第四章 细胞质膜.ppt

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　　重点

　　第四章 细胞质膜

　　? 流动镶嵌模型的主要特点 ? 生物膜的流动性和不对称性

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　　细胞膜(cell membrane)——又称质膜(plasma membrane)，指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白和糖类组成的生物膜。 细胞内膜(cell endomembrane)——指真核细胞内围绕各种细胞器的生物膜。 生物膜(biomembrane) ——细胞膜和内膜系统的总称。

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　　第一节 细胞质膜的结构模型

　　?细胞膜 一、细胞质膜的结构模型 二、膜脂 三、膜蛋白

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　　一、细胞膜的结构模型与基本成分

　　(一)生物膜结构的研究简史及结构模型 (二)目前对生物膜结构的认识

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　　细胞膜结构模型的研究简史

　　? E.Gorter和F.Grendel(1925): “蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板/三明治结构模型 ? J.D.Robertson(1959年)： 单位膜模型(unit membrane model) ? S.J.Singer和G.Nicolson(1972)： 生物膜的流动镶嵌模型 (fluid mosaic model) ? 脂筏模型(lipid rafts model) (在膜表面上具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构，如同“脂筏”，载着各种蛋白质)

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　　“三明治”模型

　　流动镶嵌模型

　　①膜的流动性:膜蛋白和膜脂均可侧向运动。②膜蛋白分布的不对称性：有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。

　　寡糖

　　糖脂

　　糖蛋白

　　疏水α螺旋

　　磷脂

　　胆固醇

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　　目前对生物膜结构的认识

　　?磷脂双分子层是生物膜的基本结构成分。 ?镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面的蛋白分子的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜特性与功能。 ?膜蛋白和膜脂的流动性受制约 生物膜处于不断的动态变化中

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　　二、膜脂

　　(一)成分：膜脂主要包括甘油磷脂、鞘脂和固醇。

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　　1.甘油磷脂 膜脂的基本成分(50%↑)。 2.鞘脂(SM)：脑和神经细胞膜中丰富;原核细胞和植物细胞没有。

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　　3. 固醇 胆固醇仅存在动物细胞和少数植物细胞质膜上(30%以下)。细菌质膜不含胆固醇,但某些含甘油脂等中性脂类

　　糖脂

　　2. 糖脂 糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上(5%以下)，神经细胞糖脂含量较高。

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　　ABO血型抗原(ABO Blood group antigens)是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。 A 型：膜脂寡糖链末端是N-乙酰半乳糖胺 (GalNAc) B 型：膜脂寡糖链末端是半乳糖(Gal) O 型：膜脂寡糖链末端没有这两种糖基 AB型：膜脂寡糖链末端同时具有两种糖基

　　ABO 血型

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　　标题： 血型

　　正文： http://baike.baidu.com/view/521.htm 血型与性格

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　　(二)膜脂的运动方式

　　?沿膜平面的侧向运动(基本运动方式) ?脂分子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

　　侧向运动

　　翻转

　　自旋

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　　(三)脂质体(liposome)

　　脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。

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　　脂质体的类型

　　水溶液中的 磷脂分子团

　　球形 脂质体

　　平面脂 质体膜

　　疾病治疗用的 脂质体示意图

　　PEG膜

　　抗体

　　脂溶性物质

　　药物结晶

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　　脂质体的应用

　　?研究生物膜的特性 ?转基因 ?制备药物 1.作为药物载体：抗癌药、 抗寄生虫和真菌药、多 肽及酶类药等。 2.作为疫苗载体：起免疫佐剂作用。 3.用于免疫诊断：包裹荧光物质或酶活性物质。 4.作为基因治疗和核酸免疫中的DNA载体。

　　细胞内吞脂质体的过程

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　　外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins)——水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。

　　内在(整合)膜蛋白(intrinsic/ integral membrane proteins) ——水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。

　　内在膜蛋白

　　外在膜蛋白

　　脂锚定膜蛋白

　　三、膜蛋白

　　(一)基本类型

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　　内在膜蛋白

　　外在膜蛋白

　　脂锚定蛋白/脂连接蛋白

　　(受体、酶、细胞粘附分子、PrPC)

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　　半胱氨酸残基共价结合脂肪酸分子插入脂双层之间

　　膜蛋白跨膜结构域与脂双层分子疏水核心相互作用

　　正电荷氨基酸残基与磷脂分子带负电极性头形成离子键，或带负电氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电磷脂极性头相互作用

　　(二)内在蛋白与膜脂的结合方式

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　　(三)去垢剂 是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。 ?离子型去垢剂——常用SDS(作用剧烈，使细胞膜崩解、蛋白质变性) ?非离子型去垢剂——常用Triton X-100(使细胞膜崩解，但作用温和)

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　　非离子型去垢剂

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　　标题： 第二节 细胞质膜的基本特征与功能

　　正文： 一、膜的流动性 二、膜的不对称性 三、细胞质膜相关的膜骨架

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　　一、膜的流动性

　　膜的流动性是指生物膜内的脂质和蛋白质分子的运动性，是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。 (一)膜脂的流动 (二)膜蛋白的流动

