細(xì)胞生物學(xué)[第四章細(xì)胞質(zhì)膜]課程預(yù)習(xí)

1、第四章 細(xì)胞質(zhì)膜 細(xì)胞膜(cell membrane)又稱(chēng)質(zhì)膜(plasma membrane)，是指圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。細(xì)胞膜不僅是細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的邊界，使細(xì)胞有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，同時(shí)在細(xì)胞與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)、能量的交換及信息傳遞過(guò)程中也起著決定性的作用。 生物膜(biomembrane)：真核細(xì)胞內(nèi)部存在著由膜圍繞構(gòu)建的各種細(xì)胞器，細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)與細(xì)胞膜統(tǒng)稱(chēng)為生物膜。 一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型 (一)生物膜的結(jié)構(gòu)模型 目前對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)可歸納如下： (1)膜脂主要由磷脂分子構(gòu)成，磷脂分子具有極性頭部和非極性尾部。在水相中以疏水性非極性尾部相對(duì)、極性頭部朝向水相自

2、發(fā)形成磷脂雙分子層的封閉的膜系統(tǒng)。 (2)蛋白分子以不同的方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面，蛋白的類(lèi)型、分布的不對(duì)稱(chēng)性及其與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜具有各自的特性與功能。 (3)在膜蛋白與膜脂之間、膜蛋白與膜蛋白之間以及膜蛋白與膜兩側(cè)其他生物大分子之間的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流動(dòng)性。 (二)膜脂 膜脂是生物膜的基本組成成分，每個(gè)動(dòng)物細(xì)胞膜上約有109個(gè)脂分子，即每平方微米的質(zhì)膜上約有5106個(gè)脂分子。 1成分 膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類(lèi)型。 (1)磷脂。 磷脂是膜脂的基本成分，占膜脂的50以上。組成生物膜的磷脂分子的主要特征是：具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾

3、(脂肪酸鏈)，但存在于線粒體內(nèi)膜和某些細(xì)菌質(zhì)膜上的心磷脂具有4個(gè)非極性尾部；脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16、18或20個(gè)碳原子組成；除飽和脂肪酸根外，還常含有不飽和脂肪酸(如油酸)，不飽和脂肪酸多為順式，順式雙鍵在烴鏈中產(chǎn)生約30。彎曲。 (2)糖脂。 在原核和真核細(xì)胞的膜上，糖脂含量約占膜脂總量的5以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占510。已發(fā)現(xiàn)40余種糖脂，不同細(xì)胞中的糖脂種類(lèi)不同。如神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)節(jié)苷脂，紅細(xì)胞表面的ABO血型糖脂。 在糖脂中，一個(gè)或多個(gè)糖殘基連接于鞘氨醇上。最簡(jiǎn)單的糖脂是腦苷脂類(lèi)，只有一個(gè)葡萄糖或半乳糖殘基(半乳糖腦苷脂)，較復(fù)雜的神經(jīng)節(jié)苷脂可含多達(dá)7個(gè)糖殘基，其

4、中含有不同數(shù)目的唾液酸。糖酯均位于膜的非胞質(zhì)面單層(即在質(zhì)膜上位于細(xì)胞外側(cè)，在各種細(xì)胞器的細(xì)胞內(nèi)膜上)，并將糖基暴露在細(xì)胞表面，其作用可能作為某些大分子的受體，與細(xì)胞識(shí)別及信息傳導(dǎo)有關(guān)。 (3)膽固醇。 膽固醇存在于真核細(xì)胞膜上，其含量一般不超過(guò)膜脂的13。膽固醇分子散布在磷脂分子之 間，其極性的羥基頭部緊靠磷脂的極性頭部，將固醇環(huán)固定在近磷脂頭部的碳?xì)滏溕希怪灰谆顒?dòng)。這種排列方式對(duì)膜的穩(wěn)定性十分重要。膽固醇在調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透性等方面都起著重要作用。細(xì)菌質(zhì)膜中不含有膽固醇成分，但某些細(xì)菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂質(zhì)。 2膜脂的運(yùn)動(dòng)方式 膜脂分子熱運(yùn)動(dòng)方

