生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型復(fù)習(xí)(公開(kāi)課)

生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型復(fù)習(xí)公開(kāi)課目錄CONTENCT生物膜概述與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)流動(dòng)鑲嵌模型理論基礎(chǔ)蛋白質(zhì)在生物膜中作用及運(yùn)輸機(jī)制細(xì)胞間連接、信號(hào)傳導(dǎo)與受體介導(dǎo)內(nèi)吞外排作用生物膜流動(dòng)性影響因素和調(diào)節(jié)機(jī)制現(xiàn)代研究技術(shù)在生物膜領(lǐng)域應(yīng)用前景展望01生物膜概述與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)010203040545%50%75%85%95%生物膜定義：生物膜是細(xì)胞內(nèi)外各種生物大分子和細(xì)胞器周?chē)谋∧そY(jié)構(gòu)，具有選擇透過(guò)性。生物膜功能為細(xì)胞提供穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞；進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流。生物膜定義及功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成成分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與組成成分生物膜具有流動(dòng)性，其結(jié)構(gòu)并非靜止不變，而是處于動(dòng)態(tài)平衡中。生物膜主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和少量糖類(lèi)組成。其中脂質(zhì)以磷脂為主，磷脂雙分子層構(gòu)成了膜的基本骨架；蛋白質(zhì)鑲嵌或貫穿于磷脂雙分子層中，有的覆蓋于膜表面；糖類(lèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白，分布于膜的外側(cè)。構(gòu)成膜的基本骨架01磷脂雙分子層是生物膜的基本結(jié)構(gòu)，為生物膜提供了穩(wěn)定的支撐?？刂莆镔|(zhì)進(jìn)出02磷脂雙分子層中的磷脂分子具有親水頭和疏水尾，可以形成水通道，控制水分子的進(jìn)出。同時(shí)，膜上的蛋白質(zhì)也可以作為載體，協(xié)助其他物質(zhì)跨膜運(yùn)輸。維持膜的不對(duì)稱(chēng)性03磷脂雙分子層的兩側(cè)存在不同的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，使得生物膜具有方向性和不對(duì)稱(chēng)性，這對(duì)于細(xì)胞執(zhí)行各種生理功能具有重要意義。磷脂雙分子層作用02流動(dòng)鑲嵌模型理論基礎(chǔ)20世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜具有選擇透過(guò)性，但當(dāng)時(shí)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍停留在“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”的三明治模型上。1925年，荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel用丙酮從紅細(xì)胞膜中提取脂質(zhì)，并測(cè)得單層脂質(zhì)的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍，由此提出細(xì)胞膜中的脂質(zhì)分子排列為連續(xù)的兩層。1959年，羅伯特森（J.D.Robertson）根據(jù)電鏡下看到的細(xì)胞膜清晰的暗一亮一暗的三層結(jié)構(gòu)，并大膽地提出生物膜的模型是所有的生物膜都由蛋白質(zhì)--脂質(zhì)--蛋白質(zhì)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，電鏡下看到的中間的亮層是脂質(zhì)分子，兩邊的暗層是蛋白質(zhì)分子，他把生物膜描述為靜態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。010203液態(tài)鑲嵌假說(shuō)提出背景磷脂雙分子層構(gòu)成膜的基本支架磷脂分子以疏水尾部相對(duì)，親水頭部朝向水相，形成磷脂雙分子層，構(gòu)成膜的基本支架。磷脂分子的親水性頭部易于吸附水分子或其他極性分子，因此磷脂雙分子層內(nèi)部是疏水的，而外部則是親水的。蛋白質(zhì)分子以不同的方式鑲嵌在磷脂雙分子層中有的蛋白質(zhì)分子鑲在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，有的橫跨整個(gè)磷脂雙分子層。大多數(shù)蛋白質(zhì)分子也是可以運(yùn)動(dòng)的。膜結(jié)構(gòu)具有流動(dòng)性膜的結(jié)構(gòu)成分不是靜止的，而是動(dòng)態(tài)的，生物膜是流動(dòng)的脂質(zhì)雙分子層與鑲嵌著的球蛋白按二維排列組成。流動(dòng)鑲嵌模型核心內(nèi)容模型驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)依據(jù)1970年，科學(xué)家用發(fā)綠色熒光的染料標(biāo)記小鼠的細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，用發(fā)紅色熒光的染料標(biāo)記人細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)分子，將小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合成一個(gè)雜種細(xì)胞。在開(kāi)始時(shí)，一半發(fā)綠色熒光，一半發(fā)紅色熒光。但在40min后，兩種顏色的熒光均勻分布。此實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)科學(xué)家分別用綠色和紅色熒光標(biāo)記人細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞膜上均勻分布后，將細(xì)胞膜放在蒸餾水中，觀察發(fā)現(xiàn)綠色和紅色熒光均勻分布其中。這表明細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子是可以運(yùn)動(dòng)的。熒光標(biāo)記人細(xì)胞膜蛋白實(shí)驗(yàn)03蛋白質(zhì)在生物膜中作用及運(yùn)輸機(jī)制膜內(nèi)在蛋白膜周邊蛋白功能分類(lèi)嵌入脂雙層的蛋白質(zhì)，與膜結(jié)合緊密，不能單獨(dú)分離出來(lái)。包括跨膜蛋白和錨定蛋白。通過(guò)與膜脂或膜內(nèi)在蛋白相互作用，間接與膜結(jié)合的蛋白質(zhì)。包括酶、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白等。根據(jù)蛋白質(zhì)在生物膜中的功能，可分為運(yùn)輸?shù)鞍住⑹荏w蛋白、酶蛋白等。蛋白質(zhì)種類(lèi)與功能分類(lèi)

