细胞培养技术(cell! culture)就是在体外模拟体内的生理环境,培养从机体中取岀的细胞,并使之生长和生存的技术 等生物是由多细胞构成的整体,在整体条件下要研究单个细胞或某一群细胞在体内( In vivo)的功能活动是十分困难的。但是如果把活细胞拿 到体外( in vitro)培养进行观察和研究,则要方便得多。活细胞离体后要在一定的生理条件下才能存活和进行生理活动,特别是高等动植物细 胞要求的生存条件极其严格,稍有不适就要死亡。所以细胞培养技术( cell culture)就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。 动物细胞的生存环境与植物细胞差别很大,因而二者的培养方法很不相同 (一)动物细胞培养 细胞培养方式大致可分为两种:一种是群体培养( mass culture),将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中,让细胞贴壁生长,汇合( confluence) 形成均匀的单细胞层:另一种是克隆培养( clonal culture),将高度稀释的游离细胞悬液加λ培养瓶中,各个细胞贴壁后,彼此距离较远, 经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落,称为克隆( clone)。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外,为了制取细胞产 品而设计了转鼓培养法,使用大容量的圆培养瓶,在培养过程中不断地转动,使培养的细胞始终处于悬浮状态之中而不贴壁 正常细胞培养的世代数有限,只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌 性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的Hea细胞系就是1951年从一位名叫 Henrietta lacks的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。 此细胞系一直延用至今。 培养( primary culture):从动物机体取出的进行培养的细胞群。原代培养的细胞生长比较缓慢,而且繁殖一定的代数后(一般10代 以内)停止生长,需要从更换培养基。将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶即称为传代或传代培养( Passage)。 2.细胞株( cell strain):从原代培养细胞群中筛选出的具有特定性质或标志的细胞群,能够繁殖50代左右,在培养过程中其特征始终保持 3.细胞系( cell line):从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞,在培养条件下可无限繁殖 4.克隆( clone):亦称无性繁殖系或简称无性系。对细胞来说,克隆是指由同一个祖先细胞通过有丝分裂产生的遗传性状一致的细胞群。 (二)植物细胞培养 植物细胞培养主要有如下几种技术 1.组织培养:诱发产生愈伤组织,如果条件适宜,可培养岀再生植株。用于研究植物的生长发育、分化和遗传变异:进行无性繁殖:制取代 谢产物。 2.悬浮细胞培养:在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。适合于进行产业化大规模细胞培养,制取植物代谢产物 3.原生质体培养:脱壁后的植物细胞称为原生质体( protoplast),其特点是:①比较容易摄取外来的遗传物质,如DNA:②便于进行细胞融 合,形成杂交细胞:③与完整细胞一样具有全能性,仍可产生细胞壁,经诱导分化成完整植株 4.单倍体培养:通过花药或花粉培养可获得单倍体植株,经人为加倍后可得到完全纯合的个体 ddition:非细胞体系 Cell free system,来源于细胞,而不具有完整的细胞结构,但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成。(如功能体系 和酶反应体系等)的体系即为非细胞体系 3. 2 Cell engineering 用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术,按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质,以产生新的物种和品系,或 大规模培养组织细胞以获得生物产品 该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径,不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作,只需将遗传物质直接转入受体细胞,就可形 成杂交细胞 主要技术领域 细胞(组织、器官)培养: In vIvo在体、活体、生物体内; in vitro离体、生物体 细胞融合(体细胞杂交、细胞并合) 细胞拆合(细胞质工程、细胞器移植) 染色体(组)工程 繁殖生物学技术,胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体 组分移植技术,将细胞的组分(核、质、染色体、甚至基因)直接移植到另一个细胞中去的技术 3.2.1细胞融合 通过培养和诱导,两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合( cell fusion)或细胞杂交( cell hybridization) 诱导细胞融合的方法:生物方法(仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒)、化学方法(聚乙二醇FEG)、物理方法(电击和激光)。 ·同核体 homokaryon:相同基因型的细胞融合而成 异核体 heterokaryon:不同基因型的细胞融合而成。 ·融合核细胞 synkaryons:通过细胞杂交形成的单核子细胞称融合核细胞 3.22单克隆抗体 Monoclonal antibody 正常淋巴细胞(如小鼠胂细胞)具有分泌抗体的能力,但不能长期培养,瘤细胞(如骨髓瘤)可以在体外长期培养,但不分泌抗体。于是英国人 Kohler和 Milstein1975将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术, Monoclonal antibody,获1984年诺贝尔医学及生理学奖(M&P)。 3.2.3显微操作技术 Micromanipulation cromanipulation,用显微操作装置对细胞进行解剖和显微注射( micro inJection)的技术 Chapter IV Plasma Membrane& Cell Surface 教学目的和要求: 过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容:细胞质膜的结构、功能:细胞膜骨架的结构特征:细胞表面的特化结构:细胞外被和细胞外基 质:细胞连接和细胞表面粘着因子。 培养学生认识细胞的微观性和动态性特征:将本节所学内容和其他学科的知识融会贯通,提高综合分析问题的能力。 教材分析: 概述:本章内容在全部课程中都占有重要地位,学生能否对“生物膜”有正确、清晰的认识关系到能否学习好多个后续章节,所用教材在主要知 识点方面阐述清晰,在少数知识点过于珍惜笔墨,学生在自学过程中会有较多疑问 教学重点:流动镶嵌模型的主要特点:生物膜的流动性和不对称性:细胞连接的方式和特点:细胞外基质的主要成分和功能 教学难点:流动镶嵌模型的主要特点:生物膜的流动性和不对称性;膜骨架的结构和功能。 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:对教材的薄弱环节加入内容;针对其微观结构添 加大量的示范图片