5、式有： (1)沿膜平面的側(cè)向擴(kuò)散(lateral diffusion)。其擴(kuò)散系數(shù)為10-8cm2s，相當(dāng)于每秒移動(dòng)2m的距離。由于側(cè)向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生分子間的換位，其交換頻率在106次s以上。側(cè)向運(yùn)動(dòng)是膜脂分子的基本運(yùn)動(dòng)方式，具有重要的生物學(xué)意義。 (2)脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動(dòng)(rotation)。 (3)脂分子尾部的擺動(dòng)(flexion)。脂肪酸鏈靠近極性頭部的擺動(dòng)較小，尾部擺動(dòng)較大。X射線衍射分析顯示，在距頭部第9個(gè)碳原子以后的脂肪酸鏈已由較為有序變成無(wú)序狀態(tài)，有些可能折疊形成“小結(jié)”，這有助于解釋極性的水分子比較容易通過(guò)細(xì)胞膜的現(xiàn)象。 (4)雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(nip-flop)。一般

6、情況下翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)極少發(fā)生，其發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的10-10。但在細(xì)胞某些膜系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高，特別是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，新合成的磷脂分子經(jīng)幾分鐘后，將有半數(shù)從雙層脂分子的一側(cè)通過(guò)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向另一側(cè)。 脂分子的運(yùn)動(dòng)不僅與脂分子的類(lèi)型有關(guān)，也與脂分子同膜蛋白及膜周?chē)纳锎蠓肿又g的相互作用以及溫度等環(huán)境條件有關(guān)。 3脂質(zhì)體 脂質(zhì)體(1iposome)是根據(jù)磷脂分子在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜的特性而制備的人工膜。單層脂分子鋪展在水面上時(shí)，其極性端插入水相而非極性尾部面向空氣界面。攪動(dòng)后形成乳濁液，即形成極性端向外而非極性端在內(nèi)部的脂分子團(tuán)或形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體。 球形脂質(zhì)體直徑為251

7、000nm不等，控制形成條件可獲得大小均一的脂質(zhì)體，同樣的原理還可以制備平面的脂質(zhì)體膜。 脂質(zhì)體可用不同的膜脂來(lái)制備，同時(shí)還可以嵌入不同的膜蛋白，因此脂質(zhì)體是研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)的極好實(shí)驗(yàn)材料。脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移。 (三)膜蛋白 1膜蛋白的類(lèi)型 根據(jù)膜蛋白分離的難易及其與脂分子的結(jié)合方式，膜蛋白可分為兩大基本類(lèi)型： 膜周邊蛋白(peripheral proteins)或稱(chēng)外在膜蛋白(extrinsic proteins)：膜周邊蛋白為水溶性蛋白，靠離子鍵或其他較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來(lái)，膜結(jié)構(gòu)并不

8、被破壞。 膜內(nèi)在蛋白(integral proteins)或稱(chēng)整合膜蛋白：膜內(nèi)在蛋白與膜結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑使膜崩解后才可分離出來(lái)，且多數(shù)為跨膜蛋白(transmembrane proteins)，也有些插入脂雙層中。 2膜內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合的方式 膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水部分相互作用。 膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷氨基酸殘基(如精氨酸、賴(lài)氨酸等)與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過(guò)Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。 膜內(nèi)在蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合的主要部位，具體作用方式如下： (1)跨膜結(jié)構(gòu)域形成螺旋，其外部疏水側(cè)鏈通過(guò)范德

9、華力與脂雙層分子脂肪酸鏈相互作用。 (2)某些螺旋既具有極性側(cè)鏈又具有非極性側(cè)鏈，螺旋的外側(cè)是非極性鏈，內(nèi)側(cè)是極性鏈，形成特異極性分子的跨膜通道。如人紅細(xì)胞Band蛋白，它介導(dǎo)Cl/HCO3-的跨膜運(yùn)輸。 (3)某些跨膜蛋白(如大腸桿菌外膜上的孔蛋白(porins)和線粒體內(nèi)膜上的孔蛋白)，其跨膜結(jié)構(gòu)域常常僅有1012個(gè)氨基酸殘基，形成折疊片結(jié)構(gòu)。螺旋中相鄰二個(gè)氨基酸殘基的軸向距離為015Hi，而在折疊片中為O35nm。反向平行的；折疊片相互作用形成非特異的跨膜通道，可允許相對(duì)分子質(zhì)量小于104的小分子自由通過(guò)。 3去垢劑 去垢劑(detergent)是一端親水一端疏水的兩性小分子，是分離與研

