第4章--细胞膜的分子结构和特性.ppt

Chapter 4细胞胞质膜膜(PlasmaMembrane)1.细胞胞质膜膜(plasmamembrane)是指是指围绕在在细胞胞最最外外层极薄的膜，又称极薄的膜，又称细胞膜胞膜(cellmembrane)，主要由脂主要由脂质和蛋白和蛋白质组成。成。围绕各种各种细胞器的膜，称胞器的膜，称为细胞内膜胞内膜(internalmembrane)。生物膜生物膜(biomembrane)：质膜和内膜膜和内膜在在起源、起源、结构和化学构和化学组成成等方面具有相似性，等方面具有相似性，总称称为生物膜。生物膜。习惯上把上把细胞所有膜胞所有膜结构的构的统称生物膜。称生物膜。2.4.1质膜的研究膜的研究历史史3.液液态镶嵌模型嵌模型1972年年辛格和辛格和尼克尼克尔松松单位膜位膜“三三夹板板”式模型式模型4.细胞膜的研究材料胞膜的研究材料 血影血影：哺乳：哺乳动物或人的物或人的成熟成熟红细胞胞的的核核与与细胞内的胞内的细胞器胞器均消失，均消失，仅有有细胞膜包胞膜包围一一团原生原生质组成。将其成。将其经低渗低渗处理，理，造成溶血造成溶血现象，象，血血红蛋白和无机蛋白和无机盐等被等被溢出溢出细胞外，剩下的胞外，剩下的“空壳空壳”称称为血影。血影。低渗低渗处理理5.低渗低渗有漏隙的有漏隙的血影血影封封闭的血影的血影红细胞血影胞血影破碎破碎6.脂筏脂筏(lipidraft)脂筏脂筏(lipidraft):质膜上存在特殊的膜上存在特殊的结构域构域微区微区,富含富含胆固醇、鞘磷脂胆固醇、鞘磷脂。脂脂质紧密密结合合成成单元元，可，可在在质膜的膜的疏松排列疏松排列的脂的脂类中中漂移漂移,如同漂浮在脂双如同漂浮在脂双层上的脂筏上的脂筏。脂筏。脂筏上上载有有执行特定功能的行特定功能的各种膜各种膜蛋白蛋白。7.4.2细胞膜的化学胞膜的化学组成成约占膜干重的占膜干重的30307070约占膜干重的占膜干重的20207070细胞膜胞膜脂脂脂脂类类蛋白蛋白质糖糖类约膜干重的膜干重的10108.1)1)磷脂磷脂磷脂磷脂：双型性分子双型性分子,约约占膜脂的占膜脂的占膜脂的占膜脂的50%50%以上。以上。以上。以上。如：磷脂如：磷脂如：磷脂如：磷脂酰酰胆碱胆碱胆碱胆碱(卵磷脂，卵磷脂，卵磷脂，卵磷脂，PC)PC)磷脂磷脂磷脂磷脂酰丝酰丝氨酸氨酸氨酸氨酸(PS)(PS)2)胆固醇胆固醇：双型性分子双型性分子,含量低于含量低于1/3。羟基基为极性极性头部，部，3）糖脂糖脂:双型性分子双型性分子,在膜中含量在膜中含量较少。少。头部部为糖残基糖残基 如如:半乳糖半乳糖脑苷脂、神苷脂、神经节苷脂苷脂类型型:一、膜脂一、膜脂(Membranelipids)9.分子特性：双极性分子分子特性：双极性分子磷脂磷脂磷脂磷脂酰酰胆碱胆碱胆碱胆碱胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖脑脑苷脂苷脂苷脂苷脂 10.膜脂双极性的意膜脂双极性的意义在生物膜中脂在生物膜中脂类部分的形成，是一个部分的形成，是一个自我自我组装的装的过程，磷脂分子自程，磷脂分子自发形成形成双双层，具有，具有自我自我组装自我封合装自我封合的特点。的特点。11.膜膜脂脂是是膜膜的的基基本本骨骨架架，膜膜蛋蛋白白是是膜膜功功能能的的主主要要体体现者者。12.二、膜蛋白二、膜蛋白（membraneproteins)外在膜蛋白外在膜蛋白(外周膜蛋白外周膜蛋白)内在膜蛋白内在膜蛋白(整合膜蛋白整合膜蛋白)脂脂锚定蛋白定蛋白类型型:13.冰冰冻蚀刻技刻技术揭示的膜揭示的膜结构构14.1.外在膜蛋白外在膜蛋白(外周膜蛋白外周膜蛋白)通通过非共价非共价键与其它膜与其它膜蛋白相互作用或蛋白相互作用或附着附着在在脂的极性脂的极性头部上，从而部上，从而连接到膜接到膜上。上。分布在膜的内外表面。分布在膜的内外表面。水溶性水溶性，比，比较容易分离容易分离提提纯。