1、第三章细胞质膜与跨膜运输(ynsh),熊 涛,第一页，共三十六页。,细胞质膜,概述细胞膜的结构(jigu)细胞膜的功能红细胞膜结构膜的化学组成膜的分子结构及特点,第二页，共三十六页。,细胞(xbo)的膜结构,细胞膜(cell membrane)是细胞膜结构的总称。有时特指细胞质膜。细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面(biomin)的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白组成。质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。生物膜(biomembrane):细胞所有膜结构的统称，包括细胞内膜
2、和质膜。,第三页，共三十六页。,细胞膜的功能(gngnng),界膜和区室化调节运输：膜对物质的运输具有选择性功能定位与组织化信号(xnho)的检测与传递参与细胞间的相互作用能量置换,第四页，共三十六页。,红细胞膜结构,红细胞(red blood cell,erythrocyte)是结构最简单的细胞，也是研究(ynji)膜结构的最好材料。,红细胞的生物学形态结构：成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7m,厚度1.7m,表面积为145m2；表面积与体积的比值较大，有得于细胞变形、气体交换(jiohun)和携带。,第五页，共三十六页。,红细胞的功能红细胞的主要(zhyo)功能是携带O2和运
3、输CO2红细胞血影,第六页，共三十六页。,红细胞质膜,红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500,000米。红细胞膜骨架膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。红细胞膜(含膜骨架部分(b fen)大约有15种主要的蛋白带:血影蛋白(Spectrin)血型糖蛋白(Glycophorin)带3蛋白(Band 3 protein),第七页，共三十六页。,红细胞膜蛋白的组成血影蛋白：膜下蛋白，膜骨架的重要(zhngyo)成分，占膜提取蛋白的30%血型糖蛋白A：单次跨膜糖蛋白带3蛋白：具有阴离子转运功能锚蛋白：将血影蛋白固定到RBC膜上肌动蛋白、带4.1蛋白、内收蛋白膜骨架蛋白的主要成分包括
4、 血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白、带4.1蛋白等，这些都是外周蛋白。,肌动蛋白,原肌球蛋白,锚蛋白,血影蛋白,血型(xuxng)糖蛋白A,带3蛋白(dnbi),第八页，共三十六页。,膜的化学(huxu)组成,膜的化学组成：脂/蛋白质/糖膜中蛋白质与脂的比例，依据膜的类型(质膜、内质网膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物(dngw)、植物和原核生物)的不同而不同。蛋白质/脂：与膜的功能密切相关，线粒体 红细胞,第九页，共三十六页。,膜 脂,生物膜上的脂类统称(tngchng)为膜脂，其分子排列呈连续的双层，构成了生物膜的基本骨架。所有的膜脂都具有两亲性：一个亲水末端(极性端)和一具疏水
5、端(非极性端)。膜脂的主要类型磷脂、鞘脂、胆固醇,第十页，共三十六页。,胆固醇占膜脂的50%对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰(gnro)作用，所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。,胆固醇在脂双层中的位置(wi zhi),第十一页，共三十六页。,Lipoprotein is an Class of NaturallyExisting Nanostructures,第十二页，共三十六页。,Low-Density Lipoprotein(LDL)Nanoparticle,Goldstein and Brown won 1985 Nobel Prize for elucidating
6、 LDL receptor(LDLR)pathwayLDL delivery count for 90%of cholesterol supply(only 10%from de novo synthesis)Endogenous carrier nonimmunogenic and escape RES escape RES biocompatible and biodegradable,第十三页，共三十六页。,基于LDL的纳米(n m)平台技术,靶向LDL受体完整的 ApoB-100信号通过LDL受体扩大靶向其它的癌症信号通过覆盖Lys或改变apoB-100的构型，以封闭与LDL受体的结合
7、位点。偶联肿瘤(zhngli)相对特异性靶分子的配体或多肽,生物相容性好(无免疫原性，能够逃避内皮网状系统，可生物降解)多功能(结合MRI和NIRF成像，成像和治疗)靶向性可变(LDLR或非LDLR)纳米尺寸(ch cun)可调(过装载LDL或用不同尺寸(ch cun)的脂蛋白),22nm,第十四页，共三十六页。,膜脂的特性和功能在水溶液中能够自动形成微球或双分子层结构(jigu)；脂双层的厚度为6nm；膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架。,第十五页，共三十六页。,脂质体人工制备的连续(linx)脂双层的球形脂质小囊；作为生物膜的研究模型；作为生物大分子(如DNA分子)和药物的载体。,(,(a)
8、水溶液中的磷脂(ln zh)分子团；,(b)球形脂质体；,(c)平面(pngmin)脂质体膜；,d)用于疾病治疗的脂质体的示意图,第十六页，共三十六页。,膜 糖,膜糖的位置：细胞质膜上所有膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖的种类：动物细胞质膜上主要(zhyo)有7种D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖、N-乙酰-D-半乳糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、唾液酸膜糖的存在方式：通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。真核生物细胞膜上的蛋白质几乎都是糖蛋白。糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。,第十七页，共三十六页。,膜糖的功能提高膜
