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1、黄宜兵,4.细胞质膜,内容提要,细胞质膜的结构与基本成分细胞质膜的基本特征与功能,细胞质膜,细胞质膜（Plasma Membrane），曾称细胞膜，是指围绕在细胞最外层，由脂质、蛋白质及糖类共同组成的生物膜。细胞内的膜系统（细胞器的膜）与细胞质膜统称为细胞膜（Biomenbrane）。,在细胞膜表面旅行:,一.质膜的结构及主要成分,质膜的结构模型质膜的主要化学成分,E.Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter 等 1925 推测细胞膜由双层脂分子组成。J.Danielli&H.Davson 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类
2、-蛋白质）。JD.Robertson 1959根据电镜观察提出单位膜模型（Unit membrane model）,1.结构模型,S.J.Singer&G.L.Nicolson 1972年根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出生物膜的“流动镶嵌模型”（Fluid-mosaic model）,质膜的流动性。组成质膜的膜脂和膜蛋白均可侧向运动。膜蛋白分布的不对称性。膜蛋白或结合在膜表面，或嵌入其内部，或横跨整个双脂层。,流动镶嵌模型3D动画：,K.Simons et al等1997年提出脂筏模型（lipid rafts model）,甘油磷脂为生物膜的主体成分。胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序
3、的脂相。执行特定生物学功能的各种膜蛋白类似脂筏漂浮在脂双层上。,质膜结构小结,磷脂排布：磷脂双分子层自发形成封闭膜系统，疏水尾部相对，头部朝向水相蛋白排布：蛋白质以不对称方式分布在脂双层表面或镶嵌其中，赋予生物膜不同的功能三维关系：生物膜可以看成是蛋白在双层脂分子中的二维溶液动态变化：生物膜处于不断的动态变化中,2.质膜的化学组成,2.1、膜蛋白,占核基因组编码蛋白质的30%。种类繁多不同类型细胞及不同部位，膜蛋白含量和种类区别大根据与脂分子的结合方式分为三种类型：A.整合蛋白,；B.脂锚定蛋白,；C.外周蛋白,外周蛋白为水溶性蛋白质，靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的
4、离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来，但膜结构不被破坏。如磷脂酶。脂锚定蛋白是通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。,脂锚定蛋白可以分为三类：脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上，位于细胞质一侧。由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白的C端的半胱氨酸残基上。位于细胞质一侧。通过糖脂锚定到细胞质膜上，称为磷脂酰肌醇糖脂（GPI），这种方式简称GPI锚定方式。位于质膜外侧。,整合蛋白均为跨膜蛋白（transmembrane proteins），两性分子。跨膜结构域为1至多个疏水的螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。跨膜蛋
5、白在结构上可以分为胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域三部分。,跨膜蛋白与膜结合的主要方式：疏水作用：膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用静电作用：跨膜结构域两端带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+，Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。共价连接：膜蛋白通过自身在细胞质基质一侧的半胱氨酸共价结合到脂肪酸分子上，后插入脂双层之间进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。,内在膜蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式：由多个螺旋组成亲水通道；由折叠组成亲水通道。水孔蛋白(aquaporin):是一类具有6个螺旋区的蛋白质家族，通常形
6、成四聚体的膜蛋白以行使其转运水或甘油等分子功能。,去垢剂(Detergent):是一端亲水、一端疏水的两亲性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可以插入质膜，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。,离子型去垢剂SDS,非离子型去垢剂Triton-X100,磷脂酰胆碱 phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸 phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺 phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇 phosphatidylinositol，PI,1）甘油磷脂,主要特征：主要在内质网合成约占膜脂的50
7、以上。一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。脂肪酸碳链为偶数，多为16，18个碳原子（如软脂酸，硬脂酸）。除饱和脂肪酸，常有含1-2个双键的不饱和脂肪酸（如油酸）。,2.2、膜脂,2）鞘脂(均为鞘氨醇的衍生物，在高尔基体合成），,鞘磷脂（Sphingomyelin，SM），脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。如神经鞘磷脂。糖脂（Glycolipid）存在原核真核质膜上，约占5以下，但神经细胞膜含量高，约占5-10。如脑苷类。,3）固醇（胆固醇及其类似物，在胞质和内质网合成）,存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物
8、质的通透性。,只能插入磷脂分子中，参与生物膜的形成，增加磷脂分子的有序性和脂双层的厚度。缺乏胆固醇可能导致细胞分裂抑制。,4）脂质体（liposome）,是根据磷脂分子在水相中形成稳定脂双层膜的现象而制备的一种人工膜。双层或单层脂分子球体，直径251000nm。人工脂质体应用：转基因制备的药物研究生物膜的特性,质膜成分小结,膜蛋白与脂的相互作用方式,二.质膜的特征及功能,质膜的特征：流动性和不对称性质膜的主要功能,1）.质膜的流动性,膜脂和蛋白质的分子运动组成。膜脂分子的运动,膜蛋白的运动主要是侧向扩散和旋转扩散两种方式。,侧向扩散(lateral diffusion)旋转运动(rotatio
9、n)伸缩运动（flexion）翻转扩散(transverse diffusion)，又称翻转(flip-flop)。,影响膜脂流动性的因素胆固醇脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的链长卵磷脂/鞘磷脂其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。膜脂、膜蛋白运动的检测方法：荧光漂白技术和细胞融合技术,2）.膜的不对称性,膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：ES，细胞外表面；EF，细胞外小页断裂面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。,人的ABO血型抗原寡糖链结构图,细胞质膜相关膜骨架,细胞表面的特化结构包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等结构。,膜骨架是指质
10、膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约0.2m厚的溶胶层。主要用来维持质膜的形态。以血红细胞为例：经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影(Ghost)成分主要有：血影蛋白(Spectrin)：由结构相似的链、链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。锚蛋白（Ankyrin）：连接膜骨架网络与细胞膜。带3蛋白：阴离子载体，通过交换Cl，使HCO 3 进入红细胞。为二聚体，每个单体形成跨膜12-14次的-螺旋。带4.1蛋白,与内收蛋白（adducin）相互作用，增强肌动蛋白和血影蛋白的结合力肌动蛋白（Actin)血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，功能尚不明确，与MN血型有关，与带4.1蛋白相连。,2.质膜的功能,保护细胞内环境；选择性物质运输；胞内外信息传导；提供酶结合位点；介导细胞、基质连接；形成细胞表面的特化结构。膜蛋白作为疾病治疗的药物靶标,
