2022年医学专题—第四章-细胞质膜.ppt

第四章 细胞质膜,第一页，共八十三页。,本章(bn zhn)内容提要,细胞质膜的结构模型 生物膜的基本(jbn)结构与功能 膜骨架,第二页，共八十三页。,本章(bn zhn)教学目的与要求,1、了解生物膜的化学组成；2、掌握生物膜的结构模型、基本特征及其功能；3、理解(lji)膜骨架的概念。,第三页，共八十三页。,细胞质膜（plasma membrane）又称质膜，曾称细胞膜（cell membrane)，是围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。在细胞内部包绕各种细胞器的膜，称为(chn wi)细胞内膜。质膜和细胞内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。,基本概念,第四页，共八十三页。,质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用(zuyng)外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。质膜的功能：细胞结构完整、内环境稳定及细胞与环 境之间的物质、能量交换和信息传递。,第五页，共八十三页。,PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES,第六页，共八十三页。,细胞表面(biomin)是复合的结构体系与多功能的体系，细胞膜是细胞表面(biomin)的核心结构。,第七页，共八十三页。,1895年，E.Overton 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物(zhw)的细胞质膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞质膜，因此推测质膜由连续脂类物质组成。,第一节 细胞质膜的结构(jigu)模型,一、生物膜的结构(jigu)模型,第八页，共八十三页。,2.1925年，E.Gorter（戈顿）&F.Grendel（格伦德尔）用有机溶剂提取了人的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，因而推测细胞质膜由双层脂分子(fnz)组成。,第九页，共八十三页。,第十页，共八十三页。,3、1935年，J.Danielli&H.Davson 发现(fxin)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。提出蛋白质脂质蛋白质的三明治式的质膜模型（三夹板模型）。,第十一页，共八十三页。,第十二页，共八十三页。,4、1959年，J.D.Robertson（罗伯逊）用超薄切片技术 获得了清晰的细胞膜照片，显示出暗-明-暗三层结构，研究表明：它由厚约3.5nm的双层脂分子（明带）和内 外表面各厚约2nm的蛋白质构成(暗带总厚约7.5nm）。当时认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水 物质过，由此发展了三明治模型，提出(t ch)了蛋白质脂质 蛋白质的单位膜模型（unit menbrane model）。,第十三页，共八十三页。,该模型认为“两暗夹一明”三层结构中的蛋白质层并非是球形蛋白质(因为球形蛋白质的直径2nm),而是由单层肽链的折叠形式的蛋白质,通过静电作用与磷酸极性端相结合。该模型提出各种生物膜在形态上的共性,但无法说明膜的动态结构变化及功能特性的多样化,但该模型提出的单位膜的概念一直沿用至今。后来，这一模型得到X射线衍射分析和电镜观察结果的进一步支持(zhch)。而冷冻蚀刻技术显示了双层脂质中蛋白质颗粒的存在，免疫荧光标记技术等证明了该蛋白质的流动性。,第十四页，共八十三页。,第十五页，共八十三页。,第十六页，共八十三页。,5、1972年，S.J.Singer（辛格）&G.Nicolson（尼科尔森）根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型(mxng)”。强调了膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。,第十七页，共八十三页。,流动(lidng)镶嵌模型,根据Fluid-mosaic model：细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部(nib)，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。,第十八页，共八十三页。,第十九页，共八十三页。,该模型的主要论点是:1）流动的脂双层构成膜的连续主体,球形的膜蛋白质 以各种镶嵌(xingqin)形式与脂双分子层相结合。2）构成膜的脂双层具有液晶态的特性,它既有晶体的分 子排列的有序性,又有液体的流动性。该模型的突出特点是：1）强调了膜的流动性：即膜蛋白和膜脂均可侧向运动；2）强调了膜组分分布的不对称性：即膜蛋白有的镶在 表面、有的嵌入、有的横跨脂双分子层。该模型的不足之处：1）忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的限制作用；2）忽视了膜各部分流动性的不均匀性等,从而使人们 又提出了一些新的模型。,第二十页，共八十三页。,流动镶嵌模型的充实(chngsh)和完善,液晶态模型；板块(bn kui)镶嵌模型；脂筏模型。,第二十一页，共八十三页。,1975年：液晶态模型(mxng),第二十二页，共八十三页。,该模型认为细胞膜所以具有流动性是由于脂类可逆地进行(jnxng)无序(液态)和有序(晶态)的相变过程；镶嵌蛋白对脂类分子的运动有控制作用,可使其周围的脂质分子形成界面脂,而不发生单独活动,两者相互作用共同构成膜中晶态部份。远离的脂质构成流动的液态，但该脂质是局部的,仅是小片的点状分布。,第二十三页，共八十三页。,1977年：板块(bn kui)镶嵌模型,第二十四页，共八十三页。,该模型强调整个生物膜是由不同组织结构、不同大小、不同性质、不同流动性的可移动的膜块所组成，这些彼此独立移动的脂质区(有序的“板块”)之间被流动的脂质“板块”(无序的)所分割,两种“板块”之间可能存在一种连续的动态平衡,因而细胞膜实际上是同时存在有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构；这种结构使细胞膜的各部分的流动性处于不均一状态,并可随生理状态和环境条件的变化而发生晶态和非晶态的相变化。