9、的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠维持正确的三维构型；参与细胞的信号识别、细胞的粘着；糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位；ABO血型决定子(determinant)，即ABO血型抗原，它是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端(m dun)是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，AB型的人则在末端同时具有这两种糖。,第十八页，共三十六页。,膜蛋白(membrane protein),膜蛋白分类内在（整合）膜蛋白(intrinsic
10、/integral membrane proteins)：水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密,需用去垢剂使膜崩解后才可分离(fnl)。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内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins)：通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。,第十九页，共三十六页。,膜蛋白的功能(gngnng),第二十页，共三十六页。,膜蛋白的研究(ynji)方法,膜蛋白的分离去垢(q u)剂的作用机理去垢剂是一端亲水一端疏水的双
11、亲媒性分子，它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀。去垢剂可分为离子型和非离子型两种十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。Triton X-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。,第二十一页，共三十六页。,膜的分子结构(fn z ji u)及特点,结构(jigu)模型
12、,1935年提出双分子(fnz)片层结构模型流动镶嵌模型；生物膜结构模型,胆固醇,磷脂,寡糖,糖脂,内在蛋白,第二十二页，共三十六页。,膜的不对称性细胞质膜的不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是(b shi)均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。膜脂的不对称性膜蛋白的不对称膜糖的不对称不对称性的意义膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。保证了生命活动的高度有序性。,第二十三页，共三十六页。,膜的流动性膜的流动性是指构成膜的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅(bjn)是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。膜的流动性的生理意义细胞质膜适宜的流动性是生物
13、膜正常功能的必要条件。酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。膜流动性与信息传递有着极大的关系。如果没有流动性，能量转换是不可能的。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。,第二十四页，共三十六页。,流动性的表现形式膜脂的运动方式(脂的流动是造成膜流动性的主要因素)侧向扩散(lateral diffusion)旋转运动(rotation)伸缩运动（flex）翻转(fn zhun)扩散(transverse diffusion)膜蛋白的运动随机移动定向移动局部扩散
14、,第二十五页，共三十六页。,膜流动性的研究(ynji)方法,人、鼠细胞融合实验1970年，L.David Frye 和Michael Edidin 进行了人、鼠细胞融合实验，令人信服地证明(zhngmng)了膜蛋白的流动。,免疫(miny)球蛋白与单克隆抗,第二十六页，共三十六页。,淋巴细胞的成斑和成帽反应通过抗体(kngt)交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是证明膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。,第二十七页，共三十六页。,光脱色荧光恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching FRAP)这种方法(fngf
15、)不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。,第二十八页，共三十六页。,细胞质膜的功能(gngnng),第二十九页，共三十六页。,非离子型去垢剂的作用(zuyng)机制,第三十页，共三十六页。,Glycophorin,第三十一页，共三十六页。,带3蛋白(dnbi)的功能,碳酸酐酶,第三十二页，共三十六页。,磷脂(ln zh)酰丝氨酸外翻分析（Annexin V法）,第三十三页，共三十六页。,细胞(xbo)凋亡,第三十四页，共三十六页。,Imaging apoptotic response in vivo,Vasilis Ntziachristos,et al.Visualizati
16、on of antitumor treatment by means of fluorescence molecular tomography with an annexin VCy5.5 conjugate,PNAS,2004,101(33):1229412299.,第三十五页，共三十六页。,内容(nirng)总结,第三章细胞质膜与跨膜运输。人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊。d)用于疾病治疗的脂质体的示意图。糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位。B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，。膜的流动性的生理意义。细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。这种方法不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量(cling)膜蛋白扩散的速率,第三十六页，共三十六页。,