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专题3:细胞质膜
本章内容
考点一:细胞质膜的结构模型与基本成分本章内容考点一
考点二:细胞质膜的基本特征与功能本章内容考点二
很多内容可以自己看会,不懂的地方请看学长视频讲解
考点一:细胞质膜的结构模型与基本成分★★★考点一细胞质膜结构模型基本成分细胞质膜有哪些结构模型?其基本成分是什么?
一、细胞质膜的结构模型细胞质膜结构模型
(一)细胞质膜的结构模型细胞质膜结构模型
1、细胞质膜与显微技术细胞质膜显微技术
20世纪初对细胞内渗透压的研究证明了质膜的存在,但光学显微镜无法观察到质膜的结构,直到20世纪50年代电子显微镜的发展才观察到质膜的结构★★渗透压光学显微镜电子显微镜20世纪50年代
2、细胞质膜、生物膜细胞质膜生物膜
(1)细胞质膜细胞质膜定义
曾称细胞膜,是指围绕在细胞最外层,由脂质、蛋白质和糖类组成的生物膜。细胞质膜不仅在结构上作为细胞的界膜,使细胞具有一个相对稳定的内环境,同时在细胞与环境之间的物质运输、能量转换及信息传递过程中也起着重要的作用。★★★细胞质膜细胞膜名词解释界膜内环境物质运输能量转换信息传递
(2)细胞内膜细胞内膜定义
真核生物除了具有细胞表面膜外,还有真核细胞内部存在由膜围绕构建的各种细胞器,这些细胞器膜称之为细胞内膜。细胞内膜包括内质网膜、高尔基体膜、细胞核膜等,这些膜中有单层膜(内质网、高尔基体膜等),也有双层膜(线粒体、叶绿体、核膜等)★★★细胞内膜名词解释内质网膜高尔基体膜核膜单层膜双层膜
(3)生物膜:生物膜定义
生物膜是细胞内膜与细胞质膜统称。★★★生物膜名词解释细胞内膜细胞质膜
注意:笔者查阅多版教材与文献,确认教材中说“生物膜是细胞内膜系统与细胞质膜统称”是不对的。不应该用“细胞内膜系统”而应该用“细胞内膜”。因为根据第五章的定义,细胞内膜系统指“单层膜构成的细胞器和细胞结构”,如果用“细胞内膜系统”那么就没法囊括双层膜(线粒体、叶绿体、核膜等)了★★生物膜细胞内膜系统易错教材勘误
3、生物膜的结构模型(非常重要,考试常考)★★★生物膜结构模型常考
| 模型名称 | 核心内容 | 实验 | 特点 / 影响 / 说明 |
|---|---|---|---|
| 双层脂分子模型 | 质膜由双层脂分子构成 | 用有机溶剂抽提人红细胞质膜膜脂,膜脂单层分子水面铺展面积是红细胞表面积的 2 倍 | 为后续结构模型奠定脂双层核心基础 |
| 三明治模型 | 质膜为“蛋白质-脂质-蛋白质”三明治结构 | 质膜表面张力远低于油-水界面张力(已知:脂滴表面吸附蛋白质会降低表面),推测质膜含蛋白质 | 影响长达 20 年,为后续模型提供蛋白质参与膜结构的思路 |
| 单位膜模型 | 1. 发展三明治模型,核心仍为“蛋白质-脂质-蛋白质”结构;2. 大胆推断所有生物膜均由该单位膜构成 | 1. 电子显微镜观察结果;2. 获 X 射线衍射分析支持;3. 锇酸固定细胞后,电镜下质膜呈“暗-亮-暗”三条带(两侧暗带推测为蛋白质;中间亮带推测为脂双层) | 后续实验补充:①细胞融合 + 免疫荧光标记证实质膜蛋白质可流动;②电镜冷冻蚀刻技术显示双层膜脂中有膜蛋白颗粒 |
| 流动镶嵌模型 | 1. 膜具有流动性:膜蛋白和膜脂均可侧向运动;2. 膜蛋白分布具不对称性:有的结合膜表面,有的嵌入或横跨脂双分子层 | 获多种实验支持 | 获多种实验支持,奠定生物膜结构与特征的基础; |
| 脂筏模型 | 1. 甘油磷脂为主体的生物膜上,胆固醇,鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相;2. 如同漂浮在脂双层上的 | - | 1. 是对流动镶嵌模型膜流动性的补充;2. 脂筏的发生:初形成于高尔基体,最终转移至细胞质膜;部分可与膜下细胞骨 |
| “脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白 | 架蛋白交联;3. 推测结构:直径 100nm脂筏可载 600 个蛋白质分子;4. 潜在功能:可能参与细胞信号转导、物质跨膜运输、病原微生物侵染; |
(二)生物膜结构的认识生物膜结构认识
①磷脂双分子层:脂分子是生物膜基本结构成分。脂分子自身具极性头部、非极性尾部,在水相中可自发形成封闭膜系统;排布为疏水性尾部相对、极性头部朝向水相,构成磷脂双分子层(每层磷脂分子称小叶)★★★磷脂双分子层极性头部非极性尾部封闭膜系统小叶
②膜蛋白分布:蛋白质分子以不同方式镶嵌于脂双层中或结合在其表面;蛋白质的类型、分布的不对称性,及其与脂分子的协同作用,赋予各生物膜专属特性与功能。★★★膜蛋白分布镶嵌不对称性协同作用
③二维溶液与脂筏等微结构:生物膜可视为蛋白质在脂双层分子中的二维溶液。然而,膜蛋白与膜脂、膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂相互作用,在一定程度上限制了膜脂和膜蛋白的流动性,同时也形成了脂筏、纤毛和微绒毛等结构。★★★二维溶液脂筏纤毛微绒毛流动性限制
④动态变化与功能实现:在细胞生长、分裂等生命活动中,生物膜在三维空间上可发生弯曲、折叠、延伸及非脂双层状态等动态变化,从而保证细胞运动、增殖等代谢活动的进行。★★★动态变化弯曲折叠延伸非脂双层状态
二、膜脂膜脂
(一)膜脂概述膜脂概述
定义:构成细胞质膜和生物膜的基本成分,通过疏水尾部相对、极性头部朝水相形成磷脂双分子层;★★膜脂定义名词解释磷脂双分子层
功能:为膜蛋白提供锚定位点,影响膜的形态与功能;★膜脂功能锚定位点
分类:主要包括甘油磷脂、鞘脂、固醇三类(因多数糖脂是鞘氨醇衍生物,通常归于鞘脂类)。★★★膜脂分类甘油磷脂鞘脂固醇糖脂鞘氨醇衍生物
(二)膜脂成分(常考,大重点,小题大题都是高频考点)★★★膜脂成分常考高频考点
1、甘油磷脂★★★甘油磷脂
甘油磷脂为3-磷酸甘油的衍生物;甘油磷脂是生物膜上含量最丰富的膜脂★★★甘油磷脂3-磷酸甘油含量最丰富
(1)分类:磷脂酰胆碱(卵磷脂,PC)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂,PE)和磷脂酰肌醇(PI)等。其中PC含量最高★★★甘油磷脂分类PCPSPEPI卵磷脂脑磷脂
(2)特征★★★甘油磷脂特征
①多数具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链),注意心磷脂例外不是这种结构。★★★甘油磷脂极性头非极性尾脂肪酸链心磷脂易错
②脂肪酸碳链为偶数,多数碳链由16或18个碳原子组成。也有少量14或20个碳原子组成的脂肪酸链。★★★脂肪酸碳链偶数16或18个碳数值
③除饱和脂肪酸(如软脂酸、硬脂酸)外,常常还有含1~2个双键的不饱和脂肪酸(如油酸),不饱和脂肪酸多为顺式。★★★饱和脂肪酸不饱和脂肪酸软脂酸硬脂酸油酸顺式
(3)含量:占整个膜脂的50%以上,是膜脂基本成分★★★甘油磷脂含量50%以上数值
(4)合成场所:内质网★★★甘油磷脂合成场所内质网
(5)功能:甘油磷脂不仅是生物膜的基本成分,而且其中的某些成分如PI等在细胞信号转导中起重要作用。★★★甘油磷脂功能PI细胞信号转导
2、鞘脂★★★鞘脂
(1)合成场所:高尔基体★★★鞘脂合成场所高尔基体
(2)结构:分为鞘磷脂与鞘糖脂。分子有1条烃链,另1条链是与鞘氨醇氨基共价结合的长链脂肪酸。★★★鞘脂结构鞘磷脂鞘糖脂鞘氨醇长链脂肪酸
(3)包括★★★鞘脂包括
①鞘磷脂:鞘磷脂(如神经鞘磷脂)结构与甘油磷脂相似,其结合的脂肪酸链较长,形成的脂双层较厚(较甘油磷脂的厚度更大)。与甘油磷脂共同组成生物膜。举例:神经鞘磷脂(含量最高的鞘磷脂)★★★鞘磷脂神经鞘磷脂脂双层较厚甘油磷脂举例
②鞘糖脂:属于两性分子,极性头部是直接共价结合在鞘氨醇上的单糖或寡糖链。含量不足膜脂总量 5%,神经细胞质膜上含量较高(5%~10%)。举例:脑苷脂(动物细胞最简单的糖脂)、神经节苷脂★★★鞘糖脂两性分子单糖寡糖链脑苷脂神经节苷脂数值
(4)功能:①鞘脂(主要是鞘磷脂)与甘油磷脂共同组成生物膜;②不同的细胞中所含糖脂的种类不同,如神经细胞含有神经节苷脂,人红细胞表面含有 ABO 血型糖脂等,它们均具有重要的生物学功能。★★★鞘脂功能神经节苷脂ABO 血型糖脂人红细胞
3、固醇:★★★固醇
(1)定义:胆固醇及其类似物统称固醇或甾醇,它是一类含有4个闭环的碳氢化合物,其亲水的头部为一个羟基,是一种分子刚性很强的两性化合物。与磷脂不同的是其分子的特殊结构和疏水性太强,自身不能形成脂双层。只能插入磷脂分子之间,参与生物膜的形成。★★★固醇甾醇胆固醇定义名词解释4个闭环羟基两性化合物
