第4章-细胞质膜(翟中和第四版)

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第4章细胞质膜细胞表面是复合的结构体系与多功能的体系，细胞膜是细胞表面的核心结构。•细胞质膜（plasmamembrane）又称质膜，曾称细胞膜（cellmembrane)，是围绕在细胞最外层，由脂质、蛋白质和糖类组成的生物膜。•在细胞内部包绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。•质膜和细胞内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。•生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。基本概念本章主要内容•细胞质膜的结构模型与基本成分•细胞质膜的基本特征与功能第一节细胞质膜的结构模型与基本成分•细胞质膜（plasmamembrane）•真核细胞内膜系统（endomembranesystem）•生物膜（biomembrane）一、细胞质膜的结构模型•三明治模型•单位膜模型•流动镶嵌模型•脂筏模型每种模型对认识生物膜的贡献及其局限性？1.1895年，E.Overton发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞质膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞质膜，因此推测质膜由连续脂类物质组成。1.质膜由双层脂分子构成的推测1925年，E.Gorter（戈顿）&F.Grendel（格伦德尔）用有机溶剂提取了人的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，因而推测细胞质膜由双层脂分子组成。2.“蛋白质－脂质－蛋白质”三明治式结构模型1935年，J.Danielli&H.Davson发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。提出蛋白质—脂质—蛋白质的三明治式的质膜模型（三夹板模型）。1959年，J.D.Robertson（罗伯逊）用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示出暗-明-暗三层结构，研究表明：它由厚约3.5nm的双层脂分子（明带）和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成(暗带总厚约7.5nm）。当时认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质过，由此发展了三明治模型，提出了蛋白质－脂质－蛋白质的单位膜模型（unitmenbranemodel）。3.单位膜模型电镜超薄切片中的细胞质膜显示出暗－亮－暗三条带4.流动镶嵌模型•1972年，Singer和Nicolson①膜的流动性②膜蛋白分布的不对称性Singer,S.J.;Nicolson,G.L.(1972).Thefluidmosaicmodelofthestructureofcellmembranes.Science,175(4023):720–731.该模型的主要论点是:1）流动的脂双层构成膜的连续主体,球形的膜蛋白质以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合。2）构成膜的脂双层具有液晶态的特性,它既有晶体的分子排列的有序性,又有液体的流动性。该模型的突出特点是：1）强调了膜的流动性：即膜蛋白和膜脂均可侧向运动；2）强调了膜组分分布的不对称性：即膜蛋白有的镶在表面、有的嵌入、有的横跨脂双分子层。该模型的不足之处：1）忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的限制作用；2）忽视了膜各部分流动性的不均匀性等,从而使人们又提出了一些新的模型。5.脂筏模型•1988年，Simons•胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”•载着执行特定生物学功能膜蛋白SimonsK,vanMeerG(August1988).Lipidsortinginepithelialcells.Biochemistry,27(17):6197–202.SimonsK,IkonenE(June1997).Functionalraftsincellmembranes.Nature,387(6633):569–72.脂筏结构模型脂筏模型（lipidrafts）：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些特定的蛋白质区。特点：这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。其周围是流动性较高的液态区。功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。6.目前对生物膜结构的认识•磷脂分子在水相中具有自发封闭的性质•蛋白质分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面•生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液•细胞生命活动中，生物膜处于不断的动态变化中生物膜结构示意图质膜的化学组成•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。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。二、膜脂(membranelipid)（一）成分•甘油磷脂•鞘脂•固醇1.甘油磷脂•具有一个极性头和两个非极性的尾•脂肪酸碳链为偶数•除饱和脂肪酸外常含1-2个双键的不饱和脂脂分子极性头空间占位对脂双层曲度的影响PE极性头较小，更多地分布在脂双层曲度较小的一侧(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰胆碱)甘油磷脂与鞘磷脂PEPSPCSM2.鞘脂•主要在高尔基体合成•鞘磷脂形成的脂双层厚度较甘油磷脂厚度大A.卵磷脂B.鞘磷脂C.卵磷脂和胆固醇D.鞘磷脂和胆固醇3.固醇：胆固醇及其类似物•含4个闭环，亲水的头部为一个羟基•调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质通透性•脂筏基本结构成分，还是很多重要生物活性分子的前体化合物Figure10-4MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（二）膜脂的运动方式•沿膜平面的侧向运动•脂分子围绕轴心的自旋运动•脂分子尾部摆动•双层脂分子之间的翻转运动Figure10-11bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（三）脂质体(liposome)•脂质体：根据磷脂分子可在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的人工膜•用途：可嵌入不同的膜蛋白，是研究膜脂与膜蛋白生物学性质以及转基因、药物靶向的好材料（三）脂质体(liposome)Figure10-8MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