细胞膜的结构及探索历程.pptx

本章内容本章内容细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能膜骨架膜骨架细胞质膜在维持胞内环境的相对稳定，细胞质膜在维持胞内环境的相对稳定，细胞与环境之间的物质运输、能量转换细胞与环境之间的物质运输、能量转换及信息传递过程中有重要作用。及信息传递过程中有重要作用。细胞内膜系统和细胞质膜统称为细胞内膜系统和细胞质膜统称为生物膜生物膜。第一节第一节 细胞质膜的结构模型细胞质膜的结构模型一、生物膜的结构模型：一、生物膜的结构模型：1 质膜结构研究历史的回顾：质膜结构研究历史的回顾：Overton(1890s):Lipid nature of PM;J.D.Robertson(1959):The TEM showing:the trilaminar appearance of PM;Unit membrane model;S.J.Singer and G.Nicolson(1972):fluid-mosaic model;K.Simons et al(1997):lipid rafts model;Singer and Nicolsons Model of membrane structure:The fluid-mosaic model is the“central dogma”of membrane biology.The Fluid Mosaic Model,proposed in 1972 by Singer and Nicolson,had two key features,both implied in its name.流动镶嵌模型的要点流动镶嵌模型的要点(1)膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可以侧向运动。膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可以侧向运动。The core lipid bilayer exists in a fluid state,capable of dynamic movement.(2)膜蛋白分布的不对称性，以镶嵌、覆盖或贯穿膜蛋白分布的不对称性，以镶嵌、覆盖或贯穿的形式与脂双层分子结合。的形式与脂双层分子结合。Membrane proteins form a mosaic of particles penetrating the lipid to varying degrees.目前对生物膜结构的认识目前对生物膜结构的认识 P85 要点要点1：磷脂分子的排列形式磷脂分子的排列形式 要点要点2：蛋白质与磷脂分子的关系：蛋白质与磷脂分子的关系 要点要点3：对生物膜的整体认识：对生物膜的整体认识 二、生物膜的成分：二、生物膜的成分：（一）膜脂（一）膜脂:生物膜的基本组成成分，主要包括的类型有：生物膜的基本组成成分，主要包括的类型有：磷脂：膜脂的基本成分，含量磷脂：膜脂的基本成分，含量50%糖脂：含量糖脂：含量5%胆固醇：含量胆固醇：含量 1/3Figure.The parts of a phospholipid molecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰胆碱）,represented schematically(A),in formula(B),as a space-filling model(C),and as a symbol(D).The kink due to the cis-double bond（顺双键）is exaggerated in these drawings for emphasis.Figure.A lipid micelle（微囊）（微囊）and a lipid bilayer seen in cross-section（横断面）（横断面）.Lipid molecules form such structures spontaneously in water.The shape of the lipid molecule determines which of these structures is formed.Wedge-shaped lipid molecules(above)form micelles,whereas cylinder-shaped phospholipid molecules(below)form bilayers.Figure.Liposomes（脂质体）（脂质体）(A)An electron micrograph of unfixed,unstained phospholipid vesicles(liposomes)in water.The bilayer structure of the vesicles is readily apparent.(B)A drawing of a small spherical liposome seen in cross-section.Liposomes are commonly used as model membranes in experimental studies.脂质体脂质体：具有亲水和疏水两性的脂类物质在水相中形成具有亲水和疏水两性的脂类物质在水相中形成的、由脂双层构成的人工膜结构叫做脂质体。的、由脂双层构成的人工膜结构叫做脂质体。作用：作用：研究膜脂和膜蛋白及其生物学性质研究膜脂和膜蛋白及其生物学性质 作为转基因的介质，将作为转基因的介质，将DNA导入细胞。导入细胞。