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05 细胞质膜与细胞外被1.1.ppt

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本课件讲解质膜的化学组成与分子结构:先讲膜脂、膜蛋白与膜糖三类组分,再沿 Overton、Gorter、Danielli 到 Robertson 梳理质膜结构研究历史,最后阐述流动镶嵌模型的流动性与不对称性特征及质膜功能。

第四章第一讲封面,标示本讲内容为质膜的化学组成与质膜的分子结构
概念页,指出质膜是细胞与周围环境及细胞间进行物质交换和信息传递的可调控动态屏障
概念页,说明围绕细胞器的内膜与质膜统称生物膜,是能量转换与物质运输等活动的结构基础
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第1页:第四章 细胞质膜与细胞表面(1)

Chapter 4-1 Plasma Membrane and Cell Surface:本讲介绍细胞质膜的化学组成与分子结构。

第2页:质膜与细胞表面

细胞膜(cell membrane)
又称质膜,是细胞与周围环境以及细胞与细胞之间进行物质交换和信息传递的重要通道(一道可调控的动态屏障)。

第3页:生物膜与内膜系统

生物膜(biomembrane)
围绕各种细胞器的膜称为细胞内膜;质膜和内膜在起源、结构和化学组成等方面具有相似性,故总称生物膜。

生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础,能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有着密切的关系。

第4页:第四章内容框架

第四章 细胞质膜与细胞表面:

  • 第一节 质膜的化学组成
  • 第二节 质膜的分子结构
  • 第三节 细胞之间的连接结构
  • 第四节 细胞表面的特化结构
  • 第五节 细胞外被与细胞外基质

第5页:膜的化学组成与比例

各种膜所含的蛋白质与脂类的比例大小同膜的功能有关(膜的功能主要由蛋白质承担):机能活动较旺盛的膜,蛋白质含量就高。

  • 脂类:约占膜干重的 30~70%
  • 蛋白质:约占膜干重的 20~70%
  • 碳水化合物:约占膜干重的 10%

源文件该页仅给出“脂类 30~70%”“蛋白质 20~70%”的宽泛区间,且未明确标示区间与组分的对应顺序;不同教材常引用“蛋白质约 50%、脂质约 40~50%、糖类 1~10%”的参考值。此处保留源文件表述,引用时请以所用教材为准。

第6页:膜脂的种类

一、膜脂:脂质构成了膜的结构骨架,约占膜重的 50%。

  • 磷脂:卵磷脂、脑磷脂(cephalin)、鞘脂(带有一个氨基)
  • 糖脂(结合有寡糖链)
  • 胆固醇:占总膜脂的约 5% 以上

第7页:三类膜脂的分子结构

图示三类膜脂的分子结构:含磷酸质脂(磷脂)、含糖质脂(糖脂)与胆固醇。

第8页:脂质体

脂质体
是一种人工膜:在水中磷脂分子亲水头部插入水中、疏水尾部伸向空气,搅动后形成双层脂分子的球形脂质体,直径 25~1000 nm 不等。

脂质体可用于转基因,或制备药物,利用脂质体可以和细胞膜融合的特点,将药物送入细胞内部。

第9页:脂质体结构图

图示脂质体的球形双层结构,其内部空腔可包裹药物或核酸分子。

第10页:膜脂分子的特性

膜脂分子的特性:

  1. 1. 为双性分子:具有 1 个极性头部和 2 条疏水性碳氢尾;绝大多数脂类在水溶液中可自然形成脂双层结构
  2. 3. 脂双层的不对称性:组成两个脂单层的脂分子极为不同
  3. 4. 普遍有糖脂(质膜外表面):质膜脂双层分子的不对称分布

第11页:膜脂不对称性与疾病

膜脂双层不对称性的维持有着重要的生理意义!有一些疾病在膜脂双层的不对称方面有所反映,存在质膜脂双层不对称性发生紊乱的现象,如镰刀状贫血病、糖尿病红细胞、未分化肿瘤细胞等疾病。