(2)分布:胆固醇存在于动物细胞和极少数的原核细胞中,在哺乳动物的细胞质膜中尤为丰富。胆固醇含量一般不超过膜脂的1/3★★★胆固醇分布动物细胞原核细胞哺乳动物1/3数值
(3)合成场所:动物细胞的胞质和内质网完成的,但动物体内胆固醇多数来自于食物★★★胆固醇合成场所胞质内质网食物
(4)作用:①调节膜流动性、增加膜稳定性、降低水溶性物质通透性,也是脂筏基本结构成分;②固醇还是很多重要的生物活性分子的前体化合物,如固醇类激素、维生素D和胆酸等;③固醇还与细胞分裂有关,比如缺乏胆固醇可能导致细胞分裂的抑制★★★固醇作用膜流动性膜稳定性脂筏固醇类激素维生素D胆酸细胞分裂
(三)膜脂组成对生物膜的影响膜脂组成生物膜影响
膜脂分子类型对生物膜结构和功能影响显著,细胞质膜与其他生物膜均有特异的膜脂、膜蛋白成分。★膜脂分子类型特异成分膜蛋白
膜脂组分存在差异:不同细胞、同一细胞不同生物膜、同一细胞质膜不同部位,组分均可能有明显差别,导致膜厚度不均一且处于动态变化。★★膜脂组分差异膜厚度动态变化
差异实例:高尔基体膜鞘磷脂含量是内质网膜的 6 倍;小肠上皮细胞腔面质膜鞘磷脂含量是质膜其他部位的 2 倍,利于提升腔面质膜稳定性。★★差异实例高尔基体膜内质网膜小肠上皮细胞腔面质膜鞘磷脂数值
(四)膜脂的运动方式★★★膜脂运动方式常考问答题
(1)沿膜平面的侧向运动:侧向运动是膜脂分子的基本运动方式,具有重要的生物学意义;★★★侧向运动基本运动方式生物学意义
(2)脂分子围绕轴心的自旋运动;★★★自旋运动轴心
(3)脂分子尾部的摆动:脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小,其尾部摆动较大。★★★尾部摆动脂肪酸链极性头部
(4)双层脂分子之间的翻转运动:一般情况下翻转运动极少发生,但脂分子的翻转运动在细胞某些膜系统中发生的频率很高,特别是在内质网膜,这一过程需要特殊的膜蛋白(称为翻转酶)来完成。★★★翻转运动内质网膜翻转酶极少发生
(五)脂质体(liposome)★★★脂质体liposome名词解释常考问答题
定义:脂质体是指根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜而制备的人工膜。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的脂分子团又称微团,或形成双层脂分子的球形脂质体★★★脂质体定义名词解释人工膜微团乳浊液脂双层
应用:脂质体应用
(1)可用单一或混合的磷脂来制备,同时还可以嵌入不同的膜蛋白,因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料;★★脂质体磷脂膜蛋白实验材料
(2)脂质体中裹入 DNA 可有效地将其导入细胞中,因此常用于转基因实验;★★脂质体DNA转基因
(3)临床治疗中,脂质体中裹入不同的药物或酶等具有特殊功能的生物大分子,可望用于治疗多种疾病;水溶性药物包裹于脂质体腔内,脂溶性药物插入脂双层膜中。★★★脂质体临床治疗水溶性药物脂溶性药物
(4)脂质体技术与单克隆抗体及其他技术结合,可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤★★脂质体单克隆抗体靶细胞
三、膜蛋白膜蛋白
(一)膜蛋白的概述膜蛋白概述
定义:膜蛋白是位于脂双层之中或表面的蛋白质总称。★★★膜蛋白定义名词解释脂双层
含量与分布差异:膜蛋白种类繁多但多数膜蛋白分子数量较少,但赋予生物膜重要生物学功能;50%以上小分子药物的受体为膜蛋白;不同类型细胞、细胞不同部位生物膜,膜蛋白含量与种类差异大★膜蛋白含量分布差异药物受体
(二)膜蛋白的类型膜蛋白类型
根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的结合方式,膜蛋白可分为三种基本类型:周边膜蛋白或称外在膜蛋白、整合膜蛋白或称内在膜蛋白和脂锚定膜蛋白★★★膜蛋白分类周边膜蛋白整合膜蛋白脂锚定膜蛋白
外在膜蛋白(周边膜蛋白):为水溶性蛋白,其不直接接触脂双层疏水核心,而是靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合,结合较疏松,用温和的方法比如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,但膜结构并不被破坏。例如磷脂酶,它以较高的亲和力结合到膜界面的磷脂头部极性基团上,以降解衰老或损伤的生物膜,它也是多种蛇毒的活性成分★★★外在膜蛋白周边膜蛋白离子键磷脂酶蛇毒
内在膜蛋白(整合膜蛋白):多为跨膜蛋白,整合膜蛋白与膜结合比较紧密,只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出。占整个膜蛋白的70%~80%。★★★内在膜蛋白整合膜蛋白跨膜蛋白去垢剂数值
脂锚定膜蛋白:通过共价连接的脂分子插入脂双层而锚定在膜上,其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外。★★★脂锚定膜蛋白定义共价连接名词解释
| 膜蛋白类别 | 定义与特点 | 结合方式 | 分离方式 | 占比 / 举例 |
|---|---|---|---|---|
| 外在膜蛋白(周边膜蛋白) | 水溶性蛋白,分布于细胞膜表面 | 靠离子键或其他较弱的键,结合膜表面膜蛋白 / 膜脂分子,结合疏松 | 温和方法即可分离(改变溶液离子强度、提高温度),不破坏膜结构 | 举例:磷脂酶 |
| 内在膜蛋白(整合膜蛋白) | 为跨膜蛋白 | 与脂双层分子结合紧密 | 需用去垢剂使膜崩解后才能分离 | 占整个膜蛋白的 70%~80% |
| 脂锚定膜蛋白 | 蛋白质部分为水溶性,位于脂双层外 | 通过共价连接的脂分子插入脂双层,实现膜锚定 | - | 无 |
(三)脂锚定膜蛋白类型脂锚定膜蛋白类型
①脂肪酸结合 N 端:脂肪酸结合到膜蛋白 N 端的甘氨酸残基上,实例为肿瘤相关酪氨酸蛋白激酶突变体 v-Src,分布于细胞质膜细胞质一侧;★★脂锚定膜蛋白脂肪酸N 端甘氨酸残基v-Src
②烃链结合 C 端:15 或 20 个碳链长的烃链结合到膜蛋白 C 端半胱氨酸残基,部分还有另一条烃链或脂肪酸链结合近 C 端其他半胱氨酸残基(双重锚定更牢固),实例为 Ras(参与细胞信号转导)、Rab(介导膜泡融合)蛋白,均分布于细胞质膜细胞质一侧★★脂锚定膜蛋白烃链C 端半胱氨酸残基RasRab
③通过糖脂锚定:含磷脂酰肌醇(PI)基团,简称 GPI 锚定方式,实例为磷脂酶 C、蛋白聚糖分布于质膜外侧。★★★脂锚定膜蛋白糖脂锚定磷脂酰肌醇GPI磷脂酶 C蛋白聚糖
(四)整合膜蛋白与膜脂结合的方式整合膜蛋白膜脂结合方式
1、结构基础:目前所了解的整合膜蛋白均为跨膜蛋白,跨膜蛋白在结构上可分为:胞质外结构域跨膜结构域和胞质内结构域等三个组成部分。★★★整合膜蛋白跨膜蛋白结构基础胞质外结构域跨膜结构域胞质内结构域
2、整合膜蛋白与膜脂结合的主要方式整合膜蛋白膜脂结合方式
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,这是整合膜蛋白与膜脂结合的最主要和最基本的结合方式;★★★跨膜结构域疏水核心疏水相互作用
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部形成离子键,或带负电的氨基酸残基通过 Ca²⁺,Mg²⁺ 等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用;★★离子键氨基酸残基磷脂极性头部阳离子
③某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上,后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。★★半胱氨酸残基共价结合脂肪酸
3、整合膜蛋白跨膜结构域类型整合膜蛋白跨膜结构域类型
(1)α螺旋跨膜结构域:跨膜结构域含有约20个疏水氨基酸残基,形成α螺旋结构,其长度约为3nm。α螺旋的方向可以与膜面垂直,也可以与膜面呈一定角度。例如,单次跨膜蛋白如血型糖蛋白A,以及多次跨膜蛋白如G蛋白偶联信号通路的细胞表面受体,都是通过α螺旋与膜脂结合的。★★★α螺旋跨膜结构域血型糖蛋白 AG 蛋白偶联受体数值
