细胞生物学-2.细胞膜和细胞表面

第三章细胞膜和细胞表面CellMembraneandCellSurface引言细胞膜(cellmembrane)：也称为质膜，指包围在细胞外表的界膜；由脂类、蛋白质及糖类组成的具有可调控和选择性通透特征的超分子复合结构；是脂质双分子层构成的单层生物膜；其作用为维护细胞内环境的相对稳定，并与外界环境进行物质与能量的交换和信息的传递。第一节细胞膜的化学组成与分子结构♦质膜的主要成分：包括脂类、蛋白质、糖类等♦膜脂与膜蛋白两类分子以非共价键结合，构成膜的主体♦糖类多为复合糖，它与膜脂共价结合形成糖脂，若与膜蛋白共价结合则形成糖蛋白♦质膜上还含有水、无机盐和金属离子。第一节细胞膜的化学组成与分子结构膜脂的种类和结构膜蛋白的种类、结构及功能细胞膜的结构一、膜脂的种类和分子结构生物膜上的脂类称为膜脂，主要有三类：磷脂、糖脂和胆固醇这三种脂类都具有亲水头部（极性端）和疏水的尾部（非极性端），称为两亲性（amphiphilic,amphipathic）分子膜脂形成生物膜的脂质双分子层1、磷脂（phospholipids）构成细胞膜的基本成分，在三种膜脂中含量最高。包括：–甘油磷脂---以甘油为骨架–磷脂酰胆碱(卵磷脂)(phosphatidylcholine,PC)–磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)(phosphatidylethanolamine,PE)–磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)–磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)–鞘磷脂(sphingomyelin)---以鞘氨醇为骨架是磷酸化的甘油脂或鞘氨醇脂磷脂分子结构上的共同特征–磷脂分子都具有一个亲水头的头部和疏水的尾部，称之为两亲性分子(amphipathicmolecule)或兼性分子。•磷脂酰碱基具有极性，亲水，称为亲水的头部•脂肪酸链长短不一，通常为14~24个碳原子组成，一条烃链不含双键(饱和)，另一条烃链含一个或几个顺式排列的双键(不饱和)，形成一个弯曲•脂肪酸链没极性，疏水，称为疏水的尾部磷脂酰胆碱分子示意图、磷脂酰胆碱结构式、磷脂酰胆碱结构式空间结构模型2.糖脂（glycolipid）♦普遍存在于原核和真核细胞的细胞膜上♦动物细胞膜上其含量约占膜脂总量的5%～30%。神经细胞膜上含量较高♦糖脂亦为两亲性分子，其极性头为一个或数个糖基，非极性的尾部为两条烃链动物细胞的糖脂几乎都是由鞘氨醇衍生来的，称为鞘糖脂细菌和植物细胞的糖脂均由甘油酯类衍生来的♦由甘油脂或鞘脂与一个糖基或一条寡糖链结合而成♦不同类型糖脂的主要区别在于其极性头部的不同，它有一个或几个糖残基–最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，由一个半乳糖作为其极性头–最复杂的是神经节苷脂，其头部含一个或多个带负电荷的唾液酸和其他糖基♦糖脂均位于质膜外叶，其糖基暴露在膜外3.胆固醇（cholesterol）♦中性脂，原核细胞膜上无胆固醇♦动物细胞中胆固醇构成质膜的主要成分，其摩尔数与磷脂相同。♦特点是：两亲性分子：极性头为羟基，非极性疏水的尾部为甾环和烃链。♦胆固醇分子散布于磷脂分子之间，其极性头部紧靠磷脂分子的极性头部，其余部分游离。其甾环与磷脂分子临近头部的脂肪酸链相互作用。♦调节膜的流动性，增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通透性等。二、膜蛋白的种类、结构及功能♦膜蛋白承担和执行质膜的各种功能，功能不同的细胞其膜蛋白的含量有极大差别♦动物细胞质膜上包含各种酶蛋白、载体和通道蛋白、受体蛋白等ExiracellularspaceCytosol（一）膜蛋白的种类与结构♦根据质膜上蛋白质与膜脂结合方式的不同，将膜蛋白分为：整合蛋白(integralproteins)或内在蛋白(intrinsicproteins)周边蛋白(peripheralproteins)或外在蛋白(extrinsicproteins)膜蛋白的类型结构模式图膜蛋白与脂质双分子层结合的方式①I型跨膜蛋白；②II型跨膜蛋白；③III型跨膜蛋白；④β筒跨膜蛋白；⑤GPI锚定蛋白；⑥脂酰化蛋白；⑦、⑧周边蛋白1.