细胞4,细胞膜与细胞表面.ppt

第四章: 细胞质膜,I. 细胞质膜的结构模型 II. 生物膜基本特征与功能 III. 膜骨架,1 细胞质膜的结构模型,A. 生物膜的结构模型,三明治式结构模型 单位膜模型（1959年）,流动镶嵌模型（1972年）（要点： 流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质的极性。,液晶态模型,板块镶嵌模型 脂筏模型,B 生物膜结构的基本特点,A. 基本化学组成：膜脂、膜蛋白、膜糖。 B.基本结构成分: 磷脂分子形成以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层。 C. 蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。 D. 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。,主要包括: 磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（动物细胞）,A. 膜脂,1.2 膜的化学组成,1.2 膜的化学组成与基本功能,磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%以上。,磷脂构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%以上。,有一个极性头和两个非极性尾 脂肪酸碳链为偶数 不饱和脂肪酸多为顺式,磷脂,磷脂分子自发的形成圆形双层膜结构,胆固醇:在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性方面起重要作用。,脂筏：质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的动态微结构域。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。,主要包括: 磷脂（磷酸甘油脂、鞘磷脂）、糖脂、胆固醇（动物细胞） 糖脂：不同细胞中的含量和种类不同，均具有重要的生物学功能。,A. 膜脂,膜脂的基本功能： 构成细胞膜的基本骨架。 为某些膜蛋白维持其特定的构象、表现活性提供环境。,1.2 膜的化学组成与基本功能,B. 膜蛋白,有50余种，在不同细胞中的含量差别较大，25-75%。 根据基本功能可分为：通道蛋白、连接蛋白、受体蛋白、膜蛋白酶,膜蛋白分类： 膜蛋白可通过各种形式与脂双层交联。,蛋白质与脂双层交联的方式反映其功能。,根据在膜中的位置不同，大致可分为三类。,外周(外在)蛋白：为水溶性，靠离子键或其他弱相互作用与膜表面的蛋白或脂分子结合。通过改变溶液的离子强度甚至提高温度即可从膜上分离，而膜结构不被破坏。,整合(内在)蛋白：与膜结合非常紧密，只有用除垢剂使膜崩解后才能分离出来，占绝大多数。 脂锚定蛋白：通过与之共价相连的脂分子插入膜脂双分子层，从而锚定在质膜上。,大多数膜内在蛋白的跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成螺旋。跨膜结构域两端携带+e的氨基酸残基与磷脂分子带-e的极性头形成离子键，或带-e的氨基酸残基通过离子与带+e的磷脂极性头相互作用。,Bacteriorhodopsin consists largely of membrane-spanning a helices,内在膜蛋白与膜脂结合的方式,The transmembrane helices in multipass membrane proteins occupy specific positions in the folded protein structure that are determined by interactions between the neighboring helices. These interactions are crucial for the structure and function of the many channels and transporters that move molecules across lipid bilayers.,Converting a single-chain multipass protein into a two-chain multipass protein., barrel Another structural motif common in membrane proteins,跨膜结构域一般仅有10-12个氨基酸残基。 大量存在于线粒体、叶绿体和细菌的外膜，但也仅只是在这些部位比较多。 一些是成孔蛋白，选择性转运通过小的亲水分子或离子。 一些是非孔蛋白，为受体或酶。,single-pass transmembrane proteins,A transmembrane protein always has a unique orientation in the membrane. This reflects both the asymmetric manner in which it is inserted into the lipid bilayer in the ER during its biosynthesis and the different functions of its cytosolic and noncytosolic domains. These domains are separated by the membrane-spanning segments of the polypeptide chain.,Membrane Proteins Often Function as Large Complexes,The three-dimensional structure of the photosynthetic reaction center of the bacterium Rhodopseudomonas viridis.,去垢剂,Solubilizing membrane proteins with a mild detergent. The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes. The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent.,The use of mild detergents for solubilizing, purifying, and reconstituting functional membrane protein systems.,为膜蛋白功能检测提供了方法。