本章內(nèi)容細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型生物膜基本特征與功效膜骨架細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第1頁細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第2頁細胞質(zhì)膜在維持胞內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定，細胞與環(huán)境之間物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞過程中有主要作用。細胞內(nèi)膜系統(tǒng)和細胞質(zhì)膜統(tǒng)稱為生物膜。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第3頁第一節(jié)細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型一、生物膜結(jié)構(gòu)模型：1質(zhì)膜結(jié)構(gòu)研究歷史回顧：細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第4頁Overton(1890s):LipidnatureofPM;

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

Unitmembranemodel;

S.J.SingerandG.Nicolson(1972):

fluid-mosaicmodel;

K.Simonsetal(1997):

lipidraftsmodel;

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第5頁細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第6頁

SingerandNicolson’sModelofmembranestructure:Thefluid-mosaicmodelisthe“centraldogma”ofmembranebiology.TheFluidMosaicModel,proposedin1972bySingerandNicolson,hadtwokeyfeatures,bothimpliedinitsname.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第7頁流動鑲嵌模型關(guān)鍵點(1)膜流動性，膜蛋白和膜脂均能夠側(cè)向運動。Thecorelipidbilayerexistsinafluidstate,capableofdynamicmovement.(2)膜蛋白分布不對稱性，以鑲嵌、覆蓋或貫通形式與脂雙層分子結(jié)合。Membraneproteinsformamosaicofparticlespenetratingthelipidtovaryingdegrees.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第8頁當(dāng)前對生物膜結(jié)構(gòu)認識P85關(guān)鍵點1：磷脂分子排列形式關(guān)鍵點2：蛋白質(zhì)與磷脂分子關(guān)系關(guān)鍵點3：對生物膜整體認識

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第9頁二、生物膜成份：（一）膜脂:生物膜基本組成成份，主要包含類型有：磷脂：膜脂基本成份，含量＞50%糖脂：含量＜5%膽固醇：含量＜1/3細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第10頁Figure.Thepartsofaphospholipidmolecule.Phosphatidylcholine（PC,磷脂酰膽堿）,representedschematically(A),informula(B),asaspace-fillingmodel(C),andasasymbol(D).Thekinkduetothecis-doublebond（順雙鍵）isexaggeratedinthesedrawingsforemphasis.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第11頁Figure.Alipidmicelle（微囊）andalipidbilayerseenincross-section（橫斷面）.Lipidmoleculesformsuchstructuresspontaneouslyinwater.Theshapeofthelipidmoleculedetermineswhichofthesestructuresisformed.Wedge-shapedlipidmolecules(above)formmicelles,whereascylinder-shapedphospholipidmolecules(below)formbilayers.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第12頁Figure.Liposomes（脂質(zhì)體）

(A)Anelectronmicrographofunfixed,unstainedphospholipidvesicles(liposomes)inwater.Thebilayerstructureofthevesiclesisreadilyapparent.(B)Adrawingofasmallsphericalliposomeseenincross-section.Liposomesarecommonlyusedasmodelmembranesinexperimentalstudies.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第13頁脂質(zhì)體：含有親水和疏水兩性脂類物質(zhì)在水相中形成、由脂雙層組成人工膜結(jié)構(gòu)叫做脂質(zhì)體。作用：研究膜脂和膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)作為轉(zhuǎn)基因介質(zhì)，將DNA導(dǎo)入細胞。作為藥品載體在活體內(nèi)給藥，治療疾病。

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第14頁（二）膜蛋白：主要負擔(dān)和執(zhí)行生物膜功效。不一樣功效細胞，其膜蛋白含量和種類有顯著差異。按照功效劃分為：催化代謝類：參加催化酶物質(zhì)運輸類：泵、載體、通道信息感受和傳遞類：受體、抗原、黏附分子細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第15頁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細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第16頁（1）外在膜蛋白（外周膜蛋白）：依靠離子鍵或較弱鍵和膜表面蛋白質(zhì)或膜脂分子結(jié)合水溶性蛋白。約占膜蛋白總量20-30%輕易從膜上分離下來而不破壞膜結(jié)構(gòu)。比如：紅細胞胞質(zhì)側(cè)附著血影蛋白。

膜蛋白種類（按照與膜脂結(jié)合方式及所處位置劃分）細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第17頁(2)內(nèi)在膜蛋白（整合膜蛋白）:貫通或插入膜脂雙層內(nèi)外兩側(cè)面，不溶于水。與膜結(jié)合緊密，用去垢劑破壞膜結(jié)構(gòu)才能夠分離出來。占全部膜蛋白70-80%。比如：MN血型糖蛋白

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第18頁Figure.Atypicalsingle-passtransmembraneprotein.Notethatthepolypeptidechaintraversesthelipidbilayerasaright-handedahelixandthattheoligosaccharidechainsanddisulfidebondsareallonthenoncytosolicsurfaceofthemembrane.Disulfidebondsdonotformbetweenthesulfhydrylgroupsinthecytoplasmicdomainoftheproteinbecausethereducingenvironmentinthecytosolmaintainsthesegroupsintheirreduced(-SH)form.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第19頁內(nèi)在膜蛋白多數(shù)是跨膜蛋白，膜結(jié)合方式各種。內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合主要部位，或者形成α螺旋，或者形成β折疊片結(jié)構(gòu)。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第20頁(3)脂錨定膜蛋白:

