细胞膜的结构及探索历程

细胞膜的结构及探索历程第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期三第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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。第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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：第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Overton(1890s):LipidnatureofPM;

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

Unitmembranemodel;

S.J.SingerandG.Nicolson(1972):

fluid-mosaicmodel;

K.Simonsetal(1997):

lipidraftsmodel;

第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期三第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期三

SingerandNicolson’sModelofmembranestructure:Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.TheFluidMosaicModel,proposedin1972bySingerandNicolson,hadtwokeyfeatures,bothimpliedinitsname.第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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.第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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

第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期三二、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第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure.Thepartsofaphospholipidmolecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰胆碱）,representedschematically(A),informula(B),asaspace-fillingmodel(C),andasasymbol(D).Thekinkduetothecis-doublebond（顺双键）isexaggeratedinthesedrawingsforemphasis.第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure.Alipidmicelle（微囊）andalipidbilayerseenincross-section（横断面）.Lipidmoleculesformsuchstructuresspontaneouslyinwater.Theshapeofthelipidmoleculedetermineswhichofthesestructuresisformed.Wedge-shapedlipidmolecules(above)formmicelles,whereascylinder-shapedphospholipidmolecules(below)formbilayers.第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure.Liposomes（脂质体）

(A)Anelectronmicrographofunfixed,unstainedphospholipidvesicles(liposomes)inwater.Thebilayerstructureofthevesiclesisreadilyapparent.(B)Adrawingofasmallsphericalliposomeseenincross-section.Liposomesarecommonlyusedasmodelmembranesinexperimentalstudies.第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期三脂质体：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。

第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期三（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、黏附分子第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期三（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）第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期三(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

第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure.Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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α螺旋，或者形成β折叠片结构。第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期三(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

第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期三①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。第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期三②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。第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期三③GPI(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≤5ng／ml

第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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。第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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).酰胺键硫醚键第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期三去垢剂（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第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure.Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.

Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期三液晶态晶态第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期三1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第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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。第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期三

DynamicnatureofbiomembraneThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期三2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）。第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.

Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期三第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.

Thebivalent（二价的）antibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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。第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期三第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure10-37.Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.

ProteinA(intheapicalmembrane)andproteinB(inthebasalandlateralmembranes)candiffuselaterallyintheirowndomainsbutarepreventedfromenteringtheotherdomain,atleastpartlybythespecializedcelljunctioncalledatightjunction.Lipidmoleculesintheouter(noncytoplasmic)monolayeroftheplasmamembranearelikewiseunabletodiffusebetweenthetwodomains;lipidsintheinner(cytoplasmic)monolayer,however,areabletodoso.第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期三第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期三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.)第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期三Figure10-39.Fourwaysinwhichthelateralmobilityofspecificplasmamembraneproteinscanberestricted.

Theproteinscanself-assembleintolargeaggregates(suchasbacteriorhodopsininthe