翟中和細胞生物學細胞質(zhì)膜省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

怎樣了解“細胞是生命活動基本單位”。答：①細胞是組成有機體基本單位。一切有機體均由細胞組成，只有病毒是非細胞形態(tài)生命體。②細胞含有獨立、有序自控代謝體系，細胞是代謝與功效基本單位③細胞是有機體生長與發(fā)育基礎(chǔ)④細胞是遺傳基本單位，細胞含有遺傳全能性⑤細胞是生命起源和進化基本單位。⑥沒有細胞就沒有完整生命1/65怎樣了解“病毒是非細胞形態(tài)生命體”？答：⑴病毒是“不完全”生命體。病毒不具備細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)，但卻具備生命基本特征（復制與遺傳），其主要生命活動必需在細胞內(nèi)才能表現(xiàn)。⑵病毒是徹底寄生物。病毒沒有獨立代謝和能量系統(tǒng)，必需利用宿主生物合成機構(gòu)進行病毒蛋白質(zhì)和病毒核酸合成。⑶病毒只含有一個核酸。⑷病毒繁殖方式特殊稱為復制。病毒可能是細胞在特定條件下“扔出”一個基因組，或者是含有復制與轉(zhuǎn)錄能力mRNA。這些游離基因組只有回到它們原來細胞內(nèi)環(huán)境中才能進行復制與轉(zhuǎn)錄。2/65為何電子顯微鏡不能完全替換光學顯微鏡？電子顯微鏡用電子束代替了光束，大大提升了分辨率，電子顯微鏡相對光學顯微鏡是個飛躍。不過電子顯微鏡：樣品制備愈加復雜；鏡筒需要真空，成本更高；只能觀察“死”樣品，不能觀察活細胞。光學顯微鏡技術(shù)性能要求不高，使用輕易；能夠觀察活細胞，觀察視野范圍廣，可在組織內(nèi)觀察細胞間聯(lián)絡；而且一些新發(fā)展起來光學顯微鏡能夠觀察特殊細胞或細胞結(jié)構(gòu)組分。所以，電子顯微鏡不能完全代替光學顯微鏡。3/65為何說細胞培養(yǎng)是細胞生物學研究最基本技術(shù)之一？答：在體外模擬體內(nèi)生理環(huán)境，培養(yǎng)從機體中取出細胞，并使之生存和生長技術(shù)稱為細胞培養(yǎng)。 細胞培養(yǎng)是細胞生物學研究中最基本試驗技術(shù)之一，在理論上如細胞全能性揭示，細胞周期及其調(diào)控，癌機制與細胞衰老，基因表示與調(diào)控，細胞融合以及一些細胞工程技術(shù)建立都是與細胞培養(yǎng)分不開。在試驗方面，植物細胞培養(yǎng)為植物育種開辟了新路徑。動物細胞培養(yǎng)為疫苗生產(chǎn)、藥品研制與腫瘤防治等醫(yī)學試驗提供了全新伎倆。細胞培養(yǎng)是細胞生物學研究中最有價值技術(shù)。經(jīng)過細胞培養(yǎng)可取得大量細胞，也能夠經(jīng)過細胞培養(yǎng)研究細胞運動、細胞信號轉(zhuǎn)導、細胞合成代謝等。突出特點是在離體條件下觀察和研究細胞生命活動規(guī)律。培養(yǎng)中細胞不受體內(nèi)復雜環(huán)境影響，能夠認為改變培養(yǎng)條件。 總來說，細胞培養(yǎng)是細胞生物學研究前提和基礎(chǔ)，許多后期試驗均建立在細胞培養(yǎng)基礎(chǔ)之上。所以能夠說，細胞培養(yǎng)是細胞生物學研究最基本技術(shù)之一。4/65第4章細胞質(zhì)膜5/65細胞表面是復合結(jié)構(gòu)體系與多功效體系，細胞膜是細胞表面關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。6/65細胞質(zhì)膜（plasmamembrane）又稱質(zhì)膜，曾稱細胞膜（cellmembrane)，是圍繞在細胞最外層，由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類組成生物膜。在細胞內(nèi)部包繞各種細胞器膜，稱為細胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和細胞內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學組成等方面含有相同性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細胞進行生命活動主要物質(zhì)基礎(chǔ)?；靖拍?/65本章主要內(nèi)容細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型與基本成份細胞質(zhì)膜基本特征與功效8/65第一節(jié)細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型與基本成份細胞質(zhì)膜