整合膜蛋白（integralmembraneproteins）♦全部或部分插入细胞膜内，直接与脂双层的疏水区域相互作用，也可称为内在蛋白–具有特征性的疏水性氨基酸序列。整合蛋白一般形成跨膜-螺旋区；少数形成-片层结构。具有亲脂性或疏水性的特点。需用去垢剂或有机溶剂抽提。由粗面内质网合成，经高尔基复合体加工修饰，通过囊泡运输转运到质膜上。概念以非极性氨基酸与脂双层分子的疏水尾部相互作用而结合在质膜中类型（1）跨膜蛋白(Transmembraneproteins)单次跨膜蛋白：如MN血型糖蛋白多次跨膜蛋白：红细胞膜上的带3蛋白2.周边膜蛋白（peripheralmembraneproteins）概念这类膜蛋白的肽链并不嵌入膜中，而以其共价连接的烃链插入于膜脂双层的内层或外层，主要分为GPI锚定蛋白、脂酰化蛋白、异戊烯化蛋白三大类。GPI锚定蛋白（GPI-anchoredproteins）：是蛋白质的羧基端通过乙醇胺与糖基磷脂酰肌醇（glycosyl-phosphotidylinositol,GPI）即GPI锚链（GPIanchor）共价结合而被锚定在质膜的外表面，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子等。膜蛋白与脂质双分子层结合的方式(图3-4)①I型跨膜蛋白；②II型跨膜蛋白；③III型跨膜蛋白；④β筒跨膜蛋白；⑤GPI锚定蛋白；⑥脂酰化蛋白；⑦、⑧周边蛋白脂酰化蛋白：是指胞内的某些蛋白，在其N端的甘氨酸（Gly）残基发生酰化（acylation），与质膜内层的脂肪酸链相连，通过烃链插入质膜内层，如Src蛋白，小G蛋白。异戊二烯化蛋白：异戊二烯化（prenylation）蛋白质是其C端或邻近的半胱氨酸（Cys）残基与异戊二烯形成硫酯键，借烃链插入质膜内层，例如RAS原癌基因编码的Ras蛋白即通过此方式被锚定在质膜的胞质层，发挥信号转导功能。膜蛋白与脂质双分子层结合的方式(图3-4)①I型跨膜蛋白；②II型跨膜蛋白；③III型跨膜蛋白；④β筒跨膜蛋白；⑤GPI锚定蛋白；⑥脂酰化蛋白；⑦、⑧周边蛋白周边膜蛋白（peripheralmembraneproteins）概念又称外在膜蛋白（externalmembraneproteins），简称周边蛋白或外在蛋白，它们附着在脂双层的内侧或外侧，通过离子键、氢键与膜脂分子的极性头部或与整合蛋白的亲水部分相互作用，间接与膜结合。周边膜蛋白（peripheralmembraneproteins）♦分布于膜的内或外表面具有亲水性通过静电作用、离子键及氢键与膜脂的极性头结合，或通过与内在蛋白特异结合固定在膜上可以通过改变溶液的离子强度、pH值、或加入螯合剂从膜上分离质膜内表面的周边蛋白有些是膜骨架和细胞皮质的重要成分；另一些则作为酶或传递细胞外信号的因子发挥作用（二）膜蛋白的功能膜蛋白示例功能运输蛋白Na+－K+ATP酶逆浓度将Na+泵出细胞，将K+泵入细胞酶蛋白腺苷酸环化酶在细胞外信号分子作用下，在细胞内产生cAMP粘附分子整合素分别连接细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白，传递机械力和胞内外信号受体蛋白肾上腺素受体接受胞外信号，通过信号转导调节腺苷酸环化酶的活性第二节生物膜的结构模型和特性一、生物膜的结构模型二、生物膜的特性一、生物膜的结构模型1.单位膜模型(unitmembranemodel)2.流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)3.脂筏模型(lipidraftsmodel)2.流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)♦从生物大分子的热力学特性来考虑,以疏水性和亲水性相互作用,就形成了流动镶嵌的生物膜结构。–膜中的脂和内在蛋白分子的非极性部分与水相隔而在疏水区紧密排成镶嵌结构–磷脂分子的极性基团直接与膜两侧的水相接触，维持最大的亲水性相互作用–外在蛋白主要靠静电力与膜的内或外侧相互作用流动镶嵌模型3.