10、究膜蛋白的常用試劑。去垢劑可分為兩類(lèi)離子型去垢劑如十二烷基磺酸鈉(SDS)非離子型去垢劑Triton X-100。 二、生物膜基本特征和功能 (一)膜的流動(dòng)性 成斑現(xiàn)象(patching)是指在某些細(xì)胞中，當(dāng)熒光抗體標(biāo)記時(shí)間繼續(xù)過(guò)長(zhǎng)，已均勻分布在細(xì)胞表面的標(biāo)記熒光會(huì)重新排布，聚集在細(xì)胞表面的某些部位。成帽現(xiàn)象(capping)是指標(biāo)記熒光會(huì)聚集在細(xì)胞的一端。 成帽現(xiàn)象和成斑現(xiàn)象顯示了膜蛋白的流動(dòng)性。這種現(xiàn)象反映了二價(jià)的抗體分子交聯(lián)相鄰的膜蛋白分子，同時(shí)也與膜蛋白和膜下骨架系統(tǒng)的相互作用及質(zhì)膜與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)之間膜泡運(yùn)輸相關(guān)。實(shí)際上，并非所有的膜蛋白都在膜上自由流動(dòng)，有的因某些特殊的結(jié)構(gòu)被限定在細(xì)

11、胞表面的某個(gè)區(qū)域。 光脫色恢復(fù)技術(shù)光脫色恢復(fù)技術(shù)(fluorescence recovery after photobleaching，F(xiàn)RAP)是研究膜蛋白或膜脂流動(dòng)性的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。用熒光素標(biāo)記膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射細(xì)胞表面某個(gè)區(qū)域，使被照射區(qū)的熒光淬滅變暗。由于膜的流動(dòng)性，淬滅區(qū)域的高度逐漸增加，最后恢復(fù)到與周?chē)臒晒鈴?qiáng)度相等。根據(jù)熒光恢復(fù)的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散速率。 (二)膜的不對(duì)稱(chēng)性 (1)細(xì)胞膜各部分的名稱(chēng)。 與細(xì)胞外環(huán)境接觸的膜面稱(chēng)質(zhì)膜的細(xì)胞外表面(extrocytoplasmic surface，ES)，與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面稱(chēng)質(zhì)膜的原生質(zhì)表面(protop

12、lasmic surface，PS)。冷凍蝕刻技術(shù)制樣過(guò)程中，膜結(jié)構(gòu)常常從雙層脂分子疏水端斷裂，這樣又產(chǎn)生了質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面(extrocytoplasmic face，EF)和原生質(zhì)小頁(yè)斷裂面(protoplasmic face，PF)。 細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)也根據(jù)類(lèi)似的原理命名，如細(xì)胞內(nèi)的囊泡，與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面為它的PS面，而與囊泡腔內(nèi)液體接觸的面為ES面。 (2)膜脂的不對(duì)稱(chēng)性。 膜質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性是指同一脂膜分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布。糖脂的分布表現(xiàn)出完全不對(duì)稱(chēng)性，其糖側(cè)鏈都在質(zhì)膜的ES面上，因此糖脂僅存在于質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁(yè)中。糖脂的不對(duì)稱(chēng)分布是完成其生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 (3)

13、膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性。 所有的膜蛋白，不論是膜周邊蛋白還是膜內(nèi)在蛋白在質(zhì)膜上都呈不對(duì)稱(chēng)分布。與膜脂不同，膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性是指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性。如細(xì)胞表面的受體、膜上載體蛋白等，都是按一定的方向傳遞信號(hào)和轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)，與細(xì)胞膜相關(guān)的酶促反應(yīng)也都發(fā)生在膜的某一側(cè)面，特別是質(zhì)膜上的糖蛋白，其糖殘基均分布在質(zhì)膜的ES面。各種生物膜的特征及其生物學(xué)功能主要是由膜蛋白來(lái)決定的。膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性是生物膜完成復(fù)雜的在時(shí)間與空間上有序的各種生理功能的保證。 (三)細(xì)胞質(zhì)膜的基本功能 生物膜的結(jié)構(gòu)模型與生物學(xué)特征也基本適于細(xì)胞膜，但要指出的是，細(xì)胞膜作為細(xì)胞內(nèi)外邊界，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，功能更為多樣

