细胞膜的结构和探索历程

本章内容细胞质膜结构模型生物膜基本特征与功效膜骨架细胞膜的结构和探索历程第1页细胞膜的结构和探索历程第2页细胞质膜在维持胞内环境相对稳定，细胞与环境之间物质运输、能量转换及信息传递过程中有主要作用。细胞内膜系统和细胞质膜统称为生物膜。细胞膜的结构和探索历程第3页第一节细胞质膜结构模型一、生物膜结构模型：1质膜结构研究历史回顾：细胞膜的结构和探索历程第4页Overton(1890s):LipidnatureofPM;

J.D.Robertson(1959):TheTEMshowing:thetrilaminarappearanceofPM;

Unitmembranemodel;

S.J.SingerandG.Nicolson(1972):

fluid-mosaicmodel;

K.Simonsetal(1997):

lipidraftsmodel;

细胞膜的结构和探索历程第5页细胞膜的结构和探索历程第6页

SingerandNicolson’sModelofmembranestructure:Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.TheFluidMosaicModel,proposedin1972bySingerandNicolson,hadtwokeyfeatures,bothimpliedinitsname.细胞膜的结构和探索历程第7页流动镶嵌模型关键点(1)膜流动性，膜蛋白和膜脂均能够侧向运动。Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovement.(2)膜蛋白分布不对称性，以镶嵌、覆盖或贯通形式与脂双层分子结合。Membraneproteinsformamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegrees.细胞膜的结构和探索历程第8页当前对生物膜结构认识P85关键点1：磷脂分子排列形式关键点2：蛋白质与磷脂分子关系关键点3：对生物膜整体认识

细胞膜的结构和探索历程第9页二、生物膜成份：（一）膜脂:生物膜基本组成成份，主要包含类型有：磷脂：膜脂基本成份，含量＞50%糖脂：含量＜5%胆固醇：含量＜1/3细胞膜的结构和探索历程第10页Figure.Thepartsofaphospholipidmolecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰胆碱）,representedschematically(A),informula(B),asaspace-fillingmodel(C),andasasymbol(D).Thekinkduetothecis-doublebond（顺双键）isexaggeratedinthesedrawingsforemphasis.细胞膜的结构和探索历程第11页Figure.Alipidmicelle（微囊）andalipidbilayerseenincross-section（横断面）.Lipidmoleculesformsuchstructuresspontaneouslyinwater.Theshapeofthelipidmoleculedetermineswhichofthesestructuresisformed.Wedge-shapedlipidmolecules(above)formmicelles,whereascylinder-shapedphospholipidmolecules(below)formbilayers.细胞膜的结构和探索历程第12页Figure.Liposomes（脂质体）

(A)Anelectronmicrographofunfixed,unstainedphospholipidvesicles(liposomes)inwater.Thebilayerstructureofthevesiclesisreadilyapparent.(B)Adrawingofasmallsphericalliposomeseenincross-section.Liposomesarecommonlyusedasmodelmembranesinexperimentalstudies.细胞膜的结构和探索历程第13页脂质体：含有亲水和疏水两性脂类物质在水相中形成、由脂双层组成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介质，将DNA导入细胞。作为药品载体在活体内给药，治疗疾病。

细胞膜的结构和探索历程第14页（二）膜蛋白：主要负担和执行生物膜功效。不一样功效细胞，其膜蛋白含量和种类有显著差异。按照功效划分为：催化代谢类：参加催化酶物质运输类：泵、载体、通道信息感受和传递类：受体、抗原、黏附分子细胞膜的结构和探索历程第15页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细胞膜的结构和探索历程第16页（1）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：依靠离子键或较弱键和膜表面蛋白质或膜脂分子结合水溶性蛋白。约占膜蛋白总量20-30%轻易从膜上分离下来而不破坏膜结构。比如：红细胞胞质侧附着血影蛋白。

膜蛋白种类（按照与膜脂结合方式及所处位置划分）细胞膜的结构和探索历程第17页(2)内在膜蛋白（整合膜蛋白）:贯通或插入膜脂双层内外两侧面，不溶于水。与膜结合紧密，用去垢剂破坏膜结构才能够分离出来。占全部膜蛋白70-80%。比如：MN血型糖蛋白