Lipidbilayerssealspontaneously三、膜蛋白(membraneprotein)•膜蛋白种类繁多•赋予生物膜重要的生物学功能（一）膜蛋白的三种基本类型•外在膜蛋白或外周膜蛋白•内在膜蛋白或整合膜蛋白•脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白的3种类型A：脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上B：烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基上C：通过糖脂锚定在细胞质膜上（二）内在膜蛋白与膜脂结合的方式•内在膜蛋白为跨膜蛋白•可分为：胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域内在膜蛋白与膜脂结合的方式•膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用•跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+与带负电的磷脂极性头部相互作•通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到膜脂肪酸分子上内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂•跨膜结构域形成α螺旋•跨膜结构域主要由β折叠片组成•某些α螺旋外侧非极性链与膜脂相互作用，内侧极性链形成特异极性分子的跨膜通道膜蛋白及其与膜脂关系的三维结构分析•跨膜蛋白既有疏水区域(跨膜区)，也有亲水区域（膜表面区），其结构解析主要是应用低温电镜技术和X射线晶体衍射技术图4-12图4-13（三）去垢剂•一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂•插入膜脂与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒（三）去垢剂•离子型去垢剂：如SDS，可破坏蛋白质中离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象•非离子去垢剂：如TritonX-100，对蛋白质作用比较温和，用于膜蛋白的分离与纯化四、膜糖•糖脂•糖蛋白Figure10-28bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)细胞质膜上的膜糖都位于质膜外表面，内膜系统中的膜糖则面向细胞器腔面！第二节细胞质膜的基本特征与功能•流动性•不对称性•膜骨架•质膜的基本功能一、膜的流动性•膜的流动性是是所有的生物膜的基本特征，是细胞生长增殖等生命活动的必要条件•膜的流动状态受细胞代谢过程的调节（一）膜脂的流动性•脂肪酸链越短、不饱和程度越高，流动性越大•温度对膜脂的运动有明显影响•胆固醇对膜的流动性起着双重调节作用（二）膜蛋白的流动性•荧光标记人-鼠细胞融合实验•成斑现象（patching）或成帽现象（capping）Figure10-35MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（二）膜蛋白的流动性•膜蛋白流动性受多种因素限制：如紧密连接、细胞骨架的影响等（三）膜脂和膜蛋白运动速率的检测•荧光漂白恢复（FRAP）技术Figure10-36aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件例如物质运输、细胞识别、细胞信号转导等，与细胞生长发育，抗寒性有关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。膜流动性的生物学意义影响膜流动性的因素①胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。②脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。③脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。④卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。⑥脂质和蛋白质的相互作用：内在蛋白越多，界面脂越多，膜的流动性降低。二、膜的不对称性•膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分布•糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧•电镜冷冻蚀刻技术（一）细胞质膜各膜面的名称•质膜的细胞外表面（extrocytoplasmicsurface，ES）•质膜的原生质表面（protoplasmicsurface，PS）•细胞外小叶断裂面（extrocytoplasmicface，EF）•原生质小叶断裂面（protoplasmicface，PF）EFPF小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻（二）膜脂的不对称性•膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布•糖脂分布表现出完全不对称性：非胞质侧（二）膜脂的不对称性（三）膜蛋白的不对称性•所有的膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性•糖蛋白的糖残基均分布在生物膜的非胞质一侧Figure10-27MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)三、细胞质膜相关的膜骨架Figure10-42aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（一）膜骨架•细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能•哺乳动物红细胞具有很好的弹性和强度Figure10-40MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（二）红细胞的生物学特性血影(ghost)（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架•红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现•红细胞双凹形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与Adducin内收蛋白血型糖蛋白锚蛋白血影蛋白四聚体带三蛋白Actin肌动蛋白Tro-s肌动球蛋白Tro-d原肌球蛋白（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架•除红细胞外，已发现在其他细胞中也存在与锚蛋白、血影蛋白及带4.1蛋白类似的蛋白质，大多数细胞中也都存在膜骨架结构四、细胞质膜的基本功能为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,并伴随着能量的传递;提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;介导细胞与细胞、细胞与基质之间的