医学细胞生物学 第04章细胞质膜与细胞表面.

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1、第四章第四章 细胞质膜与细胞表面细胞质膜与细胞表面细胞质膜与细胞表面特化结构细胞质膜与细胞表面特化结构 细胞连接细胞连接 细胞外被与细胞外基质细胞外被与细胞外基质 第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 细胞质膜(plasma membrane),又称细胞膜(cell membrane)。 细胞内膜(intracellular membrane); 生物膜(biomembrane) 细细胞质膜的结构模型胞质膜的结构模型 膜脂膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白膜蛋白 确定膜蛋白方向的实验程序确定膜蛋白方向的实验程序 光脱色恢复技术光脱色恢复技术 分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用分子生物学技术在膜蛋白

2、研究上的应用生物膜结构特征生物膜结构特征 细胞质膜的功能细胞质膜的功能 膜膜骨架与细胞表面的特化结构骨架与细胞表面的特化结构第二节第二节 细胞连接细胞连接 细胞连接的功能分类细胞连接的功能分类 封闭连接封闭连接 锚定连接锚定连接通讯连接通讯连接 细胞表面的粘连分子细胞表面的粘连分子 一、胞质膜的结构模型一、胞质膜的结构模型研究简史结构模型生物膜结构 结构模型结构模型 E.Gorter和FGrendel（1925）: “蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型 J.D.Robertson（1959年）： 单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicols

3、on（1972）： 生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)K.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model） Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572生物膜结构生物膜结构磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分, 尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者； 生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。 “Central dogma ” of membrane biology膜的流动性膜的流

4、动性膜脂的流动性 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 膜蛋白的流动 荧光抗体免疫标记实验 成斑现象(patching)或成帽现象(capping) 膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动， 也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是 影响膜流动性的重要因素膜的不对称性膜的不对称性细胞质膜各部分的名称细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性膜

5、脂与糖脂的不对称性 糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础膜蛋白与糖蛋白的不对称性膜蛋白与糖蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都 具有明确的方向性； 糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面(GO+GO+3 3HBHHBH4 4 labelinglabeling)； 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上 有序的各种生理功能的保证。二、膜脂生物膜的基本组成成分成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇三种类型。 膜脂的种热运动方式 脂质体（liposome）膜脂成分膜脂成分磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性

6、头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由 16,18或20个组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪 酸(如油酸)； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。运动方式运动方式沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。脂

7、质体（脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。脂质体的脂质体的类型类型。脂质体的脂质体的应用应用脂质体的类型 (a) (a)水溶液中的磷脂分子团；水溶液中的磷脂分子团；(b)(b)球形脂质体；球形脂质体；(c)(c)平面脂质体膜；平面脂质体膜；(d(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图）用于疾病治疗的脂质体的示意图脂质体的应用脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入脂质体中裹入DNADNA可用于基因转移；可用于基因转移；在临床治疗中在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体脂质体作为药物或酶等载体三

8、、膜蛋白三、膜蛋白基本基本类型类型内在膜蛋白与膜脂内在膜蛋白与膜脂结合的方式结合的方式外外在膜蛋白与膜脂结合的方式在膜蛋白与膜脂结合的方式 去垢剂去垢剂(detergent)外在外在( (外周外周) )膜蛋白膜蛋白 (extrinsic/peripheral membrane proteins )； 水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表 面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合， 易分离。 内在（整合）膜蛋白内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密， 需用去垢剂使膜崩解后才可分离。 脂质锚定

9、蛋白脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。基本类型基本类型膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 跨膜结构域两端携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。 某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结 合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂 双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。去垢剂去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性是一端亲水、另一端疏水的两性小分子小分子, ,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。是分离与研究

10、膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂离子型去垢剂(SDS)(SDS)和非离子型去垢剂和非离子型去垢剂（Triton X-100Triton X-100） SDS: CHSDS: CH3 3-(CH-(CH2 2) )1111-OSO-OSO3 3-Na-Na+ + CH3 CH3 CH3 C C CH CH2 2 C C (O-CH (O-CH2 2-CH-CH2 2) )1010- OH- OH CH3 CH3四、确定膜蛋白方向的实验程序四、确定膜蛋白方向的实验程序 胰酶消化法胰酶消化法 同位素标记法同位素标记法五、光脱色恢复技术五、光脱色恢复技术( (fluorescence recovery

11、after photobleachingfluorescence recovery after photobleaching, FRAP), FRAP) 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 程序： 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。生物膜结构的特征生物膜结构的特征膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。 膜的不对称性 膜的分相现象。七、细胞质膜的七、细胞质膜的功能功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 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