第三章要点.docx

1、第三章要点Chapter Plasma Membrane & Cell Surface细胞膜（cell membrane）又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜。它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼

2、（glycocalyx）；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。1Plasma membrane1.1A history of studies on plasma membrane流动镶嵌模型主要强调：（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。脂筏模型：在以甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇和鞘磷脂等形成相对有序的脂相，如同漂浮在磷脂双分子层上的“筏”一样。这些“筏”上承载者能执行各种特定生物学

3、功能的膜蛋白。目前对生物膜结构的认识可归纳如下：1. 磷脂双分子层。 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质。以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。但是脂筏上存在一些能稳定其结构的蛋白。2. 膜蛋白多种多样。 蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。3. 相对的流动性。 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜二侧其它生物大分子的复杂

4、的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。1.2The chemical composition of membranes质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。一般，脂类约占50，蛋白质约40，糖类约210，不同的膜含量不同。蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，如，线粒体内膜是电子传递链所在；反之亦然，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。1.2.1Membrane Lipids

5、（1）磷脂Phospholipids大多数膜脂都含有磷酸基团，这种脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。磷脂特征：1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30o弯曲。（2）胆固醇Cholesterol胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性

6、，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。（3）糖脂Glycolipids糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。（4）脂质体Liposomes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。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内

7、部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。 脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。可用于：1. 转基因2. 制备的药物3. 研究生物膜的特性。1.2.2Membrane Proteins（一）类型膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。1. 整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic

8、 protein）跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。实际上，整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白质，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面；疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高。2. 外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分

9、子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。3. 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）靠的是与膜上的脂分子之间通过共价结合。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。（二）内在蛋白与膜脂的结合方式1. 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。2 .跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的

10、氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。3. 某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。（三）去垢剂 Detergent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。常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS），作用较为强烈，能引起蛋白质的变性；常用的非离子去垢剂为 Triton X100，作用较为温和。1.3Membrane fluidity质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。1.3.1Fluidity of membrane l

11、ipids1. 沿平面的侧向运动。2. 脂分子沿轴心的自旋运动。3. 脂分子尾部的摆动。4. 双分子层之间的反转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。1.3.2Fluidity of membrane proteins 随机移动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。 走向移动。有些蛋白比较特别，在膜中做定向移动。有些在膜上可以从细胞的一端移向另一端。 局部扩散。有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内做旋转扩散和侧向扩散。限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素：A被膜骨架固定B 在Moto

12、r protein的牵引下定向运动C其运动受其它膜蛋白的限制或影响D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动E其运动受细胞外基质限制1.3.3Experimental pathways（一）细胞融合Cell fusion（二）成斑和成帽现象Patching & Capping当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样, 在小鼠淋巴细胞的细胞质膜

13、表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,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。（三）荧光漂白恢复技术（FRAP :fluorescence recovery after photobleaching）研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细胞表面某一区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑

14、覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。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。思考：膜的流动性有何生物学意义？质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。 细胞质膜适宜的流动性是生物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

15、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。1.4Membrane asymmetry样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称： ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。1.4.1 Asymmetry of membran

16、e lipids脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域脂筏1.4.2 Asymmetry of membrane proteins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。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能。如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合

17、蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称1.4.3 Asymmetry of membrane Carbohydrate无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。思考：膜的不对称性有何生物学意义？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。膜脂在膜中的分布是不对称的，这可能和它们合成的部位有关，可能与维持脂膜的稳定有关。糖脂是位于脂双层的外侧，是其执行功能所必需的，其作用可能作为细胞外配体(ligand)的受体。 膜不仅内外两侧的功能不同， 分布的区域对功能也有影响。造成这种功能上的差异，

18、 主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。1.5The function of plasma membrane细胞质膜的主要功能概括如下：1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；2.选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；5. 导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 界膜和区室化(delineation and co

19、mpartmentalization) 细胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。如何理解细胞膜作为界膜对细胞生命活动所起的作用? 界膜的涵义包括两个方面:细胞界膜和内膜结构的界膜， 作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，这种界膜不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，它使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞内空间的区室化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效和有序。 调节运输(regulation of transport) 膜为两侧的分子交换提供了一个

20、屏障，一方面可以让某些物质自由通透，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。 功能区室化 细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体。 信号的检测与传递(detection and transmission of signals) 细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，进行信号的传递。 参与细胞间的相互作用(intercellular interaction) 在多细胞的生物中， 细胞通过质膜（包括膜中的一些蛋

21、白）进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。 能量转换(energy transduction) 细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在碳水化合物中。细胞膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，没有膜的这些功能， 细胞不能形成，细胞的生命活动就会停止。1.6The red blood cell & membrane skeleton(1)An example of plasma membrane structure首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染;