作为药物载体在活体内给药，治疗疾病。作为药物载体在活体内给药，治疗疾病。（二）膜蛋白：（二）膜蛋白：主要承担和执行生物膜的功能。不同功能的主要承担和执行生物膜的功能。不同功能的细胞，其膜蛋白的含量和种类有显著差异。细胞，其膜蛋白的含量和种类有显著差异。按照功能划分为：按照功能划分为：催化代谢类：参与催化的酶催化代谢类：参与催化的酶 物质运输类：泵、载体、通道物质运输类：泵、载体、通道 信息的感受和传递类：受体、抗原、黏附分子信息的感受和传递类：受体、抗原、黏附分子Figure.Six ways in which membrane proteins associate with the lipid bilayer.Most trans-membrane proteins are thought to extend across the bilayer as a single a helix(1)or as multiple a helices(2);some of these“single-pass”and“multipass”proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytoplasmic monolayer(1).Other membrane proteins are attached to the bilayer solely by a covalently attached lipid-either a fatty acid chain or prenyl group-in the cytoplasmic monolayer(3)or,less often,via an oligosaccharide,to a minor phospholipid,phosphatidylinositol(磷脂酰肌醇),in the noncytoplasmic monolayer(4).Finally,many proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins(5)and(6).Membrane proteins（1）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：依靠离子键或较弱的键和膜表面的蛋白依靠离子键或较弱的键和膜表面的蛋白质或膜脂分子结合的水溶性蛋白质或膜脂分子结合的水溶性蛋白。约占膜蛋白总量的约占膜蛋白总量的20-30%容易从膜上分离下来而不破坏膜结构。容易从膜上分离下来而不破坏膜结构。例如：红细胞胞质侧附着的血影蛋白。例如：红细胞胞质侧附着的血影蛋白。膜蛋白的种类膜蛋白的种类（按照与膜脂结合方式及所处位置划分）（按照与膜脂结合方式及所处位置划分）(2)内在膜蛋白（整合膜蛋白）内在膜蛋白（整合膜蛋白）:贯穿或插入膜脂双层的内外两侧面，不溶贯穿或插入膜脂双层的内外两侧面，不溶于水。于水。与膜结合紧密，用去垢剂破坏膜结构才可与膜结合紧密，用去垢剂破坏膜结构才可以分离出来。以分离出来。占全部膜蛋白的占全部膜蛋白的70-80%。例如：例如：MN血型糖蛋白血型糖蛋白 Figure.A typical single-pass transmembrane protein.Note that the polypeptide chain traverses the lipid bilayer as a right-handed a helix and that the oligosaccharide chains and disulfide bonds are all on the noncytosolic surface of the membrane.Disulfide bonds do not form between the sulfhydryl groups in the cytoplasmic domain of the protein because the reducing environment in the cytosol maintains these groups in their reduced(-SH)form.内在膜蛋白多数是跨膜蛋白，膜结合方式多种。内在膜蛋白多数是跨膜蛋白，膜结合方式多种。内在膜蛋白的跨膜结构域是与膜脂结合的主要内在膜蛋白的跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，或者形成部位，或者形成螺旋，或者形成螺旋，或者形成折叠片结折叠片结构。构。(3)脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白:这类膜蛋白的肽链不嵌入膜中，通过共价这类膜蛋白的肽链不嵌入膜中，通过共价键和脂分子连接，从而锚定在细胞膜上。键和脂分子连接，从而锚定在细胞膜上。按照结构和分布分成三种类型：按照结构和分布分成三种类型：酰化蛋白质酰化蛋白质 异戊烯化蛋白质异戊烯化蛋白质 GPI锚定膜蛋白锚定膜蛋白 酰化蛋白质：蛋白酰化蛋白质：蛋白N端的甘氨酸残基发生酰端的甘氨酸残基发生酰基化，与基化，与C14或或C16脂肪酸连接，以其烃链脂肪酸连接，以其烃链插入质膜内侧。如：插入质膜内侧。如：Src蛋白通过酰化引起蛋白通过酰化引起细胞恶性转化。细胞恶性转化。异戊烯化蛋白质：异戊烯化蛋白质：蛋白质的蛋白质的C C端或附近的半胱氨酸残基的端或附近的半胱氨酸残基的SHSH基与异戊二烯形成硫酯键，所生成的法尼基基与异戊二烯形成硫酯键，所生成的法尼基烃链插入质膜的内侧。烃链插入质膜的内侧。例如：例如：RasRas蛋白可以异戊二烯化，插入质蛋白可以异戊二烯化，插入质膜的内侧，发挥信号转导的功能。