第三讲 生物膜

第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统一、膜功能概述1.房室化（compartmentalization）：边界，特定反应不受干扰，便于调控。2.生化反应的支架（scaffold）：溶液中的反应是随机事件，位于膜上则有序、有效。3.选择性的通透性屏障（selectivelypermeablebarrier）：胞内胞外，不同房室第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统4.溶质转运（transportingsolutes）：从低浓度向高浓度，积累小分子，建离子梯度。5.感应刺激（respondingtoexternalsignal）：不同膜上有不同种类和不同数量的受体6.细胞间的相互作用（intercellularinteraction）：通讯、识别、粘着7.能量转换（energytransduction）：把一种形式的能量转换成另一种形式。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统二、生物膜的结构1.E.Overton1895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则不易透过，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统2.E.Gorter&F.Grendel1925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。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统脂双层是一种二维流体，柔韧性使其具有弯曲能力，从而也限定了膜所能形成的小囊泡的最小直径约为25nm。疏水性尾部暴露于水中在能量上是不利的，封闭结构是稳定的，因而，磷脂双层本身自发地封闭形成区室。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统3.J.Danielli&H.Davson1935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了修正模型，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。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统4、J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”(unitmembrane)模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止不变的。红细胞质膜培养的肌细胞质膜(PM)与肌浆网膜(SR)第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统5、S.JonSinger和GarthNicolson于1972年提出流体镶嵌模型（fluidmosaicmodel）。脂类双分子层主要作为膜的支撑架构，是阻挡水溶性物质自由进出细胞的屏障；膜蛋白作为不连续的颗粒镶嵌在脂双层，由它们完成膜的大部分特定功能。膜生物学的“中心法则”（centraldogma）第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统一是强调膜的流动性。无论类脂的双分子层或者膜的Pr都是可以流动或运动的；二是蛋白质镶嵌在脂类中表现出分布的不对称性。双层磷脂酰胆碱；32个丙氨酸残基构成的螺旋体Fluid-mosaicmodelofmembranestructure膜的流动性6、脂筏模型（lipidraftmodel）近年来的研究表明许多细胞质膜的外小叶含有特化的区域即微结构域(microdomain)，这些区域富含胆固醇和鞘磷脂，使得这些区域更具有粘性，分子的组织更有序。这些微结构域好像是漂浮在流动性更大、更无序的环境里。因此，这一片片的微结构域就称为“脂筏”。添加的蛋白质一部分移动到脂筏的中心，另一部分则在脂筏的边缘。外小叶的脂质影响内小叶脂质的组成，因此，内小叶脂质主要由胆固醇和具有较长的饱和脂肪酸链的甘油磷脂组成。内小叶可以使脂锚定蛋白聚集，如与细胞信号转导有关的非受体酪氨酸激酶src。脂筏在活细胞中是否存在，一直是个有争议的话题。不过很多证据表明它们是存在的，不过面积不大，约10-25nm。处于形成-分散的动态平衡之中。glycosyl-phosphatidylinositol-anchoredprotein6、脂筏模型（lipidraftmodel）在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。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。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统三、膜的化学组成1、膜脂膜的核心就是双分子层构成的一片脂质。磷脂，鞘脂和胆固醇。不仅是结构组分，还赋予膜重要的生物学性质：（1）决定膜的物理状态，影响特定膜蛋白的活性；（2）提供高活性化学信号的前体分子。脂类人红细胞人髓鞘牛心线粒体酵母磷脂酸1.50.500磷脂酰胆碱1910390磷脂酰乙醇胺18202765磷脂酰甘油00018磷脂酰丝氨酸8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600胆固醇252630第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统2、膜糖糖基共价结合于膜蛋白（大于90%）和膜脂上。糖含量占膜总重的2-10%一般都是分支的寡糖链，不超过15个糖基。都是位于远离细胞质的方向。寡糖调节细胞与环境的作用（selectin），分选膜蛋白到不同房室。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统红细胞膜上糖脂的寡糖链是A\B\O血型的决定者。A型的人拥有把N-乙酰葡萄糖胺加到寡糖链末端的酶；B型的人有加半乳糖的酶。这2种酶都是同一个基因变换的版本。AB型的人拥有两种酶；O型的人缺乏该酶。寡糖决定的ABO血型系统第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统3、膜蛋白数百种蛋白质，按与脂双层的关系分为3大类：整合蛋白，外周蛋白，脂锚定蛋白。人类约1/3的基因编码整合蛋白。脂锚定蛋白大多位于质膜外侧，有部分在质膜的内侧，重要的分子Src和Ras。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统四、细胞内膜系统endomembranesystem内质网Endoplasmicreticulum；高尔基复合体Golgicomplex；胞内体endosomes；溶酶体lysosomes；膜泡vacuoles实现了区室间代谢的分工和精准的物质交流；每个细胞器含有一套独特的大小分子第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统关于真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述通常有三个概念：内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括胞内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器，因为它们的膜是相互流动的，处于动态平衡，在功能上也是相互协同的。