第二章-生命的基本单位-细胞之细胞膜

第二节细胞的基本结构Contents细胞膜的分子组成及结构模型细胞膜表面及其特化结构细胞膜是原始的非细胞生物演化为细胞生物的一个转折点-----------细胞是生命的基本结构单位和功能单位细胞膜（cellmembrane)是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane)和细胞的内膜系统(内质网膜、线粒体膜、高尔基体膜、溶酶体膜、核膜等）统称为生物膜。生物膜系统使细胞空间区域化，不用区域进行不同的代谢活动。biologicalmembrane=plasmamembrane+intracellularmembrane生物膜=质膜+细胞内膜生物膜概述生物膜由磷脂双分子层和多种蛋白质和/或寡糖链构成；膜上的各种分子具有流动性；膜是柔软容易变形的。寡糖链磷脂的非极性脂酸链磷脂的极性头胆固醇外周蛋白磷脂双分子层内在蛋白（单个跨膜螺旋蛋白）锚定蛋白内在蛋白（多个跨膜螺旋蛋白）糖蛋白上的寡糖链膜外侧膜内侧生物膜功能生物膜有多种生物功能①物质运输：主动运输和被动运输；②能量转换：线粒体和叶绿体；③细胞识别：抗原和受体；④细胞免疫：免疫细胞的受体抗原；⑤神经传导：离子转运与神经冲动的传导；⑥代谢调控：各种细胞器在参与代谢中的作用；⑦激素和药物的作用：细胞通讯；⑧肿瘤发生：异常的细胞通讯；⑨……一、细胞膜的化学组成2%-10%糖类40%-50%蛋白质水、无机盐、金属离子等其他50%脂质含量成分种类蛋白质脂质糖类神经髓鞘质膜18793人红细胞49438小鼠肝细胞44524噬盐菌紫膜75250线粒体内膜76240一些膜的化学组成（一）膜脂生物膜的脂类物质有磷脂（主要的）、胆固醇、糖脂等。磷脂：两亲性脂类甘油磷脂鞘磷脂糖脂胆固醇磷脂酸磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)磷脂酰胆碱(卵磷脂)磷脂酰丝氨酸磷脂酰甘油磷脂酰肌醇4,5-二磷酸双磷脂酰甘油(心磷脂)膜脂鞘氨醇鞘氨醇酯结构鞘磷脂鞘糖脂神经酰胺鞘磷脂和鞘糖脂膜脂半乳糖脑苷脂神经节苷脂胆固醇主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，功能：提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。磷脂主要特征：（1）具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部（2）脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成（3）常含有不饱和脂肪酸（如油酸）糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5%～10％。是一种人工膜在水中，搅动后磷脂形成双层脂分子的球形脂质体，直径25～1000nm不等。脂质体（liposome）：直径25～1000nm不等。受体研究、药物作用机制、疾病机理双层微囊（二）膜蛋白生物膜所含有的蛋白质称为膜蛋白（membraneprotein），是生物膜最主要的组成成分，其含量和种类与膜的功能密切相关。分类外周蛋白（外在蛋白,peripheralprotein）内在蛋白（镶嵌蛋白,integralprotein）脂锚定膜蛋白(lipid-anchoredprotein)膜蛋白的类型膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一般为α螺旋膜蛋白膜外周蛋白质膜肌动蛋白血影蛋白锚蛋白氯化物-重碳酸盐交流蛋白（离子通道）膜外侧膜内侧存在于膜内外表面通过静电力或非共价键结合于膜上易于分离，溶于水，常用改变离子强度和加入金属螯合剂提取约占膜蛋白的20~30%左图：红细胞膜内侧的外周蛋白；显示红细胞膜形状的支撑蛋白-血影蛋白单个跨膜肽段膜蛋白7个跨膜肽段膜蛋白β-桶型膜蛋白-膜孔蛋白多个跨膜肽段膜蛋白膜蛋白膜内在蛋白：跨膜蛋白膜蛋白膜内在蛋白：锚定蛋白蛋白质的个别氨基酸与脂质分子形成共价结合形成蛋白质-脂质复合物蛋白质-脂质复合物的脂质部分插入膜中而锚定蛋白质。膜内侧和外侧都可能有锚定蛋白质。膜蛋白膜内在蛋白：半镶嵌蛋白半镶嵌蛋白半镶嵌蛋白外周蛋白跨膜蛋白膜外侧糖被膜蛋白膜内在蛋白种类单个跨膜肽段蛋白桶型蛋白（通道载体）多个跨膜肽段蛋白锚定蛋白（三）膜糖类含量：占膜重量的2%～10%。分布：在质膜的外表面的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等黏附在一起形成细胞外被称细胞衣(cellcoat)或糖萼（glycocalyx）。膜糖类糖类+膜脂共价键糖脂糖类+膜蛋白共价键细胞内脂双层膜蛋白细胞外被糖蛋白功能：细胞识别、黏着、信息传递、免疫、癌变。膜糖类和细胞外被示意图糖蛋白血型抗原抗体系统血型红细胞上抗原（凝集原）血清中抗体（凝集素）AA抗BBB抗AABA和B无O无抗A和抗B半乳糖血型抗原第二节质膜的结构一、质膜结构的研究历史1.E.Overton1895发现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，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2.1899，Overton提出脂质和胆固醇可能是细胞膜的主要成分。3.E.Gorter&F.Grendel1925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，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。•4、J.Danielli&H.Davson1935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。但认为膜蛋白应该存在于脂双层两侧，形似三明治结构（蛋白质-脂双层-蛋白质）。•5、J.D.Robertson1959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，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。1959年在上述基础上（4）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。