膜的内侧，发挥信号转导的功能。GPI(GPI(糖基化磷脂酰肌醇糖基化磷脂酰肌醇)锚定膜蛋白：锚定膜蛋白：蛋白质的羧基端通过磷酸乙醇胺与蛋白质的羧基端通过磷酸乙醇胺与GPIGPI共共价结合，插入质膜的外侧。价结合，插入质膜的外侧。例如：癌胚抗原（例如：癌胚抗原（CEACEA），），最初发现于结最初发现于结肠癌及胎儿肠组织中，故名。血清肠癌及胎儿肠组织中，故名。血清CEA升高，升高，除见于消化道癌外，也见于其他系统。除见于消化道癌外，也见于其他系统。为消化道肿瘤的辅助诊断指标，正常水平为消化道肿瘤的辅助诊断指标，正常水平应应5ngml脂锚定膜蛋白的分布规律：脂锚定膜蛋白的分布规律：与脂肪酸结合的蛋白多分布在膜的内侧；与脂肪酸结合的蛋白多分布在膜的内侧；与糖脂结合的蛋白多分布在质膜外侧。与糖脂结合的蛋白多分布在质膜外侧。Figure.The covalent attachment of either of two types of lipid groups can help localize a water-soluble protein to a membrane after its synthesis in the cytosol.(A)A fatty acid chain(either myristic or palmitic acid)is attached via an amide linkage to an amino-terminal glycine.(B)A prenyl group(either farnesyl or a longer geranylgeranyl group-both related to cholesterol)is attached via a thioether linkage to a cysteine residue that is four residues from the carboxyl terminus.Following this prenylation,the terminal three amino acids are cleaved off and the new carboxyl terminus is methylated before insertion into the membrane.The structures of two lipid anchors are shown underneath:(C)a myristyl anchor(a 14-carbon saturated fatty acid chain),and(D)a farnesyl anchor(a 15-carbon unsaturated hydrocarbon chain).酰胺键酰胺键硫醚键硫醚键去垢剂（去垢剂（去垢剂（去垢剂（detergentdetergent）:分离与研究膜蛋白的常用试剂。分离与研究膜蛋白的常用试剂。分离与研究膜蛋白的常用试剂。分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂：离子型去垢剂：离子型去垢剂：离子型去垢剂：使细胞膜崩解，作用剧烈，引起蛋白变性。使细胞膜崩解，作用剧烈，引起蛋白变性。使细胞膜崩解，作用剧烈，引起蛋白变性。使细胞膜崩解，作用剧烈，引起蛋白变性。例如：例如：例如：例如：SDSSDS 非离子型去垢剂：非离子型去垢剂：非离子型去垢剂：非离子型去垢剂：温和地使细胞膜崩解，可用于膜蛋白的分离和温和地使细胞膜崩解，可用于膜蛋白的分离和温和地使细胞膜崩解，可用于膜蛋白的分离和温和地使细胞膜崩解，可用于膜蛋白的分离和 纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。例如：例如：例如：例如：Triton X-100Triton X-100Figure.Solubilizing membrane proteins with a mild detergent.The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes.The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent.The use of mild detergents for solubilizing,purifying,and reconstituting functional membrane protein systems.In this example functional Na+-K+ATPase molecules are purified and incorporated into phospholipid vesicles.The Na+-K+ATPase is an ion pump that is present in the plasma membrane of most animal cells;it uses the energy of ATP hydrolysis to pump Na+out of the cell and K+in.第二节第二节 生物膜的基本特征和功能生物膜的基本特征和功能一、膜的流动性：一、膜的流动性：生物膜是一种动态结构，其组分处于运生物膜是一种动态结构，其组分处于运动状态，具有膜脂的流动性（动状态，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜）和膜蛋白的运动性（蛋白的运动性（mobility），总称为膜的流），总称为膜的流动性。