第四章細(xì)胞質(zhì)膜

1、第四章第四章 細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞質(zhì)膜1 1 細(xì)胞質(zhì)膜研究歷史細(xì)胞質(zhì)膜研究歷史2 2 生物膜結(jié)構(gòu)模型生物膜結(jié)構(gòu)模型3 3 生物膜化學(xué)組成生物膜化學(xué)組成4 4 生物膜特征生物膜特征5 5 生物膜功能概述生物膜功能概述6 6 膜骨架膜骨架 細(xì)胞質(zhì)膜是圍繞細(xì)胞最外層的一層由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。質(zhì)膜提供給細(xì)胞一個(gè)相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。在物質(zhì)運(yùn)輸，能量轉(zhuǎn)換 ，信息傳遞，細(xì)胞連接和黏著等方面有重要作用。真核細(xì)胞內(nèi)部存在由膜構(gòu)建的各種細(xì)胞器，它們有與質(zhì)膜結(jié)構(gòu)類似的生物膜 。1 1 細(xì)胞質(zhì)膜研究歷史細(xì)胞質(zhì)膜研究歷史A. 概念:質(zhì)膜 Plasma membrane (細(xì)胞膜 cell membrane),細(xì)胞內(nèi)膜 I

2、ntracellular membrane,生物膜 Biomembrane.B. 研究歷史 細(xì)胞膜的存在：研究細(xì)胞滲透壓時(shí)（質(zhì)壁分離及低滲破裂）證明質(zhì)膜存在。 Overton (1890s) : 細(xì)胞膜是脂類性質(zhì)。 Gorter 和 Grendel （1925）：利用紅細(xì)胞顯示質(zhì)膜由雙分子層脂類構(gòu)成。 Davson 和 Danielli （1930s）：根據(jù)質(zhì)膜表面張力提出蛋白脂質(zhì)蛋白的三明治質(zhì)膜模型。 Robertson (1959)提出單位膜模型生物膜均由單位膜構(gòu)成。隨后獲得電鏡證據(jù)支持。 Singer 和 Nicolson(1972): 流動鑲嵌模型。 Simons 等 (1997):

3、脂筏模型。2 生物膜結(jié)構(gòu)模型Singer 和 Nicolson 的流動鑲嵌模型是膜生物學(xué)的核心理論。膜的流動性（流動）：膜脂處于流動狀態(tài)，膜脂和膜蛋白均處于動態(tài)運(yùn)動中，可側(cè)向運(yùn)動。膜蛋白分布的不對稱性（鑲嵌）：膜蛋白以多種方式鑲嵌于脂雙分子層內(nèi)、貫穿其中或附著在脂層表面。三明治模型和流動鑲嵌模型。流動鑲嵌模型和膜的流動性（其中成熟的膜蛋白在兩層脂分子間翻轉(zhuǎn)不會發(fā)生）3 3 生物膜的化學(xué)組成生物膜的化學(xué)組成3.13.1 膜脂:膜脂為兩性分子兼具親水性和疏水性。膜脂主要有三種：磷脂、糖脂和固醇。磷脂：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。約占膜脂的50以上。神經(jīng)系統(tǒng)含鞘磷脂較豐富。磷脂主要特征：一個(gè)極性頭、兩個(gè)非

4、極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個(gè)碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。 OPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCO COOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCO COR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPIO CHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR3鞘氨醇磷脂心磷脂（存在于線粒體內(nèi)膜和一些細(xì)菌質(zhì)膜中）磷脂磷

5、脂模式圖（卵磷脂）四種主要磷脂脂質(zhì)體脂質(zhì)體（liposome）脂質(zhì)體是一種人工膜。由磷脂在水中攪動后形成。雙層或單層脂分子球體，直徑251000nm。人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備的藥物1.研究生物膜的特性磷脂在水中的存在形式在小孔中形成平面脂雙分子層膜（黑膜）可用以研究脂膜的通透性磷脂在水中形成的脂質(zhì)體顯微結(jié)構(gòu)糖脂：普遍存在于真核、原核生物質(zhì)膜中，約占膜脂總量5以下。神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10。不含磷酸，由一個(gè)或多個(gè)糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元膜中的特征性成分。兩種糖脂結(jié)構(gòu): 半乳糖腦苷脂(A)由于親水頭部不帶電荷被稱為中性糖脂。神經(jīng)節(jié)苷脂(B)頭部親水區(qū)