（plasmamembrane）真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

（endomembranesystem）生物膜（biomembrane）9/65一、細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型三明治模型單位膜模型流動鑲嵌模型脂筏模型每種模型對認識生物膜貢獻及其不足？10/651895年，E.Overton

發(fā)覺凡是溶于脂肪物質(zhì)很輕易透過植物細胞質(zhì)膜，而不溶于脂肪物質(zhì)不易透過細胞質(zhì)膜，所以推測質(zhì)膜由連續(xù)脂類物質(zhì)組成。1.質(zhì)膜由雙層脂分子組成推測11/65

1925年，E.Gorter（戈頓）&F.Grendel（格倫德爾）用有機溶劑提取了人紅細胞質(zhì)膜脂類成份，將其鋪展在水面，測出膜脂展開面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞質(zhì)膜由雙層脂分子組成。12/652.“蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)”三明治式結(jié)構(gòu)模型1935年，J.Danielli&H.Davson發(fā)覺質(zhì)膜表面張力比油－水界面張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。提出蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)三明治式質(zhì)膜模型（三夾板模型）。13/651959年，J.D.Robertson（羅伯遜）用超薄切片技術(shù)取得了清楚細胞膜照片，顯示出暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，研究表明：它由厚約3.5nm雙層脂分子（明帶）和內(nèi)外表面各厚約2nm蛋白質(zhì)組成(暗帶總厚約7.5nm）。當初認為膜上還含有貫通脂雙層蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)過，由此發(fā)展了三明治模型，提出了蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)單位膜模型（unitmenbranemodel）。

3.單位膜模型電鏡超薄切片中細胞質(zhì)膜顯示出暗－亮－暗三條帶14/654.流動鑲嵌模型1972年，Singer和Nicolson①膜流動性

②膜蛋白分布不對稱性Singer,S.J.;Nicolson,G.L.(1972)."Thefluidmosaicmodelofthestructureofcellmembranes".Science,175(4023):720–731.15/65該模型主要論點是:

