細(xì)胞生物學(xué)-網(wǎng)絡(luò)課件08年第3章a minimizer

1CHAPTER3

PlasmaMembraneandTransportAcrossMembranes

2

OUTLINE3.1THEERYTHROCYTEMEMBRANESKELETON3.2THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES3.3MOLECULARSTRUCTURE

OFTHEPLASMAMEMBRANE3.4PASSIVETRANSPPORTOFSUBSTANCES3.5ACTIVETRANSPPORTOFSUBSTANCES3TypicalplasmaMembrane

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細(xì)胞質(zhì)膜

(PlasmaMembrane)

內(nèi)膜系統(tǒng)

（EndomembraneSystem)

生物膜(Biomembrane)5細(xì)胞的生物膜體系63.1TheErythrocyteMembraneSkeleton

◆RedBloodCells是結(jié)構(gòu)最簡單的細(xì)胞:■成熟的紅細(xì)胞沒有細(xì)胞器；■質(zhì)膜是紅細(xì)胞惟一的膜結(jié)構(gòu)；■紅細(xì)胞質(zhì)膜易于提純和分離；◆人們對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，大多來自于對(duì)紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究。7ErythrocyteMembraneSkeleton83.1.1ErythrocyteBiology紅細(xì)胞的基本性質(zhì)◆成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為7μm,厚度1.7μm,表面積為145μm2；

？◆紅細(xì)胞的主要功能是攜帶O2和運(yùn)輸CO2，紅細(xì)胞的壽命約為120天，一生中要行走500，000米。

？9電鏡下的紅細(xì)胞10

紅細(xì)胞膜脂雙層結(jié)構(gòu)的研究

◆1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel根據(jù)對(duì)紅細(xì)胞質(zhì)膜的研究首次提出質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層(lipidbilayer)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明∶紅細(xì)胞膜脂與表面積之比約為1.8～2.2∶1。113.1.2ErythrocyteMembraneSkeleton

問題提出的依據(jù)∶

◆行程∶500,000米

◆要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道;

◆要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pH值的不利條件;

◆又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。

？

12ErythrocyteGhostOnecanplacethecellsinadilute(hypotonic)saltsolution.Thecellsrespondtothisosmoticshockbytakingupwaterandswelling,aphenomenontermedhemolysis.Asthesurfaceareaofeachcellincreases,thecellesleakyandthecontents,composedalmosttotallyofdissolvedhemoglobin,flowoutofthecellleavingbehindaplasmamembrane“ghost"13紅細(xì)胞血影14

MajorProteinsofErythrocyteMembrane

紅細(xì)胞膜(含膜骨架部分)大約有15種主要的蛋白帶:

其中有三種主要的蛋白:血影蛋白(Spectrin)、血型糖蛋白(Glycophorin)、帶3蛋白(Band3protein)。15紅細(xì)胞膜蛋白？16◆Band3Protein■帶3蛋白約為紅細(xì)胞膜蛋白的25%;■Band3proteinservesasachannelforthepassiveexchangeofanionsacrossthemembrane.

H20+CO2→H2CO3→HCO-3+H+■Band3proteinispresentasadimercomposedoftwoidenticalsubunits;■Eachsubunitspansthemembraneatleastadozentimes;■andcontainsarelativelysmallamountofcarbohydrate(6-8percentofthemolecule'sweight).

17帶3蛋白的功能18◆GlycophorinA■GlycophorinAwasthefirstmembraneproteintohaveitsaminoacidsequencedetermined（由131個(gè)氨基酸組成）；

■Otherrelatedglycophorins,B,C,D,andE,arealsopresentinthemembraneatmuchlowerconcentrations.■GlycophorinAspansthemembraneonlyonce,

■Anditcontainsanextensivecarbohydrateportionconsistingof16oligosaccharidechains（其親水的氨基端露在膜的外側(cè),結(jié)合16個(gè)低聚糖側(cè)鏈）。19ErythrocyteMembraneSkeletonProteins◆Theperipheralproteinsoftheerythrocyteplasmamembranearelocatedonitsinternalsurfaceandconstituteafibrillarmembraneskeleton;◆膜骨架蛋白的主要成分包括:

血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、錨定蛋白、帶4.1蛋白等，這些都是外周蛋白。20■血影蛋白(Spectrin)●又稱收縮蛋白，有兩條相似的亞基∶β亞基（相對(duì)分子質(zhì)量：220000)，α亞基(相對(duì)分子質(zhì)量：200000)；●α鏈和β鏈反向平行排列,扭曲成麻花狀，形成異二聚體；●兩個(gè)異二聚體頭-頭連接成200nm長的四聚體；●五個(gè)或六個(gè)四聚體的尾端一起連接于短的肌動(dòng)蛋白纖維和另一種蛋白質(zhì)(帶4.1蛋白),形成“連接復(fù)合物”；●這些血影蛋白在整個(gè)細(xì)胞膜的細(xì)胞質(zhì)面下面形成韌性的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。21血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、帶4.1蛋白連接方式22■Actinandtropomyosin

肌動(dòng)蛋白纖維鏈長約35nm（結(jié)合有原肌球蛋白），在肌動(dòng)蛋白纖維上有多個(gè)(一般為5個(gè)左右)與血影蛋白結(jié)合的位點(diǎn),通過與血影蛋白游離端相連，參與膜骨架結(jié)構(gòu)的形成；■Ankyrin

又稱2.1蛋白。錨定蛋白一方面與血影蛋白相連,另一方面與跨膜的帶3蛋白的細(xì)胞質(zhì)區(qū)域相連,這樣，錨定蛋白借助于帶3蛋白將血影蛋白連接到細(xì)胞膜上，也就將骨架固定到質(zhì)膜上。23■帶4.1蛋白(Band4.1Protein)●由兩個(gè)亞基組成的球狀蛋白;●在膜骨架中的作用是通過同血影蛋白結(jié)合，促使血

影蛋白同肌動(dòng)蛋白結(jié)合;●4.1蛋白本身不同肌動(dòng)蛋白相連，因?yàn)樗鼪]有與肌動(dòng)蛋白連接的位點(diǎn)。■內(nèi)收蛋白(Adducin)●是由兩個(gè)亞基組成的二聚體，形態(tài)似不規(guī)則的盤狀物，高5.4nm,直徑12.4nm;●內(nèi)收蛋白可與肌動(dòng)蛋白及血影蛋白復(fù)合體結(jié)合，并且

通過ca2+和鈣調(diào)蛋白的作用影響骨架蛋白的穩(wěn)定性，

從而影響紅細(xì)胞的形態(tài)。24紅細(xì)胞膜骨架組織253.2THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES3.2.1MembraneLipids

Membranescontainawidediversityoflipids,allofwhichareamphipathic;thatis,theycontainbothhydrophilicandhydrophobicregions.

Therearethreemaintypesofmembranelipids:

●Phosphoglycerides(磷酸甘油酯）；●Sphingolipids（鞘脂）；●Cholesterol。26

maintypesofmembranelipids◆磷脂(phospholipids)Becausemostmembranephospholipidsarebuiltonaglycerolbackbone,theyarecalledphosphoglycerides

■動(dòng)、植物細(xì)胞膜上都有磷脂,約占膜脂的50%以上；■磷脂分子的親水端是磷酸基團(tuán)，稱為頭部；■磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈,稱為尾部,一般含有14～24個(gè)偶數(shù)碳原子；■其中一烴鏈常含有一個(gè)或數(shù)個(gè)雙鍵,雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。27

Phospholipids？28◆膽固醇(Cholesterol)■膽固醇存在于真核細(xì)胞膜中：●動(dòng)物細(xì)胞膜膽固醇的含量較高●Cholesterolisabsentfromtheplasmamembranesofmostplant.

●酵母細(xì)胞膜中是麥角固醇;■膽固醇分子包括三部分:

●極性的頭部：羥基●非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)●一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊俊！鯟holesterolissmallerthantheotherlipidsofthemembraneandlessamphipathic.

29TypicalCholesterol30◆Sphingolipids■Alessabundantclassofmembranelipids,arederivativesofsphingosine,anaminoalcoholthatcontainsalonghydrocarbonchain.■Sphingolipidsconsistofsphingosine（鞘氨醇）linkedtoafattyacidbyitsaminogroup.Thismoleculeisaceramide（神經(jīng)酰胺）.