(2)β折叠片跨膜结构域:跨膜结构域主要由β折叠片组成,如大肠杆菌外膜上的孔蛋白以及线粒体、叶绿体外膜上的孔蛋白。β折叠片一般由10-12个氨基酸残基组成,足以跨越细胞膜。例如,大肠杆菌的孔蛋白OmpX由三聚体组成,在每一个亚基中,16个反向平行的β折叠片相互作用形成跨膜通道。★★★β折叠片跨膜结构域孔蛋白大肠杆菌OmpX数值
(3)特殊α螺旋通道:某些α螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链,多个α螺旋形成特异极性分子的跨膜通道,其外侧是非极性链与膜脂相互作用,内侧是极性链形成通道。例如,人红细胞膜上的带3蛋白,它介导 Cl⁻/HCO₃⁻ 的跨膜运输。★★★特殊α螺旋通道极性侧链带3蛋白红细胞膜
(五)去垢剂(detergent)去垢剂detergent
1、定义去垢剂定义
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★★★去垢剂定义名词解释两性小分子
2、作用机制去垢剂作用机制
可插入膜脂,与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合,形成可溶性微粒★★★去垢剂作用机制可溶性微粒疏水部位
3、关键参数:微团临界浓度 CMC去垢剂CMC微团临界浓度
少量去垢剂以单分子状态溶解于水,达到一定浓度时会形成微团,该浓度称为微团临界浓度CMC;CMC 是去垢剂的特征和功能重要参数,浓度高于或低于 CMC 时,去垢剂作用方式与膜蛋白分离效果均不同★★★微团临界浓度CMC定义名词解释微团
4、去垢剂分类去垢剂分类
| 类型 | 常用例子 | 带电特点 | 作用特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 离子型去垢剂 | 十二烷基硫酸钠(SDS) | 具有带电荷的基团 | 可使细胞膜崩解,与膜蛋白疏水部分结合并使其与膜分离,高浓度下能破坏蛋白质中的离子键、氢键等非共价键,甚至改变蛋白质亲水部分构象,会引起蛋白质变性 | 基于 SDS 凝胶电泳的蛋白质成分分析 |
| 非离子型去垢剂 | Triton X-100(商品名) | 不带电荷 | 可使细胞膜崩解,但对蛋白质作用温和,不会导致蛋白质变性; | 1. 膜蛋白的分离与纯化(适用于获得有生物活性的膜蛋白); 2. 除去细胞的膜系统,便于研究细胞骨架蛋白和其他蛋白质 |
考点二:细胞质膜的基本特征与功能★★★考点二细胞质膜基本特征功能细胞质膜的基本特征有哪些?
一、膜的流动性膜的流动性
膜的流动性是细胞质膜和所有生物膜的基本特征之一。★膜的流动性基本特征
(一)膜脂的流动性膜脂流动性
1、定义膜脂流动性定义
膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动。★★★膜脂流动性定义侧向运动名词解释
2、主要影响因素膜脂流动性影响因素
(1)温度:各种膜脂具有不同的相变温度,相变温度越低流动性越强,相变温度越高流动性越弱;一般温度越高,膜流动性越高(注意相变温度与温度不是一个概念)★★★温度相变温度膜脂流动性易错
(2)脂肪酸链的长度:脂肪酸链越短,流动性就越大。★★★脂肪酸链长度膜脂流动性
(3)脂肪酸链的不饱和度:不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。★★★不饱和度膜脂流动性
(4)脂质成分占比:鞘脂或卵磷脂组成的脂双层膜流动性较小,磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸等组成的脂膜流动性较大。(本质是因为鞘脂相变温度一般高于磷脂)★★★脂质成分占比鞘脂卵磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸
(5)胆固醇的双重调节作用:①胆固醇具有双重调节作用:既与磷脂疏水尾部结合增强有序性、限制其运动,也能隔开磷脂分子使其更易流动;最终效应取决于胆固醇在脂膜中的相对含量及双重调节作用的综合效果;②动物细胞膜中的胆固醇可以有效防止低温时膜流动性的突然降低;③分布差异:细胞质膜脂双层外小叶的胆固醇含量高于内小叶,故内小叶膜脂流动性更弱(注意:第②点本笔记相对于教材换了更易懂的描述。第③点可以不必记,主要记住第①②点胆固醇具有双重调节作用即可,第③点虽然是第五版教科书原话,但是描述的正确性以及因果关系有争议,同时与后文矛盾,主流教材都不这么写,故不建议大家去记)★★★胆固醇双重调节作用低温外小叶内小叶争议
3、生理意义:是生长细胞完成生长、增殖等多种生理功能的必需条件★★★生理意义膜脂流动性生长增殖
4、一些问题的解释问题解释
相变温度与温度区别:相变温度指的是物质在不同相之间发生转变时所对应的温度值。物质常见的相包括固态、液态、气态等。比如物质从固体转变为液体的临界温度值就可以称为固/液相变温度。本章如果做相变温度的名词解释应该这么写:在生理条件下,膜脂多呈液晶态;温度下降至某点,则变为晶态;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,在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变★★★相变温度名词解释液晶态晶态相变
细菌和动物细胞静止不动时候(如冬眠)常通过增加不饱和脂肪酸含量调节膜脂相变温度,以维持膜脂流动性★★冬眠不饱和脂肪酸相变温度膜脂流动性
(二)膜蛋白的流动性膜蛋白流动性
1、膜蛋白运动是自发的热运动膜蛋白运动热运动
证据一:药物抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径,对膜蛋白运动无影响,说明膜蛋白运动不需要细胞代谢产物参与,也无需能量输入★★★证据膜蛋白运动代谢途径能量输入
证据二:降低温度会显著降低膜蛋白扩散速率★★证据温度扩散速率
2、膜蛋白流动性影响因素膜蛋白流动性影响因素
①膜蛋白运动是自发的热运动,温度会影响膜蛋白流动性★★膜蛋白流动性温度热运动
②膜蛋白与细胞骨架结合限制其运动(证据1:用细胞松弛素B阻断微丝形成后,膜蛋白流动性大大增加;证据2:用非离子去垢剂处理细胞使细胞膜系统崩解,多数膜蛋白流失,但仍有部分膜蛋白结合在细胞骨架上)。★★★细胞骨架膜蛋白流动性细胞松弛素B微丝非离子去垢剂
③膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。★★膜蛋白膜脂相互作用膜流动性
(三)膜流动性的证明以及膜脂和膜蛋白运动速率的检测膜流动性证明运动速率检测
1、膜蛋白流动性的实验证明——荧光抗体免疫标记实验(人-鼠细胞融合实验)荧光抗体免疫标记实验人-鼠细胞融合实验膜蛋白流动性
用抗人细胞质膜蛋白的红色荧光抗体和抗鼠细胞质膜蛋白的绿色荧光抗体,分别标记人和鼠的细胞表面膜蛋白;★★★荧光抗体红色荧光绿色荧光人-鼠细胞融合实验
经灭活仙台病毒介导两种细胞融合★★★灭活仙台病毒细胞融合
初期融合细胞表面荧光呈分区分布,40min 后两种荧光均匀扩散。★★★分区分布40min均匀扩散数值
因膜蛋白随膜流动而移动,证明细胞膜具有流动性。★★★膜蛋白膜流动性结论
2、膜脂和膜蛋白运动速率的检测(同时也能证明膜脂和膜蛋白的流动性)膜脂膜蛋白运动速率检测
荧光漂白恢复技术步骤:①用荧光素标记膜蛋白或膜脂;② 激光束照射细胞表面某一区域,使该区域荧光淬灭变暗;③ 因膜具有流动性,淬灭区域亮度会逐渐增加,最终恢复至与周围荧光强度相等;④根据荧光恢复速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速率★★★荧光漂白恢复技术FRAP步骤激光束淬灭扩散速率
另外,实验发现细胞质膜中磷脂的扩散速度较人工制备的纯磷脂双层膜减小、质膜上膜蛋白的扩散速度较在水溶液中的扩散小。说明了:脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间具有相互作用,束缚了膜蛋白、脂质的流动性★★★扩散速度人工脂双层膜相互作用束缚流动性
二、膜的不对称性膜的不对称性
(一)细胞膜具有不对称性细胞膜不对称性
1、细胞膜具有不对称性细胞膜不对称性
(1)膜脂分布:同一种膜脂在脂双层的两个小叶中分布存在差异。★★膜脂分布小叶不对称性
(2)膜蛋白分布:同一种膜蛋白在脂双层的 ES 面、PS 面,以及电镜冷冻蚀刻技术显示的 EF 面、PF 面中,均有特定的分布方向或拓扑学特征。★★★膜蛋白分布ES 面PS 面EF 面PF 面冷冻蚀刻
(3)糖缀合物分布:糖蛋白和糖脂的糖基部分,均统一位于细胞质膜的外侧。★★★糖缀合物糖蛋白糖脂糖基外侧
