膜的结构和功能

肽聚糖
膜蛋白与脂层双分子层的结合方式
膜蛋白伸出脂双层， 膜蛋白伸出脂双层，在膜两侧露出一部份 大部份膜蛋白以单一α螺旋构象横过脂双层 大部份膜蛋白以单一 螺旋构象横过脂双层 并联的几条α螺旋伸展越过脂层 并联的几条 螺旋伸展越过脂层 一些多次跨膜的蛋白，其多肽链多次跨膜节段不是 螺旋 螺旋， 一些多次跨膜的蛋白，其多肽链多次跨膜节段不是α螺旋，而 是排列成封闭的β折叠片 折叠片(β筒 孔蛋白) 是排列成封闭的 折叠片 筒,β-barrel)(孔蛋白 孔蛋白
பைடு நூலகம்
冰冻断裂复型(freeze-fracture replication)技术 冰冻断裂复型 技术
样品在液氮中进行快速冷冻， 样品在液氮中进行快速冷冻，然后将冷冻的样品迅速抽 成真空。用冰刀横切冰冻样品， 成真空。用冰刀横切冰冻样品，使样品内层被分开露出 如用冰刀切开细胞膜时， 两个表 面。如用冰刀切开细胞膜时，分开的两个面分 别称为P面 face)和E面 face)， 别称为P面(protoplasmic face)和E面(exoplasmic face)， P面是靠近细胞质一面的半层膜，而E面则是靠近细胞 面是靠近细胞质一面的半层膜， 面是靠近细胞质一面的半层膜 面则是靠近细胞 外基质面的半层膜，可清楚地观察到镶嵌蛋白。 外基质面的半层膜，可清楚地观察到镶嵌蛋白。
内在蛋白(integral protein) 内在蛋白
(1) distribution : Freeze-fracture analysis (2) the structure and propeties a. determining membrane sidedness b. identifying transmembrane domains c. bacteriorhodopsin (细菌视紫红质 细菌视紫红质) 细菌视紫红质 (3) porin(孔蛋白 孔蛋白) 孔蛋白
Freeze fracture: a technique for investigating cell membrane structure a. Illustration of freeze fracture b. Replica of a freeze-fractured human erythrocyte c. Surface of an erythrocyte
Three classes of membrane protein 1. Integral proteins typically contain one or more transmembrane helices 2. Peripheral proteins are noncovalently bonded to the polar head groups of the lipid bilayer and/or to an integral membrane protein 3. Lipid-anchored proteins are covalently bonded either to a phospholipid or a fatty acid that is embedded in one of the leaflets of the lipid bilayer.
膜蛋白与脂层双分子层的结合方式
周边蛋白由一个共价键经低聚糖或脂链等付着在磷脂和 磷脂先肌醇上， 磷脂先肌醇上，插入单分子层中
膜蛋白与脂层双分子层的结合方式
与膜结合，不伸入脂层的疏水区， 与膜结合，不伸入脂层的疏水区，而由非共价键与其他 蛋白质相互作用，付着在膜上（用相对温和的提取方法， 蛋白质相互作用，付着在膜上（用相对温和的提取方法， 很高或很低的离子强度，非常PH就能从膜上是分离. 很高或很低的离子强度，非常PH就能从膜上是分离. PH就能从膜上是分离
孔蛋白(porin) 孔蛋白
是存在于细菌质膜的 外膜、 外膜、线粒体和叶绿体的 外膜上的通道蛋白, 外膜上的通道蛋白, 允许 较大的分子通过, 较大的分子通过,其中线 粒体孔蛋白可通过的最大 分子为6000Da, 6000Da,而叶绿体 分子为6000Da,而叶绿体 的可通过相对分子质量在 10,000--13,000间物质 --13,000间物质。 10,000--13,000间物质。 孔蛋白是膜整合蛋白, 孔蛋白是膜整合蛋白, 它的膜脂结合区与其他的 跨膜蛋白不同,不是α 跨膜蛋白不同,不是α螺 而是β折叠。 旋,而是β折叠。
膜蛋白
膜蛋白的分类 周边蛋白(peripheral 周边蛋白(peripheral protein) 内在蛋白(integral 内在蛋白(integral protein) 跨膜蛋白(transmembrane 跨膜蛋白(transmembrane protein) 孔蛋白(porin) 孔蛋白(porin)
Glycophorin A（血糖蛋白）, integral protein with a single transmembrane domain.
