1、1,CHAPTER 3,Plasma Membrane and Transport Across Membranes,2,OUTLINE,3.1 THE ERYTHROCYTE MEMBRANE SKELETON 3.2 THE CHEMICAL COMPOSITION OF MEMBRANES 3.3 MOLECULAR STRUCTURE OF THE PLASMA MEMBRANE 3.4 PASSIVE TRANSPPORT OF SUBSTANCES 3.5 ACTIVE TRANSPPORT OF SUBSTANCES,3,Typical plasma Membrane,4, 細胞

2、質(zhì)膜 (Plasma Membrane) 內(nèi)膜系統(tǒng) （Endomembrane System) 生物膜(Biomembrane),5,細胞的生物膜體系,6,3.1 The Erythrocyte Membrane Skeleton Red Blood Cells是結(jié)構(gòu)最簡單的細胞: 成熟的紅細胞沒有細胞器； 質(zhì)膜是紅細胞惟一的膜結(jié)構(gòu)； 紅細胞質(zhì)膜易于提純和分離； 人們對膜結(jié)構(gòu)的認識，大多來自于對 紅細胞膜結(jié)構(gòu)的研究。,7,Erythrocyte Membrane Skeleton,8,3.1.1 Erythrocyte Biology,紅細胞的基本性質(zhì) 成熟的紅細胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直

3、徑約為7m,厚度1.7m,表面積為145m2； ？ 紅細胞的主要功能是攜帶O2和運輸CO2，紅細胞的壽命約為120天，一生中要行走500，000米。 ？,9,電鏡下的紅細胞,10,紅細胞膜脂雙層結(jié)構(gòu)的研究 1925年兩位荷蘭科學家E.Gorter和 F.Grendel根據(jù)對紅細胞質(zhì)膜的研究首 次提出質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層 (lipid bilayer) 。 實驗結(jié)果證明紅細胞膜脂與表面 積之比約為1.82.21。,11,推測雙脂層的實驗,12,3.1.2 Erythrocyte Membrane Skeleton,問題提出的依據(jù) 行程500,000米 要多次穿過小于自身直徑一半的微小通 道;

4、要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pH值的不利條 件; 又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終 保持結(jié)構(gòu)的完整。 ？,13, Erythrocyte Ghost One can place the cells in a dilute (hypotonic) salt solution. The cells respond to this osmotic shock by taking up water and swelling, a phenomenon termed hemolysis. As the surface area of each cell increases, the cell becomes

5、 leaky and the contents, composed almost totally of dissolved hemoglobin, flow out of the cell leaving behind a plasma membrane “ghost,14,紅細胞血影,15,Major Proteins of Erythrocyte Membrane 紅細胞膜(含膜骨架部分)大約有15種 主要的蛋白帶: 其中有三種主要的蛋白: 血影蛋白 (Spectrin)、血型糖蛋白(Glycophorin)、 帶3蛋白(Band 3 protein)。,16,紅細胞膜蛋白,？,17,Ba

6、nd 3 Protein,帶3蛋白約為紅細胞膜蛋白的25%; Band 3 protein serves as a channel for the passive exchange of anions across the membrane. H20 + CO2 H2CO3 HCO-3 + H+ Band 3 protein is present as a dimer composed of two identical subunits; Each subunit spans the membrane at least a dozen times ; and contains a relati

7、vely small amount of carbohydrate (6-8 percent of the molecules weight).,18,帶3蛋白的功能,19,Glycophorin A,Glycophorin A was the first membrane protein to have its amino acid sequence determined（由131個氨基酸組成）； Other related glycophorins, B, C, D, and E, are also present in the membrane at much lower concent

8、rations. Glycophorin A spans the membrane only once, And it contains an extensive carbohydrate portion consisting of 16 oligosaccharide chains （其親水的氨基 端露在膜的外側(cè), 結(jié)合16個低聚糖側(cè)鏈）。,20,Glycophorin,21, Erythrocyte Membrane Skeleton Proteins The peripheral proteins of the erythrocyte plasma membrane are locate

