《细胞生物学》细胞膜2017-PPT文档.ppt
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1、包围在细胞质表面的一层界膜,使得细胞质与外界环境相隔开,由脂双层构成基本结构.,细胞膜( cell membrane ),几个膜的基本概念,内膜系统(endo-membrane system),真核细胞内 在结构、功能和发生上相互关联的膜结构总称。如核膜,内质网,高尔基复合体,溶酶体等,几个膜的基本概念,细胞膜和细胞内的膜结构在化学组成、结构和功能等方面具有相似性,总称为生物膜。,生物膜(biomembrane),几个膜的基本概念,生物膜有共同结构特征,在透射电镜下表现为“二暗夹一明”的三层结构,又称单位膜(unit membrane),糖类,水、无机盐、金属离子,一、细胞膜的化学组成,膜蛋白
2、 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,以鞘胺醇为骨架,与一条脂肪酸链组成疏水尾部,亲水头部为磷酸化胆碱。 结构特征:双亲性分子。,鞘磷脂,胆碱,磷酸,脂肪酸链,H,H,两类磷脂的特性:,具有亲水头部和疏水的尾部,在水中会自发排列。,极性头部,平面甾环结构,非极性尾部,胆固醇(cholesterol),胆固醇(cholesterol),分布于磷脂分子之间,其极性头部紧靠 磷脂极性头部。,作用: 提高脂双层的力学稳定性,调节脂双层流动性,降低水溶性物质的通透性。,由脂类和寡糖组成,是含一个或几个糖基的类脂。结构与鞘磷脂相似,属于鞘胺醇的衍生
3、物。,糖脂(glycolipid),例如:糖脑苷脂、 神经节苷脂。,葡萄糖脑苷脂,鞘磷脂,半乳糖脑苷脂, GM1神经节苷脂,糖脂作用:存在于膜的非胞质面单层,糖基暴露于细胞表面,可作为受体参与细胞识别及信号转导的过程。,膜脂种类及其特点:,甘油磷脂,鞘磷脂,糖脂,胆固醇,具有亲水头部和疏水的尾部,是膜功能的主要体现者;,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,分为: 内在蛋白 外周蛋白 脂锚定蛋白,一、细胞膜的化学组成,嵌入脂双层的内部,与膜结合非常紧密。,内在蛋白(intrinsic protein),水溶性,通过静电、离子键、氢键等与膜作用分布在细胞
4、膜的表面。,外周蛋白(extrinsic protein),通过与之共价相连的脂分子(脂肪酸或糖脂)插入膜的脂双分子层中,从而锚定在膜上。,脂锚定蛋白(lipid anchored protein),膜蛋白结合方式:,膜蛋白的主要功能:,物质转运,细胞连接,信号转导,酶,真核细胞的表面均含有糖类,以各种形式连接于膜蛋白和膜脂分子上。这些糖类均位于细胞的非胞质面一侧,从而在细胞表面形成细胞外被。,膜糖,Membrane carbohydrates,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,构成寡糖链 主要的7种单糖,葡萄糖,半乳糖,甘露
5、糖,岩藻糖,膜糖存在的形式:,共价结合于膜蛋白分子上形成糖蛋白。,共价结合于膜脂分子上形成糖脂。,保护细胞表面, 参与细胞识别和黏着、信息传递。,膜糖,Membrane carbohydrates,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,1、片层结构模型Lamella structure model,2、单位膜模型Unit membrane model,3、液态镶嵌模型Fluid mosaic model,二、细胞膜的分子结构模型,1935年Danielli &Davson: “蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。1959年提出了修
6、正模型:贯穿脂双层的蛋白质通道,供亲水物质通过。,二、细胞膜的分子结构模型,1.片层结构模型:,电镜下显示暗-明-暗三层结构,称为“单位膜”。,二、细胞膜的分子结构模型,2.单位膜模型:,所有的生物膜都有相似的结构。,二、细胞膜的分子结构模型,2.单位膜模型:,S. J. Singer & G. Nicolson 1972年根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果,在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。,二、细胞膜的分子结构模型,3.液态镶嵌膜模型:,流动的脂质双分子层构成膜的骨架;,膜蛋白镶嵌或附在脂质双分子层中;,糖分子分布于膜外表面。,二、细胞膜的分子结构模型,3.液态镶嵌膜模型
7、:,晶格镶嵌模型:脂蛋白和其周围的脂类分子构成膜的晶态部分(晶格),具有流动性的脂类呈小片的点状分布。,板块镶嵌模型:生物膜是由同时存在的不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。即处于有序结构的“板块”无序结构的“板块” 连续的动态平衡之中。,3.液态镶嵌膜模型:,对膜流动性分子基础进行了补充,二、细胞膜的分子结构模型,1. 膜的不对称性(asymmetry) 2. 膜的流动性(fluidity),三、细胞膜的特性,细胞膜的外叶,细胞膜的内叶,1. 不对称性 (asymmetry),三、细胞膜的特性,脂质双分子层中,各层所含的磷脂种类有明显不同。同一种脂分子在脂双层中也呈不均匀分布。,磷脂酰胆碱,
8、1. 不对称性 (asymmetry),三、细胞膜的特性,总磷脂,鞘磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,人红细胞膜,1. 不对称性 (asymmetry),三、细胞膜的特性,膜蛋白在脂双层各层中分布不均匀, 具有特定的方向性和分布的区域性。,1. 不对称性 (asymmetry),三、细胞膜的特性,糖脂和糖蛋白中的糖链均分布在细胞膜的表面。,1. 不对称性 (asymmetry),三、细胞膜的特性,膜蛋白的分离,去垢剂 是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子, 它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时,可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用,取代膜脂,极性端指向水中, 形成溶于水的
