細胞質(zhì)膜與跨膜運輸

回顧1.1細胞生物學(xué)導(dǎo)讀1.2細胞生物學(xué)發(fā)展階段特征1.3細胞生物學(xué)發(fā)展大紀事1.4模式生物當前第1頁\共有39頁\編于星期四\7點第4章細胞質(zhì)膜及跨膜運輸學(xué)習(xí)內(nèi)容：4.1質(zhì)膜的化學(xué)組成4.2質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和特點4.3物質(zhì)的跨質(zhì)膜運輸當前第2頁\共有39頁\編于星期四\7點4.1質(zhì)膜的化學(xué)組成膜脂(本書分類),

分成4大類：①游離脂肪酸；②脂肪酸脂，如三酰甘油(triacylglycerol)和磷脂(phospholipid)；③類異戊二烯(isoprenoid)，如甾(固)醇(sterols)、甾醇酯(sterolesters)、多萜醇(dolichol)和發(fā)呢醇(farnesol)；④糖脂(glycolipid)。當前第3頁\共有39頁\編于星期四\7點

1

Phosphoglycerides甘油磷脂，>50%膜脂總量膜脂的基本成分以甘油為骨架，主要有：①

磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）

②磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS③磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）④磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI④雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）

2

Sphingolipids鞘脂

,包括糖脂：都是鞘氨醇的衍生物。如:紅細胞質(zhì)膜中糖脂對ABO血型的決定

3Cholesterol膽固醇,分子結(jié)構(gòu)(扁平環(huán)狀)對磷脂尾部運動有干擾，加強膜的穩(wěn)定性北大書的分類當前第4頁\共有39頁\編于星期四\7點三種膜脂分子：都是兩性分子，即同時具有親水(紅色部分)和疏水2種性質(zhì)的分子。123當前第5頁\共有39頁\編于星期四\7點MembranelipidsLipidsandLipidBilayerThechemicalstructureofmembranelipids當前第6頁\共有39頁\編于星期四\7點當前第7頁\共有39頁\編于星期四\7點固醇，甾醇豆固醇，豆甾醇Thebasicstructureofsteroidsisa4-ringhydrocarbon(碳氫化合物)哺乳動物細胞中，質(zhì)膜膽固醇含量最高，內(nèi)膜系統(tǒng)很低。大多數(shù)植物和細菌細胞質(zhì)膜中沒有膽固醇。植物通常含有豆甾醇、谷甾醇。書49頁類異戊二烯(isoprenoids)：當前第8頁\共有39頁\編于星期四\7點2膜蛋白(p51)生物膜的特定功能主要由蛋白質(zhì)決定，一般功能越復(fù)雜的膜，其上的膜蛋白種類越多三種膜蛋白的類型：1)膜內(nèi)在蛋白(intrinsicprotein)、跨膜蛋白:

以蛋白的非極性疏水氨基酸與膜脂的非極性區(qū)相互作用而結(jié)合在質(zhì)膜上，部分或全部鑲嵌在細胞膜中。

水不溶性蛋白，與質(zhì)膜結(jié)合緊密(去垢劑處理才可分離)。2)外周蛋白(peripheralprotein)、外在膜蛋白：

蛋白完全外露在脂雙層的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，以非共價鍵(靜電作用)附著在磷脂或其它蛋白極性部分。

水溶性蛋白，高鹽或堿性pH條件即可分離下來。3）脂錨定蛋白（Lipid-anchoredproteins）當前第9頁\共有39頁\編于星期四\7點1)

