1、PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要第一節(jié) 質(zhì)膜的化學組成一、膜脂二、膜蛋白第二節(jié) 質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型三、細胞膜的功能第三節(jié) 細胞表面的分化一、細胞外被二、膜骨架三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu) 質(zhì)膜質(zhì)膜（plasma membrane）又稱細胞膜。 內(nèi)膜：內(nèi)膜：形成各種細胞器的膜。 生物膜生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。 細胞外被：細胞外被：也叫糖萼，由質(zhì)膜表面寡糖鏈形成。 膜骨架：膜骨架：質(zhì)膜下起支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 細胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細胞表面細胞表面。第一節(jié) 質(zhì)

2、膜的化學組成 主要由膜脂膜脂和膜蛋白膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。 動物細胞膜通常含等量的脂類和蛋白質(zhì)。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂磷脂、糖脂和膽固醇膽固醇三類。（一）磷脂（一）磷脂約占膜脂的50以上。主要特征主要特征：一個極性頭、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個碳原子。1. 常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。Phospholipids1、甘油磷脂、甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂

3、酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG（心磷脂）Phospholipids in Plasma MembraneOPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCO COR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPIDi

4、phosphatidylglycerolOCHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR32、鞘磷脂 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富，原核和植物細胞膜中不含。（二）糖脂（二）糖脂約占5以下，神經(jīng)細胞膜含量高，約占5-10。兩性分子兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。glycolipidsGlycolipids （三）膽固醇（三）膽固醇 存在真核細胞存在真核細胞膜上

5、，含量約膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少。 功能是提高膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發(fā)生自溶。 （四）脂質(zhì)體（四）脂質(zhì)體（liposome） 是一種人工膜。在水中攪動后形成雙層或單層脂分子球體，直徑251000nm。 人工脂質(zhì)體可用于： 轉(zhuǎn)基因 制備的藥物1.研究生物膜的特性二、膜蛋白 占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。 根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為： 整合蛋白（integral protein） 外周蛋白（peripheral protein） 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。 整合蛋白為跨膜蛋白（

6、transmembrane proteins），兩性分子?？缒そY(jié)構(gòu)域為1至多個疏水的螺旋。與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10OHH3C(CH2)11OSO3Na+離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100 外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結(jié)合，只要改變?nèi)芤旱碾x子強度、提高溫度就可以從膜上分離下來。 一個蛋白可以由多個亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。 脂錨定蛋白分為兩類： 糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細胞，能釋放出結(jié)合蛋白。許多細胞表

7、面的受體、酶、細胞粘附分子和PrPC都是這類蛋白。 另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳氫鏈結(jié)合。 , integral protein；, lipid-anchored protein ；, peripheral protein第二節(jié) 質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史 E. Overton 1895 推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。 E. Gorter 等 1925 推測細胞膜由雙層脂分子組成。3、J. Danielli & H. Davson 1935 發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。 4、JD. Robertson 1957根據(jù)電鏡觀察

8、提出單位膜模型。厚約7.5nm。5、Singer 和Nicolson 1972 根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。 Fluid-mosaic model二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型細胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。（一）質(zhì)膜的流動性（一）質(zhì)膜的流動性膜脂和蛋白質(zhì)的分子運動組成。1、膜脂分子的運動、膜脂分子的運動側(cè)向擴散運動；旋轉(zhuǎn)運動；擺動運動伸縮震蕩運動；翻轉(zhuǎn)運動；旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動。2、影響膜脂流動性的因素 膽固

9、醇 脂肪酸鏈的飽和度 脂肪酸鏈的鏈長 卵磷脂/鞘磷脂 其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。3、膜蛋白的分子運動 側(cè)向擴散側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。 檢測：光脫色恢復技術(shù)和細胞融合技術(shù)光脫色恢復技術(shù)和細胞融合技術(shù)。 4、膜流動性的生理意義、膜流動性的生理意義 當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。利用細胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動 （二）膜的不對稱性（二）膜的不對稱性 膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對稱性。 樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，各斷面命名為：ES，細胞，細胞外表面外表面；EF細胞外小頁斷裂面；PS，原生質(zhì)表面，原生質(zhì)表

10、面；PF，原生質(zhì)小頁斷面，原生質(zhì)小頁斷面。 兔紅細胞的冰凍斷裂電鏡照片 1膜脂的不對稱性膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。 2復合糖的不對稱性復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。 3膜蛋白的不對稱性膜蛋白的不對稱性：如細胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。（三）脂筏lipid raft 是富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。 約70nm左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。 介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。 在低溫下這些

11、區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（DRMs）。 就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。Mosaic domain model of the plasma membraneMechanisms of raft clustering. (a) Rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only a subset of proteins. (b) Raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molec

12、ules. This clustering can be triggered in different way.三、細胞膜的功能三、細胞膜的功能保護；運輸；通信；提供酶結(jié)合位點；介導細胞連接；形成細胞表面的特化結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 細胞表面的分化 包括膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細胞的變形足等結(jié)構(gòu)。一、細胞外被 動物細胞表面富含糖類的結(jié)構(gòu)，也稱為糖萼。用釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚約1020nm的結(jié)構(gòu)，邊界不甚明確。 作用作用：保護、通信、并與細胞表面抗原性有關(guān)。 紅細胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，但末端糖基不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血

13、則缺少這兩種糖基。Simplified diagram of the cell coat (glycocalyx) 二、膜骨架二、膜骨架 質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。 主要作用：維持質(zhì)膜的形態(tài)。 模式材料：紅細胞，經(jīng)低滲處理破裂釋放出內(nèi)容物 ， 留 下 一 個 保 持 原 形 的 空 殼 ， 稱 為 血 影（ghost）。經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶三蛋白帶三蛋

14、白：陰離子載體，通過交換Cl，使HCO 3 進入紅細胞。為二聚體，每個單體跨膜12次。1.血型糖蛋白血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，功能尚不明確，與MN血型有關(guān)，與帶4.1蛋白相連。紅細胞膜骨架的構(gòu)成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋白纖維（約1315單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。通過兩個錨定點固定在質(zhì)膜下方：通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)；通過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。三、質(zhì)膜的特化結(jié)構(gòu) 如：微絨毛、褶皺、纖毛、鞭毛，結(jié)構(gòu)細微，只能在電鏡下觀察到。（一）微絨毛（一）微絨毛microvilli 是細胞表面伸出

15、的細長突起，直徑約為0.1m 。 內(nèi)芯由肌動蛋白絲束組成。肌動蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白（villin）和絲束蛋白（fimbrin）組成的橫橋相連。 微絨毛處質(zhì)膜有myosin I 構(gòu)成的側(cè)臂與肌動蛋白絲束相連。 作用：擴大了細胞的表面積，有利于細胞同外環(huán)境的物質(zhì)交換。如小腸上微絨毛，使細胞表面積擴大了30倍。小鼠小腸上皮細胞的冰凍斷裂電鏡照片小鼠小腸上皮細胞的冰凍斷裂電鏡照片M為線粒體，為線粒體，MV為微絨毛為微絨毛 SEM image of alveolar (Lung) macrophage attacking E. coli. (Show ruffle on the cell surf