质膜及其表面结构.pptx
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1、第四章细胞质膜与细胞表面第1页/共63页1 1 概述概述 细胞质膜(plasmamembrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜(图3-1),基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定,并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外,细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。图3-1细胞质膜模式图第2页/共63页真核生物除了具有细胞表面膜外,还有胞质膜(cytoplasmicmembrane,图3-2)。图3-2细胞内主要的胞质膜第3页/共63页图3-3细胞的生物膜结构2.细胞的膜结构 膜(membrane)是细胞的重要结构,包括细胞质膜(plasmamembrane)、内膜(int
2、ernalmembrane),习惯上把细胞所有膜结构统称为生物膜(biomembrane,图3-3)。请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同第4页/共63页3.3.质膜的化学组成质膜的化学组成 脂和蛋白质是膜的主要成分,同时还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜、高尔基体膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物和原核生物)的不同而不同(表3.1)。一般而言,脂占50%,蛋白质占40%,碳水化合物约占1-10%。表3-1不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量干重的百分比干重的百分比(%)膜膜蛋白蛋白质脂脂碳水化合物碳水化合物质膜膜红细胞胞49438神
3、神经鞘鞘18793肝肝细胞胞543610核膜核膜66322高高尔基体基体642610内内质网网622710线粒体粒体外膜外膜5545痕迹量痕迹量内膜内膜7822-叶叶绿体体7030-第5页/共63页3.1 3.1 膜脂膜脂(membrane lipids)(membrane lipids)所有的膜脂都具有双亲媒性(amphipathic),即这些分子都有一个亲水末端(极性端)和一个疏水末端(非极性端)。这种性质使生物膜具有屏障作用,大多数水溶性物质不能自由通过,只允许亲脂性物质通过。膜脂的主要类型膜脂是生物膜的基本组成成分,约占膜的50%,主要有三大类:磷脂、糖脂、胆固醇。第6页/共63页 磷
4、脂磷脂(phospholipids)(phospholipids)含有磷酸基团的脂称为磷脂,是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。它有一个极性的头部和一个疏水的尾部(图3-12)。脂肪酸碳链为偶数,16,18或20个碳原子。常含有不饱和脂肪酸(如油酸)。图3-12磷脂酰乙醇胺的分子结构第7页/共63页1、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Di
5、phosphatidylglycerol,DPG(心磷脂)第8页/共63页PhospholipidsinPlasmaMembrane第9页/共63页2、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。第10页/共63页 膜的碳水化合物膜的碳水化合物(membrane carbohydrates)(membrane carbohydrates)膜中的碳水化合物约占膜重量的110%,糖含量的多少依细胞的不同而不同。细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面,内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖的种类膜糖
6、的种类 自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种,而在动物细胞膜上的主要是7种(图3-16)图3-16细胞膜中常见的七种糖类第11页/共63页 膜糖的存在方式膜糖的存在方式 真核细胞质膜中的糖类是通过共价键同膜脂或膜蛋白相连,即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。糖同氨基酸的连接主要有两种形式,即O-连接和N-连接(图3-17)。O-连接:是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连,O-连接糖链较短,约含4个糖基。N-连接:是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连,N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外,N连接的方式较O连接普遍。图3-17糖与多肽连接的两种方式第12页/
7、共63页 膜糖的功能膜糖的功能 膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用,它们可以提高膜的稳定性,增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性,帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。同时膜糖也参与细胞的信号识别、细胞的粘着。如同某些糖脂一样,膜蛋白中的糖基是细菌和病毒感染时的识别和结合位点。另外,糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位。第13页/共63页ABO血型决定子(determinant),即ABO血型抗原,它是一种糖脂,其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用(图3-18)。图3-18血型抗原人的血型是A型、B型、AB型还是O型,是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞
8、膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc),B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal),O型则没有这两种糖基,AB型的人则在末端同时具有这两种糖。第14页/共63页 胆固醇(cholesterol)细胞膜上另一类脂是固醇类的胆固醇(图3-13),胆固醇存在于真核细胞膜中。动物细胞膜胆固醇的含量较高,有的占膜脂的50%,大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇,酵母细胞膜中是麦角固醇。图3-13胆固醇的结构第15页/共63页胆固醇的分子较其他膜脂要小,双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧,疏水的尾部埋在脂双层的中央(图3-14)。图3-14胆固醇在脂双层中的位置第16页/