16 细胞培养技术（cell culture）就是在体外模拟体内的生理环境，培养从机体中取出的细胞，并使之生长和生存的技术。 高等生物是由多细胞构成的整体，在整体条件下要研究单个细胞或某一群细胞在体内（in vivo）的功能活动是十分困难的。但是如果把活细胞拿 到体外（in vitro）培养进行观察和研究，则要方便得多。活细胞离体后要在一定的生理条件下才能存活和进行生理活动，特别是高等动植物细 胞要求的生存条件极其严格，稍有不适就要死亡。所以细胞培养技术（cell culture）就是选用最佳生存条件对活细胞进行培养和研究的技术。 动物细胞的生存环境与植物细胞差别很大，因而二者的培养方法很不相同。 （一）动物细胞培养 细胞培养方式大致可分为两种：一种是群体培养（mass culture），将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中，让细胞贴壁生长，汇合（confluence） 后形成均匀的单细胞层；另一种是克隆培养（clonal culture），将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中，各个细胞贴壁后，彼此距离较远， 经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落，称为克隆（clone）。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。此外，为了制取细胞产 品而设计了转鼓培养法，使用大容量的圆培养瓶，在培养过程中不断地转动，使培养的细胞始终处于悬浮状态之中而不贴壁。 正常细胞培养的世代数有限，只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌 性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的 HeLa 细胞系就是 1951 年从一位名叫 Henrietta Lacks 的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。 此细胞系一直延用至今。 1．原代培养 （primary culture）：从动物机体取出的进行培养的细胞群。原代培养的细胞生长比较缓慢，而且繁殖一定的代数后（一般 10 代 以内）停止生长，需要从更换培养基。将细胞从一个培养瓶转移到另外一个培养瓶即称为传代或传代培养（Passage）。 2．细胞株（cell strain）：从原代培养细胞群中筛选出的具有特定性质或标志的细胞群，能够繁殖 50 代左右，在培养过程中其特征始终保持。 3． 细胞系（cell line）：从肿瘤组织培养建立的细胞群或培养过程中发生突变或转化的细胞，在培养条件下可无限繁殖 4．克隆（clone）：亦称无性繁殖系或简称无性系。对细胞来说，克隆是指由同一个祖先细胞通过有丝分裂产生的遗传性状一致的细胞群。 （二）植物细胞培养 植物细胞培养主要有如下几种技术： 1． 组织培养：诱发产生愈伤组织，如果条件适宜，可培养出再生植株。用于研究植物的生长发育、分化和遗传变异；进行无性繁殖；制取代 谢产物。 2． 悬浮细胞培养：在愈伤组织培养技术基础上发展起来的一种培养技术。适合于进行产业化大规模细胞培养，制取植物代谢产物。 3． 原生质体培养：脱壁后的植物细胞称为原生质体（protoplast），其特点是：①比较容易摄取外来的遗传物质，如 DNA；②便于进行细胞融 合，形成杂交细胞；③与完整细胞一样具有全能性，仍可产生细胞壁，经诱导分化成完整植株： 4． 单倍体培养：通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，经人为加倍后可得到完全纯合的个体。 Addition: 非细胞体系 Cell free system,来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质组成。（如功能体系 和酶反应体系等）的体系即为非细胞体系。 3.2 Cell engineering 用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，按人们的预定设计蓝图有计划的保存、改变和创造细胞遗传物质，以产生新的物种和品系，或 大规模培养组织细胞以获得生物产品。 该技术在细胞和亚细胞水平上开辟了基因重组的新途径，不需分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将遗传物质直接转入受体细胞，就可形 成杂交细胞。 主要技术领域 细胞(组织、器官)培养：in vivo 在体、活体、生物体内；in vitro 离体、生物体外。 细胞融合（体细胞杂交、细胞并合） 细胞拆合（细胞质工程、细胞器移植） 染色体（组）工程： 繁殖生物学技术，胚胎冷冻技术、试管婴儿、生物复制、胚胎移植、发育工程、胚胎工程、胚胎分割技术、胚胎融合技术、嵌合体。 组分移植技术，将细胞的组分（核、质、染色体、甚至基因）直接移植到另一个细胞中去的技术 3.2.1 细胞融合 通过培养和诱导，两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合（cell fusion）或细胞杂交（cell hybridization）。 诱导细胞融合的方法：生物方法（仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒）、化学方法（聚乙二醇 PEG）、物理方法（电击和激光）。 • 同核体 homokaryon：相同基因型的细胞融合而成。 • 异核体 heterokaryon：不同基因型的细胞融合而成。 • 融合核细胞 synkaryon：通过细胞杂交形成的单核子细胞称融合核细胞 3.2.2 单克隆抗体 Monoclonal antibody 正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗体。于是英国人 Kohler 和 Milstein 1975 将两种细胞杂交而创立了单克隆抗体技术，Monoclonal antibody，获 1984 年诺贝尔医学及生理学奖（M & P）。 3.2.3 显微操作技术 Micromanipulation Micromanipulation,用显微操作装置对细胞进行解剖和显微注射（micro injection）的技术。 Chapter Ⅳ Plasma Membrane & Cell Surface 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：细胞质膜的结构、功能；细胞膜骨架的结构特征；细胞表面的特化结构；细胞外被和细胞外基 质；细胞连接和细胞表面粘着因子。 培养学生认识细胞的微观性和动态性特征；将本节所学内容和其他学科的知识融会贯通，提高综合分析问题的能力。 二、教材分析： 概述：本章内容在全部课程中都占有重要地位，学生能否对“生物膜”有正确、清晰的认识关系到能否学习好多个后续章节，所用教材在主要知 识点方面阐述清晰，在少数知识点过于珍惜笔墨，学生在自学过程中会有较多疑问。 教学重点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；细胞连接的方式和特点；细胞外基质的主要成分和功能。 教学难点：流动镶嵌模型的主要特点；生物膜的流动性和不对称性；膜骨架的结构和功能。 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；对教材的薄弱环节加入内容；针对其微观结构添 加大量的示范图片