2、细胞质膜各膜面的名称细胞质膜膜面名称
图示:细胞质膜四个膜面的位置标注——ES(左上,膜外表面)、EF(右上,细胞外小叶断裂面)、PF(右下,原生质小叶断裂面)、PS(左下,原生质表面)。图示ESEFPFPS
(1)质膜的细胞外表面(ES):与细胞外环境相接触的膜面,该面的脂分子和膜蛋白构成细胞膜的外小叶。★★★ES细胞外表面外小叶名词解释
(2)质膜的原生质表面(PS):与细胞质基质相接触的膜面,该面的脂分子和膜蛋白构成细胞膜的内小叶。★★★PS原生质表面内小叶名词解释
(3)冷冻蚀刻断裂面:电镜冷冻蚀刻技术制样时,膜结构会从双层脂分子的疏水端断裂,由此产生两个断裂面,分别为细胞外小叶断裂面(EF)和原生质小叶断裂面(PF)。★★★冷冻蚀刻断裂面EFPF疏水端
(二)膜脂的不对称性膜脂不对称性
1、定义膜脂不对称性
同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布,即膜脂的不对称性。★★膜脂不对称性名词解释必背
2、不同膜脂分布规律膜脂不对称性分布规律
(1)磷脂:多数磷脂在脂双层内外两侧均有分布,但含量不均:例如人红细胞质膜上,鞘磷脂和卵磷脂多分布在质膜外小叶,磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸多分布在质膜内小叶,这种分布会影响质膜曲度。★★★膜脂不对称性磷脂鞘磷脂卵磷脂磷脂酰丝氨酸必背
(2)胆固醇:在生物膜内外小叶的分布相比于其他膜脂成分来说较为均匀。★★膜脂不对称性胆固醇
(3)糖脂:仅存在于质膜的细胞外小叶中以及内膜的 ES 面★★膜脂不对称性糖脂ES 面
3、膜脂不对称分布的原因(影响因素)膜脂不对称性原因
(1)与合成部位相关:甘油磷脂和鞘脂分别在内质网的 PS 面和高尔基体的 ES 面合成,可能导致脂双层中的不对称分布,但该推测无法完全解释(如卵磷脂在质膜外小叶含量更高);★★膜脂不对称性合成部位内质网高尔基体
(2)可能与膜蛋白的不对称分布有关。此观点也为科学家的推测,实验证据有限★膜脂不对称性膜蛋白
4、膜脂不对称分布的生物学意义膜脂不对称性生物学意义
(1)维持特定生理功能的结构基础:如糖脂的不对称分布是其功能实现所必需★膜脂不对称性生物学意义糖脂
(2)参与细胞信号转导:例如,所有磷酸化的磷脂酰肌醇头部基团都面向细胞质一侧,这是 G 蛋白偶联信号转导的必要条件。★★★膜脂不对称性生物学意义信号转导磷脂酰肌醇G 蛋白必背
(3)调控生理过程:例如血小板凝血:静息时,磷脂酰丝氨酸主要位于质膜内小叶;受刺激后,迅速翻转到外小叶,从而活化凝血酶类。★★★膜脂不对称性生物学意义血小板凝血磷脂酰丝氨酸必背
(4)作为细胞状态指标:例如细胞濒临死亡(凋亡)时,难以维持脂不对称状态,质膜外小叶中磷脂酰丝氨酸含量明显增加,该现象可作为细胞凋亡的检测指标之一。★★★膜脂不对称性生物学意义细胞凋亡磷脂酰丝氨酸必背
(三)膜蛋白的不对称性膜蛋白不对称性
1、定义膜蛋白不对称性
指所有膜蛋白(周边/整合膜蛋白)在质膜上均呈不对称分布,且每种膜蛋白分子具有明确的方向性。★★★膜蛋白不对称性名词解释必背
2、膜蛋白的不对称性的表现膜蛋白不对称性表现
功能取向固定:细胞表面受体、膜载体蛋白等按特定取向完成信号传递、物质转运;★膜蛋白不对称性表现受体载体蛋白
酶促反应定位:与质膜相关的酶促反应仅发生在膜的某一侧面;★膜蛋白不对称性表现酶促反应
糖基化分布专一:膜糖蛋白 / 糖脂的糖残基均分布在质膜 ES 面,参与与胞外基质、生长因子、凝集素、抗体等的相互作用(例:人的 ABO 血型抗原)。★★★膜蛋白不对称性表现糖基化ES 面ABO 血型抗原必背
3、膜蛋白的不对称性的生物学意义膜蛋白不对称性生物学意义
生物膜的特征和生物学功能主要由膜蛋白决定;★★膜蛋白不对称性生物学意义必背
膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂、时空有序的各类生理功能的重要保证。★★膜蛋白不对称性生物学意义必背
4、膜蛋白的不对称性的特点膜蛋白不对称性特点
膜蛋白的不对称性在合成时即确定,后续转运、修饰过程中拓扑学结构始终不变,直至蛋白质降解,不会发生膜脂样的翻转运动。★★★膜蛋白不对称性特点拓扑学结构翻转运动必背
三、细胞质膜相关的膜骨架膜骨架
(一)膜骨架膜骨架
定义:膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构。★★★膜骨架名词解释必背
作用:从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。★★膜骨架作用必背
分布:多数细胞的细胞质膜下均存在精细复杂的膜骨架网络,其中哺乳动物红细胞的膜骨架研究最为深入。★★膜骨架分布红细胞
(二)红细胞的生物学特性(选择其作为研究质膜的结构及其与膜骨架的关系的原因)红细胞生物学特性
(1)结构简单,易于研究:哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统,结构简单,避免了其他细胞器或结构的干扰。★★★红细胞生物学特性结构简单必背
(2)红细胞质膜兼具良好的弹性与较高的强度,且这些关键特性在很大程度上由膜骨架赋予,是极佳的实验材料。★★★红细胞生物学特性弹性强度必背
(3)易于纯化和分析:红细胞的质膜与膜骨架比较容易纯化和分析,实验操作简便。例如通过低渗处理即可获取。★★★红细胞生物学特性低渗处理纯化必背
(4)具有较高稳定性:红细胞在平均 120 天的寿命中往返动脉和静脉数百万次,行程约 480 公里而不破损★★★红细胞生物学特性稳定性数值必背
(三)红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞膜蛋白膜骨架
1、红细胞膜蛋白的组成红细胞膜蛋白组成
红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白(或称红膜肽)、锚蛋白、带 3 蛋白、带 4.1 蛋白、带 4.2 蛋白和肌动蛋白,此外还有一些血型糖蛋白。★★★红细胞膜蛋白组成血影蛋白锚蛋白带 3 蛋白必背
2、红细胞膜骨架蛋白的组成红细胞膜骨架蛋白组成
红细胞膜骨架蛋白主要包括血影蛋白(或称红膜肽)、锚蛋白、带 4.1 蛋白、带 4.2 蛋白和肌动蛋白。也就是说带 3 蛋白及血型糖蛋白是膜蛋白,但不是膜骨架蛋白。★★★红细胞膜骨架蛋白组成带 3 蛋白血型糖蛋白易混必背
3、证明血影蛋白和肌动蛋白是周边膜蛋白实验红细胞实验周边膜蛋白
改变处理血影的离子强度后进行电泳分析,则血影蛋白和肌动蛋白条带消失,说明这两种蛋白质不是整合膜蛋白而是周边膜蛋白,比较容易除去。此时血影的形状变得不规则,膜蛋白的流动性增强,说明这两种蛋白质在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。★★★红细胞实验离子强度血影蛋白肌动蛋白必背
4、证明带 3 蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白,非膜骨架蛋白:红细胞实验膜整合蛋白
若用非离子去垢剂 Triton X-100 处理血影,这时带 3 蛋白及一些血型糖蛋白的电泳条带消失,但血影仍能维持原来的形状,说明带 3 蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白,在维持血影乃至细胞形态上并不起决定性作用。★★★红细胞实验Triton X-100带 3 蛋白血型糖蛋白必背
5、各蛋白成分的介绍(防止考名词解释)红细胞蛋白成分名词解释
(1)带 3 蛋白:是阴离子载体蛋白,负责 Cl⁻/HCO₃⁻ 的跨膜运输。为二聚体,每条多肽链穿越质膜 14 次,形成跨膜α螺旋。其伸向细胞质侧的 N 端为膜骨架蛋白提供结合位点。★★★带 3 蛋白阴离子载体名词解释必背
(2)血影蛋白:是构成膜骨架网络的主要成分;它由α链和β链组成二聚体,两个二聚体头头相连形成四聚体。★★★血影蛋白四聚体名词解释必背
(3)带 4.1 蛋白和内收蛋白能显著加强肌动蛋白与血影蛋白的结合,从而形成网络状骨架结构。带 4.1 蛋白也可通过与血型糖蛋白 C 端或带 3 蛋白结合,协助连接膜骨架与质膜。★★带 4.1 蛋白内收蛋白肌动蛋白血影蛋白
(4)锚蛋白是关键连接蛋白:一个结构域与血影蛋白β链结合,另一个结构域与带 3 蛋白的胞质面位点结合,从而将膜骨架网络锚定在质膜上。★★★锚蛋白血影蛋白带 3 蛋白必背