9、共63页 膜脂的特性和功能膜脂的特性和功能 不同类型的膜含有不同类型的膜脂,使这些膜具有不同的特性(表3-2)。表3-2某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数)脂脂人的人的红细胞胞人的髓鞘人的髓鞘牛心牛心脏线粒体粒体E.coli磷脂酸磷脂酸(PA)1.50.500磷脂磷脂酰胆碱胆碱(PC)1910390磷脂磷脂酰乙醇胺乙醇胺(PE)18202765磷脂磷脂酰甘油甘油(PG)00018磷脂磷脂酰丝氨酸氨酸(PS)8.58.50.50心磷脂心磷脂0022.512鞘磷脂鞘磷脂17.58.500糖脂糖脂102600胆固醇胆固醇222630第17页/共63页膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架,此外还有其他一
10、些重要功能(表3-3)。表3-3某些膜脂的功能脂脂存在的膜存在的膜功能功能主要磷脂主要磷脂磷脂磷脂酰胆碱胆碱存在于大多数膜中存在于大多数膜中形成脂双形成脂双层磷脂磷脂酰乙醇胺乙醇胺存在于大多数膜中存在于大多数膜中起界膜的作用,防止水起界膜的作用,防止水磷脂磷脂酰丝氨基氨基存在于大多数膜中存在于大多数膜中溶性物溶性物质的自由的自由扩散散次要磷脂次要磷脂心磷脂心磷脂线粒体内膜粒体内膜激活染色体激活染色体磷脂磷脂酰肌醇肌醇(PI)存在于大多数膜存在于大多数膜作作为三磷酸肌醇的供体三磷酸肌醇的供体鞘脂鞘脂大多数哺乳大多数哺乳动物物细胞,特胞,特别是神是神经细胞胞屏障作用,激活某些屏障作用,激活某些酶糖
11、脂糖脂叶叶绿体体类囊体的膜的主要脂囊体的膜的主要脂类屏障作用屏障作用胆固醇胆固醇大多数大多数动物物细胞膜胞膜大多数大多数动物物细胞膜膜的流胞膜膜的流动性性第18页/共63页膜脂都是两性物质,都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾,大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。当这些兼性分子被水环境包围时,它们就聚集起来,将疏水的尾部埋在里面,亲水的头部露在外面与水接触。可能有两种形式:形成球状的分子团(micelles),把尾部包在里面;或者形成双分子层(bilayers),把疏水的尾部夹在头部的中间,或形成脂质体(liposome)(图3-15)。第19页/共63页图3-15脂在水中的行
12、为第20页/共63页3.2 3.2 膜蛋白膜蛋白(membrane protein)(membrane protein)由膜脂构成膜的基本结构,但是生物膜的特定功能主要是由蛋白质决定的。功能越复杂的膜,其上的蛋白质种类越多。膜蛋白的分类膜蛋白的分类 据膜蛋白与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。整合蛋白(integralprotein)又称内在蛋白(intrinsicprotein),跨膜蛋白(transmembraneprotein),部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧(图3-19)。图3-19整合蛋白第21页/共63页外周蛋白(peripheralprotein)又称附着蛋白(p
13、rotein-attached)。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧,主要是通过非共价键附着在脂的极性头部,或整合蛋白亲水区的一侧,间接与膜结合(图3-20)。图3-20外周蛋白第22页/共63页脂锚定蛋白(lipid-anchored)又称脂连接蛋白(lipid-linkedprotein),通过共价键的方式同脂分子结合,位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式,一种是蛋白质直接结合于脂双分子层,另一种方式是蛋白并不直接同脂结合,而是通过一个糖分子间接同脂结合(图3-21)。图3-21脂锚定蛋白第23页/共63页 膜蛋白的功能膜蛋白的功能 胞质膜有着许多重要的生物学功能,这些功能大多数是由膜蛋
14、白来执行的(图3-22,表3-4)。第24页/共63页 膜蛋白的研究方法 膜蛋白的分离 离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X100十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠(SDS)(SDS)和和Triton X-100Triton X-100都是去垢剂,哪一种可用于分离有生物功都是去垢剂,哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白?能的膜蛋白?第25页/共63页 去垢剂的作用机理去垢剂的作用机理 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,形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物,从而使膜蛋白在水中
15、溶解、变性、沉淀(图3-23)。图3-23去垢剂在膜蛋白分离中的作用第26页/共63页4 4 膜的分子结构及特点膜的分子结构及特点 虽然细胞质膜是包裹在细胞最外层的界膜,但由于细胞的新陈代谢活动必须同细胞外进行物质交换,这就要求细胞质膜具有特殊的结构,以保证生命活动的正常进行。4.1 4.1 结构模型结构模型 1890年,E.Overton发现了脂溶性物质容易透过细胞,提出了脂肪酸的膜结构设想。1925年,荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究,提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。第27页/共63页 片层结构模型片层结构模型(Lamella structure
16、model)(Lamella structure model)1935年JamesDaniellie和HughDavson提出双分子片层结构模型(图3-24),该模型是第一次用分子术语描述的结构,并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来,对后来的研究有很大的启发。图3-24质膜的片层结构模型第28页/共63页 单位膜模型单位膜模型(unit membrane model)(unit membrane model)1959年,J.D.Robertson利用电子显微镜技术对各种膜结构进行了详细研究,在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构(railroadtrack),两条暗线被一条明亮的带隔开
17、,显示暗明暗的三层,总厚度为7.5nm,中间层为3.5nm,内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂,并建议将这种结构称为单位膜(图3-25)。图3-25质膜的单位膜模型第29页/共63页单位膜有一些不足单位膜有一些不足 首先,该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化;其二,不同的膜其厚度不都是75一般在50-100之间;其三,如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系;该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离,有些则很难。第30页/共63页 流动镶嵌模型流动镶嵌模型(fluid mosaic model)(fluid mosaic model)19
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- 质膜 及其 表面 结构
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