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) 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 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( glycocalyx):质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结枃,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 1 Plasma membrane 1.1 A history of studies on plasma membrane 1.E. Overton1895发现凡是溶于脂眆的物质很容易透过植物的细胞膜,而不溶于脂眆的物质不易透过细胞膜,因此推测细胞膜由连续的脂类物 质组成 2.E. Gorter&F. Grendel1925用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分,将其铺展在水面,测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积,因 而推测细胞膜由双层脂分子组成。 3.J. Danielli&H. Davson1935发现质膜的表面张力比油一水界面的张力低得多,推测膜中含有蛋白质,从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质” 的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型,认为膜上还具有贯穿脂双层 的蛋白质通道,供亲水物质通过 4.J.D. Robertson l959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片,显示暗-明-暗三层结构,厚约7.5n。这就是所谓的“单位膜”模型。它由 厚约3.5mm的双层脂分子和内外表面各厚约2m的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的 5.S.J. Singer&G. Nicolson1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的硏究结果,在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强 周膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性 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,有的嵌入或橫跨脂双 分子层。 目前对生物膜结构的认识可归纳如下 1.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。 2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.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的相互 用,在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性 1.2 The 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 般,脂类约占50%,蛋白质约40%,糖类约2%-10%,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 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 1.2.1 Membrane Lipids )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。动、植物细胞膜上都有磷脂,是膜脂 的基本成分,约占膜脂的50%以上。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。 磷脂又分为两大类:甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱(卵磷脂)、磷脂酸肌醇等 甘油磷脂 以甘油为骨架的磷脂类,在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团,胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。 主要类型有:磷脂酰胆碱( phosphatidyl choline,P℃,旧称卵磷脂)、磷脂酰丝氨酸( phosphatidyl serine,PS)、磷脂酰乙醇胺( phosphatidyl ethanolamine,P,旧称脑磷脂)磷脂酰肌醇( phosphatidyl inositol,PI)和双磷脂酰甘油(DPG,旧称心磷脂)等。 鞘磷脂 鞘磷脂( sphingomyelin,SM〕在脑和神经细胞膜中特别丰富,亦称神经醇磷脂,它是以鞘胺醇( sphingosine)为骨架,与一条脂肪酸链组成疏水 尾部,亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。 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30°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,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,其含量约占膜脂总量的5%以下,在神经细胞膜上糖脂含量较高,约占5-10% 糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似,只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它只有一个半乳糖残基作为极性头部,在髓鞘的多层膜中含量丰富:变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂,其 头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病(Tay- sachs di sease)就是因 为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶,不能将神经节苷脂GM2加工成为GM3,结果大量的GM2累积在神经细胞中,导致中枢神经系统退化。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。 Addition: ABO Blood group antigens