■Thevarioussphingosine-basedlipidshaveadditionalgroupsesterified（酯化）totheterminalalcoholofthesphingosinemoiety.31●Sphingomyelin（鞘磷脂）

Ifthesubstitutionisphosphorylcholine,themoleculeissphingomyelin；●Glycolipid

Ifthesubstitutionisacarbohydrate,themoleculeisaglycolipid.▲Ifthecarbohydrateisasimplesugar,theglycolipidiscalledacerebroside（腦苷脂）;▲ifitisanoligosaccharide,theglycolipidiscalledaganglioside（神經(jīng)節(jié)苷脂）.

32■糖脂(Glycolipid)●糖脂普遍存在于原核和真核細(xì)胞膜上,含量約占膜脂的5%以下;●最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂,它僅有一個(gè)半乳糖作為極性頭部;

●變化最多、最復(fù)雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂,它是神經(jīng)原質(zhì)膜具特征性的成分;●Glycolipidsareinterestingmembranecomponents.Relativelylittleisknownaboutthem.

33

TheNaturetheLipid

膜脂的基本性質(zhì)是兩性物質(zhì),能夠自我裝配成雙層結(jié)構(gòu)或自我封閉成球狀。34膜脂的功能◆構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，則使膜解體;◆是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能;◆膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境,一般膜脂本身不參與反應(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng));

◆膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團(tuán)存在時(shí)才有功能。35◆脂質(zhì)體(Liposome)■phospholipidmoleculesassemblespontaneouslytoformthewallsoffluid-filledsphericalvesicles,calledliposomes.■脂質(zhì)體可用作生物膜的研究模型，并可作為生物大分子與藥物的運(yùn)載體，因此脂質(zhì)體不僅是研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)的極好材料，同時(shí)在基因轉(zhuǎn)移藥物治療方面有著誘人的應(yīng)用前景。363.2.2MEMBRANEPROTEINS

◆生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)完成的;◆膜蛋白約占膜的40%～50%,有50余種膜蛋白;

◆在不同細(xì)胞中膜蛋白的種類及含量有很大差異。有的含量不到25%,有的達(dá)到75%;◆一般來說,功能越復(fù)雜的膜,其上的蛋白質(zhì)含量越多。37膜蛋白的種類◆整合蛋白(IntegralProteins)

■部分或全部鑲嵌在細(xì)胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；■Infact,allintegralproteinsareprobablytransmembraneproteins;thatis,theypassentirelythroughthelipidbilayerandthushavedomainsthatprotrudefromboththeextracellularandcytoplasmicsidesofthemembrane★；■根據(jù)跨膜次數(shù)將跨膜蛋白分為單次跨膜、多次跨膜、多亞單位跨膜等；跨膜蛋白的跨膜區(qū)為一般為α螺旋,也有的是β折疊，如孔蛋白；■整合蛋白約占膜蛋白的70-80%。38◆外周蛋白(peripheralproteins)

■Proteinsarelocatedentirelyoutsideofthelipidbilayer,onthecytoplasmicorextracellularside,yetareassociatedwiththesurfaceofthemembranebynoncovalentbonds.■外周蛋白為水溶性;■占膜蛋白總量的20%～30%,在紅細(xì)胞中占50%,如紅細(xì)胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白。39

◆脂錨定蛋白(Lipid-anchoredproteins)■Proteinsthatarelocatedoutsidethelipidbilayer,oneithertheextracellularorcytoplasmicsurface,butarecovalentlylinkedtoalipidmoleculethatissituatedwithinthebilayer;■又稱脂連接蛋白(lipid-linkedproteins),同脂的結(jié)合有兩種方式：●一種方式是通過一個(gè)糖分子間接同脂雙層中的脂結(jié)合；●一種是蛋白質(zhì)直接與脂雙層中的脂結(jié)合。40

Lipid-anchoredproteins？41FUNCTIONSOFMEMBRANEPROTEINS

◆運(yùn)輸?shù)鞍祝耗さ鞍字杏行┦沁\(yùn)輸?shù)鞍?轉(zhuǎn)運(yùn)特殊的分子和離子進(jìn)出細(xì)胞;◆酶：有些是酶，催化相關(guān)的代謝反應(yīng);◆連接蛋白：有些是連接蛋白,起連接作用；◆受體：起信號(hào)接收和傳遞作用。42