动性。液晶态液晶态 晶态晶态生理条件生理条件温度降低温度降低液晶态液晶态晶态晶态1 膜脂的流动性：膜脂的流动性：膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式 沿膜平面的侧向运动：基本运动方式沿膜平面的侧向运动：基本运动方式 围绕轴心的自旋运动围绕轴心的自旋运动 脂分子尾部的摆动脂分子尾部的摆动 双层脂分子之间的翻转运动双层脂分子之间的翻转运动膜脂的流动性是细胞生理活动必需的，是维持膜脂的流动性是细胞生理活动必需的，是维持膜的刚性、有序结构和造成膜成分特定取向、膜的刚性、有序结构和造成膜成分特定取向、组织结构二者之间的完美折中。组织结构二者之间的完美折中。脂双层中的脂肪酸饱和程度越高，脂双层转变脂双层中的脂肪酸饱和程度越高，脂双层转变成凝胶的转变温度就越低。成凝胶的转变温度就越低。Dynamic nature of biomembraneThe lateral diffusion of membrane lipids can demonstrated experimentally by a technique called Fluorescence Recovery After Photobleaching(FRAP).2 膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性 细胞融合是证实膜蛋白在膜平面运动的第一细胞融合是证实膜蛋白在膜平面运动的第一个实验（个实验（1970年年Larry Frye和和Michael Edidin）。）。Figure 10-34.Experiment demonstrating the mixing of plasma membrane proteins on mouse-human hybrid cells.The mouse and human proteins are initially confined to their own halves of the newly formed heterocaryon plasma membrane,but they intermix with time.The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein is green whereas rhodamine is red.(Based on observations of L.D.Frye and M.Edidin,J.Cell Sci.7:319-335)Figure 10-35.Antibody-induced patching and capping of a cell-surface protein on a white blood cell.The bivalent（二价的）antibodies cross-link the protein molecules to which they bind.This causes them to cluster into large patches,which are actively swept to the tail end of the cell to form a cap.The centrosome,which governs the head-tail polarity of the cell,is shown in orange.有些膜蛋白在整个膜中随机运动，有些则不能有些膜蛋白在整个膜中随机运动，有些则不能运动。运动。膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需提供能量。运动，不需提供能量。多数研究中，大部分种类的蛋白质在膜中以自多数研究中，大部分种类的蛋白质在膜中以自由扩散的速率随机运动，移动距离仅十分之几由扩散的速率随机运动，移动距离仅十分之几微米。微米。膜蛋白并非完全自由的随机漂浮在脂膜蛋白并非完全自由的随机漂浮在脂“海海”上，上，对整合膜蛋白最强的影响来自膜下细胞骨架的对整合膜蛋白最强的影响来自膜下细胞骨架的限制。限制。Figure 10-37.Diagram of an epithelial cell showing how a plasma membrane protein is restricted to a particular domain of the membrane.Protein A(in the apical membrane)and protein B(in the basal and lateral membranes)can diffuse laterally in their own domains but are prevented from entering the other domain,at least partly by the specialized cell junction called a tight junction.Lipid molecules in the outer(noncytoplasmic)monolayer of the plasma membrane are likewise unable to diffuse between the two domains;lipids in the inner(cytoplasmic)monolayer,however,are able to do so.Figure 10-38.Three domains in the plasma membrane of