膜生物物理生物膜的分子结构和功能

膜生物物理生物膜的分子结构和功能2010-2-2412010-2-2422.2.1StructureModelofMembrane1765年,BenjaminFranklin将橄榄油倒入Commen池塘中，注意到由风所吹起的水面微波被平息了，同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。Franklin还计算到（根据油量和面积）油层的厚度是25Å，而且“它不可能扩展得更薄了。事实证明，用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与Franklin当时估算的一样！第2页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2431902年，E.Overton发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速度增加；基于脂溶性物质容易透过质膜，Overton提出质膜是由一层薄的类脂所组成。------Vjschr.NaturforschGes.Zurich44(1899)88-98.第3页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2441917年，Langmuir

发现脂肪酸放在水和空气界面上形成单分子膜

---Langmuirfilm.第4页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2451925年，E.GorterandF.Grendel

从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有面积大约是红细胞表面积的2倍。提出双分子类脂层是细胞膜的基本结构。------J.Exp.Med.41(1925)439-443.第5页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2461935年，J.F.DanielliandH.Davson胎鱼卵的脂滴实验：卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大大提高；纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低；提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构（theunitmembranemodel）.第6页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2471959年，J.D.Robertson发展了三明治模型，提出单位膜模型（Unitmembranemodel）。得到X-衍射与电镜结果的支持。红细胞小鼠膀胱上皮细胞第7页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2481959-1972年冰冻蚀刻技术——双层膜脂中存在膜蛋白颗粒。免疫荧光标记技术——质膜中的蛋白质是流动的。第8页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2491972年，S.J.SingerandG.Nicholson，提出液体镶嵌模型（Thefluidmosaicmodel）：强调膜结构的流动性强调膜组分的不对称性膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合

------Science175(1972)720-731.第9页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24101977年，

M.K.JainandH.B.White，提出板块模型：在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块组成。膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。

------Adv.LipidRes.15(1977)1-60.第10页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2411第11页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24121997年，

K.Simons

细胞膜中的功能化筏(Functionalraftsincellmanbrane):细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，4oC不溶于非离子型去污剂Triton－X100。这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。功能：膜的分选与运输；信号传导等。

------Simons&Ikonen,Nature387(1997)569-572第12页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2413第13页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2414第14页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2415#流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性第15页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24162.2.2LiquidityofMembrane

MembraneLipid

MembraneProtein

第16页,共37页，2024年2月25日，星期天1．MembraneLipid膜脂的流动性——膜脂分子的运动1）

侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2）旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋

转

3）摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右4）伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动5）

翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。6）旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。第17页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2418第18页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24192、MembraneProtein膜蛋白的分子运动

侧向扩散旋转扩散

旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。第19页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2420第20页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2421光漂白荧光恢复技术第21页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24223．影响膜流动性的因素膜本身的组分遗传因子环境因子等胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。第22页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2423脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。第23页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24244.膜流动性的生理意义刚柔兼备，既不过刚性又不失其有序性，既不变成的流体又表现着适宜的柔性，从而膜成分得以定向有序地组织着并具有机械性支撑能力，而且造就膜内成分之间发生相互作用的基本条件，膜内蛋白才能聚集和组装，在特殊的位置形成特殊的结构，如细胞间连接、神经细胞突触等。第24页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2425酶活性与膜的流动性原发高血压病人,红细胞膜脂流动性降低,引起Na+、K+交换活性增加。第25页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2426膜的流动性与物质运输膜流动性与物质运输关系较为明显。在协助扩散和主动运输中，一些载体蛋白分子的运动，取决于它们在膜中脂类分子的流动性。实验证明，一些特定的物质运输与膜的流动性相关。第26页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2427细胞信息传递＼激素＼药物的作用与膜流动性关系第27页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2428生理效应第28页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2429发育过程中细胞膜流动性在发育过程中细胞膜的流动性有明显变化。一般细胞通过代谢等方式调节控制膜的流动性，使其维持在相对恒定的适宜的水平已表现其正常功能，如超出调控范围，则细胞难以表现正常功能而发生病变。第29页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-24302.2.3FunctionofMembrane1.区间化2.物质的跨膜运输3.信号传递4.能量传递5.细胞间的相互作用6.生化活性的定位第30页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2431Localization区间化生物膜是连续、环闭的薄层结构。是细胞与细胞间结构上的边界核膜和细胞内膜系统以及线粒体、叶绿体膜等将细胞分隔成相对独立的空间第31页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2432第32页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2433TransitionacrosstheMembrane细胞膜提供的是一种选择性通透屏障，保证适宜的物质从外环境进入细胞质而排除不适宜物质的进入。物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。第33页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2434SignalTransition

细胞膜在细胞对外部刺激的反应中起关键作用，即信号传递、放大与转换作用，除了膜上某些离子通道蛋白或感受器蛋白能感应外部电信号外，细胞内或细胞表面的受体能够识别与响应相应的信号分子，以产生对应的反应与功能。第34页,共37页，2024年2月25日，星期天2010-2-2435Energytransition能量转换例如，光合作用中发生着最大量的能量转换，太阳光能由膜结合的色素吸收并转换为以碳氢