細(xì)胞生物學(xué)-網(wǎng)絡(luò)課件08年第3章a minimizer

1CHAPTER3

PlasmaMembraneandTransportAcrossMembranes

2

OUTLINE3.1THEERYTHROCYTEMEMBRANESKELETON3.2THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES3.3MOLECULARSTRUCTURE

OFTHEPLASMAMEMBRANE3.4PASSIVETRANSPPORTOFSUBSTANCES3.5ACTIVETRANSPPORTOFSUBSTANCES3TypicalplasmaMembrane

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細(xì)胞質(zhì)膜

(PlasmaMembrane)

內(nèi)膜系統(tǒng)

（EndomembraneSystem)

生物膜(Biomembrane)5細(xì)胞的生物膜體系63.1TheErythrocyteMembraneSkeleton

◆RedBloodCells是結(jié)構(gòu)最簡單的細(xì)胞:■成熟的紅細(xì)胞沒有細(xì)胞器；■質(zhì)膜是紅細(xì)胞惟一的膜結(jié)構(gòu)；■紅細(xì)胞質(zhì)膜易于提純和分離；◆人們對膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，大多來自于對紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究。7ErythrocyteMembraneSkeleton83.1.1ErythrocyteBiology紅細(xì)胞的基本性質(zhì)◆成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹或單面凹陷的盤狀，直徑約為7μm,厚度1.7μm,表面積為145μm2；

？◆紅細(xì)胞的主要功能是攜帶O2和運輸CO2，紅細(xì)胞的壽命約為120天，一生中要行走500，000米。

？9電鏡下的紅細(xì)胞10

紅細(xì)胞膜脂雙層結(jié)構(gòu)的研究

◆1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel根據(jù)對紅細(xì)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(lipidbilayer)。

實驗結(jié)果證明∶紅細(xì)胞膜脂與表面積之比約為1.8～2.2∶1。113.1.2ErythrocyteMembraneSkeleton

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;

◆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。

？

12ErythrocyteGhostOnecanplacethecellsinadilute(hypotonic)saltsolution.Thecellsrespondtothisosmoticshockbytakingupwaterandswelling,aphenomenontermedhemolysis.Asthesurfaceareaofeachcellincreases,thecellesleakyandthecontents,composedalmosttotallyofdissolvedhemoglobin,flowoutofthecellleavingbehindaplasmamembrane“ghost"13紅細(xì)胞血影14

MajorProteinsofErythrocyteMembrane

紅細(xì)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(Band3protein)。15紅細(xì)胞膜蛋白？16◆Band3Protein■帶3蛋白約為紅細(xì)胞膜蛋白的25%;■Band3proteinservesasachannelforthepassiveexchangeofanionsacrossthemembrane.

H20+CO2→H2CO3→HCO-3+H+■Band3proteinispresentasadimercomposedoftwoidenticalsubunits;■Eachsubunitspansthemembraneatleastadozentimes;■andcontainsarelativelysmallamountofcarbohydrate(6-8percentofthemolecule'sweight).

17帶3蛋白的功能18◆GlycophorinA■GlycophorinAwasthefirstmembraneproteintohaveitsaminoacidsequencedetermined（由131個氨基酸組成）；

■Otherrelatedglycophorins,B,C,D,andE,arealsopresentinthemembraneatmuchlowerconcentrations.■GlycophorinAspansthemembraneonlyonce,

■Anditcontainsanextensivecarbohydrateportionconsistingof16oligosaccharidechains（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）。19ErythrocyteMembraneSkeletonProteins◆Theperipheralproteinsoftheerythrocyteplasmamembranearelocatedonitsinternalsurfaceandconstituteafibrillarmembraneskeleton;◆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。20■血影蛋白(Spectrin)●又稱收縮蛋白，有兩條相似的亞基∶β亞基（相對分子質(zhì)量：220000)，α亞基(相對分子質(zhì)量：200000)；●α鏈和β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(fù)合物”；●這些血影蛋白在整個細(xì)胞膜的細(xì)胞質(zhì)面下面形成韌性的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。21血影蛋白、肌動蛋白、帶4.1蛋白連接方式22■Actinandtropomyosin

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(xì)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(xì)胞膜上，也就將骨架固定到質(zhì)膜上。23■帶4.1蛋白(Band4.1Protein)●由兩個亞基組成的球狀蛋白;●在膜骨架中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(fù)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(xì)胞的形態(tài)。24紅細(xì)胞膜骨架組織253.2THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES3.2.1MembraneLipids

Membranescontainawidediversityoflipids,allofwhichareamphipathic;thatis,theycontainbothhydrophilicandhydrophobicregions.