脂筏模型(lipidraftsmodel)脂筏（lipidraft）是在生物膜的脂质双分子层中，由富含胆固醇、鞘磷脂及糖脂的区域聚集成有序的微结构域。质膜的不对称性与脂筏模型主要特征脂质微结构域四周被流动的、液态无序相的脂质分子包围，犹如漂浮在流动的脂质海洋中的一个个小筏位于质膜外叶的脂筏中含有各种糖鞘脂和大部分鞘磷脂（二者统称为鞘脂类）某些特定类型的蛋白质按一定规律聚集在特定的脂筏内，便于相互作用。例如，GPI锚定蛋白聚集在质膜外叶的脂筏中位于质膜内叶的的脂筏则含有较多的脂酰化和异戊二烯化蛋白特别是信号转导蛋白，如Src、G蛋白的Gα亚基、内皮型一氧化氮合酶（eNOS）等二、生物膜的特性（一）不对称性•膜脂的不对称性•膜蛋白的不对称性•质膜上复合糖的不对称性（二）流动性•膜脂分子的运动•膜蛋白分子的运动（三）影响膜脂流动性和膜蛋白运动性的各种因素（一）不对称性膜脂在红细胞膜上的分布膜脂的不对称性膜蛋白的不对称性膜蛋白的分布是绝对不对称的，致使其功能也不对称。红细胞膜内侧分布有血影蛋白，而其外侧无此蛋白各种细胞质膜上酶蛋白活性中心的分布均不对称膜上复合糖也是不对称的，表现在糖链只出现在质膜外叶质膜功能的不对称性各种物质与离子的输送具有方向性各种信号的接受与传递也按一定方向进行。（二）流动性1.膜脂分子的运动（1）侧向扩散（2）旋转运动（3）钟摆运动（4）伸缩振荡（5）烃链的旋转异构化运动（6）翻转运动2．膜蛋白分子的运动（1）膜蛋白分子的侧向扩散人鼠细胞融合过程中膜表面抗原的运动性许多膜蛋白在膜脂中自由漂浮和在膜表面扩散小鼠和人细胞融合过程中膜蛋白的流动性（2）膜蛋白的旋转扩散膜蛋白质围绕与膜平面垂直的轴进行旋转•其速度比侧向扩散更慢•由于各种膜蛋白分子的结构不同，所处的微环境不同，致使不同膜蛋白分子的旋转扩散系数差异很大（三）影响膜脂流动性和膜蛋白运动性的各种因素–脂肪酸链的长度与不饱和度：脂肪酸链越短、不饱和度越高，流动性越大。–胆固醇：对膜脂流动性具有双向调节作用–卵磷脂和鞘磷脂比例的影响：卵磷脂不饱和程度高，卵磷脂和鞘磷脂比例升高，膜的流动性增加。–膜蛋白与膜脂分子的相互作用：膜内在蛋白限制膜脂分子的运动，降低膜脂的流动性。界面脂–其它因素：温度第三节细胞表面一、细胞表面的概念二、细胞外被的结构与功能三、细胞皮质的结构与功能四、细胞表面的特化结构一、细胞表面的概念（cellsurface）♦由细胞外被（cellcoat）、质膜和细胞皮质（cellcortex）这三层密切联系的结构组成♦是细胞与外界环境进行物质、能量和信息交换的门户♦是维持细胞内环境稳定的保护屏障♦与细胞的运动、生长、分化、衰老及多种病理过程密不可分。细胞外被•是细胞膜外表面富含糖类物质的覆盖性衣被，常被形象地称为糖萼。•糖萼的主要成分为糖缀合物，即糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂•富含O-连接寡糖链的糖蛋白和蛋白聚糖具有巨大的分子量，携带有大量的糖残基，构成直链或分枝状结构，其中的唾液酸、糖醛酸和硫酸化的糖类等结构富含带负电荷的基团•细胞外被中的糖链形成伸展、交织的网，储存了巨大的生物信息，具有保护、屏障、细胞识别及黏附等重要的功能细胞外被（糖萼）糖萼的钌红染色电镜图像（一）膜糖的种类、存在方式与功能膜糖类都位于质膜的外表面，参与细胞与环境相互作用的各种生命活动。1、膜糖的种类与存在方式种类人细胞膜上主要有11种单糖，常见的有半乳糖、甘露糖、岩藻糖、N-乙酰氨基半乳糖、葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖、唾液酸、糖醛酸等，由1~10个单糖或单糖衍生物组成的低聚糖链称为寡糖链。存在方式（1）糖蛋白为含有共价结合寡糖链的蛋白质。真核细胞质膜上的蛋白质几乎都是糖蛋白质膜上糖蛋白寡糖链的末端常为带负电荷的唾液酸寡糖链与蛋白质多肽链的连接有两种方式，即N-连接和O-连接。在蛋白质和脂类上添加糖链的过程被称为糖基化，糖基化发生在内质网和高尔基复合体（2）糖脂糖链与膜脂共价结合成糖脂高等动物的糖脂主要为糖鞘脂，每个糖鞘脂分子只能结