,C. 膜碳水化合物（占膜重量的2-10%）,共价连接于外膜的膜脂和膜蛋白.,功能：细胞与细胞的相互作用、特别是细胞识别、物质交换、接触抑制、信号转导、还有保护作用。,糖蛋白通过短的支链碳水化合物部分与其他细胞和胞外结构发生相互作用. ,糖脂 含有较大的碳水化合物链，不同细胞中所含糖脂的种类不同，动物细胞中的糖脂都是鞘氨醇的衍生物，含有一个或多个糖残基。,1.3 膜的流动性,A. 膜脂的流动性,B. 膜蛋白的流动性,沿膜平面的侧向运动 (107 times per second) 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 (less than once a month for any individual molecule) 膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，主要取决于脂分子本身的组成及温度。,膜脂是二维流体，流动性使膜具有融合、形成网络结构和分离电荷的能力。主要运动方式：,A. 膜脂的流动性,影响膜流动性的因素:,脂肪酸的长度； 脂肪酸的不饱和程度(顺式双键增加磷脂双层膜的流动性使其难于凝固)； 温度； 胆固醇的含量,微生物和动物细胞会在不同生长情况下不断调节其脂质组成以保持稳定的流动性。低温时，合成更多的不饱和脂肪酸，更少的饱和脂肪酸。,思考题： 从不同的环境中分离到两种细菌:一种是从平均温度为40的温泉中分离的， 另一种是从平均温度为4的冷水湖中分离的。问: a. 请推测两种细菌的细胞质膜中， 哪一种具有较多的不饱和脂肪酸? b. 那一种细菌质膜中的脂肪酸链较长? c. 在37哪一种细菌质膜的流动性高?,尽管有流动性，脂双层可以形成有着不同组成的区域,(A)liposomes produced from a 1:1 mixture of phosphatidylcholine and spingomyelin (B) liposomes produced from a 1:1:1 mixture of phosphatidylcholine, spingomyelin, and cholesterol.,B. 膜蛋白的流动性,细胞膜中的蛋白质也能以侧向扩散等方式运动。 主要影响因素: 膜中蛋白质与脂类的相互作用 内在蛋白与外在蛋白相互作用 膜蛋白复合体的形成 膜蛋白与细胞骨架的作用,The lateral diffusion of membrane lipids can demonstrated experimentally by a technique called Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP).,膜蛋白流动性的研究技术：,由于抗体有两个抗原结合位点，可交联相邻的膜蛋白，随着时间的延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光重新排布，聚集在细胞表面的某些部位，此为成斑现象，如聚集在细胞的一端，即为成帽现象。,由于某些膜蛋白与膜下细胞骨架相结合，或者由于细胞中某些特殊结构的限定, 以及膜蛋白与膜脂分子的相互作用，使某些膜蛋白的流动性受限。,The proteins can self-assemble into large aggregates (A); they can be tethered by interactions with assemblies of macromolecules outside (B) or inside (C) the cell; or they can interact with proteins on the surface of another cell (D).,Three domains in the plasma membrane of guinea pig sperm defined with monoclonal antibodies.,脂不对称性使内外膜具有不同的物理化学性质，有助于它们分别进行相应不同的相互作用.脂不对称性具有重要的功能,A. 膜脂的不对称性 同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。,1.4 膜的不对称性,B. 膜蛋白的不对称性,整合蛋白在脂双层中不对称分布，使膜具有明显的内外面之分。 整合蛋白在膜内也有方向性。 膜碳水化合物只分布在外膜。,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。,1.5 膜骨架,红细胞质膜蛋白及其膜骨架（具有柔韧性, 变影性, 可塑性）,血影蛋白 锚蛋白,带3蛋白 血型糖蛋白 带4.1蛋白 肌动蛋白,带3蛋白和血型糖蛋白是膜整合蛋白，在维持细胞形态上不起决定性作用，它们为膜骨架蛋白提供结合位点。 血影蛋白和肌动蛋白不是膜内在蛋白，它们在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。 膜骨架蛋白主要包括血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白和带4.1蛋白等。,又称收缩蛋白，是红细胞膜骨架的主要成份，约占膜提取蛋白的30%，属红细胞的膜下蛋白而非红细胞膜蛋白。 是一种长的、可伸缩的纤维状蛋白, 由两条相似的亚基构成。两个亚基链呈现反向平行排列, 形成异二聚体,两个异二聚体头-头连接成四聚体。5个或6个四聚体的尾端一起连接于短的肌动蛋白纤维并通过非共价键与带4.1蛋白结合,而带4.1蛋白又通过非共价键与带3蛋白结合, 形成“连接复合物”。 血影蛋白在整个细胞膜的细胞质面下面形成可变形的网架结构, 以维持红细胞的双凹圆盘形状。,血影蛋白（ spectrin）,内收蛋白(adducin) 可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并且通过Ca2+和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性，从而影响红细胞的形态。 红细胞膜的刚性和韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现。 在红细胞中还存在少量短纤维状的肌球蛋白纤维，它可能与多个肌动蛋白纤维结合并将其拉到一起，以维持红细胞的形态。,锚定蛋白一方面与血影蛋白相连,另一