膜糖的存在方式 ◆More than 90 percent of the membrane's carbohydrate is covalently linked to proteins to form glycoproteins; the remaining carbohydrate is covalently.

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1 膜糖的存在方式 ◆More than 90 percent of the membrane's carbohydrate is covalently linked to proteins to form glycoproteins; the remaining carbohydrate is covalently linked to lipids to form glycolipids； ■糖同氨基酸的连接主要有两种形式： ●N-连接： 即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连 ●O-连接： 则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连 ■O-连接糖链较短,约含4个糖基,而N-连接糖链一般有10个以上的糖基。

2 两种方式连接的膜糖

3 Functions of Membrane Carbohydrates
◆细胞与环境的相互作用 ◆接触抑制 ◆信号转导 ◆蛋白质分选 ◆保护作用等。

4 ◆ Person's Blood Type ABO血型抗原是一种糖脂, 其寡多糖部分具有决定抗原特异性的作用。
■A person having blood type A has an enzyme that adds an N-acetylgalactosamine to the end of the chain; ■Whereas a person with type B blood has an enzyme that adds galactose to the chain terminus; ■People with AB blood type possess both enzymes; ■ Whereas people with O blood type lack enzymes capable of attaching either terminal sugar.

5 ABO Blood Type Antigen

6 3.3 MOLECULAR STRUCTURE OF THE PLASMA MEMBRANE
3.3.1 STRUCTURE MODELS ◆1890s,E.Overton 发现了脂溶性物质容易透过细胞, 提出了脂肪栅的膜结构设想★。 ◆1925年, 荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层(lipid bilayer)结构。

7 ◆1935年, Hugh Davson和James Daniellie提出“双分子片层”或叫“三明治”模型。
◆1954年, Danielli对上述设想进行了修改, 认为蛋白是β折叠的形式与脂类极性端结合形成网状结构,并且在膜上有蛋白质形成的孔。提出片层结构模型(Lamella structure model)。

8 Lamella structure model

9 ◆单位膜模型 (Unit membrane model) ■1959年, J.D.Robertson在电子显微镜下发现细胞膜是暗---明---暗的三层，总厚度为75Å，中间层为35Å，内外两层各为20Å。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂,这就是通用的单位膜模型。

10 单位膜结构模型

11 ◆Unit membrane model ■单位膜有一些不足∶ ●首先，该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；
●其二，不同的膜其厚度不都是75Å一般在50-100Å之间； ●其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系； ●该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。

12 ◆流动镶嵌模型(Fluid mosaic model)
■Fluid-mosaic model was proposed in 1972 by S. Jonathan Singer and Garth Nicolson; ■The structure and arrangement of membrane proteins in the fluid-mosaic model differ from that of previous models in that they occur as a “mosaic" of discontinuous particles that penetrate the lipid sheet; ■ Most importantly, the fluid-mosaic model presents cellular membranes as dynamic structures in which the components are mobile and capable of coming together to engage in various types of transient or semipermanent interactions.

13 Fluid mosaic model

14 (Freeze-fracture replication)
3.3.2 Membrane asymmetry 不对称性的研究方法 冰冻蚀刻技术 (Freeze-fracture replication)

15 冰冻蚀刻技术 揭示的膜结构

16 膜不对称性的表现 ◆The Asymmetry of Membrane Lipids
■脂双层两小叶（leaflet）中分布的各类脂的含量不同。例如在红细胞膜中： ●外层含鞘磷脂、磷脂酰胆碱较多； ●内层含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸较多。

17 膜脂的不对称分布

18 ◆膜蛋白的分布不对称： ■在膜两侧分布不对称，如： ●红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。
●血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。 ■一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如： ●5’-核苷酸酶、磷酸脂酶、Mg2+ -ATP酶、激素受体、生长因子受体位于外表面； ●腺苷酸环化酶则处于膜的内表面。

19 ◆膜糖的不对称∶ All of the carbohydrate of the plasma membrane faces outward into the extracellular space.

20 膜糖分布的不对称性

21 膜糖与膜脂的分布不对称性

22 The biological role of asymmetry
◆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。 ◆膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,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靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。

23 3.3.3 MEMBRANE FLUIDITY The physical state of the lipid of a membrane
◆相变温度（transition temperature） 在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下, 晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。 ◆相变(phase transition) 在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变。 不同的膜脂由于成分不同而各有其相变温度。

24 Membrane Fluidity Research Methods
◆Mouse and human cells fusion 年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。

25 鼠人细胞融合实验 ?

26 通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。
◆淋巴细胞的成帽效应 通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。

27 成帽反应 ?

28 ◆ 光脱色荧光恢复技术 Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)

29 Fluorescence recovery after photobleaching（FRAP)

30 ◆侧向扩散(lateral diffusion) ◆旋转(rotation) ◆翻转(flip-flop) ◆屈曲(flexion)
膜脂的运动方式 ◆侧向扩散(lateral diffusion) ◆旋转(rotation) ◆翻转(flip-flop) ◆屈曲(flexion)

31 膜脂的几种运动方式

32 Patterns of Protein Mobility
◆Some membrane proteins move randomly throughout the membrane; ◆Some membrane proteins fail to move and are considered to be immobilized ; ◆In some cases, a particular species of protein is found to move in a highly directed manner toward one part of the cell or another; ◆The largest fraction of protein species exhibit random (Brownian) movement within the membrane at rates consistent with free diffusion, but the molecules are unable to migrate more than a few tenths of a micron.