15.通通过共价共价连接的脂分子插接的脂分子插入膜的脂双入膜的脂双层，位于位于脂双脂双层的外的外侧。结合方式：合方式：一一 种是蛋白种是蛋白质直接直接结合于合于脂双分子脂双分子层另一种方式是蛋白并不直另一种方式是蛋白并不直接同脂接同脂结合，而是合，而是通通过一一个糖分子个糖分子 间接接同脂同脂结合。合。2.脂脂锚定蛋白定蛋白16.1）以）以不同程度嵌入不同程度嵌入脂双脂双分子分子层内部，内部，疏水区域疏水区域与与脂双分子脂双分子层中脂中脂类分子的分子的疏水尾部相互作用，疏水尾部相互作用，亲水水区域区域暴露在膜的一暴露在膜的一侧或两或两侧表面。表面。这些蛋白都是些蛋白都是双型性蛋白双型性蛋白分子分子（横跨全膜）。（横跨全膜）。3.内在膜蛋白内在膜蛋白17.2）跨膜蛋白的跨膜区跨膜蛋白的跨膜区为一般一般为螺旋螺旋,也有的是也有的是折折叠叠，分，分为单次跨膜、多次跨膜等。如孔蛋白次跨膜、多次跨膜等。如孔蛋白。18.疏水疏水AaAa侧链-绿色色亲水水AaAa红色色多次多次螺旋形成的跨膜的螺旋形成的跨膜的亲水孔道水孔道亲水孔道水孔道 跨膜跨膜螺旋螺旋16个串个串联的的折叠折叠形成跨膜的形成跨膜的亲水水通道通道 细菌膜孔蛋白（菌膜孔蛋白（porin)三三维结构构19.常用的两种去垢常用的两种去垢剂（detergent）SDS（十二（十二烷基硫酸基硫酸钠）Triton X-100 去垢去垢剂(detergent)(detergent)是一是一种种一端一端亲水一端疏水水一端疏水的的两性小的两性小的脂分子脂分子20.去垢去垢剂疏水端疏水端与膜蛋与膜蛋白的疏水区域相白的疏水区域相结合合,极性端极性端指向水中指向水中,形成形成溶于水的去垢溶于水的去垢剂-膜蛋膜蛋白复合物白复合物,从而使膜蛋从而使膜蛋白在水中溶解、白在水中溶解、变性、性、沉淀沉淀溶于水的去垢溶于水的去垢剂-膜蛋白复膜蛋白复合物合物溶于水的去垢溶于水的去垢剂-脂脂类复合物复合物去垢去垢剂单体体21.用用去去垢垢剂分分离离小小的的跨跨膜膜蛋蛋白白,是是膜膜蛋蛋白白研研究究的的重重要要手段手段去垢去垢剂使膜蛋白在使膜蛋白在水中溶解、水中溶解、变性、沉淀性、沉淀 当当去去除除去去垢垢剂并并加加入入磷磷脂脂后后,可可使使膜膜蛋蛋白白复复性性并并恢恢复功能复功能。用用这种方法研究了膜中种方法研究了膜中NaNa+-K-K+-ATP-ATP酶的功能的功能。22.n蛋白：蛋白：是膜功能的主要体是膜功能的主要体现者。者。膜上的蛋白少，膜上的蛋白少，则膜的功能膜的功能相相对单一一n如：如：线粒体内膜粒体内膜：蛋白：蛋白质/脂脂类=3.2 电子子传递、能量、能量转换 神神经髓鞘膜髓鞘膜：蛋白：蛋白质/脂脂类=0.23 主要起主要起绝缘的作用。的作用。23.1）运运输蛋白蛋白：转运分子运分子进出出细胞胞2）连接蛋白接蛋白：细胞胞间连接、支撑接、支撑连接接3）受体受体：信号：信号转导4）酶：催化：催化细胞各部分的化学反胞各部分的化学反应膜蛋白的功能：膜蛋白的功能：24.25.(一一)存在方式：存在方式：主要与膜脂、膜蛋白以主要与膜脂、膜蛋白以共价共价键形式形成糖脂和形式形成糖脂和糖蛋白，糖基分布在膜的糖蛋白，糖基分布在膜的非胞非胞质面面。1.糖脂糖脂:低聚糖共价低聚糖共价结合于脂合于脂类2.糖蛋白：低聚糖或多聚糖糖蛋白：低聚糖或多聚糖侧链结合于膜蛋白合于膜蛋白N-糖基化（糖基化（门冬冬酰胺）胺）O-糖基化糖基化(丝氨酸或氨酸或苏氨酸）氨酸）三、膜糖三、膜糖类26.细胞表面覆盖有糖胞表面覆盖有糖类糖被，或糖萼（糖被，或糖萼（glycocalyx):细胞表面存在一胞表面存在一层多糖物多糖物质，厚，厚约200nm，由，由细胞膜胞膜糖糖蛋白蛋白和和糖脂糖脂的糖的糖链向外伸展交向外伸展交织而成。而成。27.真核生物真核生物细胞膜胞膜上的蛋白上的蛋白质几乎都是几乎都是糖蛋糖蛋白。白。