•6、S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。冰冻蚀刻亦称冰冻断裂。冰冻：标本置于-100℃的干冰或-196℃的液氮中，进行冰冻。蚀刻：然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华，暴露出了断裂面的结构。复膜：蚀刻后，再向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和铂，然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，可置于电镜下观察。Fluid-mosaicmodel：细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。液态镶嵌模型不足之处忽略了蛋白质对膜稳定性的调节作用忽略了膜各部分流动的不均匀性推测一个100微米大小的脂筏上有大概600个蛋白质分子脂筏就像蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导，蛋白质分选有密切联系脂筏最初可能在内质网上形成，转运到膜上三、细胞膜的特性膜的不对称性（asymmetry）膜的流动性（fluidity）。（一）膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。膜脂、蛋白质、糖类的分布都是不对称的1.膜脂的不对称性同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。2．复合糖的不对称性糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面3.膜蛋白的不对称性每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。膜结构的主要特征膜组分的不对称分布磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)磷脂酰胆碱(卵磷脂)鞘磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇4-磷酸磷脂酰肌醇4,5-二磷酸磷脂酸膜磷脂占膜磷脂的百分比在膜上的分布内外（二）质膜的流动性1．膜脂分子的运动侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。2.膜蛋白的分子运动侧向扩散旋转扩散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。利用细胞融合技术观察蛋白质运动磷脂分子的运动人鼠杂交细胞蛋白质的运动4、膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。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。四、细胞表面及其特化结构细胞表面概念：包围在细胞质外层的一个复合结构体系和多功能体系，是细胞与外环境物质相互作用，并产生各种复杂功能的部位。包括细胞的质膜、质膜外的细胞外被以及质膜内的胞质溶胶层。功能复杂：对细胞起支持和保护，与整个细胞的行为、生理活动、相互识别、黏着、物质运输、信息转导、细胞运动、生长分化、衰老以及病理过程都有密切关系。二、膜骨架膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。质膜肌动蛋白血影蛋白锚蛋白氯化物-重碳酸盐交流蛋白（离子通道）膜外侧膜内侧血影（二）细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构：1.微绒毛、纤毛和鞭毛；2.内褶；3.不同形状的变形足和皱褶。对于细胞的特定活动有重要的作用。1.微绒毛微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面，直径约为0.1μm。作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。小鼠肾曲管上皮细胞微绒毛（冰冻蚀刻）2.皱褶（ruffle）细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。功能：摆动，排出灰尘及细菌3.纤毛和鞭毛纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。纤毛横切面（透射电镜）微绒毛和纤毛（扫描电镜）（四）细胞外基质（extracellularmatrix）指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。ECM(extracellularmatrix)是细胞外大分子构成的网络。包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。ECM在结缔组织中含量较高。ECM的成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的功能相适应。如：角膜、肌腱。ECM影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。生物膜由磷脂双分子层和多种蛋白质和/或寡糖链构成；膜上的各种分子具有流动性；膜是柔软容易变形的。寡糖链磷脂的非极性脂酸链磷脂的极性头胆固醇外周蛋白磷脂双分子层内在蛋白（单个跨膜螺旋蛋白）锚定蛋白内在蛋白（多个跨膜螺旋蛋白）糖蛋白上的寡糖链膜外侧膜内侧生物膜小结复习思考题1.细胞膜的结构如何？有哪些主要功能？2.为什么说细胞膜具有流动性和不对称性，这对细胞膜的功能有何意义？3.细胞膜的分子结构与细胞膜的功能有何关系？构成细胞膜的基本骨架成分是A镶嵌蛋白B周边蛋白C多糖D脂类下列哪种物质在活细胞中仅存在于细胞膜的内侧面A磷脂酰胆碱B乙酰乙醇胺C乙酰丝氨酸D磷脂酰丝氨酸生物膜是指（）A、单位膜B、蛋白质和脂质二维排列构成的液晶态膜C、包围在细胞外面的一层薄膜D、细胞内各种膜的总称E、细胞膜及内膜系统的总称生物膜的液态流动性主要取决于（）。A、蛋白质B、多糖C、类脂D、糖蛋白E、糖脂细胞膜中外周蛋白与脂类的结合主要通过（）A、共价键B、氢键C、离子键D、疏水键E、非共价键