9、d on its internal surface and constitute a fibrillar membrane skeleton; 膜骨架蛋白的主要成分包括: 血影蛋白、肌動蛋白、錨定蛋白、 帶4.1蛋白等，這些都是外周蛋白。,22,血影蛋白(Spectrin) 又稱收縮蛋白，有兩條相似的亞基亞基（相對分子質(zhì)量：220 000)，亞基(相對分子質(zhì)量： 200 000)； 鏈和鏈反向平行排列, 扭曲成麻花狀，形成異二聚體； 兩個異二聚體頭-頭連接成200nm長的四聚體； 五個或六個四聚體的尾端一起連接于短的肌動蛋白纖維和另一種蛋白質(zhì)(帶4.1蛋白), 形成“連接復合物”； 這些血影蛋

10、白在整個細胞膜的細胞質(zhì)面下面形成韌性的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。,23,血影蛋白、肌動蛋白、帶4.1蛋白連接方式,24, Actin and tropomyosin 肌動蛋白纖維鏈長約35nm（結(jié)合有原肌球蛋白）， 在肌動蛋白纖維上有多個(一般為5個左右)與血 影蛋白結(jié)合的位點,通過與血影蛋白游離端相連， 參與膜骨架結(jié)構(gòu)的形成； Ankyrin 又稱2.1蛋白。錨定蛋白一方面與血影蛋白相連, 另一方面與跨膜的帶3蛋白的細胞質(zhì)區(qū)域相連,這 樣，錨定蛋白借助于帶3蛋白將血影蛋白連接到 細胞膜上，也就將骨架固定到質(zhì)膜上。,25,帶4.1蛋白(Band 4.1 Protein) 由兩個亞基組成的球狀蛋白; 在膜骨架中

11、的作用是通過同血影蛋白結(jié)合，促使血 影蛋白同肌動蛋白結(jié)合; 4.1蛋白本身不同肌動蛋白相連，因為它沒有與肌動蛋 白連接的位點。 內(nèi)收蛋白(Adducin) 是由兩個亞基組成的二聚體，形態(tài)似不規(guī)則的盤狀物， 高5.4nm,直徑12.4nm; 內(nèi)收蛋白可與肌動蛋白及血影蛋白復合體結(jié)合，并且 通過ca2+和鈣調(diào)蛋白的作用影響骨架蛋白的穩(wěn)定性， 從而影響紅細胞的形態(tài)。,26,紅細胞膜骨架組織,27,3.2 THE CHEMICAL COMPOSITION OF MEMBRANES,3.2.1 Membrane Lipids Membranes contain a wide diversity of l

12、ipids, all of which are amphipathic; that is, they contain both hydrophilic and hydrophobic regions. There are three main types of membrane lipids: Phosphoglycerides(磷酸甘油酯）； Sphingolipids（鞘脂）； Cholesterol。,28,main types of membrane lipids 磷脂(phospholipids) Because most membrane phospholipids are bui

13、lt on a glycerol backbone, they are called phosphoglycerides 動、植物細胞膜上都有磷脂,約占膜脂的50%以上； 磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部； 磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈, 稱為尾部,一般含有1424個偶數(shù)碳原子； 其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵,雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。,29,Phospholipids,？,30,膽固醇(Cholesterol) 膽固醇存在于真核細胞膜中： 動物細胞膜膽固醇的含量較高 Cholesterol is absent from the plasma membranes

14、 of most plant. 酵母細胞膜中是麥角固醇; 膽固醇分子包括三部分: 極性的頭部：羥基 非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu) 一個非極性的碳氫尾部。 Cholesterol is smaller than the other lipids of the membrane and less amphipathic.,31,32,Typical Cholesterol,33,Sphingolipids A less abundant class of membrane lipids, are derivatives of sphingosine, an amino alcohol that conta

15、ins a long hydrocarbon chain . Sphingolipids consist of sphingosine（鞘氨醇） linked to a fatty acid by its amino group. This molecule is a ceramide（神經(jīng)酰胺）. The various sphingosine-based lipids have additional groups esterified （酯化）to the terminal alcohol of the sphingosine moiety.,34,Sphingomyelin（鞘磷脂） I