(5)肌动蛋白纤维与血影蛋白四聚体游离端相连。肌动蛋白纤维含约 5 个与血影蛋白结★★肌动蛋白血影蛋白膜骨架
合的位点,最终形成网络状膜骨架结构。肌动蛋白血影蛋白膜骨架
(6)血型糖蛋白不参与红细胞形态的维持,与带 4.1 蛋白结合,促使膜骨架与膜蛋白相连。★★血型糖蛋白带 4.1 蛋白膜骨架易混
四、细胞质膜的基本功能细胞质膜功能
(1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;★★★细胞质膜功能内环境大题必背
(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除,其中伴随着能量物质的传递细胞质膜功能物质运输
(3)提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传导;细胞质膜功能细胞识别信号转导
(4)为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;细胞质膜功能酶结合位点
(5)介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接;细胞质膜功能细胞连接胞外基质
(6)参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构;细胞质膜功能表面特化结构
(7)膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关,很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标细胞质膜功能疾病药物靶标
五、脂筏脂筏
脂筏特征脂筏特征
脂筏的成分组成:富含鞘磷脂和胆固醇;可通过非离子去垢剂从细胞质膜分离,蛋白质组学分析显示其含多达 250 种蛋白质。★★★脂筏鞘磷脂胆固醇非离子去垢剂数值必背
脂筏的结构基础:鞘磷脂较长且直的非极性尾部间相互作用,结合与胆固醇近乎平面疏水基团间的疏水键,构成脂筏基本结构。★★★脂筏结构基础疏水键必背
脂筏的结构特征:脂筏是一种异质性的、高度动态的、分子排列较紧密的、流动性较低的膜脂微区结构,直径一般为 10—200 nm★★★脂筏结构特征膜脂微区名词解释必背
脂筏作用脂筏作用
(1)信号传递:在细胞信号传递中可能起关键作用。多种信号相关分子(如 G 蛋白偶联受体、表皮生长因子受体、胰岛素受体、Ras 蛋白、酪氨酸激酶等)富集于脂筏上,为信号转导提供了空间和时间保障。★★★脂筏信号传递G 蛋白偶联受体Ras 蛋白酪氨酸激酶必背
(2)物质运输:在细胞的胞饮作用和蛋白质分选中起重要作用。★★脂筏物质运输胞饮作用蛋白质分选
(3)与疾病关联:某些病毒感染过程、阿尔茨海默病及部分肿瘤的发生可能与脂筏密切相关。★★脂筏疾病阿尔茨海默病肿瘤必背
章节题库 · A组+B组 共 95 题(C组、D组按你的要求未收录)
AA 组题(一轮复习,注意按照发给你的学习计划刷题)
考点一:细胞质膜的结构模型与基本成分混合
考点二:细胞质膜的基本特征与功能混合
BB 组题(二轮复习,经典题、经典真题合集)
一、填空题填空题
二、判断题判断题
三、选择题选择题
四、问答题问答题
教材原文对照1 处
Many of the proteins of this type can be released from the membrane by relatively gentle extraction procedures, such as exposure to solutions of very high or low ionic strength or of extreme pH, which interfere with protein–protein interactions but leave the lipid bilayer intact; these proteins are often referred to as peripheral membrane proteins, and their association with membranes is often regulated by the cell as we discuss next. Transmembrane proteins and many proteins held in the bilayer by lipid groups or hydrophobic polypeptide regions that insert into the hydrophobic core of the lipid bilayer cannot be released in these ways.
这一类蛋白中,许多可以用相对温和的抽提方法从膜上释放下来,例如用离子强度极高或极低的溶液、或极端 pH 的溶液处理;这些条件干扰蛋白质—蛋白质相互作用,却不破坏脂双层。它们常被称为周边膜蛋白,其与膜的结合往往受细胞调控,下文即将讨论。跨膜蛋白,以及许多靠脂基团或靠插入脂双层疏水内核的疏水肽段而固定在双层中的蛋白,都无法用这些方法释放。
教材原文对照1 处
The fluidity of a lipid bilayer depends on both its composition and its temperature, as is readily demonstrated in studies of synthetic lipid bilayers. A synthetic bilayer made from a single type of phospholipid changes from a liquid state to a two-dimensional rigid crystalline (or gel) state at a characteristic temperature. This change of state is called a phase transition, and the temperature at which it occurs is lower (that is, the membrane becomes more difficult to freeze) if the hydrocarbon chains are short or have double bonds.
脂双层的流动性既取决于组成,也取决于温度,这一点在合成脂双层的研究中很容易证明。由单一种类磷脂制成的合成双层,会在某一特征温度下由液态转变为二维刚性晶态(凝胶态)。这种状态改变称为相变;如果烃链较短或含有双键,相变发生的温度就更低(也就是说,膜更难被冻住)。
教材原文对照1 处
The lipid compositions of the two monolayers of the lipid bilayer in many membranes are strikingly different. In the human red blood cell (erythrocyte) membrane, for example, almost all of the phospholipid molecules that have choline—(CH3)3N+CH2CH2OH—in their head group (phosphatidylcholine and sphingomyelin) are in the outer monolayer, whereas almost all that contain a terminal primary amino group (phosphatidylethanolamine and phosphatidylserine) are in the inner monolayer (Figure 10–15). Because the negatively charged phosphatidylserine is located in the inner monolayer, there is a significant difference in charge between the two halves of the bilayer. We discuss in Chapter 12 how membrane-bound phospholipid translocators generate and maintain lipid asymmetry.