17 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） 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（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。 1 Plasma membrane 1.1 A history of studies on plasma membrane 1. E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物 质组成。 2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因 而推测细胞膜由双层脂分子组成。 3. J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质” 的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959 年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层 的蛋白质通道，供亲水物质通过。 4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约 7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由 厚约 3.5nm 的双层脂分子和内外表面各厚约 2nm 的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。 5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强 调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。 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。 目前对生物膜结构的认识可归纳如下： 1.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。 2.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.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。 1.2 The 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 2％－10％，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。 1.2.1 Membrane Lipids （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。动、植物细胞膜上都有磷脂，是膜脂 的基本成分，约占膜脂的 50％以上。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。 磷脂又分为两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇等。 甘油磷脂 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。 主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。 鞘磷脂 鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水 尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。 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，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，其含量约占膜脂总量的 5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占 5-10％。 糖脂也是两性分子。其结构与 SM 很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其 头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因 为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂 GM2 加工成为 GM3，结果大量的 GM2 累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。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。 Addition: ABO Blood group antigens
ABO血型抗原是一种糖脂,其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用: A型:膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺, GaInac B型:末端是半乳糖,Gal 0型:末端没有这两种糖基。 AB型:末端同时具有这两种糖基 (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 司空气界面,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 1.2.2 Membrane 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( integra1 proteln)、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 protein):水不溶性蛋白,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。 整合蛋白可能全为跨膜蛋白( transmembrane proteins),为两性分子,疏水部分位于脂双层内部,亲水部分位于脂双层外部。 蛋白跨膜区域有两种组成形式,一是由多个两性α螺旋组成亲水通道:而是由两性β折叠组成亲水通道 整合蛋白( integral protein),又称内在蛋白( intrinsic 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 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。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、 多次跨膜、多亚基跨膜等 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 膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。实际上,有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的,因为许多膜蛋白是由多亚基组成的,其中有的亚基插 入在脂双层,有的亚基则是外周蛋白。 外周蛋白为水溶性,占膜蛋白总量的20%~30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的 3.外脂锚定蛋白(1ipid- anchored protein)又称脂连接蛋白( lipid- linked protein),通过共价键的方式同脂分子结合,位于脂双层的外侧或内 早期,人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式,还有一种: 脂锚定蛋白又称脂连接蛋白( lipid- linked protein),通过共价键的方式同脂分子结合,位于脂双层的外侧 脂锚定蛋白( lipid- anchored protein)可以分为两类,一类是糖磷脂酰肌醇( glycophosphatidy inositol,GPI连接(GPI- anchored protein) 的蛋白,GPⅠ位于细胞膜的外小叶,用磷脂酶C(能识别含肌醇的磷脂)处理细胞,能释放出结合的蛋白。