22、 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构， 所以分离后不存在其它膜污染的问题。Ghost :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）(2) SDS-PAGE血影蛋白(spectrin)锚定蛋白(ankyrin) 带3蛋白(band 3 protein)血型糖蛋白A(glycophorin A)带4.1蛋白(band 4.1 protein)肌动蛋白(actin)血影蛋白：由结构相似的链、链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血

23、影蛋白网络连接到质膜上。带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl，使HCO3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。血型糖蛋白：单次穿膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。 (3) The Erythrocyte membrane skeleton课本的带4.1蛋白指示错误！红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步： 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用红细胞膜骨架的装配过

24、程:分为三步: 首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用:血影蛋白的和亚基形成二聚体，在红细胞膜内，血影蛋白多以4聚体形式存在(也有6聚体、8聚体)。血影蛋白4聚体在4.1蛋白的帮助下同肌动蛋白寡聚体结合组成骨架的基本网络。一般认为，1217个肌动蛋白寡聚体及4.1蛋白和原肌球蛋白组成一个基本结构蛋白，这种结构蛋白再结合到血影蛋白和4.1蛋白复合体上。4.1蛋白和原肌球蛋白可稳定肌动蛋白寡聚体。 4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用:4.1蛋白的N端，35000的区域在生理状态下带正电荷，而血型糖蛋白带负电荷，所以4.1蛋白能够以静电稳定性同血型糖蛋白结合。 锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互

25、作用:锚定蛋白N端90000区可与带3蛋白结合，而72000区可与血影蛋白结合，由于带3蛋白是膜整合蛋白、血影蛋白是膜骨架蛋白，所以锚定蛋白起媒介作用将骨架蛋白与质膜相连。血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。至于红细胞的双凹型可能还与肌球蛋白的作用有关。Chapter Membrane transport & Cell signaling一、教学目的和要求：通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容

26、：物质跨膜运输的主要方式，代表类型、特点；细胞信号转导的概念、受体和配体的概念、代表性的信号途径。使学生更好的理解细胞的复杂性和有序性，同一性和多样性；引导学生从分子、细胞及组织等不同层次来认识物质和信息跨膜的过程及意义。二、教材分析：概述：本章内容同样属于本课程重点章节。2003年诺贝尔化学奖内容既为物质跨膜转运部分，即有经典内容又有教新的进展内容；而信号转导部分则是重重之重，在这一领域集中了多个学科的研究成果，是当前生物学的研究热点，学习内容中概念多、过程复杂。这些都决定了，本章内容对于学生的学和教师的教都是一个挑战。教学重点：协助扩散、主动运输；信号转导相关概念，细胞内受体介导的信号通路

27、。教学难点：载体蛋白和通道蛋白的特点及比较；主动运输的几个代表类型；受体介导的膜泡运输；G蛋白偶联受体介导的信号转导，RTK-Ras信号通路。三、教学设想：教材处理：尊重教材编排，制作课件时主要以选用教材为蓝本，以免使学生感到有较大的跳跃；在教材的基础上适当增加其深度和广度；对难度较大的部分用多种方式引导学生以多方面理解。教学方法：主要采用讲授法和例证法，辅以提问和讨论。教具：CAI课件四、教学内容：（8学时）1Membrane transport细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力。换句话说，细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的

28、平衡及渗透压平衡的能力。1.1Passive transport1.1.1Simple diffusion小分子的热运动可使分子以自由扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入膜的另一侧，其结果是分子由浓度高的一侧转运到浓度低的一侧，即沿着浓度梯度降低的方向转运。对于离子来说，同样是从离子浓度高的一侧向离子浓度低的一侧转运。离子转运既是沿着浓度梯度也是沿着电化学梯度转运。分子或离子以自由扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。? 也叫自由扩散（free diffusion）? 特点是：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。? 某种物

29、质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t , t为膜的厚度。通透性：? 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；? 非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；? 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；? 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。非极性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透过脂

30、双层，不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速度较慢，分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过，而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl、HCO3是高度不通透的。事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。Diffusion Vs Osmosis扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。 渗透(osmos

31、is) 则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。1.1.2Facilitated diffusion协助扩散也是小分子物质沿其浓度梯度（或电化学梯度）减小方向的跨膜运动，不需要细胞提供能量，从这一点上看，它与简单扩散相同，因此二者都称为被动运输。但在协助扩散中，特异的膜蛋白“协助”物质转运使其转运速率增加，转运特异性增强。其运输特点是： 比自由扩散转运速率高； 存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； 有特异性，即与特定溶质结合。这类特殊的载体蛋白主要有离子载体和通道蛋白两种类型。膜转运蛋白可分为两类：一类称载体蛋白（carrier Proteins），如前面提到的转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白（channelProteins），它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。载体蛋白Carrier Protein 其运输特点是：? 与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；? 对所转运的物质具有高度选择性；? 载体蛋白又称为通透酶(Permease): 对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是: 载体蛋白不对转运分子