许多膜中,脂双层两个单层的脂质组成差异显著。以人红细胞膜为例,几乎所有头部基团含胆碱—(CH3)3N+CH2CH2OH—的磷脂分子(磷脂酰胆碱和鞘磷脂)都位于外单层,而几乎所有含末端伯氨基的磷脂(磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸)都位于内单层(图 10–15)。由于带负电的磷脂酰丝氨酸位于内单层,脂双层两半之间存在明显的电荷差。第 12 章将讨论膜结合的磷脂转位酶如何建立并维持脂质的不对称性。
教材原文对照1 处
The characteristic biconcave shape of a red blood cell (Figure 10–37), for example, results from interactions of its plasma membrane proteins with an underlying cytoskeleton, which consists mainly of a meshwork of the filamentous protein spectrin. Spectrin is a long, thin, flexible rod about 100 nm in length. As the principal component of the red blood cell cytoskeleton, it maintains the structural integrity and shape of the plasma membrane, which is the cell’s only membrane, as the cell has no nucleus or other organelles. The spectrin cytoskeleton is attached to the membrane through various membrane proteins.
例如,红细胞特有的双凹形(图 10–37),源自其质膜蛋白与下方细胞骨架的相互作用,而这一骨架主要由丝状蛋白血影蛋白构成的网络组成。血影蛋白是一根细长而柔韧的杆,长约 100 nm。作为红细胞骨架的主要成分,它维持质膜的结构完整性与形状——质膜是红细胞唯一的膜,因为该细胞既无细胞核也无其他细胞器。血影蛋白骨架再通过多种膜蛋白附着到膜上。
教材原文对照1 处
Fluidity is also favored by cis-double bonds because they produce kinks in the chains that make them more difficult to pack together (Figure 10–11). The makeup of membranes as a complex mix of many different lipid species further adjusts most membranes so that they remain liquids just above the phase-transition point. Bacteria, yeasts, and other organisms whose temperature fluctuates with that of their environment adjust the fatty acid composition of their membrane lipids to maintain a relatively constant fluidity. As the temperature falls, for instance, the cells of those organisms synthesize fatty acids with more cis-double bonds, thereby avoiding the decrease in bilayer fluidity that would otherwise result from the temperature drop.
顺式双键同样有利于流动性,因为它们使烃链产生扭结,链与链之间更难紧密堆积(图 10–11)。膜由多种脂质混合构成,这一点进一步把大多数膜调节到刚好高于相变点、保持液态。细菌、酵母以及其他体温随环境波动的生物,会调整膜脂的脂肪酸组成,以维持相对恒定的流动性。例如温度下降时,这些生物的细胞会合成含更多顺式双键的脂肪酸,从而避免降温本会造成的双层流动性下降。
教材原文对照1 处
Two differently labeled antibodies were used to distinguish selected mouse and human plasma membrane proteins. Although at first the mouse and human proteins were confined to their own halves of the newly formed heterokaryon, the two sets of proteins diffused and mixed over the entire cell surface in about half an hour (Figure 10–32).
研究者用两种带不同标记的抗体,区分选定的小鼠质膜蛋白和人质膜蛋白。起初小鼠蛋白与人蛋白各自局限在新形成的异核体的一半上,但约半小时后,两组蛋白就扩散并混匀到整个细胞表面(图 10–32)。
教材原文对照1 处
The most useful of these for the membrane biochemist are detergents, which are small amphiphilic molecules of variable structure (Movie 10.4). Detergents are much more soluble in water than in lipids. Their polar (hydrophilic) ends can be either charged (ionic), as in sodium dodecyl sulfate (SDS), or uncharged (nonionic), as in b-octylglucoside and Triton X-100 (Figure 10–26A). At low concentration, detergents are monomeric in solution, but when their concentration is increased above a threshold, called the critical micelle concentration (CMC), they aggregate to form micelles (Figure 10–26B, C, and D).
对研究膜的生化学家来说,这类试剂中最有用的是去垢剂——一类结构多样的两亲性小分子(动画 10.4)。去垢剂在水中的溶解度远高于在脂质中的溶解度。它们的极性(亲水)端可以带电荷,即离子型,如十二烷基硫酸钠(SDS);也可以不带电荷,即非离子型,如 β-辛基葡糖苷和 Triton X-100(图 10–26A)。浓度低时,去垢剂在溶液中以单体形式存在;一旦浓度升高越过某一阈值——称为临界微团浓度(CMC)——它们就聚集形成微团(图 10–26B、C、D)。
五、实验题实验题
教材原文对照1 处
The lateral diffusion rates of membrane proteins and lipids can be measured by using the technique of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). The method usually involves marking the membrane protein of interest with a specific fluorescent group. This can be done either with a fluorescent ligand such as a fluorophore-labeled antibody that binds to the protein or with recombinant DNA technology to express the protein fused to a fluorescent protein such as green fluorescent protein (GFP; discussed in Chapter 9). The fluorescent group is then bleached in a small area of membrane by a laser beam, and the time taken for adjacent membrane proteins carrying unbleached ligand or GFP to diffuse into the bleached area is measured (Figure 10–33).
膜蛋白和膜脂的侧向扩散速率,可用光漂白后荧光恢复技术(FRAP)测定。该方法通常先给待测膜蛋白标上特定的荧光基团。标记既可以用荧光配体完成,例如结合该蛋白的荧光基团标记抗体;也可以用重组 DNA 技术,让该蛋白与绿色荧光蛋白(GFP,见第 9 章)之类的荧光蛋白融合表达。随后用激光束漂白膜上一小块区域内的荧光基团,再测量周围携带未漂白配体或 GFP 的膜蛋白扩散进入漂白区所需的时间(图 10–33)。
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教材原文对照2 处
The plasma membrane of a cell is exposed to the often harsh and constantly changing extracellular environment. How are the membrane and its embedded proteins protected from damage? One answer is that many cells have a layer of oligosaccharide and polysaccharide chains that are attached to the lipids and protein domains facing the outside.
细胞的质膜暴露在常常严酷且不断变化的胞外环境中。质膜及其中嵌入的蛋白如何免受损伤?一个答案是:许多细胞在朝向外侧的膜脂和蛋白质结构域上,连接着一层寡糖链和多糖链。
The terms cell coat or glycocalyx are sometimes used to describe the carbohydrate-rich zone on the cell surface. This carbohydrate layer can be visualized by various stains, such as ruthenium red (Figure 10–25A), as well as by its affinity for carbohydrate-binding proteins called lectins, which can be labeled with a fluorescent dye or some other visible marker.
细胞外被(cell coat)或糖萼(glycocalyx)这两个术语,有时用来描述细胞表面富含糖类的区域。这层糖类外被可用多种染料显示,例如钌红(图10–25A);也可利用它对凝集素(lectin,一类糖结合蛋白)的亲和力来显示,凝集素可以用荧光染料或其他可见标记物标记。
教材原文对照2 处
The plasma membrane encloses the cell, defines its boundaries, and maintains the essential differences between the cytosol and the extracellular environment. Without plasma membranes, cells could not have evolved as individual self-replicating units. Inside eukaryotic cells, the membranes of the nucleus, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, mitochondria, and other membrane-enclosed organelles maintain the characteristic differences between the contents of each organelle and the cytosol.
质膜包被细胞、划定细胞边界,并维持胞质溶胶与胞外环境之间的本质差别。没有质膜,细胞就不可能演化成独立的自我复制单位。在真核细胞内部,细胞核、内质网、高尔基体、线粒体以及其他膜围绕细胞器的膜,维持着各细胞器内含物与胞质溶胶之间的特征性差别。
In all cells, the plasma membrane also contains proteins that act as sensors of external signals, allowing the cell to change its behavior in response to environmental cues, including signals from other cells; these protein sensors, or receptors, transfer information—rather than molecules—across the membrane. Despite their differing functions, all biological membranes have a common general structure: each is a very thin film of lipid and protein molecules, held together mainly by noncovalent interactions
在所有细胞中,质膜还含有一类充当外界信号感受器的蛋白,使细胞能够针对环境线索(包括来自其他细胞的信号)改变自身行为;这些蛋白感受器即受体,它们跨膜传递的是信息而不是分子。尽管功能各异,所有生物膜都有共同的一般结构:每一种膜都是一层极薄的脂分子与蛋白质分子薄膜,主要靠非共价相互作用维系在一起。
教材原文对照2 处
A synthetic bilayer made from a single type of phospholipid changes from a liquid state to a two-dimensional rigid crystalline (or gel) state at a characteristic temperature. This change of state is called a phase transition, and the temperature at which it occurs is lower (that is, the membrane becomes more difficult to freeze) if the hydrocarbon chains are short or have double bonds.