6、含有帶負(fù)電荷的唾液酸(C)。細(xì)菌及植物中幾乎所有磷脂和糖脂均來自甘油酯，在動物細(xì)胞中糖脂大多來自鞘氨醇。NANA，唾液酸；Gal， 半乳糖；Glc，葡萄糖；GalNAc，N-乙酰氨基半乳糖。膽固醇結(jié)構(gòu)固醇存在真核細(xì)胞和少數(shù)原核細(xì)胞質(zhì)膜（如支原體）上，約占膜脂的1/3，膽固醇存在于動物細(xì)胞膜中，植物細(xì)胞質(zhì)膜含豆固醇等植物甾醇，真菌細(xì)胞質(zhì)膜含麥角固醇。大多數(shù)細(xì)菌質(zhì)膜不含膽固醇，但含有甘油酯等中性酯。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。 膽固醇在磷脂雙分子層中嵌入單層磷脂分子間縫隙中增加膜的穩(wěn)定性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。3.2 膜蛋白根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為： 整合蛋白

7、（integral protein） 外周蛋白（peripheral protein） 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）。整合蛋白，外周蛋白，脂錨定蛋白。多數(shù)跨膜蛋白可能通過一個(gè)或多個(gè)螺旋跨過脂雙分子層，有的通過折疊跨膜， 它們中的有些蛋白還共價(jià)連接有插入脂雙分子層單層中的脂肪酸鏈。脂錨定蛋白通過與蛋白共價(jià)連接的脂肪酸鏈或異戊二烯鏈，插入細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的脂單分子層中或通過低聚糖連接到細(xì)胞外側(cè)脂單分子層中的磷脂（磷脂酰肌醇）上。外周蛋白通過非共價(jià)相互作用方式與其他膜蛋白或帶電荷的膜脂相連并附著在膜上。整合蛋白整合蛋白靠跨膜結(jié)構(gòu)域與膜中間疏水區(qū)相互作用疏水結(jié)構(gòu)域兩端的帶電荷的

8、氨基酸（堿性或酸性）與磷脂形成離子鍵整合于膜上。通過半胱氨酸連接脂錨定于膜上。在形成螺旋或折疊片時(shí)非極性氨基酸側(cè)鏈位于外部與膜脂疏水區(qū)相互親和，而極性側(cè)鏈位于結(jié)構(gòu)域內(nèi)側(cè)可形成特異或非特異極性分子跨膜通道。整合蛋白與膜的結(jié)合緊密，只有用去垢劑破壞膜結(jié)構(gòu)后才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑常使蛋白結(jié)構(gòu)改變而失活?？缒ぢ菪陌被針O性側(cè)鏈和非極性側(cè)鏈分布外周蛋白外周蛋白靠非共價(jià)鍵作用方式結(jié)合于膜外周其他蛋白或膜脂上。通過改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度或改變溫度即可使外周蛋白從膜上解離下來，而膜可不受破壞。蛋白一般不失活。典型的跨膜蛋白：右手螺旋跨膜，糖基及二硫鍵位于細(xì)胞外側(cè)，巰基在還原性的細(xì)胞內(nèi)側(cè)不形成二硫鍵。幾

9、種以折疊跨膜的蛋白：不同數(shù)量的 折疊鏈形成不同大小的桶行使不同功能。 (1) The E. coli OmpA protein (8 strands), which serves as a receptor for a bacterial virus. (2) The E. coli OMPLA protein (12 strands), is a lipase（脂酶）that hydrolyses（水解）lipid molecules. The amino acids that catalyze the enzymatic reaction (shown in red) protrude（突