9、去垢剂-膜蛋白复合物, 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀,十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂,它不仅可使细胞膜崩溃,并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离,而且还破坏膜蛋白内部的非共价键,使蛋白变性,所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。 Triton X-100是温和性去垢剂,它可以使膜脂溶解,又不使蛋白变性,可分离到有生物功能的膜蛋白。,去垢剂可分为离子型和非离子型两种。,1 膜脂的运动, 沿膜平面的侧向运动 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,四、质膜的流动性,影响膜流动的因素,胆固醇:胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。 脂肪酸链的饱和度:脂肪酸链所
10、含双键越多越不饱和,使膜流动性增加。 脂肪酸链的链长:长链脂肪酸相变温度高,膜流动性降低。 其他因素:温度、酸碱度、离子强度等。,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制,破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。,2膜蛋白的流动,Experiment demonstrating the mixing of plasma membrane proteins on mouse-human hybrid cells. The mouse and human
11、 proteins are initially confined to their own halves of the newly formed heterocaryon plasma membrane, but they intermix with time. The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein is green whereas rhodamine is red. (Based on obs
12、ervations of L.D. Frye and M. Edidin, J. Cell Sci. 7:319-335),细胞融合技术:人、鼠细胞融合实验观察蛋白质运动,光脱色恢复技术(FRAP),翻转运动,侧向扩散运动,膜脂运动,膜脂处于液晶态,液晶态晶态,相变、相变温度,2. 流动性性 ( fluidity ),三、细胞膜的特性,旋转运动,伸缩震荡运动,膜脂运动,旋转异构,2. 流动性性 ( fluidity ),三、细胞膜的特性,1.侧向扩散,2.旋转扩散,膜蛋白的运动性,被动扩散:受到膜脂的作用,代谢驱使的运动:受细胞骨架的作用,2. 流动性性 ( fluidity ),三、细胞膜的
13、特性,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,2. 流动性性 ( fluidity ),三、细胞膜的特性,光脱色荧光恢复技术检测膜流动性,荧光标记膜表面蛋白,2. 流动性性 ( fluidity ),三、细胞膜的特性,1.脂肪酸链长度和不饱和度,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,1.脂肪酸链长度和不饱和度,2.胆固醇,3.卵磷脂与鞘磷脂比例,卵磷脂的脂肪酸不饱和度高 鞘磷脂不饱和度低,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,4.膜蛋白的影响,5.温度的影响,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,细胞膜(II),医学细胞生物学,细胞膜上负责转运物质的特定的膜蛋白。主要有两类:载体蛋白
14、和通道蛋白。,载体蛋白即可介导被动运输,也可介导主 动运输。 通道蛋白只能介导被动运输。,膜转运蛋白(membrane transport protein),载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器。,载体蛋白(carrier protein): 与特定的溶质结合,改变蛋白本身构象,使溶质穿越细胞膜的膜转运蛋白。,膜转运蛋白(membrane transport protein),通道蛋白(channel protein): 跨膜蛋白,多次跨膜形成亲水性通道,贯穿脂双层,当孔开放时特定的溶质可以经过通道穿透细胞膜。,膜转运蛋白(membrane transport protein),膜转运蛋白(me
15、mbrane transport protein),概念:是通过简单扩散或易化(协助)扩散实现 物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运转。 特点:无代谢能量消耗 运输方向: 由高浓度向低浓度 类型:简单扩散(simple diffusion) 协助扩散(facilitated diffusion) 离子通道扩散,被 动 运 输 passive transport,简单扩散(simple diffusion),特点: 沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散; 不需要提供能量; 没有膜蛋白的协助。,被 动 运 输 passive transport,也称促进扩散,是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助下顺浓度梯度
16、(或电化学梯度)的跨膜运输。,易化扩散(facilitatied diffusion),被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导的易化扩散,通道蛋白介导的易化扩散,亲水物质:糖,氨基酸,核苷酸,等,专一的载体蛋白,利用浓度差,无需消耗代谢能,转运速率高,特点:,易化扩散(facilitatied diffusion),被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导,红细胞膜上的葡萄糖转运蛋白,溶质:葡萄糖,易化扩散(facilitatied diffusion),被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导,有些通道蛋白长期开放,有
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