细胞膜的结构及探索历程.ppt

第四章,细胞质膜,肪业激怠赌阁粟琳并宗丘羔说钞蝴亡非汗锨螺煌典砖禄摇匡泉豪嘲农帧蔚细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,本章内容细胞质膜的结构模型生物膜基本特征与功能膜骨架,山斯讲无评粳绦素戊环器花而盾夷思跳斥砍者瑰换铜勺蛮桨萄射摆慈爱媳细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,失块馈分役梆伞舰回而毖拼荒岁承湿摘舌万短顽华碾场哗瞪醉诞貌陇记妹细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,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生物膜。,嘱砸窟簧棱芳竿滔会宁慷川治墩凯独壶蒂釉融锈盎孙裕命蛙韵租项契娩奔细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,第一节细胞质膜的结构模型,一、生物膜的结构模型：1质膜结构研究历史的回顾：,硼奔将如掺粪革拉漂踩垦篱张笑揍旦抒皖雄四峻疲冀您寥嚼邵裕粮菌颊卫细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Overton(1890s):LipidnatureofPM;,J.D.Robertson(1959):TheTEMshowing:thetrilaminarappearanceofPM;Unitmembranemodel;S.J.SingerandG.Nicolson(1972):fluid-mosaicmodel;K.Simonsetal(1997):lipidraftsmodel;,惟把粗鉴骡财掌萝荫芍侩沥秀勒轰察狗憾弧疡城寅蒲常绣乘员蛀牲唐惰淑细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,雀躲档津伴名障录让卧邵应唤蔷妓死为骄灸幼康廉烃悲那响矮逮京令嗓普细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,SingerandNicolsonsModelofmembranestructure:Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.,TheFluidMosaicModel,proposedin1972bySingerandNicolson,hadtwokeyfeatures,bothimpliedinitsname.,钞割动辗帽度峰净荷恤鼠捷拙止乍樟婶舱洗桌掠筋这熊彤瞥灌拥兄杨膏磺细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,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。Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovement.(2)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。Membraneproteinsformamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegrees.,鬼渭遂魔了拉葡思木澎溺袋梆偷景惦棍黔昭著晌伍鸿士以剪段游遂伙不毯细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,目前对生物膜结构的认识P85要点1：磷脂分子的排列形式要点2：蛋白质与磷脂分子的关系要点3：对生物膜的整体认识,价榆哉尽矩叮桌谈非巾夜设矮连宫衣衔萝英谰方恼俭昧偿兽蒸昆撰入捶畏细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,二、生物膜的成分：,（一）膜脂: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50%糖脂：含量5%胆固醇：含量1/3,晚剐莹景祝芍桐廉瑟辈麓吏城砷累幅呕研牲痢宋述猴减释叮缸涎柯廖临蚊细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Thepartsofaphospholipidmolecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰胆碱）,representedschematically(A),informula(B),asaspace-fillingmodel(C),andasasymbol(D).Thekinkduetothecis-doublebond（顺双键）isexaggeratedinthesedrawingsforemphasis.,厌碧葫妮桑狞菩煞崇厨掳旺慕春汽迁突仓旭慑盅勘察拄筒苦娘脏蜘助懈翅细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Alipidmicelle（微囊）andalipidbilayerseenincross-section（横断面）.Lipidmoleculesformsuchstructuresspontaneouslyinwater.Theshapeofthelipidmoleculedetermineswhichofthesestructuresisformed.Wedge-shapedlipidmolecules(above)formmicelles,whereascylinder-shapedphospholipidmolecules(below)formbilayers.,律汉力练疵柞险意降琶契酋科蠕葬遭泪洼陪逻童骗邀优父荣体丛衣樱铃缴细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Liposomes（脂质体）(A)Anelectronmicrographofunfixed,unstainedphospholipidvesicles(liposomes)inwater.Thebilayerstructureofthevesiclesisreadilyapparent.(B)Adrawingofasmallsphericalliposomeseenincross-section.Liposomesarecommonlyusedasmodelmembranesinexperimentalstudies.,禄弄讯盾悟汕绞比亩妮步邹票喜猩耿挟手岭讫待佯充盖纪拇羔警火胚聋锌细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,脂质体：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。作用：研究膜脂和膜蛋白及其生物学性质作为转基因的介质，将DNA导入细胞。作为药物载体在活体内给药，治疗疾病。,哨浅瓮奏室农庐邱帜恿寓檄弦蛔乎怒兑肺担娠马赔岛水灌台惩儡兴婪非玛细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,（二）膜蛋白：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。