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1、第三章 细胞质膜与细胞连接,本章要点,生物膜的结构模型 生物膜的组成 生物膜的特点与功能 膜骨架（血红细胞）细胞连接,基本概念：,细胞膜(cell membrane)：又称细胞质膜，是指围绕在细胞最外层的、一薄层由脂质和蛋白质组成的膜。质膜使细胞具有相对稳定的内环境，并参与细胞之间的物质交换、信息和能量传递等过程。生物膜（biomembrane）：真核细胞的生物膜包括细胞膜和细胞内的膜系统（细胞器膜和双层核被膜）。真核生物的生物膜结构相似，功能各异。,一、生物膜的结构模型,E.Overton 1895年，通过实验证实：脂溶性的物质能通过细胞膜，而水溶性的物质不能。推测细胞膜由连续的脂类物质组成
2、。,E.Gorter&F.Grendel 1925年通过实 验推测细胞膜由双层脂分子组成；J.Danielli&H.Davson 1935 提出了”蛋 白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜 由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质 构成的。,1.“三明治式”的质膜结构模型,J.D.Robertson1959年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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。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。,2.“单位膜”模型,S.J.Singer&G.Nicolson 1972年根据免疫荧光标记技术、冰冻蚀刻技术的研
3、究结果，在”单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。,3.流动镶嵌模型,Simon,1988年提出，在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等能形成漂浮在脂双层中的“脂筏”，载着能执行特定生物学功能的膜蛋白。推测一个100nm的脂筏可载有600个蛋白质分子。,4.脂筏模型,1.脂分子双层结构是组成膜 的基本结构成分，疏水的 非极性尾部相对，极性的头部对着水相。2.蛋白质以不同的方式镶嵌在脂双层中，或结合 在其表面。3.膜蛋白和膜质的运动在一定程度上受到限制。,生物膜结构要点：,二、生物膜的组成,对红细胞膜的分析结果表明：脂 类：50蛋白质：40糖 类：2-10少量的水、无机盐：0-8,（
4、一）膜脂,生物膜的基本组分，约占膜的50%;主要有3类：磷脂、糖脂、胆固醇,1.磷脂,膜脂的基本成分（膜脂总量的50以上）。动植物细胞膜上都有磷脂。主要类型：甘油磷脂和鞘磷脂，甘油磷脂又包括卵磷脂、磷脂酰肌醇、磷脂酰乙醇胺等。,磷脂分子结构特点：,a.一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两 个或四个非极性的尾部（脂肪酸链）；b.脂肪酸碳链为偶数；c.含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。,极性亲水的头部,非极性疏水尾部,磷脂分子结构模式图,a 为磷脂酰乙醇胺的分子结构,b为立体结构,2.糖脂,普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（含 量5%以下）；神经细胞：糖脂含量相对较高。最简单的糖脂：半乳糖脑苷脂类。,1
5、.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸,3.固醇,含量较少，不超过膜脂含量的1/3；动物细胞膜中含固醇主要为胆固醇；植物与细菌的膜脂中主要成分为豆固醇与麦固醇。,胆固醇的分子结构,羟基组成的极性头部,非极性的类固醇环,非极性的碳氢尾部,胆固醇在脂双层中的位置,亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央。,4.脂质体（liposome）,脂质体是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的一种人工膜。,类型：球形结构与平面结构的脂质体两种。作用：脂质体可用于细胞膜的研究、基因转移、疾病的诊断及治疗。,(二)膜蛋白,约占膜总含量的40-50；种类繁多，约有50余种；膜功能的
6、主要体现者。核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。,类型：包括3类,膜蛋白,内在膜蛋白（整合膜蛋白）,外周膜蛋白（膜周边蛋白）,脂锚定蛋白,膜蛋白与与膜脂的结合方式,1.外周膜蛋白：,完全位于脂分子双层结构之外；多为水溶性蛋白，通过非共价键（离子键或较弱的键）与脂分子的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧相连；易从膜上分离：通过改变溶液的离子强度或提高温度就可以从膜上分离下来。,2.脂锚定蛋白：,位于脂双层的外侧，通过共价键的方式与脂分子（脂肪酸或糖脂）结合，锚定在细胞质膜上。,3.整合膜蛋白,占整个膜蛋白的70-80%；整合膜蛋白含疏水(含量高)性和亲水性氨基酸。跨膜蛋白可跨膜多次，一般含