由单一种类磷脂制成的人工脂双层,在某一特征温度下由液态转变为二维的刚性晶态(或凝胶态)。这种状态改变称为相变;若烃链较短或含有双键,相变发生的温度就更低(也就是膜更难冻结)。
The makeup of membranes as a complex mix of many different lipid species further adjusts most membranes so that they remain liquids just above the phase-transition point. Bacteria, yeasts, and other organisms whose temperature fluctuates with that of their environment adjust the fatty acid composition of their membrane lipids to maintain a relatively constant fluidity. As the temperature falls, for instance, the cells of those organisms synthesize fatty acids with more cis-double bonds, thereby avoiding the decrease in bilayer fluidity that would otherwise result from the temperature drop.
膜由多种脂类混合组成,这种组成进一步把大多数膜调节到略高于相变点的液态。细菌、酵母以及其他体温随环境波动的生物,会调整膜脂中脂肪酸的组成,以维持相对恒定的流动性。例如温度下降时,这些生物的细胞就合成含更多顺式双键的脂肪酸,从而避免降温本应带来的膜流动性下降。
教材原文对照2 处
Although many lipids and membrane proteins are not distributed uniformly, large-scale lipid phase segregations are seen rarely in living cell membranes. Instead, specific membrane proteins and lipids are seen to concentrate in a more temporary, dynamic fashion facilitated by protein–protein interactions that allow the transient formation of specialized membrane regions
虽然许多脂类和膜蛋白的分布并不均匀,但活细胞膜上很少见到大尺度的脂相分离。相反,特定的膜蛋白和膜脂是以更短暂、更动态的方式聚集起来的:蛋白质—蛋白质相互作用促成这种聚集,使特化的膜区域得以瞬时形成。
The tendency of mixtures of lipids to undergo phase transitions, as seen in artificial bilayers (see Figure 10–12), may help create rafts in living cell membranes—organizing and concentrating membrane proteins either for transport in membrane vesicles (discussed in Chapter 13) or for working together in protein assemblies, such as when they convert extracellular signals into intracellular ones (discussed in Chapter 15).
正如人工脂双层中所见(见图10–12),脂类混合物发生相变的倾向可能有助于在活细胞膜上形成脂筏——把膜蛋白组织并聚集起来,或者用于膜泡运输(见第13章),或者使它们在蛋白质复合体中协同工作,例如把胞外信号转换成胞内信号时(见第15章)。
教材原文对照1 处
One of the many functions of a slippery carbohydrate layer is to protect cells against mechanical and chemical damage; it also keeps various other cells at a distance, preventing unwanted cell–cell interactions.
这层滑润的糖类外被有多种功能,其一是保护细胞免受机械损伤和化学损伤;它还使其他各种细胞与本细胞保持距离,从而阻止不需要的细胞—细胞相互作用。
教材原文对照1 处
Spectrin is a long, thin, flexible rod about 100 nm in length. As the principal component of the red blood cell cytoskeleton, it maintains the structural integrity and shape of the plasma membrane, which is the cell’s only membrane, as the cell has no nucleus or other organelles. The spectrin cytoskeleton is attached to the membrane through various membrane proteins.
血影蛋白是一根长而细的柔性杆,长约100 nm。作为红细胞骨架的主要成分,它维持质膜的结构完整性和形态——质膜是红细胞唯一的膜,因为红细胞既无细胞核也无其他细胞器。血影蛋白骨架通过多种膜蛋白连接到质膜上。
教材原文对照2 处
The lateral diffusion rates of membrane proteins and lipids can be measured by using the technique of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). The method usually involves marking the membrane protein of interest with a specific fluorescent group. This can be done either with a fluorescent ligand such as a fluorophore-labeled antibody that binds to the protein or with recombinant DNA technology to express the protein fused to a fluorescent protein such as green fluorescent protein (GFP; discussed in Chapter 9).
膜蛋白和膜脂的侧向扩散速率可用荧光漂白恢复(FRAP)技术测定。该方法通常先用特定荧光基团标记待测膜蛋白:标记途径一是用荧光配体,例如能结合该蛋白的荧光标记抗体;二是用重组DNA技术,使该蛋白与绿色荧光蛋白(GFP,见第9章)等荧光蛋白融合表达。
The fluorescent group is then bleached in a small area of membrane by a laser beam, and the time taken for adjacent membrane proteins carrying unbleached ligand or GFP to diffuse into the bleached area is measured
随后用激光束漂白膜上一小块区域内的荧光基团,并测量带有未漂白配体或GFP的相邻膜蛋白扩散进入该漂白区所需的时间。
教材原文对照2 处
The lateral diffusion rates of membrane proteins and lipids can be measured by using the technique of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). The method usually involves marking the membrane protein of interest with a specific fluorescent group. This can be done either with a fluorescent ligand such as a fluorophore-labeled antibody that binds to the protein or with recombinant DNA technology to express the protein fused to a fluorescent protein such as green fluorescent protein (GFP; discussed in Chapter 9).
膜蛋白和膜脂的侧向扩散速率可用荧光漂白恢复(FRAP)技术测定。该方法通常先用特定荧光基团标记待测膜蛋白:标记途径一是用荧光配体,例如能结合该蛋白的荧光标记抗体;二是用重组DNA技术,使该蛋白与绿色荧光蛋白(GFP,见第9章)等荧光蛋白融合表达。
The fluorescent group is then bleached in a small area of membrane by a laser beam, and the time taken for adjacent membrane proteins carrying unbleached ligand or GFP to diffuse into the bleached area is measured
随后用激光束漂白膜上一小块区域内的荧光基团,并测量带有未漂白配体或GFP的相邻膜蛋白扩散进入该漂白区所需的时间。
教材原文对照2 处
Some intracellular signaling proteins, for example, that help relay extracellular signals into the cell interior are bound to the cytosolic half of the plasma membrane by one or more covalently attached lipid groups, which can be fatty acid chains or prenyl groups (Figure 10–18). In some cases, myristic acid is added to the N-terminal amino group of the protein during its synthesis on a ribosome.
例如,某些把胞外信号向细胞内部传递的胞内信号蛋白,通过一条或多条共价连接的脂基团结合在质膜的胞质侧半层上,这些脂基团可以是脂肪酸链,也可以是异戊二烯基(图10–18)。在有些情况下,蛋白质在核糖体上合成的同时,豆蔻酸就被加到它的N端氨基上。
While still in the ER, the transmembrane segment of the protein is cleaved off and a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor is added, leaving the protein bound to the noncytosolic surface of the ER membrane solely by this anchor (discussed in Chapter 12); transport vesicles eventually deliver the protein to the plasma membrane
这类蛋白还在内质网中时,其跨膜片段即被切除,同时加上一个糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚,于是蛋白仅靠这个锚结合在内质网膜的非胞质面上(见第12章);随后转运小泡把它送到质膜。
教材原文对照2 处
Around 1970, researchers first recognized that individual lipid molecules are able to diffuse freely within the plane of a lipid bilayer. The initial demonstration came from studies of synthetic (artificial) lipid bilayers, which can be made in the form of spherical vesicles, called liposomes (Figure 10–9), or planar lipid films.
1970年前后,研究者首次认识到单个脂分子能在脂双层平面内自由扩散。最初的证据来自对人工合成脂双层的研究:这类脂双层既可做成球形囊泡,即脂质体(图10–9),也可做成平面脂膜。
When phospholipid molecules are exposed to an aqueous environment, they behave as you would expect from the above discussion. They spontaneously pack together to minimize exposure of their hydrophobic tails to water and maximize exposure of their hydrophilic heads to water. Depending on their shape, the optimal packing arrangement is achieved in either of two ways: they can form spherical micelles, with the tails inward, or they can form double-layered sheets, or bilayers, with the hydrophobic tails sandwiched between the hydrophilic head groups
磷脂分子处于水环境中时,其行为正如上文所推论。它们自发聚集堆积,使疏水尾部与水的接触降到最低、亲水头部与水的接触达到最大。依分子形状不同,最佳堆积方式有两种:可形成尾部朝内的球形微团,也可形成双层片状结构即脂双层,疏水尾部夹在两侧亲水头部之间。
真选择题4 题
真填空题2 题
真简答题4 题
教材原文对照1 处
By contrast to flip-flop, all lipid molecules rapidly exchange places with their neighbors within a monolayer (∼107 times per second). This gives rise to a rapid lateral diffusion, with a diffusion coefficient (D) of about 10–8 cm2/sec, which means that an average lipid molecule diffuses the length of a large bacterial cell (∼2 μm) in about 1 second. These studies have also shown that individual lipid molecules rotate very rapidly about their long axis and have flexible hydrocarbon chains.
