細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件

本章內(nèi)容細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型生物膜基本特征與功能膜骨架本章內(nèi)容1細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件2細(xì)胞質(zhì)膜在維持胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，細(xì)胞與環(huán)境之間的物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞過程中有重要作用。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)和細(xì)胞質(zhì)膜統(tǒng)稱為生物膜。細(xì)胞質(zhì)膜在維持胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，細(xì)胞與環(huán)境之間的物質(zhì)運(yùn)輸、3第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型：1質(zhì)膜結(jié)構(gòu)研究歷史的回顧：第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型：4Overton(1890s):LipidnatureofPM;

J.D.Robertson(1959):TheTEMshowing:thetrilaminarappearanceofPM;

Unitmembranemodel;

S.J.SingerandG.Nicolson(1972):

fluid-mosaicmodel;

K.Simonsetal(1997):

lipidraftsmodel;

Overton(1890s):J.D.Robertso5細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件6

SingerandNicolson’sModelofmembranestructure:Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.TheFluidMosaicModel,proposedin1972bySingerandNicolson,hadtwokeyfeatures,bothimpliedinitsname.SingerandNicolson’sMode7流動鑲嵌模型的要點(diǎn)(1)膜的流動性，膜蛋白和膜脂均可以側(cè)向運(yùn)動。Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovement.(2)膜蛋白分布的不對稱性，以鑲嵌、覆蓋或貫穿的形式與脂雙層分子結(jié)合。

Membraneproteinsformamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegrees.流動鑲嵌模型的要點(diǎn)(1)膜的流動性，膜蛋白和膜脂均可以側(cè)向運(yùn)8目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識P85

要點(diǎn)1：磷脂分子的排列形式要點(diǎn)2：蛋白質(zhì)與磷脂分子的關(guān)系要點(diǎn)3：對生物膜的整體認(rèn)識

目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識P859二、生物膜的成分：（一）膜脂:生物膜的基本組成成分，主要包括的類型有：磷脂：膜脂的基本成分，含量＞50%糖脂：含量＜5%膽固醇：含量＜1/3二、生物膜的成分：（一）膜脂:10Figure.Thepartsofaphospholipidmolecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰膽堿）,representedschematically(A),informula(B),asaspace-fillingmodel(C),andasasymbol(D).Thekinkduetothecis-doublebond（順雙鍵）isexaggeratedinthesedrawingsforemphasis.Figure.Thepartsofaphospho11Figure.Alipidmicelle（微囊）andalipidbilayerseenincross-section（橫斷面）.Lipidmoleculesformsuchstructuresspontaneouslyinwater.Theshapeofthelipidmoleculedetermineswhichofthesestructuresisformed.Wedge-shapedlipidmolecules(above)formmicelles,whereascylinder-shapedphospholipidmolecules(below)formbilayers.Figure.Alipidmicelle（微囊）an12Figure.Liposomes（脂質(zhì)體）

(A)Anelectronmicrographofunfixed,unstainedphospholipidvesicles(liposomes)inwater.Thebilayerstructureofthevesiclesisreadilyapparent.(B)Adrawingofasmallsphericalliposomeseenincross-section.Liposomesarecommonlyusedasmodelmembranesinexperimentalstudies.Figure.Liposomes（脂質(zhì)體）13脂質(zhì)體：具有親水和疏水兩性的脂類物質(zhì)在水相中形成的、由脂雙層構(gòu)成的人工膜結(jié)構(gòu)叫做脂質(zhì)體。作用：研究膜脂和膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)作為轉(zhuǎn)基因的介質(zhì)，將DNA導(dǎo)入細(xì)胞。作為藥物載體在活體內(nèi)給藥，治療疾病。

脂質(zhì)體：14（二）膜蛋白：主要承擔(dān)和執(zhí)行生物膜的功能。不同功能的細(xì)胞，其膜蛋白的含量和種類有顯著差異。按照功能劃分為：催化代謝類：參與催化的酶物質(zhì)運(yùn)輸類：泵、載體、通道信息的感受和傳遞類：受體、抗原、黏附分子（二）膜蛋白：15Figure.Sixwaysinwhichmembraneproteinsassociatewiththelipidbilayer.