Integralproteinstypicallycontainoneormoretransmembranehelices－theypassentirelythroughthelipidbilayerandhavedomainsthatprotrudefromboththeextracellularandcytoplasmic

sidesofthemembrane.eg.Receptors,channels,transportersinvolvedinthemovementofionsandsolutesacrossthemembrane.當前第10頁\共有39頁\編于星期四\7點2)peripheralproteinsarenoncovalently(非共價鍵)bondedtothepolarheadgroupsofthelipidbilayerand/ortoanintegralmembraneprotein.－theyarelocatedentirelyoutsideofthelipidbilayer,oneitherthecytoplasmicorextracellularside,yetareassociatedwiththesurfaceofthemembranebynoncovalentbonds.Eg.細胞膜骨架當前第11頁\共有39頁\編于星期四\7點3)脂錨定蛋白：與膜脂的特定脂類以共價連接于膜上。雖位于外周，但改變pH或離子強度不能從膜上去除，需特定的酶才能釋放。(Lipid-anchoredproteins)arecovalentlybondedtoalipidgroupthatresideswithinthemembrane.eg.G蛋白,Src,Ras蛋白質(zhì)直接結(jié)合于脂雙層蛋白質(zhì)通過一個糖分子間接與脂雙層結(jié)合當前第12頁\共有39頁\編于星期四\7點內(nèi)在整合蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域，以-螺旋-折疊細菌外膜上的孔蛋白折疊方式跨膜當前第13頁\共有39頁\編于星期四\7點Asymmetricdistribution膜內(nèi)外兩層組分和功能的差異，稱膜的不對稱性。Exteriorsurface(ES):細胞外表面Exteriorfacture(EF):細胞外小頁斷面Protoplasmfacture(PF):原生質(zhì)小頁斷面Protoplasmsurface(PS):原生質(zhì)表面

研究方法1:

freeze-fracturereplicationP310當前第14頁\共有39頁\編于星期四\7點冰凍蝕刻復(fù)型技術(shù)是生物膜結(jié)構(gòu)的一種獨特的樣品制備技術(shù)。利用快速冷凍方法固定的生物組織塊具有剛性和脆性。在對其施加外力后，組織往往在其結(jié)構(gòu)相對“脆弱”的部位斷裂，即膜脂雙分子層的疏水端，從而顯示出膜各個層面中的蛋白質(zhì)顆粒。Asymmetricdistributionfreeze-fracturereplication當前第15頁\共有39頁\編于星期四\7點SolubilizationofmembraneproteinswithdetergentsStudyingmethod2:detergents當前第16頁\共有39頁\編于星期四\7點不同去垢劑提取的膜蛋白比較當前第17頁\共有39頁\編于星期四\7點當前第18頁\共有39頁\編于星期四\7點Studyingmethod3:

X-raycrystallographyBacterialphotosyntheticreactioncenter--consistsofthreesubunitscontaining11membrane-spanninghelices當前第19頁\共有39頁\編于星期四\7點Identifyingatransmembranedomainandhydropathyplotforglycophorin(血型糖蛋白)proteinsStudyingmethod4:predictedbybioinformatics當前第20頁\共有39頁\編于星期四\7點質(zhì)膜脂雙層中磷脂(紅色文字)和

