《细胞生物学》细胞膜2017

细胞膜及其表面医学细胞生物学包围在细胞质表面的一层界膜，使得细胞质与外界环境相隔开,由脂双层构成基本结构.细胞膜（cellmembrane）几个膜的基本概念内膜系统（endo-membranesystem）真核细胞内在结构、功能和发生上相互关联的膜结构总称。如核膜，内质网，高尔基复合体，溶酶体等几个膜的基本概念细胞膜和细胞内的膜结构在化学组成、结构和功能等方面具有相似性，总称为生物膜。生物膜（biomembrane）几个膜的基本概念生物膜有共同结构特征，在透射电镜下表现为“二暗夹一明”的三层结构，又称单位膜（unitmembrane）糖类水、无机盐、金属离子一、细胞膜的化学组成膜蛋白Membraneproteins膜脂Membranelipid膜脂磷脂胆固醇糖脂甘油磷脂鞘磷脂一、细胞膜的化学组成极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）磷脂二酰基甘油OO-POOOOCH2CHCH2COCOXHHH胆碱、丝氨酸、乙醇胺或肌醇等分子通过磷酸基团连接到脂分子上。磷脂酰胆碱（PC，旧称卵磷脂）磷脂酰丝氨酸（PS）磷脂酰乙醇胺（PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（PI）X：以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部为磷酸化胆碱。结构特征：双亲性分子。鞘磷脂胆碱磷酸脂肪酸链HH两类磷脂的特性：具有亲水头部和疏水的尾部，在水中会自发排列。极性头部平面甾环结构非极性尾部胆固醇(cholesterol)胆固醇(cholesterol)分布于磷脂分子之间，其极性头部紧靠磷脂极性头部。作用：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。由脂类和寡糖组成，是含一个或几个糖基的类脂。结构与鞘磷脂相似，属于鞘胺醇的衍生物。糖脂（glycolipid）例如：糖脑苷脂、神经节苷脂。葡萄糖脑苷脂鞘磷脂半乳糖脑苷脂，GM1神经节苷脂糖脂作用：存在于膜的非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面，可作为受体参与细胞识别及信号转导的过程。膜脂种类及其特点：甘油磷脂鞘磷脂糖脂胆固醇具有亲水头部和疏水的尾部是膜功能的主要体现者；膜蛋白Membraneproteins膜脂Membranelipid分为:内在蛋白外周蛋白脂锚定蛋白一、细胞膜的化学组成嵌入脂双层的内部，与膜结合非常紧密。内在蛋白（intrinsicprotein）水溶性，通过静电、离子键、氢键等与膜作用分布在细胞膜的表面。外周蛋白（extrinsicprotein）通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子层中，从而锚定在膜上。脂锚定蛋白（lipidanchoredprotein）膜蛋白结合方式：膜蛋白的主要功能：物质转运细胞连接信号转导酶真核细胞的表面均含有糖类，以各种形式连接于膜蛋白和膜脂分子上。这些糖类均位于细胞的非胞质面一侧，从而在细胞表面形成细胞外被。膜糖Membranecarbohydrates膜蛋白Membraneproteins膜脂Membranelipid一、细胞膜的化学组成构成寡糖链主要的7种单糖葡萄糖半乳糖甘露糖岩藻糖膜糖存在的形式：共价结合于膜蛋白分子上形成糖蛋白。共价结合于膜脂分子上形成糖脂。保护细胞表面,参与细胞识别和黏着、信息传递。膜糖Membranecarbohydrates膜蛋白Membraneproteins膜脂Membranelipid一、细胞膜的化学组成1、片层结构模型Lamellastructuremodel2、单位膜模型Unitmembranemodel3、液态镶嵌模型Fluidmosaicmodel二、细胞膜的分子结构模型1935年Danielli&Davson：“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。1959年提出了修正模型:贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。二、细胞膜的分子结构模型1.片层结构模型:电镜下显示暗-明-暗三层结构，称为“单位膜”。二、细胞膜的分子结构模型2.单位膜模型:所有的生物膜都有相似的结构。二、细胞膜的分子结构模型2.单位膜模型:S.J.Singer&G.Nicolson1972年根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。二、细胞膜的分子结构模型3.液态镶嵌膜模型:流动的脂质双分子层构成膜的骨架；膜蛋白镶嵌或附在脂质双分子层中；糖分子分布于膜外表面。二、细胞膜的分子结构模型3.液态镶嵌膜模型:晶格镶嵌模型：脂蛋白和其周围的脂类分子构成膜的晶态部分（晶格），具有流动性的脂类呈小片的点状分布。板块镶嵌模型：生物膜是由同时存在的不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。即处于有序结构的“板块”无序结构的“板块”连续的动态平衡之中。3.液态镶嵌膜模型:对膜流动性分子基础进行了补充二、细胞膜的分子结构模型1.膜的不对称性（asymmetry）2.膜的流动性（fluidity）三、细胞膜的特性细胞膜的外叶细胞膜的内叶1.不对称性（asymmetry）三、细胞膜的特性脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。同一种脂分子在脂双层中也呈不均匀分布。磷脂酰胆碱1.不对称性（asymmetry）三、细胞膜的特性总磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸人红细胞膜1.不对称性（asymmetry）三、细胞膜的特性膜蛋白在脂双层各层中分布不均匀,具有特定的方向性和分布的区域性。1.