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　　膜脂流动性的影响因素： 1.胆固醇：含量↑，流动性↓ 2.脂肪酸链的饱和度：含双键越多越不饱和,膜流动性↑ 3.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高,膜流动性↓ 4.卵磷脂/鞘磷脂：比例↑膜流动性↑(因鞘磷脂粘度高于卵磷脂) 5.温度：细菌和动物细胞常通过增加不饱和脂肪酸含量调节膜脂相变温度以维持膜脂的流动性; 6.胆固醇：对动物细胞膜的流动性起重要的双向调节作用; 7.其他：膜蛋白和膜脂的结合方式、酸碱度、离子强度等。

　　膜脂分子的运动—— 侧向、自旋、摆动、翻转、振荡

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　　四种运动方式

　　?沿膜平面的侧向运动(基本运动方式),其扩散系数为10-8cm2/s; ?脂分子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，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10，但在内质网膜上，新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。

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　　膜蛋白流动性的实验研究 ?荧光抗体免疫标记实验 ?成斑现象(patching)或成帽现象(capping) ?光脱色荧光恢复技术

　　(二)膜蛋白的流动性

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　　荧光抗体 免疫标记实验 ①分别以绿、红荧光抗体标记人、鼠细胞; ②细胞融合(仙台病毒介导); ③荧光扩散(10min) ④荧光均匀分布(40min) 证明 与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动

　　①

　　②

　　③

　　④

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　　成斑现象和成帽现象 荧光抗体免疫标记实验中，当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的抗体重新排布： 聚集在细胞表面某些部位——“成斑现象” 聚集在细胞的一端——“成帽现象”

　　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。

　　证明

　　“成斑现象”

　　“成帽现象”

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　　光脱色荧光恢复技术 (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)

　　荧光素标记

　　激光素照射

　　荧光恢复

　　研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一 ①证明膜的流动性 ②测量膜蛋白的扩散速率

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　　正文： 运动方式：侧向扩散和旋转扩散。 运动形式：①随机移动 ②定向移动 ③局部扩散 限制因素：①被膜骨架固定;② 在马达代表的牵引下定向运动;③其运动受其它膜蛋白的限制或影响 ④被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动 ⑤其运动受细胞外基质限制

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　　二、膜的不对称性

　　? 膜脂的不对称性 ? 膜蛋白与糖蛋白的不对称性 ? 膜糖的不对称性 ? 脂筏——在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构

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　　ES——质膜的细胞外表面(extrocytopasmic surface); PS——质膜的原生质表面(protoplasmic surface); EF——质膜的细胞外小页断裂面(extrocytopasmic face); PF——原生质小页断裂面(protoplasmic face)。

　　ES

　　PS

　　EF

　　PF

　　细胞质膜各部分的名称

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　　SM：鞘磷脂 (sphingomyelin) PC：磷脂酰胆碱/卵磷脂 (phosphatidyl choline) PS：磷脂酰丝氨酸 (phosphatidyl serine) PE：磷脂酰乙醇胺/脑磷脂 (phosphatidyl thanolamine) PI：磷脂酰肌醇 (phosphatidyl inositol) CL：胆固醇(Cholesterol)

　　质膜的细胞外表面(ES)

　　质膜的原生质表面(PS)

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　　①膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性; ②各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能; ③膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称。

　　膜蛋白的不对称性

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　　正文： 糖脂和糖蛋白仅存在于质膜的ES面，可能是细胞表面受体并与细胞抗原性有关。

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　　三、细胞质膜相关的膜骨架

　　膜骨架是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。

　　(一)膜骨架

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　　(二)、红细胞的生物学特性

　　? 红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE ? 红细胞膜骨架的结构

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　　人类红细胞

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　　红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影(ghost) SDS-PAGE： 1.血影蛋白(spectrin) 2.锚蛋白(ankyrin) 3.带3蛋白 (band 3 protein) 4.血型糖蛋白A (glycophorin A) 5.带4.1蛋白 (band 4.1 protein) 6.带4.2蛋白 7.肌动蛋白(actin)

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　　四、细胞膜的功能 

　　?为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; ?选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,并伴随着能量的传递; ?提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; ?为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行; ?介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; ?参与形成有不同功能的细胞表面特化结构。 ?膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标

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　　? ??; ?; ?

　　选择性物质运输,包括代谢底物输入与产物排除, 并伴随能量传递

　　介导细胞间、细胞与基质间连接

　　质膜参与形成有不同功能的细胞表面特化结构

　　为多种酶提供结合位点,使 酶促反应高效而有序地进行

　　为细胞的生命 活动提供相对稳定的内环境

　　提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递

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　　? 3个同一己糖的糖链 (葡萄糖/半乳糖)→176个不同的三糖; ? 3个不同种类单糖的糖链→1056个异构体; ? 以血浆糖蛋白中常见的糖链为例： 1个岩藻糖+2个半乳糖+2个神经氨酸+3个甘露糖+4个N一乙酸氨基葡萄糖=12个单糖组成的一条糖链→有10万个异构体。1个异构体可携带1个信息→一条多糖链携带的信息可是天文数字!

　　因为糖链有惊人数目的异构体!

　　问：细胞外被何以被看作细胞“指纹”?

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　　相变——在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。 相变温度——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，晶态又可熔解再变成液晶态。这种临界温度称为相变温度。

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