糖脂-都是位于脂雙層的外側(cè)(藍色)的不對稱分布。膽固醇幾乎均等地分布在兩側(cè)單層中3膜糖

p54當前第21頁\共有39頁\編于星期四\7點Bloodgroupantigens當前第22頁\共有39頁\編于星期四\7點4.2質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和特點流動鑲嵌模型1972SingerNicolson1質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)當前第23頁\共有39頁\編于星期四\7點三明治模型（蛋白質(zhì)的分布描述有差異）流體鑲嵌模型：1不同的蛋白質(zhì)鑲嵌于脂雙層的方式不同－不對稱性；2膜具流動性(蛋白質(zhì)、脂類)p56-57當前第24頁\共有39頁\編于星期四\7點細胞膜的脂筏模型示意圖Lipidraftmodel,1988在磷脂為主體的膜上，膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對獨立的“脂筏”，其上承載著執(zhí)行特定生物功能的某些膜蛋白。當前第25頁\共有39頁\編于星期四\7點1988，Simon正式提出“l(fā)ipidrafts脂筏模型”：在以甘油磷脂為主題的生物膜上，膽固醇、鞘磷脂等形成相對有序的脂相，如同漂浮在磷脂雙分子層上的“脂筏”一樣載著執(zhí)行某種特定功能的各種膜蛋白。p139當前第26頁\共有39頁\編于星期四\7點特性1：膜脂的流動\運動性(p58)Figure4-16同一側(cè)的側(cè)向運動靠尾部擺動的旋轉(zhuǎn)運動雙層分子之間的翻轉(zhuǎn)運動當前第27頁\共有39頁\編于星期四\7點疏水性羥基尾部不帶電荷，沒有極性，不能與水分子形成氫鍵，暴露于水中在能量上是不利的避免了疏水羥基尾暴露于水當前第28頁\共有39頁\編于星期四\7點脂質(zhì)體(liposome)：人工合成，把純磷脂/磷脂酰膽堿加在水中，可自我裝配，自動形成封閉的直徑從25nm-1mm的球形小泡。(textPage51)電鏡：顯示膜雙層結(jié)構(gòu)的磷脂小泡－脂質(zhì)體當前第29頁\共有39頁\編于星期四\7點應(yīng)用生物膜特性的研究模型-理論研究membraneresearch:membraneproteinscanbeinsertedintoliposomesandtheirfunctionstudiedinamuchsimplerenvironmentthanthatofa

naturalmembrane2)脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移。3)作為生物大分子(如DNA)和藥物的載體。LiposomeshavebeendevelopedasvehiclestodeliverdrugsorDNAmoleculeswithinthebody.當前第30頁\共有39頁\編于星期四\7點膜的流動性(p59)膜脂的流動性和膜蛋白的運動－細胞進行生命活動的必要條件。熒光標記膜蛋白抗體鼠細胞為紅色人細胞為藍色病毒誘導(dǎo)的細胞融合幾分鐘后蛋白質(zhì)開始交叉分布40分鐘之后蛋白質(zhì)的分布均勻當前第31頁\共有39頁\編于星期四\7點Fluorescencerecoveryafterphoto-bleaching(FRAP)－熒光漂白恢復(fù)技術(shù)

experimentscanquantifythelateralmovement(側(cè)向運動)ofproteinsandlipidswithintheplasmamembrane.Frapvideo當前第32頁\共有39頁\編于星期四\7點PE:磷脂酰乙醇胺Cl:膽固醇PI:磷脂酰肌醇SM：鞘磷脂PC:磷脂酰膽堿PS:磷脂酰絲氨酸特點之一：膜脂在細胞內(nèi)外兩側(cè)分布的不對稱性(p60)膜脂的特性2不對稱性當前第33頁\共有39頁\編于星期四\7點Redbloodcell

紅細胞經(jīng)低滲處理，細胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影。質(zhì)膜細胞骨架

(Theredbloodcell--erythrocyte):當前第34頁\共有39頁\編于星期四\7點⑥帶3蛋白(band3))紅細胞膜蛋白②錨定蛋白(ankyrin)③帶4.1蛋白(band4.1)④肌動蛋白(actin)①血影蛋白(spectrin)膜骨架蛋白⑦血型糖蛋白(glycophorin)膜蛋白⑤內(nèi)收蛋白(adducin)TheresultsofSDS–polyacrylamidegelelectrophoresis(SDS–PAGE)usedtofractionatetheproteinsoftheerythrocytemembrane,whichareidentifiedatthesideofthegel當前第35頁\共有39頁\編于星期四\7點PlasmamembraneglycolipidlipidPhosphoglyceridescholesterolPeripheralproteinIntegralproteinLipid-anchoredproteinproteinglycolipidCarbo-hydratesglycoproteinStructureandcharacteristicsofmembranesasymmetryandfluidityThechemicalcompositionofmembrane當前第36頁\共有39頁\編于星期四\7點細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究簡史

1.

E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。2.

E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了