不对称性（asymmetry）三、细胞膜的特性糖脂和糖蛋白中的糖链均分布在细胞膜的表面。1.不对称性（asymmetry）三、细胞膜的特性膜蛋白的分离膜蛋白的分离去垢剂是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子，它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，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、沉淀十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。TritonX-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。去垢剂可分为离子型和非离子型两种。1膜脂的运动■沿膜平面的侧向运动■脂分子围绕轴心的自旋运动；■脂分子尾部的摆动；■双层脂分子之间的翻转运动四、质膜的流动性影响膜流动的因素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。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。2．膜蛋白的流动Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)细胞融合技术:人、鼠细胞融合实验观察蛋白质运动光脱色恢复技术（FRAP）翻转运动侧向扩散运动膜脂运动膜脂处于液晶态液晶态←→晶态相变、相变温度2.流动性性（fluidity）三、细胞膜的特性旋转运动伸缩震荡运动膜脂运动旋转异构2.流动性性（fluidity）三、细胞膜的特性1.侧向扩散2.旋转扩散膜蛋白的运动性被动扩散：受到膜脂的作用代谢驱使的运动：受细胞骨架的作用2.流动性性（fluidity）三、细胞膜的特性利用细胞融合技术观察蛋白质运动2.流动性性（fluidity）三、细胞膜的特性光脱色荧光恢复技术检测膜流动性荧光标记膜表面蛋白2.流动性性（fluidity）三、细胞膜的特性1.脂肪酸链长度和不饱和度3.影响膜流动性的因素三、细胞膜的特性1.脂肪酸链长度和不饱和度2.胆固醇3.卵磷脂与鞘磷脂比例卵磷脂的脂肪酸不饱和度高鞘磷脂不饱和度低3.影响膜流动性的因素三、细胞膜的特性4.膜蛋白的影响5.温度的影响3.影响膜流动性的因素三、细胞膜的特性细胞膜(II)医学细胞生物学细胞膜上负责转运物质的特定的膜蛋白。主要有两类：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白即可介导被动运输，也可介导主动运输。通道蛋白只能介导被动运输。膜转运蛋白（membranetransportprotein）载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器。载体蛋白（carrierprotein）:与特定的溶质结合，改变蛋白本身构象，使溶质穿越细胞膜的膜转运蛋白。膜转运蛋白（membranetransportprotein）通道蛋白(channelprotein)：跨膜蛋白，多次跨膜形成亲水性通道，贯穿脂双层，当孔开放时特定的溶质可以经过通道穿透细胞膜。膜转运蛋白（membranetransportprotein）载体蛋白通道蛋白性质跨膜蛋白跨膜蛋白作用机理改变构象形成通道作用条件代谢能量非代谢能量非代谢能量作用方式主动运输被动运输被动运输膜转运蛋白（membranetransportprotein）概念：是通过简单扩散或易化（协助）扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运转。特点：无代谢能量消耗运输方向:由高浓度向低浓度类型：简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）离子通道扩散被动运输passivetransport简单扩散（simplediffusion）特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助。被动运输passivetransport也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。易化扩散（facilitatieddiffusion）被动运输passivetransport载体蛋白介导的易化扩散通道蛋白介导的易化扩散亲水物质：糖，氨基酸，核苷酸，等专一的载体蛋白利用浓度差，无需消耗代谢能转运速率高特点：易化扩散（facilitatieddiffusion）被动运输passivetransport载体蛋白介导红细胞膜上的葡萄糖转运蛋白，溶质：葡萄糖易化扩散（facilitatieddiffusion）被动运输passivetransport载体蛋白介导有些通道蛋白长期开放，有些通道蛋白仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gatedchannel）。作用特点：转运速度迅速；具有高度的选择性；不需要代谢能，顺电化学梯度的转运；被动运输passivetransport通道蛋白介导易化扩散（facilitatieddiffusion）电位门通道、配体门通道、机械门通道、可分为：被动运输passivetransport通道蛋白介导易化扩散（facilitatieddiffusion）被动运输passivetransport通道蛋白介导易化扩散（facilitatieddiffusion）含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理概念指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。特点①逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输；②需要消耗代谢能量；③需要载体蛋白。主动运输activetra