及 视 紫 红 质 分 子
嗜 盐 菌 的 紫 膜 斑
细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)：高度嗜盐菌(古细菌)的紫膜中存在，多次跨 膜蛋白，有7个α螺旋通过脂双层，是一个质子泵。由248氨基酸构成，分子量 2万6千，每个α螺旋约有25个氨基酸大致与膜构成直角通过脂层。每个分子含 有一个吸收光的基团—发色团(视黄醛)。发色团共价结合到蛋白质的氨基酸 的赖氨酸侧链上。被光激活后引起蛋白质的构象变化，导致H+从细胞内转运 到细胞外。
二.膜的化学组成
膜的化学组成：脂质(基本骨架，50%)，蛋白( 膜的化学组成：脂质(基本骨架，50%)，蛋白(功能 主要体现者，40%)和糖类 和糖类(2 主要体现者，40%)和糖类(2-10%) 膜脂：磷脂，胆固醇，糖脂为主 膜脂：磷脂，胆固醇， 膜蛋白 蛋白质的构造： 蛋白质的构造：球状和线状蛋白两大类 α螺旋: 每一轮有3.6(n)个氨基酸，每个氨基酸的 螺旋: 每一轮有3.6(n)个氨基酸 个氨基酸， 平移距离是1. 5(d)埃 轮间距为5.44(p)埃 平移距离是1. 5(d)埃，轮间距为5.44(p)埃。所有 基团远离螺旋轴。 的R基团远离螺旋轴。 β折叠：多肽链平行排列。 折叠：多肽链平行排列。
三. The dynamic nature of the plasma membrane
The possible movements of phospholipids in a membrane
膜脂分子的运动 侧向扩散： 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置 旋转运动： 旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转 摆动运动： 摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动 伸缩震荡： 翻转运动：从脂双层的一层翻转到另一层。 翻转运动：从脂双层的一层翻转到另一层。在翻转酶 flippase） （flippase）的催化下完成 旋转异构：脂肪酸链围绕C 键旋转， 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运 动
This figure shows the asymmetrical distribution of the phospholipids of the erythrocyte membrane. The insert shows the composition of the different PI’s according to the phosphorylation（磷酰化） of the inositol group. （磷酰化） PL：磷脂； Sph：神经鞘磷脂； PC：磷脂酰胆碱，又称卵磷脂； PE：磷 ：磷脂； ：神经鞘磷脂； ：磷脂酰胆碱，又称卵磷脂； ： 脂酰乙醇胺，又称脑磷脂； ： 脂酰乙醇胺，又称脑磷脂； PI：磷酯酰肌醇
SingerSinger-Nicholson Fluid Mosaic Model
Hydrophilic polar heads
water
Hydrophobic nonpolar tails hydrophilic polar heads
water
Fluid Mosaic Model
多糖-蛋白质复合物 多糖 蛋白质复合物
一. 膜的分子结构
膜的结构模型： 膜的结构模型： Gorter & Gredel (1925) Danielli-Davson(1935) Roberson单位膜模型 单位膜模型(1959) 单位膜模型 Singer & Nicolson流动 镶嵌模型 流动-镶嵌模型 流动 镶嵌模型(1972) Darnell分子结构 分子结构(1986) 分子结构
An integral protein as it resides within the plasma membrane. Tertiary structure of the photosynthesis reaction center of a bacterium as determined by X-ray crystallograph. The protein contains three different membrane-spanning polypepetides.
The diffusion of membrane proteins after cell fusion
The use of cell fusion to reveal mobility of membrane. a. Precedure of cell fusion; b. fused cell; c. The effect of temperature on the diffusion of membrane proteins.
冰冻蚀刻(freeze-etching)技术 技术 冰冻蚀刻
冰冻蚀刻是在冰冻断裂技术的基础上发展起来的复型 技术。标本置于干冰或液氮中，进行冰冻。 技术。标本置于干冰或液氮中，进行冰冻。然后用冷 刀骤然将标本断开，升温后， 刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升 暴露出断面结构， ）。蚀刻后 华，暴露出断面结构，称为蚀刻 （etching）。蚀刻后， ）。蚀刻后， 向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂 再以90度角喷涂一 度角喷涂一层蒸汽铂， 向断面以 度角喷涂一层蒸汽铂，再以 度角喷涂一 层碳，加强反差和强度。 层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样 此膜即为复膜（ 品，把碳和铂的膜剥下 来，此膜即为复膜（replica）。 ）。 复膜显示出了标本蚀刻面的形态， 复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影 像即代表标本中细胞断裂面处的结构。 像即代表标本中细胞断裂面处的结构。
第二讲 细胞质膜的结构及功能
Plasma Membrane (Cell Membrane)
Cell membrane Plasma membrane Ctyoplasmic membrane
细胞内主要的胞质膜
Overview of membrane functions
Compartmentalization Scaffold biochemical activities Providing a selectively permeable barrier Transporting solutes Responding to external signal Intercellular interaction Energy transduction
一般用X射线结晶技术研 究跨膜蛋白的三维结构，但 跨膜蛋白结晶比较困难。 用重组DNA技术将编码跨 膜蛋白的DNA进行克隆和测 序，来推导多肽链的氨基酸 序列。 通过膜的α螺旋一般是含 20-30氨基酸残基，具高度疏 水性的节段。 现用hydropathy plot(亲水性 亲水性 分析) 分析 技术分析确定跨膜α螺旋 的数目。
Procedure for the determining the orientation proteins within a plasma membrane. a. treatment of intact / penetrated cell with trypsin b. Results of SDS-PAGE