这种板块镶嵌模型有利于说明膜功能(gngnng)的多样性及调节机制的复杂性。,第二十五页，共八十三页。,1997：脂筏模型(mxng)（lipid rafts model）,1997年，K.Simons（西蒙斯）等人提出富含胆固醇和 鞘磷脂的微结构域(microdomain），该结构域约70nm 左右，是一种动态结构，位于以甘油磷脂为主体的生物 膜中；该微结构域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样，载着执行某些(mu xi)特定生物学功能的各种膜蛋白他们就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白 质分选、跨膜物质运输等均有密切的关系。,第二十六页，共八十三页。,Mechanisms of raft clustering.(a)Rafts(red)are small at the plasma membrane,containing only a subset of proteins.(b)Raft size is increased by clustering,leading to a new mixture of molecules.This clustering can be triggered in different way.,第二十七页，共八十三页。,生物膜结构(jigu)示意图,第二十八页，共八十三页。,生物膜结构(jigu)示意图,第二十九页，共八十三页。,生 物 膜 结 构 特 征,1、具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，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；膜的流动性是生物膜的基本特征之一,是细胞进行生命活动的必要条件；2、蛋白质以不同的方式镶嵌在磷脂双分子层中或结合在表面，表现出分布的不对称性。膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；膜蛋白的类型、不对称分布及其与膜脂的协同作用赋予生物膜各自的特性和功能；3、生物膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成，是双脂层中嵌有蛋白质的二维溶液(rngy)。而膜蛋白与膜脂、膜蛋白与膜蛋白及其与膜两侧其他大分子的复杂作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性，同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏等结构。,第三十页，共八十三页。,二、膜脂生物膜的基本(jbn)组成成分,（一）成分：主要包括(boku)磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。,1、磷脂（phospholipid)：膜脂的基本成分（50以上）；分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂，其中甘油磷脂又包括：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂）和磷脂酰肌醇等，磷脂的主要特征：具有一个极性头部和两个非极性尾部(wi b)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16,18或20个组成；含有饱和脂肪酸(如软脂酸)和不饱和脂肪酸(如油酸)；,第三十一页，共八十三页。,甘油(n yu)磷脂,以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链一个磷酸(ln sun)基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子靠磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，旧称心磷脂,第三十二页，共八十三页。,1）分子形式：不同(b tn)形成的X基团形成不同(b tn)的磷脂：,磷脂酸,磷脂(ln zh)酰乙醇胺,磷脂(ln zh)酰丝氨酸,磷脂酰胆碱,磷脂酰甘油,磷脂酰肌醇,第三十三页，共八十三页。,2）分子结构(fn z ji u),第三十四页，共八十三页。,Phospholipids in plasmamembranes,磷脂(ln zh)酰乙醇胺、磷脂(ln zh)酰丝氨酸、磷脂(ln zh)酰胆碱、磷脂(ln zh)酰肌醇,第三十五页，共八十三页。,Phospholipids,第三十六页，共八十三页。,鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条(y tio)脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。,第三十七页，共八十三页。,2、糖脂,糖脂大多(ddu)分布在膜的外表面，不分布在膜的内表面。分子形式：由一个或多个糖残基、鞘氨醇（骨干）和两个 脂肪酸链组成。,第三十八页，共八十三页。,glycolipids,第三十九页，共八十三页。,糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含(bohn)一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。功 能：糖脂与细胞的抗原结构、受体、细胞免疫、细胞识别以及细胞癌变有着密切关系。,第四十页，共八十三页。,Glycolipids,第四十一页，共八十三页。,3、胆固醇,主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能(gngnng)是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。,在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变(tbin)细胞株很快发生自溶。,第四十二页，共八十三页。,沿膜平面的侧向运动,其扩散系数为10-8cm2/s；是膜的基本运动方式，具有(jyu)重要的生物学功能；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