14、。細(xì)胞膜的主要功能概括如下： (1)為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 (2)選擇性物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除，其中伴隨著能量的傳遞。 (3)提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息跨膜傳遞。 (4)為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行。 (5)介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接。 (6)質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。 (7)膜蛋白的異常與某些遺傳病、惡性腫瘤，甚至神經(jīng)退行性疾病相關(guān)，很多膜蛋白可作為疾病治療的藥物靶標(biāo)。 三、膜骨架 細(xì)胞膜常常與膜下結(jié)構(gòu)(主要是細(xì)胞骨架系統(tǒng))相互聯(lián)系，協(xié)同作用，并形成細(xì)胞表面的某些特化結(jié)構(gòu)以完成特定的功能。這些特化

15、結(jié)構(gòu)包括膜骨架(membrane associated cytoskeleton)、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等等，分別與細(xì)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。 (一)膜骨架 膜骨架是指細(xì)胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，它參與維持細(xì)胞膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。光鏡下人們?cè)l(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜下存在約02m厚的溶膠層，電鏡出現(xiàn)以后，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到膜下溶膠層的實(shí)質(zhì)，其中含有豐富的細(xì)胞骨架纖維(如微絲、微管等)，這些骨架纖維通過(guò)膜骨架與質(zhì)膜相連。對(duì)膜骨架研究最多的還是哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞。 (二)紅細(xì)胞的生物學(xué)特性 紅細(xì)胞的主要功能是負(fù)責(zé)把O2從肺中運(yùn)送到體內(nèi)各組織，

16、同時(shí)把細(xì)胞代謝中產(chǎn)生的CO2運(yùn)回肺中。哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞核和內(nèi)膜體系，所以紅細(xì)胞的質(zhì)膜是最簡(jiǎn)單易操作的生物膜。紅細(xì)胞的血影一是指當(dāng)細(xì)胞經(jīng)低滲處理后，質(zhì)膜破裂，血紅蛋白及其可溶性蛋白被溶出，這時(shí)紅細(xì)胞仍然保持原來(lái)的形狀與大小。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為血影。 (三)紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架 SDS-PAGE分析血影的蛋白成分顯示：紅細(xì)胞膜蛋白主要包括血影蛋白或稱(chēng)紅膜肽(spectrin)、錨蛋白(ankyrin)、帶3蛋白、帶41蛋白和肌動(dòng)蛋白(actin)，但此外還有一些血型糖蛋白(glycophorin)。 改變處理血影的離子強(qiáng)度，則血影蛋白和肌動(dòng)蛋白條帶消失，說(shuō)明這兩種蛋白不是膜內(nèi)在蛋白，比較

17、容易除去，此時(shí)血影的形狀變得不規(guī)則，膜蛋白的流動(dòng)性增強(qiáng)，說(shuō)明這兩種蛋白在維持膜的形狀及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用。 若用去垢劑Tritonx100處理血影，這時(shí)脂質(zhì)、帶3蛋白及一些血型糖蛋白消失，但血影仍能維持其形態(tài)，說(shuō)明帶3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在維持細(xì)胞形態(tài)上并不起決定性作用。 存留的部分即是纖維狀的膜骨架蛋白網(wǎng)絡(luò)及部分與之結(jié)合的膜內(nèi)在蛋白，因此血影的形狀仍能保持。膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白、肌動(dòng)蛋白、錨蛋白和帶41蛋白等。 與血影蛋白四聚體游離端相連的肌動(dòng)蛋白纖維長(zhǎng)約35nm，其中包含13個(gè)肌動(dòng)蛋白單體和一個(gè)長(zhǎng)35nm的原肌球蛋白分子。因?yàn)榧?dòng)蛋白纖維的長(zhǎng)度與原肌球蛋白分子長(zhǎng)度相同，故認(rèn)為原 肌球蛋白決定了肌動(dòng)蛋白纖維的長(zhǎng)度。純化的血影蛋白與肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合力非常弱，帶41蛋白和adducin大大加強(qiáng)了肌動(dòng)蛋白與血影蛋白結(jié)合。由于肌動(dòng)蛋白纖維上存在多個(gè)(一般為5個(gè)左右)與血影蛋白結(jié)合的位點(diǎn)，所以可以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀的膜骨架結(jié)構(gòu)，膜骨架網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞膜之間的連接主要通過(guò)錨蛋白。 每個(gè)血影蛋白四聚體上平均有一個(gè)錨蛋白分子。錨蛋白含有兩個(gè)功能性結(jié)構(gòu)域：一個(gè)能緊密、特異地與血影蛋白鏈相連；另一個(gè)結(jié)構(gòu)域與帶3