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 A1至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。 Bβ折叠片组成β折叠片桶(β barrel),形成亲水通道。 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。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去 垢剂如十二烷基磺酸钠(SDS):常用的非离子去垢剂为 Triton x-100。 1. 3 Membrane fluidity 膜是一种动态的结枃,具有膜脂的流动性( fluidity)和膜蛋白的运动性( mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流 动性不仅是膜的基本特性之一,也是细胞进行生命活动的必要条件 膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。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( Phase transition)。 膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下,有些脂处于晶态,另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自 汇集,形成了相的分离,从而形成一些流动性木一的微区( domain)。由于膜脂的流动,给膜蛋白提供了可以流动的环境,加上膜蛋白自身构型 的变化,使膜蛋白处于动态之中 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. 1 Fluidity of membrane lipid 膜脂分子的运动 1.侧向扩散:同一平面上相邻的脂分子交换位置 2.旋转运动:膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转 3.摆动运动:膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动 4.伸缩震荡:脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动
18 ABO 血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用： A 型：膜脂寡糖链的末端是 N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。 B 型：末端是半乳糖，Gal。 O 型：末端没有这两种糖基。 AB 型：末端同时具有这两种糖基。 （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。 1.2.2 Membrane 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 protein）:水不溶性蛋白，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。 整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。 蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。 整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic 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。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、 多次跨膜、多亚基跨膜等 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。 膜外周蛋白可用高盐或碱性 PH 条件分离。实际上，有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的，因为许多膜蛋白是由多亚基组成的，其中有的亚基插 入在脂双层，有的亚基则是外周蛋白。 外周蛋白为水溶性，占膜蛋白总量的 20％～ 30％，在红细胞中占 50％，如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的 强度。 3.外脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内 侧。 早期，人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，还有一种： 脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein），通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接（GPI-anchored protein） 的蛋白，GPI 位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶 C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。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。 A 1 至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。 B β折叠片组成β折叠片桶(β barrel)，形成亲水通道 。 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。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去 垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS）；常用的非离子去垢剂为 Triton X－100。 1.3 Membrane fluidity 膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流 动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。 膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。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（Phase transition）。 膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自 汇集，形成了相的分离，从而形成一些流动性木一的微区（domain）。由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型 的变化，使膜蛋白处于动态之中。 质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。 1.3.1 Fluidity of membrane lipids 膜脂分子的运动 1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 3. 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动