7、螺旋或折叠，形成分子或离子的跨膜通道。与膜结合比较紧密，不易于分离：用去垢剂处理使膜崩解后才能从膜上分离出来。,内在膜蛋白与膜结合的主要方式：,跨膜结构域与脂双层的疏水核心的相互作用 跨膜结构域两端与磷脂极性头部的相互作用 半胱氨酸残基与脂肪酸的共价结合 少数蛋白质与糖脂的共价结合,分离内在膜蛋白的两种去垢剂：,去垢剂是一端具有亲水性，一端具有疏水性的两性小分子,是分离与研究整合膜蛋白的常用试剂。去垢剂分两种类型：离子型去垢剂（十二烷基磺酸钠，SDS）非离子型去垢剂（Triton X-100）,十二烷基磺酸钠（SDS），它不仅可使细胞膜崩解,并与膜蛋白疏水部分结合使其分离,而且还可以破坏蛋白内
8、部的非共价键,使蛋白质发生变性。非离子去垢剂（Triton X-100）对蛋白质作用比较温和,它可以使膜脂溶解，又不会使蛋白质变性。它不仅用于膜蛋白的分离与纯化,也用于除去细胞的膜系统,以便对细胞骨架蛋白和其它蛋白进行研究。,4.膜蛋白的功能,运输蛋白：运转特殊的分子或离子进入细胞；连接蛋白：起连接作用；受体蛋白：起信号接受与转导作用；酶：催化与酶相关的代谢反应。,三、生物膜的特点,1.膜脂的流动性,膜的流动性,膜的不对称性,（一）膜的流动性,膜脂分子的运动方式：,1 侧向运动 2 自旋运动 3 尾部的摆动运动 4 跳跃运动5 翻转运动 6 旋转异构化运动,磷脂转运蛋白（翻转酶）,温度：温度降
9、低，生物膜的流动性减小，反之增大脂肪酸链的长度：脂肪酸碳链越短，流动性越大。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸不饱和程度越高，膜的流动性越大。卵磷脂/鞘磷脂：比值越大，膜的流动性越高。胆固醇对膜流动性的双重调节作用。,影响膜脂流动性的因素：,2.膜蛋白的流动性,膜蛋白的运动方式随机移动定向移动局部移动,证明膜蛋白流动的实验,荧光抗体免疫标记实验 免疫荧光技术：就是将免疫学方法（抗原-抗体特异结合）与荧光标记技术相结合用于研究特异的蛋白抗原在细胞内分布的方法。,将小鼠细胞和人细胞在灭活 的仙台病毒诱导下进行融合；,2.小鼠的抗体用荧光素标记（发绿色荧光），人的抗体用的罗丹明标记（发红色荧光）。将用荧光标记
10、的抗体加入到融合的人、鼠细胞中，,3.将融合细胞置于37温育40min，细胞表面的颜色相互混合在一起,人鼠细胞融合实验证明膜蛋白在质膜上的运动,光脱色恢复技术（FRAP）,影响膜蛋白运动的因素,温度：温度降低，膜蛋白的扩散速率减慢。细胞骨架：有些膜蛋白与膜下细胞骨架相结合，限制了膜蛋白的运动。与膜脂分子的相互作用也是影响膜蛋白流动的重要因素。,3.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。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等都与膜的流动性密切相关。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
11、的溶解。,（二）膜的不对称性,概念：质膜的不对称性是指质膜中各种组分分布的种类和数量的不对称，以及质膜内外两侧功能的不对称。,细胞质膜经冷冻蚀刻技术处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：,ES，细胞外表面extrocytoplasmic surface,PS，原生质表面(protoplasmic surface),EF，细胞外小页断裂面(extrocytoplasmic face),PF，原生质小页断裂面(protoplasmic face),冷冻蚀刻技术：用快速低温冷冻法将样品迅速冷冻（液氮中），然后在低温下进行断裂。这样，样品往往从其结构相对“脆弱”的部位（即膜脂双分子层的疏水端
12、）断裂，从而显示出镶嵌在膜脂中的蛋白质颗粒。,冰冻蚀刻技术：主要用来观察膜断裂面的蛋白质颗粒和膜表面结构，图形富有立体感，样品不需包埋甚至也不需固定，同时能更好地保持样品的真实结构。,1.膜脂的不对称性,膜脂的不对称分布指同一种脂分子在膜的脂双层中呈不对称分布。,磷脂酰乙醇胺,鞘磷脂,磷脂酰丝氨酸,糖脂,膜脂的不对称分布与膜蛋白执行特定的功能是分不开的。,2.膜糖的不对称性,糖脂和糖蛋白只分布于ES面。,3.膜蛋白的不对称性,膜蛋白分布的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和区域性,例如：各种激素受体分布于细胞膜的ES面，并按照一定的方向传递信 号；腺苷酸环化酶分布于细胞膜的