与翻转运动相反,所有脂分子都在同一单层内迅速与相邻分子交换位置(约每秒10⁷次)。这产生了快速的侧向扩散,扩散系数(D)约为10⁻⁸ cm²/秒,也就是说一个平均大小的脂分子约1秒就能扩散完一个大细菌细胞的长度(约2 μm)。这些研究还表明,单个脂分子绕自身长轴旋转极快,其烃链也可弯曲摆动。
教材原文对照2 处
Both the diversity and the exposed position of the oligosaccharides on the cell surface make them especially well suited to function in specific cell-recognition processes. Plasma-membrane-bound lectins that recognize specific oligosaccharides on cell-surface glycolipids and glycoproteins mediate a variety of transient cell–cell adhesion processes
寡糖既高度多样,又暴露在细胞表面,这两点使它们特别适合在特异的细胞识别过程中发挥作用。结合于质膜的凝集素能识别细胞表面糖脂和糖蛋白上的特异寡糖,介导多种短暂的细胞—细胞黏着过程
Because the extracellular parts of most plasma membrane proteins are glycosylated, carbohydrates extensively coat the surface of all eukaryotic cells. These carbohydrates occur as oligosaccharide chains covalently bound to membrane proteins (glycoproteins) and lipids (glycolipids). They also occur as the polysaccharide chains of integral membrane proteoglycan molecules.
由于大多数质膜蛋白暴露在外的部分都被糖基化,糖类广泛覆盖着所有真核细胞的表面。这些糖类以寡糖链的形式共价结合在膜蛋白(形成糖蛋白)和膜脂(形成糖脂)上;它们也以多糖链的形式存在于整合膜蛋白聚糖分子上。
教材原文对照1 处
A transmembrane protein always has a unique orientation in the membrane. This reflects both the asymmetric manner in which it is inserted into the lipid bilayer in the ER during its biosynthesis (discussed in Chapter 12) and the different functions of its cytosolic and noncytosolic domains.
跨膜蛋白在膜中总有唯一确定的取向。这既反映它在生物合成过程中以不对称方式插入内质网脂双层(见第12章),也反映其胞质侧结构域与非胞质侧结构域的功能不同。
教材原文对照1 处
The cytoskeleton is linked to the membrane through two transmembrane proteins: a multipass protein called band 3 and a single-pass protein called glycophorin. The spectrin tetramers bind to some band 3 proteins via ankyrin molecules, and to glycophorin and band 3 (not shown) via band 4.1 proteins.
该骨架通过两种跨膜蛋白连接到膜上:多次跨膜的带3蛋白和单次跨膜的血型糖蛋白。血影蛋白四聚体经锚蛋白与部分带3蛋白结合,并经带4.1蛋白与血型糖蛋白及带3蛋白(图中未示)结合。
真问答题1 题
教材原文对照1 处
The lipid compositions of the two monolayers of the lipid bilayer in many membranes are strikingly different. In the human red blood cell (erythrocyte) membrane, for example, almost all of the phospholipid molecules that have choline—(CH3)3N+CH2CH2OH—in their head group (phosphatidylcholine and sphingomyelin) are in the outer monolayer, whereas almost all that contain a terminal primary amino group (phosphatidylethanolamine and phosphatidylserine) are in the inner monolayer
在许多膜中,脂双层两个单层的脂类组成差别显著。例如在人红细胞膜上,头部含胆碱—(CH3)3N+CH2CH2OH—的磷脂(磷脂酰胆碱与鞘磷脂)几乎全部位于外单层,而含末端伯氨基的磷脂(磷脂酰乙醇胺与磷脂酰丝氨酸)几乎全部位于内单层
真论述题1 题
教材原文对照1 处
In these cases, attractive forces between lipid molecules must outweigh the entropic cost associated with concentrating them. Phase transitions thus break the homogeneity of the bilayer into a patchwork of domains with different properties. There has been a long debate among cell biologists about whether the lipid molecules in the plasma membrane of living cells similarly segregate into specialized domains, called lipid rafts.
在这些情况下,脂分子之间的吸引力必定超过把它们浓集在一起所付出的熵代价。于是相变打破了脂双层的均一性,使其变成由不同性质区域拼成的「补丁」。至于活细胞质膜中的脂分子是否也同样分离成特化区域即脂筏,细胞生物学家长期存在争论。
真实验题4 题
教材原文对照2 处
Two differently labeled antibodies were used to distinguish selected mouse and human plasma membrane proteins. Although at first the mouse and human proteins were confined to their own halves of the newly formed heterokaryon, the two sets of proteins diffused and mixed over the entire cell surface in about half an hour
实验用两种带不同标记的抗体,分别识别选定的小鼠质膜蛋白和人质膜蛋白。起初小鼠蛋白和人蛋白各自局限在新形成的异核体的一半上,但两套蛋白在约半小时内就扩散、混匀到整个细胞表面
In this experiment, a mouse and a human cell were fused to create a hybrid cell, which was then stained with two fluorescently labeled antibodies. One antibody (labeled with a green dye) detects mouse plasma membrane proteins, the other antibody (labeled with a red dye) detects human plasma membrane proteins. When cells are stained immediately after fusion, mouse and human plasma membrane proteins are still found in the membrane domains originating from the mouse and human cell, respectively. After a short time, however, the plasma membrane proteins diffuse over the entire cell surface and completely intermix.
本实验把一个小鼠细胞和一个人细胞融合成杂种细胞,再用两种荧光标记抗体染色。一种抗体(标绿色染料)识别小鼠质膜蛋白,另一种抗体(标红色染料)识别人质膜蛋白。融合后立即染色时,小鼠和人的质膜蛋白仍分别位于各自来源的膜区域内;但过一小段时间后,这些质膜蛋白就扩散到整个细胞表面并完全混合。
教材原文对照2 处
Such functional reconstitution can determine which proteins are both necessary and sufficient for a particular cell function. For example, the approach provided proof for the hypothesis that the enzymes that make ATP (ATP synthases) use H+ gradients in mitochondrial, chloroplast, and bacterial membranes to produce ATP.
这种功能重建可以确定哪些蛋白对某一细胞功能既是必需的、又是充分的。例如,正是这一方法证明了下述假说:合成ATP的酶(ATP合酶)利用线粒体膜、叶绿体膜和细菌膜上的H⁺梯度来生成ATP。
Many membrane proteins can be solubilized and then purified in an active form by the use of mild detergents. These detergents cover the hydrophobic regions on membrane-spanning segments that become exposed after lipid removal but do not unfold the protein.
许多膜蛋白可用温和去垢剂增溶,并以有活性的形式纯化出来。这类去垢剂覆盖住脂类被除去后暴露出来的跨膜片段疏水区,但不会使蛋白质解折叠(变性)。
教材原文对照2 处
From FRAP measurements, we can estimate the diffusion coefficient for the marked cell-surface protein. The values of the diffusion coefficients for different membrane proteins in different cells are highly variable, because interactions with other proteins impede the diffusion of the proteins to varying degrees. Measurements of proteins that are minimally impeded in this way indicate that cell membranes have a viscosity comparable to that of olive oil.
由FRAP测量结果可以估算被标记的细胞表面蛋白的扩散系数。不同细胞中不同膜蛋白的扩散系数差别很大,因为与其他蛋白的相互作用会不同程度地阻碍这些蛋白扩散。对受阻最小的蛋白所作的测量表明,细胞膜的黏度与橄榄油相当。
The fluorescent molecules are bleached in a small area using a laser beam. The fluorescence intensity recovers as the bleached molecules diffuse away and unbleached molecules diffuse into the irradiated area (shown here in side and top views). The diffusion coefficient is calculated from a graph of the rate of recovery: the greater the diffusion coefficient of the membrane protein, the faster the recovery
用激光束漂白一小块区域内的荧光分子。随着被漂白的分子扩散离开、未被漂白的分子扩散进入被照射区域,荧光强度逐渐恢复(此处以侧视图和俯视图表示)。扩散系数由恢复速率作图计算得出:膜蛋白的扩散系数越大,恢复越快。
教材原文对照1 处
The fluidity of cell membranes has to be precisely regulated. It allows membrane proteins to interact rapidly and transiently, and certain membrane transport processes and enzyme activities, for example, cease when the bilayer viscosity is experimentally increased beyond a threshold level. The fluidity of a lipid bilayer depends on both its composition and its temperature, as is readily demonstrated in studies of synthetic lipid bilayers.
细胞膜的流动性必须受到精确调控。流动性使膜蛋白能够快速而短暂地相互作用;例如把脂双层黏度人为提高到超过某一阈值时,某些膜转运过程和酶活性就会停止。脂双层的流动性既取决于组成,也取决于温度,这一点在人工脂双层研究中很容易得到证明。