膜脂双层要靠脂分子的不断动态变化来维持这种脂双层的不对称性。

第12页:膜蛋白的功能地位

膜脂构成了膜的基本框架,但膜的许多功能是由膜蛋白来执行的——蛋白质是构成膜的另一种主要成分。

第13页:膜蛋白的两种存在形式

膜蛋白的两种存在形式:

  • 整合蛋白:镶嵌于脂双层中(部分或全部嵌入)
  • 周边蛋白:附着于膜的内外表面

第14页:跨膜蛋白的α-螺旋构象

跨膜蛋白,有的是一次穿膜,有的是多次穿膜,其穿膜部分的肽链大都以 α-螺旋构象存在。

第15页:整合蛋白的糖基化

3. 整合蛋白的糖基化:大多数整合蛋白在质膜外表面结合有寡糖链——形成糖蛋白(glycoprotein)。

第16页:膜蛋白按功能的分类

4. 膜蛋白的种类(有的膜蛋白兼具两种功能):

  1. (1)运输蛋白
  2. (2)受体蛋白
  3. (3)酶
  4. (4)连接蛋白

第17页:膜糖与细胞外被

三、膜糖:主要为寡糖,以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共价形成糖脂和糖蛋白,构成细胞外被。

第18页:细胞外被的分子结构

细胞外被的分子结构图解:

  • 胞外面:糖蛋白的寡糖链、糖脂的寡糖链
  • 胞质面:磷脂、肽链
  • 糖基连接于糖蛋白与糖脂的寡糖链上

第19页:质膜的化学组成小结

第一节 质膜的化学组成小结:

  • 膜脂:磷脂(卵磷脂、脑磷脂、鞘脂)、糖脂(结合有寡糖链)、胆固醇
  • 膜蛋白:运输蛋白、受体蛋白、酶、连接蛋白
  • 膜糖:糖脂、糖蛋白

第20页:质膜结构研究历史(一)

第二节 质膜的分子结构。一、质膜结构研究历史:

  1. 1. E. Overton 1895:发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜,而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜,因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。

第21页:质膜结构研究历史(二)

  1. 2. E. Gorter & F. Grendel 1925:用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分,将其铺展在水面,测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积,因而推测细胞膜由双层脂分子组成。
  2. 3. 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,推测膜中含有蛋白质,从而提出了“蛋白质—脂类—蛋白质”的三明治模型;1959年在上述基础上提出修正模型,认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道,供亲水物质通过。

第22页:单位膜模型

4. J. D. Robertson 1959:用超薄切片技术获得了清晰的红细胞细胞膜照片,显示暗—明—暗三层结构,厚约 7.5 nm;这就是所谓的“单位膜”模型。

第23页:

第24页:流动镶嵌模型的提出

认为:构成膜的蛋白质和脂类分子具有镶嵌关系,膜蛋白分布不对称,而且膜的结构处于流动变化之中(该模型荣获 1972 年诺贝尔奖)。

第25页:

第26页:

第27页:红细胞膜骨架蛋白——血影蛋白

周边蛋白与膜的结合比较疏松,用温和的方法即可将其分离下来。在人的红细胞内表面有一种红细胞膜蛋白——血影蛋白。

第28页:周边蛋白的附着方式

膜蛋白有的则附着在其它膜蛋白上:附着膜蛋白与周边蛋白相互作用,构成膜表面的蛋白网络。

第29页:膜的镶嵌性与流动性

无论是整合蛋白还是周边蛋白,至少有一端露出膜表面,没有完全埋在膜内部的蛋白质分子。除了强调脂类分子与蛋白质分子的镶嵌关系外,还强调了膜的流动性——主张膜总是处于流动变化之中。

第30页:膜脂分子的运动方式

二、质膜流动镶嵌模型(二)膜的流动性质:膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。

  • 1.膜脂分子的运动:侧向扩散运动、旋转运动、摆动运动、伸缩震荡运动、翻转运动(异构化运动)

第31页:影响膜脂流动性的因素

影响膜脂分子流动性的因素:

  • ① 脂肪酸链的不饱和程度(不饱和脂肪酸越多,流动性越大)
  • ② 脂肪酸链的长度(脂肪酸链短,相变温度低,流动性大)
  • ⑤ 膜蛋白的影响(结合蛋白质,影响其流动性)

此外还有膜脂的极性基团、环境温度、离子强度、金属离子等因素。

第32页:膜蛋白的分子运动

2.膜蛋白的分子运动:主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式,可用细胞融合技术检测侧向扩散。

1970年 Larry Frye 等人将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后,让两种细胞融合,观察到两种荧光逐渐混合,证明膜蛋白可以侧向扩散。

第33页:第二节 质膜的分子结构

第二节 质膜的分子结构:本节包括膜的流动性及其证据、膜蛋白运动的制约因素、质膜的不对称性以及质膜的功能。

第34页:膜蛋白运动性的制约因素

膜蛋白的运动性的制约因素:

  1. ① 周围膜脂的性质和相态:处于晶态脂质之滞流区中的膜蛋白不易运动;处于液态脂质区的膜蛋白则易于发生运动
  2. ② 质膜相关结构的作用:膜蛋白在膜中的运动并不是随脂质随机漂流,它还要受膜相关结构的制约

第35页:光脱色恢复技术与成斑成帽反应

光脱色恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)可以研究膜蛋白,也可以研究膜脂的流动性。后来有许多实验结果支持了膜具有流动性的观点,如淋巴细胞的成斑反应和成帽反应。

膜的流动性不是质膜所独有的属性,细胞内的各种膜,如内质网膜、线粒体膜等也都具有流动性。

第36页:

第37页:膜流动性的生理意义

膜流动性的生理意义:质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化、激素的作用等等,都与膜的流动性密切相关。

第38页:质膜的不对称性

二、质膜流动镶嵌模型(三)质膜的不对称性:质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异,称为膜的不对称性。

第39页:膜脂的不对称分布

脂双分子层的内外两层是不对称的:在人 RBC 质膜中,卵磷脂(lecithin,磷脂酰胆碱)和鞘磷脂(sphingomyelin)存在于脂双层的外单层;而含氨基的脂类(如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸)则主要存在于质膜脂双层的内单层。

第40页:膜脂与膜蛋白的不对称性

(三)质膜的不对称性:

  1. 1. 膜脂的不对称:质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例不同;某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能(如线粒体内膜的细胞色素氧化酶,需要心磷脂存在才具活性);膜脂的不对称性还表现为膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏
  2. 2. 膜蛋白的不对称性:膜蛋白分子在细胞膜上具有明确的方向性和分布的区域性,各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域

第41页:膜糖的不对称性

(三)质膜的不对称性 3. 膜糖的不对称:无论在任何情况下,糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面,这些成分可能是细胞表面受体,并且与细胞的抗原性有关。

第42页:生物膜的三大特征

生物膜的三大特征:1. 流动性 2. 镶嵌性 3. 不对称性。

  • ① 镶嵌性:膜的基本结构是由脂双分子层镶嵌以蛋白质构成;双层脂分子以疏水尾相对、极性头朝向膜外水相,蛋白质则以不同程度镶嵌在脂双层中
  • ② 流动性:构成膜的蛋白质分子和脂类分子在膜中的位置不断发生变化,脂类分子可发生侧向流动和倒翻等变化,蛋白质分子在膜中的位置亦可发生变动
  • ③ 不对称性:膜脂、膜蛋白与膜糖在膜内外两层分布不均

第43页:生物膜三大特征(复)

生物膜的三大特征:1. 流动性 2. 镶嵌性 3. 不对称性。

第44页:质膜的功能

三、质膜的功能:

  • 选择性的物质运输
  • 提供相对稳定的内环境
  • 提供细胞识别位点
  • 为多种酶提供结合位点
  • 介导细胞的连接
  • 参与形成细胞表面特化结构

第45页:质膜的分子结构小结

第二节 质膜的分子结构小结:

  • 一、质膜结构研究历史
  • 二、流动镶嵌模型
  • 三、膜的功能
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