載體蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸過(guò)程載體蛋白與特定溶質(zhì)結(jié)合載體蛋白具有特定的結(jié)合位點(diǎn)，能選擇性地與特定溶質(zhì)結(jié)合。載體蛋白構(gòu)象變化結(jié)合溶質(zhì)后，載體蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，將溶質(zhì)包裹在內(nèi)部?？缒み\(yùn)輸構(gòu)象變化后的載體蛋白攜帶溶質(zhì)跨越生物膜，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。80%80%100%通道蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸過(guò)程通道蛋白在生物膜上形成親水性通道，允許特定離子或分子通過(guò)。在通道蛋白的引導(dǎo)下，特定離子或分子通過(guò)通道進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。物質(zhì)通過(guò)通道后，通道蛋白恢復(fù)原狀，關(guān)閉通道，等待下一次運(yùn)輸。通道蛋白形成通道物質(zhì)通過(guò)通道通道關(guān)閉04細(xì)胞間連接、信號(hào)傳導(dǎo)與受體介導(dǎo)內(nèi)吞外排作用緊密連接錨定連接通訊連接細(xì)胞間連接方式及功能通過(guò)細(xì)胞骨架將細(xì)胞或細(xì)胞與基質(zhì)間連接起來(lái)，維持細(xì)胞形態(tài)和位置穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)間的信息交流和物質(zhì)交換，包括間隙連接、化學(xué)突觸和胞間連絲。封閉細(xì)胞間隙，防止物質(zhì)自由通過(guò)，維持組織內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。03離子通道型受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)配體與受體結(jié)合后引起離子通道開(kāi)放或關(guān)閉，改變細(xì)胞內(nèi)外離子濃度，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。01G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)配體與受體結(jié)合后激活G蛋白，進(jìn)而激活或抑制下游效應(yīng)器，產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。02酶聯(lián)型受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)配體與受體結(jié)合后引起受體構(gòu)象改變，進(jìn)而激活受體本身所具有的酶活性，催化下游底物產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。信號(hào)傳導(dǎo)途徑和機(jī)制受體介導(dǎo)外排細(xì)胞內(nèi)的大分子物質(zhì)通過(guò)與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合，被運(yùn)送到細(xì)胞膜外表面并釋放到細(xì)胞外。受體介導(dǎo)內(nèi)吞大分子物質(zhì)與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合后，引起細(xì)胞膜內(nèi)陷形成有被小窩，進(jìn)而形成有被小泡，將大分子物質(zhì)包裹進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。受體循環(huán)內(nèi)吞作用形成的受體-配體復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)被分解后，受體可以重新回到細(xì)胞膜上參與下一輪的內(nèi)吞作用，實(shí)現(xiàn)受體的循環(huán)利用。受體介導(dǎo)內(nèi)吞外排過(guò)程05生物膜流動(dòng)性影響因素和調(diào)節(jié)機(jī)制010203溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，膜脂流動(dòng)性增強(qiáng)。溫度降低，膜脂流動(dòng)性減弱，可能導(dǎo)致膜相變。不同生物膜對(duì)溫度的適應(yīng)性不同，如嗜冷微生物的膜脂在低溫下仍能保持流動(dòng)性。溫度對(duì)流動(dòng)性影響pH值改變可影響膜蛋白和膜脂的帶電狀態(tài)，從而影響它們之間的相互作用和排列。極端pH值可能導(dǎo)致膜蛋白變性或膜脂分解，進(jìn)而影響膜的流動(dòng)性。不同生物膜對(duì)pH值的適應(yīng)性也有所不同。pH值對(duì)流動(dòng)性影響膽固醇可嵌入膜脂雙層中，增加膜脂的緊密性和穩(wěn)定性，降低膜脂的流動(dòng)性。一些磷脂分子如磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等也可調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性。調(diào)節(jié)因子通過(guò)與膜脂或膜蛋白相互作用，改變膜的物理性質(zhì)，從而影響膜的流動(dòng)性。膽固醇等調(diào)節(jié)因子作用06現(xiàn)代研究技術(shù)在生物膜領(lǐng)域應(yīng)用前景展望123利用熒光供體與受體之間的能量轉(zhuǎn)移，測(cè)量?jī)烧咧g的距離變化，從而研究生物膜中分子的動(dòng)態(tài)相互作用。FRET技術(shù)原理可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜蛋白構(gòu)象變化、膜脂流動(dòng)性以及膜受體與配體結(jié)合等過(guò)程。FRET在生物膜研究中的應(yīng)用高靈敏度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)需破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，為生物膜研究提供了有力工具。FRET技術(shù)優(yōu)勢(shì)熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)（FRET）AFM技術(shù)原理利用原子間相互作用力，通過(guò)探針掃描樣品表面，獲取高分辨率的三維形貌信息。AFM在生物膜研究中的應(yīng)用可觀察生物膜表面的微觀結(jié)構(gòu)、膜蛋白分布以及膜脂雙層結(jié)構(gòu)等。AFM技術(shù)優(yōu)勢(shì)高分辨率、無(wú)需標(biāo)記、可觀察活細(xì)胞，為揭示生物膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了有效手段。原子力顯微鏡（AFM）觀察技術(shù)03020101通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和算法，模擬生物膜的結(jié)構(gòu)和功