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Chapter 4 Cell Membrane 第一节第一节 细胞质膜细胞质膜的结的结构构模型模型 第二节第二节 生物膜基本特征与功能生物膜基本特征与功能 第三节第三节 膜骨架膜骨架 Cell membrane 细胞与环境之间的界膜细胞与环境之间的界膜 物质运输物质运输-物质流物质流 能量转运能量转运-能量流能量流 信息传递信息传递-信息流信息流 细胞膜（细胞膜（cell membrane，plasma membrance)细胞内的膜细胞内的膜(internal membrane)生物膜生物膜(biomembrane)cell membrane internal membrane internal membrane 第一节第一节 细胞膜的结构模型细胞膜的结构模型 一、一、生物膜结构模型生物膜结构模型 二、膜脂二、膜脂 三、膜蛋白三、膜蛋白 一、一、生物膜结构模型生物膜结构模型 1925年年 Gorter&Grendel 双层脂分子双层脂分子 1959年年 Robertson 单位膜模型单位膜模型 1972年年 Singer&Nicolson 流动镶嵌模型流动镶嵌模型 补充补充 液晶态模型液晶态模型 板块镶嵌模型板块镶嵌模型 脂筏模型脂筏模型 蛋白质：单层肽链蛋白质：单层肽链 折叠结构折叠结构 细胞质细胞质 脂双层脂双层 电镜下所有生物膜的相似结构电镜下所有生物膜的相似结构 两暗：磷脂极性头部两暗：磷脂极性头部+蛋白蛋白 一明：脂类的疏水尾部一明：脂类的疏水尾部 单位膜模型单位膜模型(unit membrane model)单位膜模型单位膜模型(unit membrane model)脂质双分子层脂质双分子层 极性头部极性头部 疏水尾部疏水尾部 外周蛋白外周蛋白 镶嵌蛋白镶嵌蛋白 流动镶嵌模型流动镶嵌模型 (fluid mosaic model)1.膜流动性膜流动性 2.膜蛋白分布不对称膜蛋白分布不对称 一、一、生物膜结构模型生物膜结构模型 1925年年 Gorter&Grendel 双层脂分子双层脂分子 1959年年 Robertson 单位膜模型单位膜模型 1972年年 Singer&Nicolson 流动镶嵌模型流动镶嵌模型 补充补充 液晶态模型液晶态模型 板块镶嵌模型板块镶嵌模型 脂筏模型脂筏模型 （1988）脂筏（脂筏（Lipid rafts）和脂筏模型）和脂筏模型 (lipid raft model)(Simon,1988)胆固醇胆固醇+鞘磷脂鞘磷脂-脂筏脂筏承载各种承载各种 膜蛋白膜蛋白 脂筏脂筏(lipid raft)是生物膜上胆固醇、鞘磷脂等组成的脂是生物膜上胆固醇、鞘磷脂等组成的脂相承载执行特定生物学功能的各种蛋白质的微区。相承载执行特定生物学功能的各种蛋白质的微区。组成组成 鞘磷脂，鞘糖脂，胆固醇，鞘磷脂，鞘糖脂，胆固醇，GPI-锚固蛋白，锚固蛋白，Src-kinase等等“小竹筏”上载着蛋白质“小竹筏”上载着蛋白质 一种动态集合一种动态集合 脂筏区流动性差脂筏区流动性差 功能功能：信号传递：信号传递 物质转运物质转运 二、膜脂二、膜脂（一）成分（一）成分 磷脂磷脂 phospholipid 糖脂糖脂 glycolipid 胆固醇胆固醇 cholesterol 分子特点：双型性分子分子特点：双型性分子（二）膜质运动方式（二）膜质运动方式（三）脂质体（三）脂质体 脂脂 肪肪 酸酸 脂脂 肪肪 酸酸 脂脂 肪肪 酸酸 磷脂磷脂 甘油磷酸甘油磷酸 鞘磷脂鞘磷脂 极性头部基团极性头部基团（亲水）（亲水）非极性尾部基团非极性尾部基团（疏水）（疏水）CH CHCH2 O O PO O O O X C O C O 甘油甘油 磷磷 酸酸 磷酸化醇磷酸化醇 磷脂磷脂 Phospholipid P O CH2 CH2 N O O CH3 CH3 CH3 神经神经 酰胺酰胺 O 鞘磷脂鞘磷脂 P O CH2 HCCOOH NH2 O C O CH CHCH2 O O C O O 脂脂 肪肪 酸酸 脂脂 肪肪 酸酸 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 O CH CHCH2 O C 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 P O CH2 CH2 NH2 O O C O O O 脂脂 肪肪 酸酸 脂脂 肪肪 酸酸 O CH3 P O CH2 CH2 N CH CHCH2 O O C O O C O O 脂脂 肪肪 酸酸 脂脂 肪肪 酸酸 CH3 CH3 磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱 O Phospholipid glycolipid 存在于存在于原核和真核原核和真核的细胞膜中的细胞膜中 最简单的：最简单的：glu/gal神经酰胺神经酰胺 复杂：神经节苷脂复杂：神经节苷脂 7个糖残基个糖残基 Function recognition signal transduction cholesterol Function fluidity stability permeability 1.侧向扩散侧向扩散 lateral diffusion 2.自旋自旋 rotation 3.摆动摆动 4.翻转翻转 flip-flop（二）膜脂的运动方式（二）膜脂的运动方式（三）脂质体（三）脂质体 Liposome 根据磷脂分子可在根据磷脂分子可在 水相中形成稳定的脂双层的趋水相中形成稳定的脂双层的趋 势而制备的人工膜。势而制备的人工膜。