10、出） from the outside surface of the barrel. (3) A porin（膜孔蛋白，位于壁外膜） from the bacterium Rhodobacter capsulatus（一種光合細(xì)菌）, which forms water-filled pores across the outer membrane (16 strands). The diameter of the channel is restricted by loops (shown in blue) that protrude into the channel. (4) The E. c

11、oli FepA protein (22 strands), which transports iron ions. The inside of the barrel is completely filled by a globular（球狀） protein domain (shown in blue) that contains an iron-binding site. This domain is thought to change its conformation（構(gòu)象） to transport the bound iron, but the molecular details o

12、f the changes are not known.細(xì)菌視紫紅質(zhì)是多跨膜螺旋結(jié)構(gòu)膜整合蛋白，多個(gè)螺旋中央是親水性質(zhì)子通道。在色素蛋白接受光能后變構(gòu)向胞外泵出H+，通道中兩個(gè)極性氨基酸 Asp在H+ 次第傳遞中起重要作用。莢膜紅細(xì)菌 （Rhodobacter capsulatus，一種光合細(xì)菌）的膜孔蛋白三聚體結(jié)構(gòu)：16條反向平行的鏈形成內(nèi)部親水的筒，三個(gè)筒組成三聚體在細(xì)胞壁外膜上運(yùn)送親水性物質(zhì)，紅色肽段位于中央控制擴(kuò)散孔徑。綠色紅假單胞菌 Rhodopseudomonas viridis 光反應(yīng)中心復(fù)合體結(jié)構(gòu)（x射線晶體分析）：The complex consists of four su

13、bunits, L, M, H, and a cytochrome（細(xì)胞色素）. The L and M subunits form the core of the reaction center, and each contains five a helices that span the lipid bilayer. The locations of the various electron carrier coenzymes are shown in black. (J. Richardson and J. Deisenhofer Nature 318:618-624) 兩種脂錨定蛋白連

14、接方式：A，水溶性蛋白合成后通過N端氨基（甘氨酸）與脂肪酸（肉豆蔻酸或棕櫚酸）形成酰胺鍵連接到質(zhì)膜上。B，水溶性蛋白合成后C端附近的半胱氨酸側(cè)鏈的巰基與異戊烯基醇（法尼醇或香葉醇）的羥基形成硫醚鍵，在切除半胱氨酸后面的氨基酸后羧基甲基化，連接到質(zhì)膜上。脂錨定蛋白脂錨定蛋白通過磷脂酰肌醇和寡聚糖連接的脂錨定蛋白多位于質(zhì)膜外側(cè)脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。此類膜蛋白可用去垢劑獲得。 兩種去垢劑結(jié)構(gòu)：兩性分子，擁有疏水端（綠色）和親水端（藍(lán)色）去垢劑在水中形成微團(tuán)粒，類似磷

15、脂用非離子型去垢劑溫和解離蛋白，非離子型去垢劑可能是由于分子大電荷小不易進(jìn)入蛋白內(nèi)部去垢劑去垢劑溫和型去垢劑在膜蛋白解離、純化及膜蛋白體系重建中的應(yīng)用：Na+-K+ ATPase的分離和功能膜脂分子的運(yùn)動順式雙鍵脂肪酸鏈降低了膜脂分子排列的有序性，增加膜脂流動性，使膜脂雙分子層更難被低溫所凝固。磷脂中的不飽和脂肪酸增加了增加了膜的流動性4 4 生物膜的基本特征生物膜的基本特征4.1 4.1 膜的流動性和不對稱性膜的流動性和不對稱性膜脂的流動性和不對稱分布膽固醇嵌于磷脂分子之間既限制了磷脂分子的運(yùn)動，又降低了磷脂分子的相變溫度。哺乳動物質(zhì)膜中幾種主要磷脂和糖脂電荷特征及在紅細(xì)胞膜中的不對稱分布。