Therearethreemaintypesofmembranelipids:

●Phosphoglycerides(磷酸甘油酯）；●Sphingolipids（鞘脂）；●Cholesterol。26

maintypesofmembranelipids◆磷脂(phospholipids)Becausemostmembranephospholipidsarebuiltonaglycerolbackbone,theyarecalledphosphoglycerides

■動、植物細(xì)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(tuán)，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14～24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)。27

Phospholipids？28◆膽固醇(Cholesterol)■膽固醇存在于真核細(xì)胞膜中：●動物細(xì)胞膜膽固醇的含量較高●Cholesterolisabsentfromtheplasmamembranesofmostplant.

●酵母細(xì)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?xì)湮膊俊！鯟holesterolissmallerthantheotherlipidsofthemembraneandlessamphipathic.

29TypicalCholesterol30◆Sphingolipids■Alessabundantclassofmembranelipids,arederivativesofsphingosine,anaminoalcoholthatcontainsalonghydrocarbonchain.■Sphingolipidsconsistofsphingosine（鞘氨醇）linkedtoafattyacidbyitsaminogroup.Thismoleculeisaceramide（神經(jīng)酰胺）.

■Thevarioussphingosine-basedlipidshaveadditionalgroupsesterified（酯化）totheterminalalcoholofthesphingosinemoiety.31●Sphingomyelin（鞘磷脂）

Ifthesubstitutionisphosphorylcholine,themoleculeissphingomyelin；●Glycolipid

Ifthesubstitutionisacarbohydrate,themoleculeisaglycolipid.▲Ifthecarbohydrateisasimplesugar,theglycolipidiscalledacerebroside（腦苷脂）;▲ifitisanoligosaccharide,theglycolipidiscalledaganglioside（神經(jīng)節(jié)苷脂）.

32■糖脂(Glycolipid)●糖脂普遍存在于原核和真核細(xì)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(fù)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;●Glycolipidsareinterestingmembranecomponents.Relativelylittleisknownaboutthem.

33

TheNaturetheLipid

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。34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(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng));

◆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(tuán)存在時才有功能。35◆脂質(zhì)體(Liposome)■phospholipidmoleculesassemblespontaneouslytoformthewallsoffluid-filledsphericalvesicles,calledliposomes.■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(xué)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(yīng)用前景。363.2.2MEMBRANEPROTEINS

◆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(xì)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(dá)到75%;◆一般來說,功能越復(fù)雜的膜,其上的蛋白質(zhì)含量越多。37膜蛋白的種類◆整合蛋白(IntegralProteins)

■部分或全部鑲嵌在細(xì)胞膜中或內(nèi)外兩側(cè)的蛋白質(zhì)；■Infact,allintegralproteinsareprobablytransmembraneproteins;thatis,theypassentirelythroughthelipidbilayerandthushavedomainsthatprotrudefromboththeextracellularandcytoplasmicsidesofthemembrane★；■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α螺旋,也有的是β折疊，如孔蛋白；■整合蛋白約占膜蛋白的70-80%。38◆外周蛋白(peripheralproteins)

■Proteinsarelocatedentirelyoutsideofthelipidbilayer,onthecytoplasmicorextracellularside,yetareassociatedwiththesurfaceofthemembranebynoncovalentbonds.■外周蛋白為水溶性;■占膜蛋白總量的20%～30%,在紅細(xì)胞中占50%,如紅細(xì)胞的血影蛋白和錨定蛋白都是外周蛋白。39

◆脂錨定蛋白(Lipid-anchoredproteins)■Proteinsthatarelocatedoutsidethelipidbilayer,oneithertheextracellularorcytoplasmicsurface,butarecovalentlylinkedtoalipidmoleculethatissituatedwithinthebilayer;■又稱脂連接蛋白(lipid-linkedproteins),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。40

Lipid-anchoredproteins？41FUNCTIONSOFMEMBRANEPROTEINS

◆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(jìn)出細(xì)胞;◆酶：有些是酶，催化相關(guān)的代謝反應(yīng);◆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。42