1）流動脂雙層組成膜連續(xù)主體,球形膜蛋白質(zhì)以各種鑲嵌形式與脂雙分子層相結(jié)合。

2）組成膜脂雙層含有液晶態(tài)特征,它現(xiàn)有晶體分子排列有序性,又有液體流動性。該模型突出特點是：

1）強調(diào)了膜流動性：即膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運動；

2）強調(diào)了膜組分分布不對稱性：即膜蛋白有鑲在表面、有嵌入、有橫跨脂雙分子層。該模型不足之處：

1）忽略了蛋白質(zhì)分子對脂類分子流動性限制作用；

2）忽略了膜各部分流動性不均勻性等,從而使人們又提出了一些新模型。16/655.脂筏模型1988年，Simons膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對有序脂相，如同漂浮在脂雙層上“脂筏”載著執(zhí)行特定生物學功效膜蛋白SimonsK,vanMeerG(August1988)."Lipidsortinginepithelialcells".Biochemistry,27(17):6197–202.SimonsK,IkonenE(June1997)."Functionalraftsincellmembranes".Nature,387(6633):569–72.17/65脂筏結(jié)構(gòu)模型脂筏模型（lipidrafts）：脂質(zhì)雙分子層不是一個完全均勻二維流體，膜中富含膽固醇和鞘磷脂微區(qū)，其中聚集一些特定蛋白質(zhì)區(qū)。特點：這些區(qū)域比膜其它部分厚，更有秩序且較少流動性。其周圍是流動性較高液態(tài)區(qū)。功效：參加信號轉(zhuǎn)導、受體介導內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運輸?shù)?。脂笩功效紊亂包括各種疾病發(fā)生。18/656.當前對生物膜結(jié)構(gòu)認識磷脂分子在水相中含有自發(fā)封閉性質(zhì)蛋白質(zhì)分子以不一樣方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中二維溶液細胞生命活動中，生物膜處于不停動態(tài)改變中19/65生物膜結(jié)構(gòu)示意圖20/65質(zhì)膜化學組成質(zhì)膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少許糖，主要以糖脂和糖蛋白形式存在。膜脂是膜基本骨架，膜蛋白是膜功效主要表達者。動物細胞膜通常含有等量脂類和蛋白質(zhì)。21/65二、膜脂(membranelipid)22/65（一）成份甘油磷脂鞘脂固醇23/651.甘油磷脂含有一個極性頭和兩個非極性尾脂肪酸碳鏈為偶數(shù)除飽和脂肪酸外常含1-2個雙鍵不飽和脂24/65脂分子極性頭空間占位對脂雙層曲度影響PE極性頭較小，更多地分布在脂雙層曲度較小一側(cè)(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰膽堿)25/65甘油磷脂與鞘磷脂PEPSPCSM26/652.鞘脂主要在高爾基體合成鞘磷脂形成脂雙層厚度較甘油磷脂厚度大A.卵磷脂B.鞘磷脂C.卵磷脂和膽固醇D.鞘磷脂和膽固醇27/653.固醇：膽固醇及其類似物含4個閉環(huán)，親水頭部為一個羥基調(diào)整膜流動性，增加膜穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)通透性脂筏基本結(jié)組成份，還是很多主要生物活性分子前體化合物Figure10-4MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)28/65（二）膜脂運動方式沿膜平面?zhèn)认蜻\動脂分子圍繞軸心自旋運動脂分子尾部擺動雙層脂分子之間翻轉(zhuǎn)運動Figure10-11bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)29/65（三）脂質(zhì)體(liposome)脂質(zhì)體：依據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜現(xiàn)象而制備人工膜用途：可嵌入不一樣膜蛋白，

