细胞质膜

(共63张PPT)
细胞质膜
细胞质膜的结构模型
生物膜基本特征与功能
细胞表面的分化
细胞质膜的结构模型
生物膜的结构模型
膜脂——生物膜的基本组成成分
膜蛋白
一、生物膜的结构模型
质膜结构的研究简史
生物膜结构的特征
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 1935 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-蛋白质）。
JD. Robertson 1959根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm。
Singer 和Nicolson 1972 根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。
Fluid-mosaic model
生物膜结构的特征
脂双分子层是组成生物膜的基本结构；
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,
赋予生物膜的功能；
二、膜脂——生物膜的基本组成成分
膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。
脂质体—研究生物膜特性的材料
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：
①属于双亲性(amphipathic molecule)具有一个极性头和两个
非极性的尾(心磷脂除外）；
②脂肪酸碳链碳原子多为偶数,16-24C；顺式双键成30℃ 弯曲；
③在水相中,具有自组装和自封闭形成脂双层的能力.
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: 位于真核细胞膜, 极性头部为-OH基
甘油磷脂
以甘油为骨架，主要有：
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
双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG（心磷脂）
Phospholipids in Plasma Membrane
Diphosphatidylglycerol（心磷脂）
鞘磷脂
鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。
脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。
神经酰胺
糖脂
1、半乳糖脑苷脂；2、神经节苷脂；3、唾液酸
胆固醇
调节膜的流
动性，增强
膜的稳定性。
胆固醇在脂双层中的位置
脂质体（liposome）
脂质体的类型。
脂质体的应用
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。
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；
(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图
脂质体的应用
研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
脂质体中裹入DNA可用于基因转移；
在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体。
三、膜蛋白
基本类型
膜蛋白的分离提取去垢剂(detergent)
膜蛋白在膜中的位置测定
外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins )；
水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜表
面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。
脂锚定蛋白(lipid anchored proteins)。?
通过共价键与脂双层中的脂分子连接，从而
锚定在细胞质膜上。
内在（整合）膜蛋白(intrinsic/integral membrane proteins)。
与膜结合紧密，需用去垢剂
使膜崩解后才可分离。
基本类型
脂锚定蛋白
①,② 内在膜蛋白；
③,④ 脂锚定蛋白；
⑤,⑥ 外在膜蛋白。
内在膜蛋白与膜脂结合的方式
跨膜结构域与脂双层分子的
疏水核心的相互作用。?
带电荷的氨基酸残基与磷脂
分子极性头形成离子键。
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。
内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂的作用方式
去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。
离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）?
测定膜蛋白在膜中定位的实验
渗透休克
膜的流动性
膜的不对称性
细胞质膜的基本功能
生物膜基本特征与功能
一、膜的流动性
膜脂的流动性
膜蛋白的流动性
荧光漂白恢复技术
膜脂的运动方式
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(flip-flop)，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。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(flippase)。?
影响膜脂的流动性的因素
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；
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。
膜蛋白的流动性
荧光抗体免疫标记实验?
?
膜蛋白的流动性受多种因素影响:
细胞骨架与膜蛋白的连接
膜蛋白与质膜外的胞外基质成分连接
与相邻细胞质膜蛋白连接
荧光抗体免疫标记实验
荧光漂白恢复技术 (fluorescence recovery after photobleaching, 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。
二、膜的不对称性
细胞质膜各部分的名称
膜脂的不对称性
膜蛋白的不对称性
ES，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；
EF，细胞外小页断裂面（extrocytoplasmic face）；
PS，原生质表面（protoplasmic surface）；
PF，原生质小页断裂面（protoplasmic face） 。
膜脂的不对称性
膜脂
同一种膜脂在脂双层中分布不均。
糖脂的不对称性
糖脂仅存在于质膜以及内膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础。
SM：鞘磷脂；PC磷脂酰胆碱；PS磷脂酰丝氨酸；
PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇
膜蛋白的不对称性
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 ：
与膜相关的酶促反生膜的某一侧;
蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；
糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面；
细胞质膜的功能
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;?
质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
细胞表面的分化
细胞外被
膜骨架
质膜的特化结构
一、细胞外被
动物细胞表面富含糖类的结构，也称为糖萼。用钌红染色后，在电镜下可显示厚约10~20nm的结构。
作用：保护、通信、并与细胞表面抗原性有关。
红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，但末端糖基不同。
A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖； B型血为半乳糖；
O型血则缺少这两种糖基。
二、膜骨架
膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。
作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。
红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（blood ghost）。
经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：
血影蛋白：由结构相似的α链、β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）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。
带3蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO 3 －进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。
血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，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。
红细胞膜骨架的构成：
血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13~15单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：
通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；
通过锚蛋白与带3蛋白相连。
这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。
肌动蛋白
三、质膜的特化结构
如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛，结构细微，只能在电镜下观察到。
（一）微绒毛microvilli
是细胞表面伸出的细长突起，直径约为0.1μm 。
内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。
作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。
小鼠小肠上皮细胞的冰冻断裂电镜照片
M为线粒体，MV为微绒毛
SEM image of alveolar (Lung) macrophage attacking E. coli. (Show ruffle on the cell surface)
（二）皱褶（ruffle）
细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia ）。巨噬细胞表面的皱褶与吞噬颗粒物质有关。
（三）内褶
内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。
（四） 纤毛和鞭毛
是细胞表面的运动装置，结构相似。都来源于中心粒，其详细结构和功能可参见细胞骨架一章。
cilia & flagella
Human sperm
Thanks!