在在动物物细胞中，胞中，糖蛋白糖蛋白是糖萼的主要成分，是糖萼的主要成分，而在而在植物植物细胞中，主要由胞中，主要由糖脂糖脂构成膜包被。构成膜包被。28.凝集素凝集素（lectin)是能与是能与糖糖类特异特异结合合的的蛋白蛋白质，能使，能使细胞胞发生生凝集凝集。凝集素能与凝集素能与细胞表面的糖蛋白、蛋白多糖、糖脂胞表面的糖蛋白、蛋白多糖、糖脂结合，而且合，而且不同凝集素不同凝集素识别糖基的不同特异序列糖基的不同特异序列，发生特异性生特异性结合，合，因此因此凝集素凝集素用于用于定位定位和和分离分离各种各种含糖的含糖的细胞膜分子。胞膜分子。FITC标记的凝集素能的凝集素能直接与直接与组织细胞内的糖胞内的糖基基结合，从而合，从而显示糖基示糖基的位置，可用于的位置，可用于检测组织细胞中的糖成分，阳胞中的糖成分，阳性部位呈黄性部位呈黄绿色色荧光。光。29.液液态镶嵌模型嵌模型结构构（1）脂双脂双层构成构成细胞膜的胞膜的连续主体主体，它既具有固体分，它既具有固体分子排列的子排列的有序性有序性，又具有液体的，又具有液体的流流动性性（2）膜中）膜中球形蛋白球形蛋白分子以各种形式与脂双分子分子以各种形式与脂双分子层结合。合。蛋白蛋白质分子的非极性部分分子的非极性部分嵌入脂嵌入脂类双分子双分子层的疏水区，的疏水区，极性部分外露于膜的表面极性部分外露于膜的表面（3）此模型）此模型强调了了膜的不膜的不对称性和流称性和流动性性4.3细胞膜的特性胞膜的特性30.1.膜脂分布的不膜脂分布的不对称性称性外外层含鞘磷脂、磷脂含鞘磷脂、磷脂酰胆碱（卵磷脂）胆碱（卵磷脂）较多多内内层含磷脂含磷脂酰乙醇胺、乙醇胺、磷脂磷脂酰丝氨酸氨酸较多多糖脂都是在非胞糖脂都是在非胞质侧（一）（一）膜的不膜的不对称性称性31.膜蛋白在膜的脂膜蛋白在膜的脂质双分子双分子层中可以分布在膜中可以分布在膜的的内表面、外表面内表面、外表面、或不同程度的、或不同程度的镶嵌嵌在在膜内。分布不膜内。分布不对称。称。一般一般说,细胞胞质面的蛋白比外表面少面的蛋白比外表面少,一些一些酶和受体和受体多多处于外表面。于外表面。2.膜蛋白的不膜蛋白的不对称性称性32.3.膜膜糖糖类的不的不对称称性性糖脂及糖蛋白：糖脂及糖蛋白：低聚糖低聚糖侧链只分布于只分布于细胞膜与内膜系胞膜与内膜系统的的非胞非胞质面。面。细胞膜：胞膜：细胞外胞外侧内膜系内膜系统：膜腔内：膜腔内侧33.1.膜脂的分子运膜脂的分子运动：-侧向运向运动：在膜平面上，脂：在膜平面上，脂类分子分子与同一与同一层的的邻近的分子近的分子交交换位置位置。1秒秒钟可可发生生107次次。-自旋运自旋运动：膜脂分子：膜脂分子围绕与膜平面与膜平面垂直的垂直的轴进行旋行旋转。106-109次次/秒秒-左右左右摆动：膜脂分子：膜脂分子围绕与膜平面与膜平面垂直垂直轴进行左右行左右摆动。-翻翻转运运动：膜脂分子从脂双：膜脂分子从脂双层的的一一层翻翻转到另一到另一层的运的运动。很少很少发生。生。（二）（二）膜的流膜的流动性性 侧向运向运动新合成新合成的磷脂的磷脂一一侧数量数量增多，增多，发生弯曲生弯曲两两侧平衡平衡翻翻转酶（flippase)的作用的作用34.人鼠人鼠细胞胞融合融合实验2.膜蛋白的分子运膜蛋白的分子运动35.荧光漂白恢复光漂白恢复实验:荧光素、光素、绿色色荧光蛋白等与光蛋白等与蛋白或脂蛋白或脂质耦耦联，用于，用于检测所所标记分子在分子在活体活体细胞胞表面或表面或细胞内部的运胞内部的运动及其及其迁移速率。迁移速率。36.（三）（三）影响膜流影响膜流动性的因素性的因素温度温度胆固醇的含量胆固醇的含量脂肪酸脂肪酸链的的长短、短、饱和度和度卵磷脂和鞘磷脂的比例卵磷脂和鞘磷脂的比例37.相相变温度温度：在生理条件下在生理条件下,膜膜脂多呈脂多呈拟液液态。温。温度下降至某点度下降至某点,则变为晶晶态。一定温。一定温度下度下,晶晶态又可熔又可熔解再解再变成液晶成液晶态，这种种临界温度称界温度称为相相变温度温度。