋转运动4．侧向扩散运动5．翻转运动小鼠细胞标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B抗人膜蛋白抗体+荧光素A标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）人细胞孵育（370C,40分钟）膜蛋白(抗原）（二）膜蛋白的运动性1、侧向扩散2、旋转扩散（三）影响膜流动性的因素①胆固醇②脂肪酸链的饱和度③脂肪酸链的链长④卵磷脂/鞘磷脂⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。1、脂肪酸链的长度和不饱和程度链短不饱和脂肪酸增多流动性链长不饱和脂肪酸减少流动性2、胆固醇与磷脂的比值相变温度以上：胆固醇↑流动性↓相变温度以下：胆固醇↑流动性↑3、卵磷脂与鞘磷脂的比值卵比值↑流动性↑鞘比值↓流动性↓4、膜蛋白的影响镶嵌蛋白↑流动性↓5、其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。（四）膜流动性的生理意义与物质运输、细胞识别、细胞表面受体功能调节等有关。细胞膜的功能1.保护；2.运输；3.通信；4.提供酶结合位点；5.介导细胞连接；6.形成细胞表面的特化结构。