13、PS面，催化相应的酶促反应；跨膜蛋白都按一定的方向性转运物质。,物质运输,信号识别,边界与通透性屏障,参与细胞间的相互作用,功能定位与组织化,四、细胞膜的功能,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,其中伴随着能量的传递；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、细胞与基质之间的连接；为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构；膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤等有关，可以作为疾病治疗的药物靶标。,五、膜骨架,细胞膜常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系，协同作用，
14、形成细胞表面的特化结构。特化结构包括：膜骨架、鞭毛、纤毛、微绒毛、变性足等。与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能相关。,膜骨架的概念：,膜骨架：是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。特点：粘质性高、有较强的抗拉能力。,哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统，分离后不存在膜污染问题。红细胞膜既有良好的弹性又有较高的强度。红细胞膜的质膜与膜骨架蛋白比较容易纯化、分析。血影的概念：红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物释放，这时红细胞仍然保持原来的形状和大小，该结构称血影。,（一）红细胞的生物学特性,血影蛋白（链）锚定蛋白带
15、4.1蛋白肌动蛋白带3蛋白 血型糖蛋白,SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白成分：,（二）红细胞的膜蛋白与膜骨架,血影蛋白,锚定蛋白,带4.1蛋白,肌动蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白,1.血影蛋白成分分析,锚蛋白,血影蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白,带4.1蛋白,肌动蛋白,A:人的红细胞 扫描电镜照片,B:质膜血影 的显微照片,C：SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳对血影成分的分析,E:内部膜骨架的电镜照片,D：红细胞质膜的内表面观模型，显示出包埋在脂双层中的整合蛋白和形成膜内表面骨架的外周蛋白的排列。,改变处理血影的离子强度：,血影蛋白和肌动蛋白条带消失 这两种蛋白不是膜内在蛋白。血影的形状变得不规则，膜的
16、流动性增强 这两种蛋白在维持膜的形状及固定其它膜蛋白的位置方面起重要作用。,2.膜骨架蛋白成分的确定,用Triton100处理,带3蛋白和一些血型糖蛋白消失 说明这两种蛋白是整合膜蛋白。血影的形状基本不变 维持细胞形态上不起决定作用。,用非离子去垢剂处理：,所有的脂质和血型糖蛋白及大部分带3蛋白消失，血影的形状基本不变。,膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白和带4.1蛋白等。,3.红细胞膜蛋白结构分析,带3蛋白：红细胞膜上的阴离子转运载体蛋白由两个相同的链组成二聚体，在膜中穿越1214次，形成跨膜螺旋带3蛋白的N断伸向细胞质基质面，为膜骨架蛋白提供结合位点。,血型糖蛋白：,单次
17、跨膜蛋白，约有131个氨基酸；N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连，起到加强质膜蛋白与膜骨架蛋白相连的作用。,血影蛋白：,由链和链组成的二聚体，两个二聚体头对头相连形成长度为200nm的四聚体。四聚体的游离端可以和肌动蛋白纤维相连。,肌动蛋白：,两种构型：F型和G型肌动蛋白；13个肌动蛋白单体与一个长35nm的原肌球蛋白分子结合，参与形成膜骨架；此单位与血影蛋白的游离端相连。,带4.1蛋白：,加强血影蛋白与肌动蛋白的结合。,锚定蛋白：,含两个功能结构域：一个能紧密而特异地与血影蛋白链上的 一个位点相连；另一结构域与带3蛋白中伸向胞质面的一个位点紧密结合 膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要是通过锚定蛋白实现的。,红细胞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实现的。,除红细胞外，在其它细胞中也发现与锚定蛋白、血影蛋白及带4.1蛋白类似的蛋白质，推测其细胞中也存在膜骨架结构。与红细胞不同的是，这些细胞具有较发达的胞质骨架体系，而且细胞膜功能也更为复杂，所以有关其它细胞中膜骨架的结构与功能还有待进一步研究。,