Mosttrans-membraneproteinsarethoughttoextendacrossthebilayerasasingleahelix(1)orasmultipleahelices(2);someofthese“single-pass”and“multipass”proteinshaveacovalentlyattachedfattyacidchaininsertedinthecytoplasmicmonolayer(1).Othermembraneproteinsareattachedtothebilayersolelybyacovalentlyattachedlipid-eitherafattyacidchainorprenylgroup-inthecytoplasmicmonolayer(3)or,lessoften,viaanoligosaccharide,toaminorphospholipid,phosphatidylinositol(磷脂酰肌醇),inthenoncytoplasmicmonolayer(4).Finally,manyproteinsareattachedtothemembraneonlybynoncovalentinteractionswithothermembraneproteins(5)and(6).MembraneproteinsFigure.Sixwaysinwhichmemb16（1）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：依靠離子鍵或較弱的鍵和膜表面的蛋白質(zhì)或膜脂分子結(jié)合的水溶性蛋白。約占膜蛋白總量的20-30%

容易從膜上分離下來而不破壞膜結(jié)構(gòu)。例如：紅細(xì)胞胞質(zhì)側(cè)附著的血影蛋白。

膜蛋白的種類（按照與膜脂結(jié)合方式及所處位置劃分）（1）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：17(2)內(nèi)在膜蛋白（整合膜蛋白）:

貫穿或插入膜脂雙層的內(nèi)外兩側(cè)面，不溶于水。與膜結(jié)合緊密，用去垢劑破壞膜結(jié)構(gòu)才可以分離出來。占全部膜蛋白的70-80%。例如：MN血型糖蛋白

(2)內(nèi)在膜蛋白（整合膜蛋白）:18Figure.Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.Figure.Atypicalsingle-pass19內(nèi)在膜蛋白多數(shù)是跨膜蛋白，膜結(jié)合方式多種。內(nèi)在膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合的主要部位，或者形成α螺旋，或者形成β折疊片結(jié)構(gòu)。內(nèi)在膜蛋白多數(shù)是跨膜蛋白，膜結(jié)合方式多種。20(3)脂錨定膜蛋白:

這類膜蛋白的肽鏈不嵌入膜中，通過共價鍵和脂分子連接，從而錨定在細(xì)胞膜上。按照結(jié)構(gòu)和分布分成三種類型：?；鞍踪|(zhì)異戊烯化蛋白質(zhì)

GPI錨定膜蛋白

(3)脂錨定膜蛋白:21①酰化蛋白質(zhì)：蛋白N端的甘氨酸殘基發(fā)生?；?，與C14或C16脂肪酸連接，以其烴鏈插入質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。如：Src蛋白通過?；鸺?xì)胞惡性轉(zhuǎn)化。①?；鞍踪|(zhì)：蛋白N端的甘氨酸殘基發(fā)生?；?，與C14或C122②異戊烯化蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)的C端或附近的半胱氨酸殘基的SH基與異戊二烯形成硫酯鍵，所生成的法尼基烴鏈插入質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。例如：Ras蛋白可以異戊二烯化，插入質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)，發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能。②異戊烯化蛋白質(zhì)：23③GPI(糖基化磷脂酰肌醇)錨定膜蛋白：蛋白質(zhì)的羧基端通過磷酸乙醇胺與GPI共價結(jié)合，插入質(zhì)膜的外側(cè)。例如：癌胚抗原（CEA），最初發(fā)現(xiàn)于結(jié)腸癌及胎兒腸組織中，故名。血清CEA升高，除見于消化道癌外，也見于其他系統(tǒng)。

為消化道腫瘤的輔助診斷指標(biāo)，正常水平應(yīng)≤5ng／ml

③GPI(糖基化磷脂酰肌醇)錨定膜蛋白：24脂錨定膜蛋白的分布規(guī)律：與脂肪酸結(jié)合的蛋白多分布在膜的內(nèi)側(cè)；與糖脂結(jié)合的蛋白多分布在質(zhì)膜外側(cè)。脂錨定膜蛋白的分布規(guī)律：25Figure.Thecovalentattachmentofeitheroftwotypesoflipidgroupscanhelplocalizeawater-solubleproteintoamembraneafteritssynthesisinthecytosol.