广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统细胞质膜系统(cytoplasmicmembranesystem)：是指细胞内那些在生物发生上与质膜相关的细胞器，显然不包括线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，因为这几种细胞器的膜是逐步长大的，而不直接利用质膜。所有膜被细胞器的体积平均占真核细胞体积的一半。一个典型的哺乳动物细胞内质网的面积比质膜大20-30倍。（一）膜被细胞器由不同途径进化而来真核细胞的体积比大肠杆菌大1000-10000倍。表面积/体积比是关键。细菌身体小。膜被细胞器至少通过两条途径在进化中出现。核被膜、高尔基体、胞内体、溶酶体起源于质膜内陷；线粒体和叶绿体强烈暗示由原始真核细胞吞入细菌。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统蛋白质、脂肪和复合糖类的运输或转移都是以膜泡的形式来实现。膜泡的转移依靠马达蛋白以细胞骨架纤维为轨道的运动。最主要的途径包括生物合成途径（分泌途径）和内吞途径。膜泡能正确地到达目的地缘于其分检信号（sortingsignals）的指导，信号就包含在膜蛋白的氨基酸序列或寡聚糖的序列里。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统分泌蛋白、溶酶体蛋白和植物液泡蛋白是由膜结合的核糖体合成的。信号肽：N-端的6-15个疏水氨基酸残基，也可以是多肽链内部的序列。膜整合蛋白的合成与上述的类似，但是多肽链内出现了停止转译序列（至少15个疏水氨基酸或不带电荷的氨基酸）脂溶性片段侧向移动嵌入脂双层第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统膜脂的不对称性（1）大多数被膜细胞器都含有进行膜脂转换的酶，如把磷脂酰丝氨酸转换成磷脂酰胆碱。（2）出芽的小泡对一些膜脂有选择。（3）磷脂转译蛋白能把磷脂从一个区室的膜转译到另一区室，特别是能把特殊的磷脂从ER转译到其它细胞器（线、叶、过氧化物酶体）。当前膜研究的热点1．膜结构研究：（1）膜蛋白三维结构研究，一直是重点和难点。（2）膜脂结构研究，脂筏(1ipidrafts)和质膜微囊(Caveolae，一种有微囊素(Caveolin)包被的特殊的脂筏结构，通常在细胞膜上形成内陷的小窝)．2．信号转导受体的二聚体化3．生物膜的单分子研究：成像观察，构象变化，动力学，操纵以及相互作用(二)蛋白质分选运输的途径蛋白质的分选运输途径主要有三类：1、门控运输（gatedtransport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。有人认为通过植物细胞胞间连丝的蛋白也属于这类。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统2、跨膜运输（transmembranetransport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，进入ER；进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，都是通过膜上的蛋白质转运体（转位因子），以解折叠的线性分子进入。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统脂溶性片段侧向移动嵌入脂双层3、膜泡运输（vesiculartransport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。转运小泡从一个区室的内部间隙（或称“腔”）装载蛋白质，从膜上长出并离开。这些小泡然后通过膜融合把所装的蛋白质卸到第二个区室中去，在这个过程中膜脂和膜蛋白也从第一区室转到第二区室。如内质网向高尔基体的蛋白质运输，高尔基体分泌形成溶酶体，细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。蛋白质输入细胞器的三种主要机制这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。也需要细胞提供能量。大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的，通常在其胞质面具有明显的蛋白质外被（coat）。在出芽完成后，这种外被消失，可使运输小泡与靶细胞器的膜融合。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统外被至少具有两个功能：①使膜形成芽体并选择性地将特定蛋白聚集在一起，最后形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与外被蛋白的组成有关。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统有被小泡形成的体外实验：脂质体加出芽相关蛋白目前已知三类具有代表性的外被蛋白，即：网格蛋白（clathrin）、COPI和COPII。网格蛋白有被小泡介导蛋白从高尔基体向质膜、胞内体、溶酶体和植物液泡的运输；也负责质膜蛋白向胞内体的转运。COPI有被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白从高尔基体返回内质网。COPII有被小泡负责从内质网到高尔基体的蛋白转运。目前发现至少存在两类蛋白质分选的信号：①信号序列（signalsequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signalpeptidase）切除。②信号斑（signalpatch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自3类马达蛋白(motorproteins)。（1）动力蛋白(dynein)，向微管负端移动；（2）驱动蛋白(kinesin)，向微管正端移动；（3）肌球蛋白(myosin)，向微丝正极运动。高尔基体往往位于微管组织中心附近，推测其膜上结合有类似动力蛋白的蛋白质。应力纤维结构模型运输小泡与靶膜的融合是一个特异的过程，涉及多种蛋白质识别、装配和去装配的复杂调控。SNARE跨膜蛋白家族起到主要的作用。在小泡上的SNARE称作v-SNARE可与靶膜上的t-SNARE专一地识别。每个细胞器和每一类型的转运小泡都有独特的SNARE，而互补SNARE之间的相互作用保证转运小泡只与正确的膜融合。转运小泡停靠的模式转运小泡融合第三讲生物膜—细胞质膜与内膜系统大多数蛋白质的共价修饰发生在内质网。蛋白质在高尔基体内被进一步修饰和分选分泌蛋白通过胞吐作用释放。颗粒、液体和大分子通过胞吞作用被摄入胞吞的大分子在胞内体中分选。溶酶体是细胞内的主要消化场所。AnalyticQuestions1、你认为表皮细胞质膜上的哪些整合蛋白是红细胞质膜上所没有的？这些差异与细胞的哪些活动有关？2、假设你正打算利用脂质体把药物送到体内的特定细胞，如脂肪或肌肉细胞，有什么 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 可以使你提高脂质体对目标的专一性？