16、f the substitution is phosphorylcholine, the molecule is sphingomyelin； Glycolipid If the substitution is a carbohydrate, the molecule is a glycolipid. If the carbohydrate is a simple sugar, the glycolipid is called a cerebroside（腦苷脂）; if it is an oligosaccharide, the glycolipid is called a ganglios

17、ide（神經(jīng)節(jié)苷脂）.,35,Sphingolipids,36,糖脂(Glycolipid) 糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜上,含量約占膜脂的5%以下; 最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂,它僅有一個半乳糖作為極性頭部; 變化最多、最復雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂,它是神經(jīng)原質(zhì)膜具特征性的成分; Glycolipids are interesting membrane components. Relatively little is known about them.,37,The Nature the Lipid 膜脂的基本性質(zhì)是兩性物質(zhì), 能夠自我裝配成雙層結(jié)構(gòu)或自我封閉成球狀。,38,Self Assemb

18、le OF Lipid Bilayer,39,膜脂的功能 構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，則使膜解體; 是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能; 膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境, 一般膜脂本身不參與反應(細菌的膜脂參與反應); 膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。,40,脂質(zhì)體(Liposome) phospholipid molecules assemble spontaneously to form the walls of fluid-filled spherical vesicl

19、es, called liposomes. 脂質(zhì)體可用作生物膜的研究模型，并可作為生物大分子與藥物的運載體，因此脂質(zhì)體不僅是研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)的極好材料，同時在基因轉(zhuǎn)移藥物治療方面有著誘人的應用前景。,41,脂質(zhì)體的形成,42,3.2.2 MEMBRANE PROTEINS,生物膜的特定功能主要是由蛋白質(zhì)完成的; 膜蛋白約占膜的40%50%, 有50余種膜蛋白; 在不同細胞中膜蛋白的種類及含量有很大差異。有的含量不到25%, 有的達到75%; 一般來說,功能越復雜的膜, 其上的蛋白質(zhì)含量越多。,43,膜蛋白的種類 整合蛋白(Integral Proteins) 部分或全部鑲嵌在細胞

20、膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)； In fact, all integral proteins are probably transmembrane proteins; that is, they pass entirely through the lipid bilayer and thus have domains that protrude from both the extracellular and cytoplasmic sides of the membrane ； 根據(jù)跨膜次數(shù)將跨膜蛋白分為單次跨膜、多次跨膜、多亞單位跨膜等；跨膜蛋白的跨膜區(qū)為一般為螺旋, 也有的是折疊，如孔蛋白； 整

21、合蛋白約占膜蛋白的70-80%。,44,Integral Proteins,45,外周蛋白(peripheral proteins) Proteins are located entirely outside of the lipid bilayer, on the cytoplasmic or extracellular side, yet are associated with the surface of the membrane by noncovalent bonds. 外周蛋白為水溶性; 占膜蛋白總量的20%30%,在紅細胞中占50%,如紅細胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白。,4

22、6,Peripheral Proteins,47,脂錨定蛋白(Lipid-anchored proteins ) Proteins that are located outside the lipid bilayer, on either the extracellular or cytoplasmic surface, but are covalently linked to a lipid molecule that is situated within the bilayer; 又稱脂連接蛋白(lipid-linked proteins), 同脂的結(jié)合有兩種方式： 一種方式是通過一個糖分子間接同脂雙層中的脂結(jié)合； 一種是蛋白質(zhì)直接與脂雙層中的脂結(jié)合。,48,Lipid-anchored proteins,？,49,FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS 運輸?shù)鞍祝耗さ鞍字杏行┦沁\輸?shù)鞍?轉(zhuǎn)運特殊的分子和離子進出細胞; 酶：有些是酶，催化相關(guān)的代謝反應; 連接蛋白：有些是連接蛋白,起連接作用； 受體：起信號接收和傳遞作用。,50,FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS,51,膜蛋白的研究方法 用去垢劑分離小