是研究膜脂與膜蛋白生物學性質(zhì)以及轉(zhuǎn)基因、藥品靶向好材料30/65（三）脂質(zhì)體(liposome)Figure10-8MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)Lipidbilayerssealspontaneously31/65三、膜蛋白(membraneprotein)膜蛋白種類繁多賦予生物膜主要生物學功效32/65（一）膜蛋白三種基本類型外在膜蛋白或外周膜蛋白內(nèi)在膜蛋白或整合膜蛋白脂錨定膜蛋白33/65脂錨定膜蛋白3種類型A：脂肪酸結(jié)合到膜蛋白N端甘氨酸殘基上B：烴鏈結(jié)合到膜蛋白C端半胱氨酸殘基上C：經(jīng)過糖脂錨定在細胞質(zhì)膜上34/65（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合方式內(nèi)在膜蛋白為跨膜蛋白可分為：胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域35/65內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合方式膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子疏水關(guān)鍵相互作用跨膜結(jié)構(gòu)域兩端帶正電荷氨基酸殘基或帶負電氨基酸殘基經(jīng)過Ca2+、Mg2+與帶負電磷脂極性頭部相互作經(jīng)過本身在胞質(zhì)一側(cè)半胱氨酸殘基共價結(jié)合到膜脂肪酸分子上36/65內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂跨膜結(jié)構(gòu)域形成α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域主要由β折疊片組成一些α螺旋外側(cè)非極性鏈與膜脂相互作用，內(nèi)側(cè)極性鏈形成特異極性分子跨膜通道37/65膜蛋白及其與膜脂關(guān)系三維結(jié)構(gòu)分析跨膜蛋白現(xiàn)有疏水區(qū)域(跨膜區(qū))，也有親水區(qū)域（膜表面區(qū)），其結(jié)構(gòu)解析主要是應用低溫電鏡技術(shù)和X射線晶體衍射技術(shù)圖4-12圖4-1338/65（三）去垢劑一端親水、一端疏水兩性小分子，是分離與研究膜蛋白慣用試劑插入膜脂與膜脂或膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域等疏水部位結(jié)合，形成可溶性微粒39/65（三）去垢劑離子型去垢劑：如SDS，可破壞蛋白質(zhì)中離子鍵和氫鍵等非共價鍵，甚至改變蛋白質(zhì)親水部分構(gòu)象非離子去垢劑：如TritonX-100，對蛋白質(zhì)作用比較溫和，用于膜蛋白分離與純化40/65四、膜糖糖脂糖蛋白Figure10-28bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)細胞質(zhì)膜上膜糖都位于質(zhì)膜外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中膜糖則面向細胞器腔面！41/65第二節(jié)細胞質(zhì)膜基本特征與功效流動性不對稱性膜骨架質(zhì)膜基本功效42/65一、膜流動性膜流動性是是全部生物膜基本特征，是細胞生長增殖等生命活動必要條件膜流動狀態(tài)受細胞代謝過程調(diào)整43/65（一）膜脂流動性脂肪酸鏈越短、不飽和程度越高，流動性越大溫度對膜脂運動有顯著影響膽固醇對膜流動性起著雙重調(diào)整作用44/65（二）膜蛋白流動性熒光標識人-鼠細胞融合試驗成斑現(xiàn)象（patching）或成帽現(xiàn)象（capping）Figure10-35MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)45/65（二）膜蛋白流動性膜蛋白流動性受各種原因限制：如緊密連接、細胞骨架影響等46/65（三）膜脂和膜蛋白運動速率檢測熒光漂白恢復（FRAP）技術(shù)Figure10-36aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)47/65質(zhì)膜流動性是確保其正常功效必要條件比如物質(zhì)運輸、細胞識別、細胞信號轉(zhuǎn)導等，與細胞生長發(fā)育，抗寒性有關(guān)。當膜流動性低于一定閾值時，許多酶活動和跨膜運輸將停頓，反之假如流動性過高，又會造成膜溶解。膜流動性生物學意義48/65影響膜流動性原因膽固醇：膽固醇含量增加會降低膜流動性。脂肪酸鏈飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該百分比高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其它原因：溫度、酸堿度、離子強度等。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用：內(nèi)在蛋白越多，界面脂越多，膜流動性降低。49/65二、膜不對稱性膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不對稱分布糖蛋白和糖脂糖基部分均位于細胞質(zhì)膜外側(cè)電鏡冷凍蝕刻技術(shù)50/65（一）細胞質(zhì)膜各膜面名稱質(zhì)膜細胞外表面（extrocytoplasmicsurface，ES）質(zhì)膜原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface，PS）細胞外小葉斷裂面（extrocytoplasmicface，EF）原生質(zhì)小葉斷裂面（protoplasmicface，PF）51/65EFPF小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻52/65（二）膜脂不對稱性膜脂不對稱性是指同一個膜脂分子在膜脂雙層中呈不均勻分布糖脂分布表現(xiàn)出完全不對稱性：非胞質(zhì)側(cè)53/65（二）膜脂不對稱性54/65（三）膜蛋白不對稱性全部膜蛋白在質(zhì)膜上都呈不對稱分布，每種膜蛋白分子在質(zhì)膜上都含有明確方向性糖蛋白糖殘基均分布在生物膜非胞質(zhì)一側(cè)Figure10-27MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)55/65三、細胞質(zhì)膜相關(guān)膜骨架Figure10-42aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience)56/65（一）膜骨架