guinea pig sperm defined with monoclonal antibodies.A guinea pig sperm is shown schematically in(A),while each of the three pairs of micrographs shown in(B),(C),and(D)shows cell-surface immunofluorescence staining with a different monoclonal antibody(on the right)next to a phase-contrast micrograph(on the left)of the same cell.The antibody shown in(B)labels only the anterior head,that in(C)only the posterior head,whereas that in(D)labels only the tail.(Courtesy of Selena Carroll and Diana Myles.)Figure 10-39.Four ways in which the lateral mobility of specific plasma membrane proteins can be restricted.The proteins can self-assemble into large aggregates(such as bacteriorhodopsin in the purple membrane of Halobacterium)(A);they can be tethered by interactions with assemblies of macromolecules outside(B)or inside(C)the cell;or they can interact with proteins on the surface of another cell(D).二、膜的不对称性：二、膜的不对称性：1 膜脂的不对称性：膜脂的不对称性：指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。匀分布。与膜的内侧成分相比，膜的外侧含有相对与膜的内侧成分相比，膜的外侧含有相对较高浓度的磷脂酰胆碱（较高浓度的磷脂酰胆碱（PC），而含有较低），而含有较低浓度的磷脂酰乙醇胺（浓度的磷脂酰乙醇胺（PE）和）和磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸（PS）。所有的糖脂都分布在胞外侧（）。所有的糖脂都分布在胞外侧（ES）。）。脂双层可以被认为是由两个相对稳定、独脂双层可以被认为是由两个相对稳定、独立的单层构成的，各单层具有不同的物理、立的单层构成的，各单层具有不同的物理、化学性质。化学性质。2 膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性：所有类型的膜蛋白在质膜上的分布都不对所有类型的膜蛋白在质膜上的分布都不对称，在质膜上的分布具有确定的方向性。称，在质膜上的分布具有确定的方向性。各种生物膜的特征和功能主要是由膜蛋白各种生物膜的特征和功能主要是由膜蛋白来决定的。来决定的。例如：小肠上皮和肾小管上皮细胞具有高例如：小肠上皮和肾小管上皮细胞具有高度极性；低密度脂蛋白受体则集中在专门促进度极性；低密度脂蛋白受体则集中在专门促进其内化的质膜区域。其内化的质膜区域。三、细胞膜的基本功能：三、细胞膜的基本功能：P95 第三节第三节 膜骨架膜骨架细胞膜和膜下结构常常相互联系、协同作细胞膜和膜下结构常常相互联系、协同作用，形成细胞表面某些特化结构完成特定用，形成细胞表面某些特化结构完成特定的功能。的功能。特化结构包括：膜骨架、鞭毛和纤毛、微特化结构包括：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛、细胞的变形足等。绒毛、细胞的变形足等。膜骨架膜骨架是质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋是质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持质膜的形状白组成的网架结构，参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。并协助质膜完成多种生理功能。对膜骨架研究最多的是红细胞经低渗处理后的对膜骨架研究最多的是红细胞经低渗处理后的结构结构-血影。血影。SDS-PAGE显示，红细胞膜上的主要蛋白约显示，红细胞膜上的主要蛋白约12条带。条带。成分包括各种酶、转运蛋白、骨架蛋白等。成分包括各种酶、转运蛋白、骨架蛋白等。膜骨架的主要成分是长的纤维蛋白膜骨架的主要成分是长的纤维蛋白血影血影蛋白，血影蛋白通过非共价键和一种外周蛋白，血影蛋白通过非共价键和一种外周蛋白蛋白锚蛋白结合，附着在质膜的内表面。锚蛋白结合，附着在质膜的内表面。血影蛋白的末端与肌动血影蛋白的末端与肌动血影蛋白的末端与肌动血影蛋白的末端与肌动蛋白、原肌球蛋白联系，蛋白、原肌球蛋白联系，蛋白、原肌球蛋白联系，蛋白、原肌球蛋白联系，形成的网络结构使细胞具形成的网络结构使细胞具形成的网络结构使细胞具形成的网络结构使细胞具有必要的强度、弹性和柔有必要的强度、弹性和柔有必要的强度、弹性和柔有必要的强度、弹性和柔韧性，执行自身功能。韧性，执行自身功能。韧性，执行自身功能。韧性，执行自身功能。