细胞生物学91-4-43.4 膜的分子结构及特点1-9.pptx

3.细胞质膜与跨膜运输:第四节名词,1.片层结构模型(Lamellastructuremodel),1935年JamesDanielli和HughDavson所提出，又称或三明治式模型。该模型认为膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构,脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被,即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构,内外两层的蛋白质层都非常薄。并且,蛋白层是以非折叠、完全伸展的肽链形式包在脂双层的内外两侧。1954年对该模型进行了修改：膜上有一些二维伸展的孔,孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性,可提高水对,膜的通透性。,这一模型是第一次用分子术语描述的结构,并将膜结构同所观察到的生物学理化,性质联系起来,对后来的研究有很大的启发。,2.单位膜模型(unitmembranemodel),1959年J.D.Robertson所提出。主要是根据电子显微镜的观察，发现细胞膜是类,似铁轨结构(“railroadtrack”),两条暗线被一条明亮的带隔开,显示暗-明-暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质,透,明层是脂,并建议将这种结构称为单位膜。,1,单位膜模型是在片层结构模型的基础上发展起来的另一个重要模型。它与片层结构模型有许多相同之处，最重要的修改是膜脂双分子层内外两侧蛋白质存在的方式不同。单位膜模型强调的是蛋白质为单层伸展的折叠片状,而不是球形蛋白。另外,单位膜模型还认为膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白,而且膜蛋白在两侧的分布是不对称的。这一模型能够解释细胞质膜的一些基本特性，例如质膜有很高的电阻，这是由于膜脂的非极性端的碳氢化合物是不良导体的缘故；再如由于膜脂的存在，使它,对脂溶性强的非极性分子有较高的通透性，而脂溶性弱的小分子则不易透过膜。,单位膜也有一些不足首先该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生,命活动的变化；其二，不同的膜其厚度不都是7.5nm,一般在510nm之间；其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系。还有，该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。,3.流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel),1972年Singer和Nicolson总结了当时有关膜结构模型及各种研究新技术的成就，,提出了流动镶嵌模型，认为球形膜蛋白分子以各种镶嵌形式与脂双分子层相结合,2,有的附在内外表面,有的全部或部分嵌入膜中,有的贯穿膜的全层,这些大多是功能,蛋白。,流动相嵌模型有两个主要特点。其一,蛋白质不是伸展的片层,而是以折叠的球形,镶嵌在脂双层中,蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特,点就是膜具有一定的流动性,不再是封闭的片状结构,以适应细胞各种功能的需要。这一模型强调了膜的流动由性和不对称性,较好地体现细胞的功能特点,被广泛接,受,也得到许多实验的支持。后来又发现碳水化合物是以糖脂或糖蛋白的形式存在于,膜的外侧表面。,4.孔蛋白(porin),孔蛋白是存在于细菌质膜的外膜、线粒体和叶绿体的外膜上的通道蛋白,它们允,许较大的分子通过,其中线粒体孔蛋白可通过的最大分子为6000道尔顿,而叶绿体的,孔蛋白则可通过相对分子质量在10,000到13,000之间的物质。,孔蛋白是膜整合蛋白,它的膜脂结合区与其他的跨膜蛋白不同,不是螺旋,而是,折叠。,3,5.冰冻断裂(freezefracture),一种制备电子显微镜样品的方法。将组织放在液氮中快速下冷冻，然后用冰刀使,样品断裂分割，通过金属复形可进行电镜观察。,6.膜蛋白放射性标记法(radioactivelabelingprocedure)研究细胞膜蛋白分布不对称的一种方法。,实验中首先要分离细胞膜,然后用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。由于过氧化物,酶的分子较大而不能透过细胞膜,这样可以用于标记膜外表面的蛋白,包括外周蛋白和整合蛋白的外部分。标记后,分离膜蛋白,电泳分离和放射自显影进行鉴定。若是要标记膜内侧的蛋白,则需将膜置于低离子强度的溶液中以提高膜的通透性,使乳过氧化物酶进入膜泡进行内侧蛋白的标记。,7.相变(phasetransition),膜的流动镶嵌模型说明生物膜是一种动态的结构,具有膜脂的流动性(fluidity)和膜,蛋白的运动性(mobility)。,膜的流动性主要是由膜的双脂层的状态变化引起的。在生理条件下,膜脂多呈液晶,态,温度下降至某点,则变为晶态。一定温度下,晶态又可溶解再变成液晶态。这种临,4,界温度称为相变温度,在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变(phasetransition)。,8.侧向扩散(lateraldiffusion),又称侧向迁移。在同一单层内的脂分子经常互相换位,其速度相当快,有人推测磷,脂以这种方式从细胞一端扩散到另一端只需12秒。这种运动始终保持脂分子在质膜中的排布方向，亲水的基团朝向膜表面，疏水的尾指向膜的内部。,9.翻转扩散(transversediffusion),又称为翻转(flip-flop)。它是指脂分子从脂双层的一个层面翻转至另一个层面的运,动。磷脂发生翻转运动时,磷脂的亲水头部基团必须克服内部疏水区的阻力,这在热力学上是不利的。但是有些细胞含有翻转酶(flipase)能够促使某些磷脂从膜脂的一叶翻转到另一叶，所以这些酶在维持膜脂的不对称分布中起重要作用。,10.细胞融合(cellfusion),自发条件下或人工诱导下,两个不同基因型的细胞或原生质体融合形成一个杂种,细胞。基本过程包括细胞融合导致异核体(heterokaryon)的形成,异核体通过细胞有丝,5,分裂导致核的融合,形成单核的杂种细胞。有性生殖时发生正常的细胞融合,即由两,个配子融合成一个合子。,人、鼠细胞融合实验分三步进行首先用荧光染料标记抗体将小鼠的抗体与发,绿色荧光的荧光素(fluorescin)结合,人的抗体与发红色荧光的罗丹明(rhodamine)结合；第二步是将小鼠细胞和人细胞在灭活的仙台病毒的诱导下进行融合；最后一步将标记的抗体加入到融合的人、鼠细胞中，让这些标记抗体同融合细胞膜上相应的抗原结合。开始,融合的细胞一半是红色,一半是绿色。在37下40分钟后,两种颜色的荧光在融合的杂种细胞表面呈均匀分布，这说明抗原蛋白在膜平面内经扩散运动而重新分布。这种过程不需要ATP。如果将对照实验的融合细胞置于低温(1)下培育,则抗原蛋白基本停止运动。这一实验结果令人信服地证明了膜整合蛋白的侧向扩散运动。,11.成斑(patching)、成帽(capping)反应,淋巴细胞通过产生抗体对外源蛋白进行应答,抗体分子位于细胞质膜上。蛋白质,能够在不同的动物中诱导产生抗体，如果将小鼠的抗体注入兔子中,兔子将会产生抗,6,小鼠抗体的抗体。可以从兔子的血液中分离这种抗体,并将这种抗体共价连接到荧光,染料上,就可以通过荧光显微镜进行观察。,当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋,巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样,在小鼠淋巴细胞的细胞质膜表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,如果小鼠细胞质膜中的抗体蛋白不能自由的进行侧向扩散的话,斑和帽都是不能形成的。,12.光脱色荧光恢复技术(fluorescencerecoveryafterphotobleachingFRAP)研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂,然后用激光束照,射细胞表面某一区域,使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域,7,的亮度逐渐增加,最后恢复到与周围的荧光光强度相等。,细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素,(fluoresceinisothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1m的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白,斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。,根据荧光恢复的速度,可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的,扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membranedomain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这,实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。,FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察,单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particletracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径1540nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。,8,13.电子自旋共振谱技术(e