相相变：在不同温度在不同温度下下发生的生的膜脂状膜脂状态的改的改变称称为相相变。不同的膜脂由于成不同的膜脂由于成分不同而各有其相分不同而各有其相变温度温度。（1）温）温 度度1.影响膜脂流影响膜脂流动性的因素性的因素38.胆固醇可以胆固醇可以调节膜的流膜的流动性性A.由由于于胆胆固固醇醇分分子子的的氢氧氧基基团接接近近磷磷脂脂分分子子的的极极性性头部部基基团，它它的的片片状状的的类固固醇醇环与与最最接接近近极极性性头部部的的脂脂肪肪酸酸链区区域域相相互互作作用用，增增加加膜膜的的稳定定性性。余余下下的的部部分分可可以以弯弯曲曲，其其疏疏水水的的尾尾部部与与磷磷脂脂脂脂肪肪酸酸链相相互互作作用用，可可防防止止脂脂肪肪链的的相相互互凝凝集集，从而从而维持持细胞膜的流胞膜的流动性。性。B.在在相相变温温度度以以下下，它它可可以以增增加加膜膜脂脂的的流流动性性，在在相相变温温度度以以上上，它它限限制制了了膜膜脂脂的流的流动性性。胆固醇是膜胆固醇是膜结构中的构中的“可塑分子可塑分子”（2）胆固醇的含量）胆固醇的含量39.脂脂肪肪酸酸的的不不饱和和程程度度上上升升说明明所所含含的的双双键越越多多，而而双双键处易易发生生弯弯曲曲，使使磷磷脂脂的的尾尾部部难以以靠靠近近，从从而而维持持了了膜膜的的流流动性。性。如如果果脂脂肪肪酸酸链较长，可可以以使使脂脂质分分子子尾尾部部相相互互作作用用增增加加，膜膜的的流流动性性下下降降，而而短短链会会减减弱弱相相互互作作用用，膜膜的的流流动性性升高。升高。（3）脂肪酸）脂肪酸链的的长短、短、饱和度和度40.（4）卵磷脂和鞘磷脂的比例）卵磷脂和鞘磷脂的比例卵磷脂：不卵磷脂：不饱和程度高，且和程度高，且链短短卵磷脂与鞘磷脂的比例高，卵磷脂与鞘磷脂的比例高，对膜的流膜的流动性大，性大，比例下降比例下降时膜的流膜的流动性随之下降。性随之下降。41.（1）蛋白的聚集蛋白的聚集限制了蛋白的运限制了蛋白的运动（2）当当蛋蛋白白被被限限制制到到特特异异脂脂类组成成的的结构构域域时，蛋白蛋白质几乎是不流几乎是不流动的的（3）当当蛋蛋白白与与周周围蛋蛋白白偶偶联的的时候候，限限制制了了蛋蛋白分子的运白分子的运动 （4 4）蛋白）蛋白质与与细胞骨架成分胞骨架成分相互作用相互作用时，限制限制了蛋白分子的运了蛋白分子的运动。2.影响膜蛋白影响膜蛋白质流流动性的因素性的因素42.约束膜蛋白运束膜蛋白运动的因素的因素43.细胞外基胞外基质对内在蛋白移内在蛋白移动的影响的影响44.Figure 10-37.Diagram of an epithelial cell showing how a plasma membrane protein is restricted to a particular domain of the membrane.Protein A(in the apical membrane)and protein B(in the basal and lateral membranes)can diffuse laterally in their own domains but are prevented from entering the other domain,at least partly by the specialized cell junction called a tight junction.Lipid molecules in the outer(noncytoplasmic)monolayer of the plasma membrane are likewise unable to diffuse between the two domains;lipids in the inner(cytoplasmic)monolayer,however,are able to do so.膜域（膜域（membrane domains)45.