细胞膜的结构和探索历程第18页Figure.Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.细胞膜的结构和探索历程第19页内在膜蛋白多数是跨膜蛋白，膜结合方式各种。内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合主要部位，或者形成α螺旋，或者形成β折叠片结构。细胞膜的结构和探索历程第20页(3)脂锚定膜蛋白:

这类膜蛋白肽链不嵌入膜中，经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

细胞膜的结构和探索历程第21页①酰化蛋白质：蛋白N端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蛋白经过酰化引发细胞恶性转化。细胞膜的结构和探索历程第22页②异戊烯化蛋白质：蛋白质C端或附近半胱氨酸残基SH基与异戊二烯形成硫酯键，所生成法尼基烃链插入质膜内侧。比如：Ras蛋白能够异戊二烯化，插入质膜内侧，发挥信号转导功效。细胞膜的结构和探索历程第23页③GPI(糖基化磷脂酰肌醇)锚定膜蛋白：蛋白质羧基端经过磷酸乙醇胺与GPI共价结合，插入质膜外侧。比如：癌胚抗原（CEA），最初发觉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，也见于其它系统。

为消化道肿瘤辅助诊疗指标，正常水平应≤5ng／ml

细胞膜的结构和探索历程第24页脂锚定膜蛋白分布规律：与脂肪酸结合蛋白多分布在膜内侧；与糖脂结合蛋白多分布在质膜外侧。细胞膜的结构和探索历程第25页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).酰胺键硫醚键细胞膜的结构和探索历程第26页去垢剂（detergent）:分离与研究膜蛋白惯用试剂。离子型去垢剂：使细胞膜崩解，作用猛烈，引发蛋白变性。比如：SDS非离子型去垢剂：温和地使细胞膜崩解，可用于膜蛋白分离和纯化，去除细胞膜系统后研究细胞支架蛋白。比如：TritonX-100细胞膜的结构和探索历程第27页Figure.Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.

Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.细胞膜的结构和探索历程第28页Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.细胞膜的结构和探索历程第29页第二节生物膜基本特征和功效一、膜流动性：生物膜是一个动态结构，其组分处于运动状态，含有膜脂流动性（fluidity）和膜蛋白运动性（mobility），总称为膜流动性。液晶态晶态生理条件温度降低细胞膜的结构和探索历程第30页液晶态晶态细胞膜的结构和探索历程第31页1膜脂流动性：膜脂分子运动方式沿膜平面侧向运动：基本运动方式围绕轴心自旋运动脂分子尾部摆动双层脂分子之间翻转运动细胞膜的结构和探索历程第32页膜脂流动性是细胞生理活动必需，是维持膜刚性、有序结构和造成膜成份特定取向、组织结构二者之间完美折中。脂双层中脂肪酸饱和程度越高，脂双层转变成凝胶转变温度就越低。细胞膜的结构和探索历程第33页

DynamicnatureofbiomembraneThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

细胞膜的结构和探索历程第34页2膜蛋白流动性细胞融合是证实膜蛋白在膜平面运动第一个试验（1970年LarryFrye和MichaelEdidin）。细胞膜的结构和探索历程第35页Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.

Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)细胞膜的结构和探索历程第36页细胞膜的结构和探索历程第37页Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.

Thebivalent（二价）antibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.细胞膜的结构和探索历程第38页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运动是自发热运动，不需提供能量。多数研究中，大部分种类蛋白质在膜中以自由扩散速率随机运动，移动距离仅十分之几微米。膜蛋白并非完全自由随机漂浮在脂“海”上，对整合膜蛋白最强影响来自膜下细胞骨架限制。细胞膜的结构和探索历程第39页细胞膜的结构和探索历程第40页Figure10-37.Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.

ProteinA(intheapicalmembrane)andproteinB(inthebasalandlateralmembranes)candiffuselaterallyintheirowndomainsbutarepreventedfromenteringtheotherdomain,atleastpartlybythespecializedcelljunctioncalledatightjunction.Lipidmoleculesintheouter(noncytoplasmic)monolayeroftheplasmamembranearelikewiseunabletodiffusebetweenthetwodomains;lipidsintheinner(cytoplasmic)monolayer,however,areabletodoso.细胞膜的结构和探索历程第41页细胞膜的结构和探索历程第42页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.)细胞膜的结构和探索历程第43页Figure10-39.Fourwaysinwhichth