這類膜蛋白肽鏈不嵌入膜中，經(jīng)過共價鍵和脂分子連接，從而錨定在細胞膜上。按照結(jié)構(gòu)和分布分成三種類型：?；鞍踪|(zhì)異戊烯化蛋白質(zhì)GPI錨定膜蛋白

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第21頁①?；鞍踪|(zhì)：蛋白N端甘氨酸殘基發(fā)生?；cC14或C16脂肪酸連接，以其烴鏈插入質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。如：Src蛋白經(jīng)過?；l(fā)細胞惡性轉(zhuǎn)化。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第22頁②異戊烯化蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)C端或附近半胱氨酸殘基SH基與異戊二烯形成硫酯鍵，所生成法尼基烴鏈插入質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。比如：Ras蛋白能夠異戊二烯化，插入質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功效。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第23頁③GPI(糖基化磷脂酰肌醇)錨定膜蛋白：蛋白質(zhì)羧基端經(jīng)過磷酸乙醇胺與GPI共價結(jié)合，插入質(zhì)膜外側(cè)。比如：癌胚抗原（CEA），最初發(fā)覺于結(jié)腸癌及胎兒腸組織中，故名。血清CEA升高，除見于消化道癌外，也見于其它系統(tǒng)。

為消化道腫瘤輔助診療指標(biāo)，正常水平應(yīng)≤5ng／ml

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第24頁脂錨定膜蛋白分布規(guī)律：與脂肪酸結(jié)合蛋白多分布在膜內(nèi)側(cè)；與糖脂結(jié)合蛋白多分布在質(zhì)膜外側(cè)。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第25頁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).酰胺鍵硫醚鍵細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第26頁去垢劑（detergent）:分離與研究膜蛋白慣用試劑。離子型去垢劑：使細胞膜崩解，作用猛烈，引發(fā)蛋白變性。比如：SDS非離子型去垢劑：溫和地使細胞膜崩解，可用于膜蛋白分離和純化，去除細胞膜系統(tǒng)后研究細胞支架蛋白。比如：TritonX-100細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第27頁Figure.Solubilizingmembraneproteinswithamilddetergent.

Thedetergentdisruptsthelipidbilayerandbringstheproteinsintosolutionasprotein-lipid-detergentcomplexes.Thephospholipidsinthemembranearealsosolubilizedbythedetergent.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第28頁Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.

InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第29頁第二節(jié)生物膜基本特征和功效一、膜流動性：生物膜是一個動態(tài)結(jié)構(gòu)，其組分處于運動狀態(tài)，含有膜脂流動性（fluidity）和膜蛋白運動性（mobility），總稱為膜流動性。液晶態(tài)晶態(tài)生理條件溫度降低細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第30頁液晶態(tài)晶態(tài)細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第31頁1膜脂流動性：膜脂分子運動方式沿膜平面?zhèn)认蜻\動：基本運動方式圍繞軸心自旋運動脂分子尾部擺動雙層脂分子之間翻轉(zhuǎn)運動細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第32頁膜脂流動性是細胞生理活動必需，是維持膜剛性、有序結(jié)構(gòu)和造成膜成份特定取向、組織結(jié)構(gòu)二者之間完美折中。脂雙層中脂肪酸飽和程度越高，脂雙層轉(zhuǎn)變成凝膠轉(zhuǎn)變溫度就越低。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第33頁

DynamicnatureofbiomembraneThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第34頁2膜蛋白流動性細胞融合是證實膜蛋白在膜平面運動第一個試驗（1970年LarryFrye和MichaelEdidin）。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第35頁Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.

Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第36頁細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第37頁Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.

Thebivalent（二價）antibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第38頁有些膜蛋白在整個膜中隨機運動，有些則不能運動。膜蛋白在脂雙層二維溶液中運動是自發(fā)熱運動，不需提供能量。多數(shù)研究中，大部分種類蛋白質(zhì)在膜中以自由擴散速率隨機運動，移動距離僅十分之幾微米。膜蛋白并非完全自由隨機漂浮在脂“?！鄙?，對整合膜蛋白最強影響來自膜下細胞骨架限制。細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第39頁細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第40頁Figure10-37.Diagramofanepithelialcellshowinghowaplasmamembraneproteinisrestrictedtoaparticulardomainofthemembrane.

ProteinA(intheapicalmembrane)andproteinB(inthebasalandlateralmembranes)candiffuselaterallyintheirowndomainsbutarepreventedfromenteringtheotherdomain,atleastpartlybythespecializedcelljunctioncalledatightjunction.Lipidmoleculesintheouter(noncytoplasmic)monolayeroftheplasmamembranearelikewiseunabletodiffusebetweenthetwodomains;lipidsintheinner(cytoplasmic)monolayer,however,areabletodoso.細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第41頁細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第42頁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.)細胞膜的結(jié)構(gòu)和探索歷程第43頁Figure10-39.Fourwaysinwhichth