=251000 nm 用途：用途：研究材料研究材料 基因转移基因转移 临床临床诊断诊断/治疗治疗 Ex：liposome+McAb liposome+McAb+drug 三、膜蛋白三、膜蛋白 membrane protein 膜外在蛋白膜外在蛋白 extrinsic membrane protein 膜内在蛋白膜内在蛋白 intrinsic membrane protein 脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白lipid anchored protein（一）膜蛋白类型（一）膜蛋白类型（二）内在膜蛋白于膜质结合的方式（二）内在膜蛋白于膜质结合的方式 跨膜跨膜-单次单次 多次多次 跨膜结构域跨膜结构域-20 疏水氨基酸疏水氨基酸 形成跨膜通道形成跨膜通道 脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋白lipid anchored protein 共价连接共价连接-糖脂糖脂/脂肪酸脂肪酸 去垢剂去垢剂 detergent 离子型离子型 SDS 剧烈剧烈 蛋白变性蛋白变性 非离子型非离子型 TritonX-100 第二节第二节 生物膜基本结构与功能生物膜基本结构与功能 一、膜的流动性一、膜的流动性 fluidity（一）（一）膜脂膜脂流动性流动性 生理温度生物膜是液晶态生理温度生物膜是液晶态 液晶态是保证膜蛋白行使功能的必要条件液晶态是保证膜蛋白行使功能的必要条件 要维持在一定的限度内，要维持在一定的限度内，影响因素影响因素（二）（二）膜膜蛋蛋白白流动性流动性 （二）膜蛋白的运动性（二）膜蛋白的运动性 lateral diffusion rotation movement 成斑成斑(patching)成帽成帽(capping)荧光抗体免疫标记实验荧光抗体免疫标记实验 荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术 小鼠细胞小鼠细胞 标记人膜蛋白抗体标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）人膜蛋白（抗原）异核细胞异核细胞 抗小鼠膜蛋白抗体抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素荧光素B 抗人膜蛋白抗人膜蛋白antibody+荧光素荧光素A 标记小鼠膜蛋白抗体标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）小鼠膜蛋白（抗原）人细胞人细胞 孵育（孵育（37,40 min）膜蛋白膜蛋白 (antigen）二、膜的不对称性二、膜的不对称性 （一）细胞质膜各部分名称（一）细胞质膜各部分名称 ES PS EF PF（一）细胞质膜各部分名称（一）细胞质膜各部分名称 膜脂分子在脂双层中不对称分布膜脂分子在脂双层中不对称分布 糖脂糖脂 分布分布ES 磷脂磷脂 分布与合成部位有关分布与合成部位有关 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-PS -信号传导信号传导 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸-PS 细胞凋亡时细胞凋亡时 -ES 标记标记 磷脂酰胆碱、鞘磷脂磷脂酰胆碱、鞘磷脂-ES（二）膜脂的不对称性（二）膜脂的不对称性 跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性 膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称-功能？功能？（三）膜蛋白的不对称性（三）膜蛋白的不对称性 ES PS EF PF 三、细胞质膜的功能三、细胞质膜的功能 1.提供稳定内环境提供稳定内环境 2.物质运动，能量传递物质运动，能量传递 3.提供细胞识别位点，完成信号传导提供细胞识别位点，完成信号传导 4.酶促反应酶促反应 5.介导细胞间，细胞与胞外基质链接介导细胞间，细胞与胞外基质链接 6.参与形成细胞表面特化结构参与形成细胞表面特化结构 7.与医学相关：膜蛋白异常与医学相关：膜蛋白异常-疾病；药物靶标疾病；药物靶标 脂筏脂筏(lipid raft)脂筏微区脂筏微区 胞膜窖胞膜窖(caveolae)窖蛋白窖蛋白(caveolin)在信息传递和物质转运等诸多生命活动中起作用在信息传递和物质转运等诸多生命活动中起作用 膜骨架膜骨架(membrane associated cytoskeleton)细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的 网架系统网架系统 功能：参与维持质膜形状，协助质膜完成多种功能功能：参与维持质膜形状，协助质膜完成多种功能 第三节第三节 膜骨架膜骨架 1.All biological membrane share a common general structure.2.Assembled by lipid and protein molecules by noncovalent interactions.3.It is dynamic,fluid structure in which lipids and proteins are able to move in the plane of the membrane.4.The lipid and protein composition of PM is asymmetrical:the outside and inside faces are differ in the ways.Summary Basic features of PM 1.The lipid bilayer acts as a relatively impermeable barrier to water-soluble molecules.2.Protein molecules in the bilayer mediates other functions of the membrane:transportation,enzymes,signal transduction,structural linkers to cytoskeleton and/or extracellular matrix or adjacent cells.3.The specific lipid and protein components vary greatly from one cell type to others,reflecting the differences of their biological functions.Biological functions of PM