33 The Importance of Membrane Fluidity ◆ 酶活性
◆ 物质运输 ◆ 信号转导 ◆ 细胞周期 在M期, 膜的流动性最大, 而在G1 期和S期, 膜流动性最低； ◆ 能量转换

34 Factors of influence bilayer fluidity ◆脂肪酸链的影响
膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程 度和链的长短： ■The greater the degree of unsaturation of the fatty acids of the bilayer, the lower the temperature before the bilayer gels. ■The shorter the fatty acyl chains of a phospholipid,the lower its melting temperature.

35 ◆胆固醇的影响 ■cholesterol molecules are oriented with their small hydrophilic hydroxyl group toward the membrane surface and the remainder of the molecule embedded in the lipid bilayer. ■The hydrophobic rings of a cholesterol molecule are flat and rigid, and they interfere with the movements of the fatty acid tails of the phospholipids ■在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。 ■在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性。

36 胆固醇对流动性的影响 ?

37 ◆卵磷脂/鞘磷脂比值的影响 ■哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%; ■卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大; ■而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。

38 ◆影响膜蛋白移动的因素 ■整合蛋白相互间的影响 ■膜骨架的影响 ■细胞外基质的影响 ■相邻细胞的影响 ■细胞外配体、抗体、及药物大分子的影响

39 细胞外基质对整合蛋白移动的影响

40 膜骨架对膜蛋白流动性的影响

41 3.4 PASSIVE TRANSPPORT OF SUBSTANCES
Passive transport ◆顺浓度梯度 ◆不消耗ATP ◆根据需不需要膜蛋白的帮助,被动运输又可分为: ■自由扩散 ■帮助扩散。

42 3.4.1 Diffusion and Osmosis 扩散(Diffusion)
◆Diffusion is a spontaneous process in which a substance moves from a region of high concentration to a region of low concentration, eventually eliminating the concentration difference between the two regions. ■虽然这种移动不需要消耗ATP，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。 ■如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因是改变了自由能。 ■严格地说，扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。

43 扩散与渗透

44 渗透(Osmosis) ◆Water moves readily through a semipermeable membrane from a region of lower solute concentration to a region of higher solute concentration. This process is called osmosis, ◆水的渗透同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动，如果考虑到溶质的浓度，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。 细胞的膨胀(Swell)或收缩(Shrink) 质壁分离（plasmolysis)

45 Cell Swelling and Plasmolysis

46 红细胞膨胀与收缩

47 3.4.2 自由扩散及限制因素 自由扩散(Free diffusion)
◆又称简单扩散(simple diffusion)。它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,仅靠膜两侧保持一定的浓度差,通过通透发生的物质运输。

48 ◆限制因素 ■脂溶性∶ 细胞质膜的通透性具有选择性。 ■Size ：
质膜的通透性孔径不会大于 nm，能够扩散的最小分子是水分子。 ■Polarity ∶ 极性物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。

49 脂溶性与扩散速率

50 ◆水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由通过质膜, 但实际却是很容易通过膜。原因是:
■The plasma membranes of many cells contain proteins, called aquaporins, that allow the passive movement of water from one side to the other. such as cells of the kidney tubule and plant roots

51 3.4.3 易化扩散及特点 易化扩散(Facilitated diffusion) ◆又称: 促进扩散
the diffusing substance first binds selectively to a membrane-spanning protein, called a facilitative transporter,that facilitates the diffusion process. ◆促进谁？ ◆谁促进？ facilitative transporter ◆如何促进？a conformational change ◆与主动运输的差别:

52 易化扩散的特点 ◆速度快，要比自由扩散快几个数量级； ◆自由扩散的速率与溶质的浓度成正比， 而膜蛋白促进的运输可以达到最大值；
Similar in many ways to an enzyme-catalyzed reaction ◆速度快，要比自由扩散快几个数量级； ◆自由扩散的速率与溶质的浓度成正比， 而膜蛋白促进的运输可以达到最大值； ◆具有特异性; ◆运输作用受抑制剂的抑制。

53 3.4.2 Transport proteins 通道蛋白(Channel proteins)
目前发现的通道蛋白已有50多种，主要是离子通道(ion channels)。 ◆通道蛋白又叫闸门通道(gated channels)，是通道蛋白进行的间断开放通道。

54 Typical gated channels

55 ■配体闸门通道（Ligand-gated channels）
■电位闸门通道（Voltage-gated channels） ■牵张闸门通道（Stretch-gated channels) 这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动推开胁迫激活通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。

56 载体蛋白(Carrier proteins)
◆概念: ◆特点:特异性 载体蛋白既参与被动的物质运 输，也参与主动的物质运输。

57 Carrier proteins