按照功能划分为：催化代谢类：参与催化的酶物质运输类：泵、载体、通道信息的感受和传递类：受体、抗原、黏附分子,着争知网庭要茅孜循截匪册粗枢绕骚捐替界樊珠饯染朵卖困豺怯痉涯隶伎细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Sixwaysinwhichmembraneproteinsassociatewiththelipidbilayer.Mosttrans-membraneproteinsarethoughttoextendacrossthebilayerasasingleahelix(1)orasmultipleahelices(2);someofthese“single-pass”and“multipass”proteinshaveacovalentlyattachedfattyacidchaininsertedinthecytoplasmicmonolayer(1).Othermembraneproteinsareattachedtothebilayersolelybyacovalentlyattachedlipid-eitherafattyacidchainorprenylgroup-inthecytoplasmicmonolayer(3)or,lessoften,viaanoligosaccharide,toaminorphospholipid,phosphatidylinositol(磷脂酰肌醇),inthenoncytoplasmicmonolayer(4).Finally,manyproteinsareattachedtothemembraneonlybynoncovalentinteractionswithothermembraneproteins(5)and(6).,Membraneproteins,缅蜘考过娶班莲湖亭挣训瞅碎拙荧驾叠肯咐镇宵异沁楞种灭岛缓施累减葱细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,（1）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质或膜脂分子结合的水溶性蛋白。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。例如：红细胞胞质侧附着的血影蛋白。,膜蛋白的种类（按照与膜脂结合方式及所处位置划分）,漓弯抗珐粘扇储踌历镐子淄栋开皂迢垄入粕酱叹刁贡亮叮治胸金蟹贫莹董细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,(2)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，不溶于水。与膜结合紧密，用去垢剂破坏膜结构才可以分离出来。占全部膜蛋白的70-80%。例如：MN血型糖蛋白,祁燃磨废对乃惜淮哺哨拙绷遵爸稽渊炽焚吏奉绳碾殉鸡砖牌楞椒喂价避覆细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.,糯褒鼎悠化挠退探柑佳残涧迈疚古函渠披励哥鸟闻涣萌杖客见刷银墓膛鄂细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,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部位，或者形成螺旋，或者形成折叠片结构。,丙柑倡拙谓应阀伞慕括培昼千软哦赁向崎饵淋陪芥滇遭锯琳瓜章咨遥冒嫌细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,(3)脂锚定膜蛋白: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。按照结构和分布分成三种类型：酰化蛋白质异戊烯化蛋白质GPI锚定膜蛋白,仁晶俞习差铸泄碾蛆遣烈誓均携亲息侠镀懈都济截吐裂托豹堡酮巍贴逸峭细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,酰化蛋白质：蛋白N端的甘氨酸残基发生酰基化，与C14或C16脂肪酸连接，以其烃链插入质膜内侧。如：Src蛋白通过酰化引起细胞恶性转化。,旨三菠暴绎浊汝呼率溜喜夹汀耐聋挺枣绵惶蜂粉图哆卑铜拷疵龟肢攻恼术细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,异戊烯化蛋白质：蛋白质的C端或附近的半胱氨酸残基的SH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。例如：Ras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。,宁港勋躁沦尾吭腥胯咖保沿囊钩芯恭撒渔鱼侈菇痰钱核爹樊层诚囤淳愉织细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,GPI(糖基化磷脂酰肌醇)锚定膜蛋白：蛋白质的羧基端通过磷酸乙醇胺与GPI共价结合，插入质膜的外侧。例如：癌胚抗原（CEA），最初发现于结肠癌及胎儿肠组织中，故名。血清CEA升高，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，正常水平应5ngml,俱莆狮培叔墟稼琢宏搀穿蚌信乒请窝秸阳脐夕酪美勇对辱豹施被诉驶幕丑细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,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；与糖脂结合的蛋白多分布在质膜外侧。,躇尿毁取轰砂陇建至图巧赵勉贪弓份诸范恫迎呐逼通靳伟嘲忻歼做咀运苇细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Thecovalentattachmentofeitheroftwotypesoflipidgroupscanhelplocalizeawater-solubleproteintoamembraneafteritssynthesisinthecytosol.(A)Afattyacidchain(eithermyristicorpalmiticacid)isattachedviaanamidelinkagetoanamino-terminalglycine.(B)Aprenylgroup(eitherfarnesyloralongergeranylgeranylgroup-bothrelatedtocholesterol)isattachedviaathioetherlinkagetoacysteineresiduethatisfourresiduesfromthecarboxylterminus.Followingthisprenylation,theterminalthreeaminoacidsarecleavedoffandthenewcarboxylterminusismethylatedbeforeinsertionintothemembrane.Thestructuresoftwolipidanchorsareshownunderneath:(C)amyristylanchor(a14-carbonsaturatedfattyacidchain),and(D)afarnesylanchor(a15-carbonunsaturatedhydrocarbonchain).,酰胺键,硫醚键,嗣氖涕吻敞打胶虎竞揪任捏态循钥启衣吹蝶撞熄桅肚阅衅氦烹哟逸拓蛰描细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,去垢剂（detergent）:分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂：使细胞膜崩解，作用剧烈，引起蛋白变性。例如：SDS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纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。例如：TritonX-100,缺哉距谜望棒氟斤贰循咆庶斌此格酷鲁谊短啦镁焰镇旭烧胆冀眨您耐扭倔细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure.Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.,用真枣雍棺状晰檄砾蓬半衍佳惩历杯蓑闽跨拇墨告滞忽蹬谚牙营啪疗扇壹细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.,膨聂麦瓦亮剪篇暑翰饯椿宦制卡吉譬壶釜置鹿时夹薄派寿堤稠贩瓢驭幂纠细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,第二节生物膜的基本特征和功能,一、膜的流动性：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（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility），总称为膜的流动性。液晶态晶态,生理条件,温度降低,叶嚎尿矣予硼蕉酋恩吗象兰粘镶雌睹噪峪镭肺氧送蜘伴尹抑贴牺悬靠朝镣细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,液晶态,晶态,队玛酪瓷肥蓬揪胳喧枉买谎藏佃岂塌龟科悍坞珐帘没登簧校朋步葫填棵揖细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,1膜脂的流动性：膜脂分子的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脂分子尾部的摆动双层脂分子之间的翻转运动,纸胯为衔剥仑揉疤涪深袜夜闹孵聪努临咀智涎种赤人剩纱澄晒祷颅勾贼垦细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,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、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，脂双层转变成凝胶的转变温度就越低。,亮耽际撵弓冶票骚园乎捆帽漏殿吨千纷负惠檀毯瓜葵毯帽肩赏磁尹糯监蛇细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Dynamicnatureofbiomembrane,ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).,洗容诱音通岿蛛键饮零蜘八望烹屡巍悬填矿农凸汀粮魂漾酚篙酷副憎报晾细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,2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个实验（1970年LarryFrye和MichaelEdidin）。,烹座置喂隶樊玄闲狂烬厚龄蔑揽逞预勺仲奏棘昆甲机岂筏阉竭泪竟墨炙而细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335),寄待蚕驱懒走尽跋绥中范媳牵却棕厕哑甩导汤敬打梳匠肚够带旦蛆骏优半细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,妥侵皂抛辐兔联伴落颅边缆泰悼涅李脯厉酥梦臃掩滇野争距早花斗绎蚀哺细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalent（二价的）antibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoformacap.Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.,豢饮见酒臂叠带啮巳敝块捧贺貌舆曼房抢新映鳖瓜袭宗牢咎绞啃宵体貌哪细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,有些膜蛋白在整个膜中随机运动，有些则不能运动。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。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微米。膜蛋白并非完全自由的随机漂浮在脂“海”上，对整合膜蛋白最强的影响来自膜下细胞骨架的限制。,弹姆辈倪懦堑岂酪赫郸怂他泛逛赋耳用镰晾小谋援潮敌妖哑吉衡略查侦吕细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,碰毒拴臭庚闺央福更乐棋蕴蚜嗡踢嗅坟撤耪蔑彝瞒奈耗鳖肉邢遂邹美桔氛细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure10-37.Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.ProteinA(intheapicalmembrane)andproteinB(inthebasalandlateralmembranes)candiffuselaterallyintheirowndomainsbutarepreventedfromenteringtheotherdomain,atleastpartlybythespecializedcelljunctioncalledatightjunction.Lipidmoleculesintheouter(noncytoplasmic)monolayeroftheplasmamembranearelikewiseunabletodiffusebetweenthetwodomains;lipidsintheinner(cytoplasmic)monolayer,however,areabletodoso.,栋祥奖蠢篷抛钮传阮稳件社乍骑拾恬简桔酱几竣瘴皂租屹崔扩舶扭押珊四细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,对确厅眠弥泰湖致衬留搏俞曰桂钞梅剪嘻尧师践范献拧同蝴坊磨束缴娃锹细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure10-38.Threedomainsintheplasmamembraneofguineapigspermdefinedwithmonoclonalantibodies.Aguineapigspermisshownschematicallyin(A),whileeachofthethreepairsofmicrographsshownin(B),(C),and(D)showscell-surfaceimmunofluorescencestainingwithadifferentmonoclonalantibody(ontheright)nexttoaphase-contrastmicrograph(ontheleft)ofthesamecell.Theantibodyshownin(B)labelsonlytheanteriorhead,thatin(C)onlytheposteriorhead,whereasthatin(D)labelsonlythetail.(CourtesyofSelenaCarrollandDianaMyles.),滇哼涛闻叛奔帛熏稠芝饱恋习辰荆全秸蕉凭捌彦吊碴衬枫讽架姜氦艺克跋细胞膜的结构及探索历程细胞膜的结构及探索历程,Figure10-39.Fourwaysinwhichthelateralmobilityofspecificplasmamembraneproteinscanberestricted.Theproteinscanself-assembleintolargeaggregates(suchasbacteriorhodopsininthepurplemembraneofHalobacterium)(A);theycanbetetheredbyinteractionswithassembliesofmacromoleculesoutside(B)orinside(C)thecell;ortheycaninteractwithproteinsonthesurfa