(A)Afattyacidchain(eithermyristicorpalmiticacid)isattachedviaanamidelinkagetoanamino-terminalglycine.(B)Aprenylgroup(eitherfarnesyloralongergeranylgeranylgroup-bothrelatedtocholesterol)isattachedviaathioetherlinkagetoacysteineresiduethatisfourresiduesfromthecarboxylterminus.Followingthisprenylation,theterminalthreeaminoacidsarecleavedoffandthenewcarboxylterminusismethylatedbeforeinsertionintothemembrane.Thestructuresoftwolipidanchorsareshownunderneath:(C)amyristylanchor(a14-carbonsaturatedfattyacidchain),and(D)afarnesylanchor(a15-carbonunsaturatedhydrocarbonchain).酰胺鍵硫醚鍵Figure.Thecovalentattachmen26去垢劑（detergent）:

分離與研究膜蛋白的常用試劑。離子型去垢劑：使細(xì)胞膜崩解，作用劇烈，引起蛋白變性。例如：SDS

非離子型去垢劑：溫和地使細(xì)胞膜崩解，可用于膜蛋白的分離和純化，去除細(xì)胞膜系統(tǒng)后研究細(xì)胞支架蛋白。例如：TritonX-100去垢劑（detergent）:27Figure.Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.

Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.Figure.Solubilizingmembrane28Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.Theuseofmilddetergentsfor29第二節(jié)生物膜的基本特征和功能一、膜的流動性：生物膜是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，其組分處于運(yùn)動狀態(tài)，具有膜脂的流動性（fluidity）和膜蛋白的運(yùn)動性（mobility），總稱為膜的流動性。液晶態(tài)晶態(tài)生理?xiàng)l件溫度降低第二節(jié)生物膜的基本特征和功能一、膜的流動性：生理?xiàng)l件溫度降30液晶態(tài)晶態(tài)液晶態(tài)晶態(tài)311膜脂的流動性：膜脂分子的運(yùn)動方式沿膜平面的側(cè)向運(yùn)動：基本運(yùn)動方式圍繞軸心的自旋運(yùn)動脂分子尾部的擺動雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動1膜脂的流動性：32膜脂的流動性是細(xì)胞生理活動必需的，是維持膜的剛性、有序結(jié)構(gòu)和造成膜成分特定取向、組織結(jié)構(gòu)二者之間的完美折中。脂雙層中的脂肪酸飽和程度越高，脂雙層轉(zhuǎn)變成凝膠的轉(zhuǎn)變溫度就越低。膜脂的流動性是細(xì)胞生理活動必需的，是維持膜的剛性、有序結(jié)構(gòu)和33

DynamicnatureofbiomembraneThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

Dynamicnatureofbiomemb342膜蛋白的流動性細(xì)胞融合是證實(shí)膜蛋白在膜平面運(yùn)動的第一個實(shí)驗(yàn)（1970年LarryFrye和MichaelEdidin）。2膜蛋白的流動性35Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.

Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)Figure10-34.Experimentdemon36細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件37Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.

Thebivalent（二價的）antibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.Figure10-35.Antibody-induced38有些膜蛋白在整個膜中隨機(jī)運(yùn)動，有些則不能運(yùn)動。膜蛋白在脂雙層二維溶液中的運(yùn)動是自發(fā)的熱運(yùn)動，不需提供能量。多數(shù)研究中，大部分種類的蛋白質(zhì)在膜中以自由擴(kuò)散的速率隨機(jī)運(yùn)動，移動距離僅十分之幾微米。膜蛋白并非完全自由的隨機(jī)漂浮在脂“海”上，對整合膜蛋白最強(qiáng)的影響來自膜下細(xì)胞骨架的限制。有些膜蛋白在整個膜中隨機(jī)運(yùn)動，有些則不能運(yùn)動。39細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件40Figure10-37.Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.

ProteinA(intheapicalmembrane)andproteinB(inthebasalandlateralmembranes)candiffuselaterallyintheirowndomainsbutarepreventedfromenteringtheotherdomain,atleastpartlybythespecializedcelljunctioncalledatightjunction.Lipidmoleculesintheouter(noncytoplasmic)monolayeroftheplasmamembranearelikewiseunabletodiffusebetweenthetwodomains;lipidsintheinner(cytoplasmic)monolayer,however,areabletodoso.Figure10-37.Diagramofanep41細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及探索歷程課件42Figure10-38.Threedomainsintheplasmamembraneofguineapigspermdefinedwithmonoclonalantibodies.Aguineapigspermisshownschematicallyin(A),whileeachofthethreepairsofmicrographsshownin(B),(C),and(D)showscell-surfaceimmunofluorescencestainingwithadifferentmonoclonalantibody(ontheright)nexttoaphase-contrastmicrograph(ontheleft)ofthesamecell.Theantibodyshownin(B)labelsonlytheanteriorhead,thatin(C)onlytheposteriorhead,whereasthatin(D)labelsonlythetail.(CourtesyofSelenaCarrollandDianaMyles.)Figure10-38.Threedomainsin43Figure10-39.Fourwaysinwhichthelateralmobilityofspecificplasma