16、卵磷脂(PC，極性頭部大)、鞘磷脂（SM)、主要分布于雙分子層的細(xì)胞外一側(cè)。腦磷脂(PE,極性頭部小)、磷脂酰絲氨酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)主要分布于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。如磷脂酰絲氨酸在細(xì)胞衰老時(shí)或凝血時(shí)才由內(nèi)側(cè)翻向外側(cè)，被吞噬細(xì)胞識別后被吞噬去除。膽固醇（CI)。糖脂均位于細(xì)胞膜外小葉。磷脂不對稱性可能與合成部位有關(guān)。膜脂不對稱分布是膜行使生理功能所必需的。膜蛋白的流動性和不對稱分布膜蛋白的流動不需能量，但蛋白的流動性和細(xì)胞類型有關(guān)，極性細(xì)胞使某些蛋白限定在細(xì)胞局部區(qū)域。某些蛋白與細(xì)胞內(nèi)部骨架等結(jié)合限制了流動性。不同細(xì)胞可流動蛋白比例也可能不同。小鼠人細(xì)胞融合顯示膜蛋白的流動性. The mous

17、e and human proteins are initially confined（限定） to their own halves（半邊） of the newly formed heterocaryon（異核體） plasma membrane, but they intermix with time. The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein（熒光素） is green whereas rh

18、odamine（羅丹明） is red. （右圖）抗體誘導(dǎo)的白細(xì)胞表面蛋白成斑成帽現(xiàn)象。二價(jià)抗體（熒光標(biāo)記）與抗原形成多分子交聯(lián)使細(xì)胞表面抗原（抗體）聚集在細(xì)胞某些地方形成斑塊。繼而進(jìn)一步聚集在細(xì)胞一端成帽狀。（左圖）熒光漂白恢復(fù)顯示膜脂或膜蛋白流動性所有的膜蛋白在膜中都是不對稱分布的。膜蛋白在膜上分布具有確定的方向性，生物膜的特性和功能主要是由膜蛋白決定。膜蛋白的不對稱分布是生物膜執(zhí)行復(fù)雜的在時(shí)間和空間上有序的各種生理功能的保證。極性細(xì)胞使某些蛋白限定在細(xì)胞局部區(qū)域：細(xì)胞的緊密連接限制了蛋白擴(kuò)散并可能對膜脂有一定的限定作用。抗體熒光免疫標(biāo)識豚鼠精子細(xì)胞膜三個(gè)不同區(qū)域：用熒光標(biāo)記的不同抗體顯示

19、精子表膜分為前頭部、后頭部和尾部，精子不同區(qū)域存在不同的特異蛋白。特異膜蛋白區(qū)域化分布的四種途徑：A，自聚集。B，C，與胞外或胞內(nèi)大分子相互作用。D，與其他細(xì)胞蛋白相互作用。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，質(zhì)膜斷裂各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面；EF細(xì)胞外小頁斷裂面；PS，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁斷面。根據(jù)生物膜的進(jìn)化和來源，ES面和PS面在細(xì)胞生物膜系統(tǒng)中是統(tǒng)一的。如質(zhì)膜的外側(cè)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜腔面一側(cè)、高爾基體膜內(nèi)側(cè)、溶酶體膜內(nèi)側(cè)、液泡膜內(nèi)側(cè)、運(yùn)輸小泡膜的內(nèi)側(cè)、胞吞泡膜的內(nèi)側(cè)、線粒體外膜內(nèi)側(cè)、線粒體內(nèi)膜外側(cè)、線粒體嵴膜的內(nèi)側(cè)，葉綠體外膜內(nèi)側(cè)、葉綠體內(nèi)膜外側(cè)、葉綠體類囊體膜內(nèi)側(cè)、細(xì)胞核外膜內(nèi)側(cè)和內(nèi)膜外側(cè)以

20、及病毒包膜的外側(cè)極性是相同的，都是膜的ES面，這些膜的另一側(cè)都是PS面。細(xì)胞在生命活動中有些細(xì)胞器膜可能發(fā)生融合，只發(fā)生同極融合，既 PS面融合后仍在PS面，ES面仍在ES面。4.2 生物膜極性的統(tǒng)一性生物膜極性的統(tǒng)一性冷凍蝕刻處理后膜的各面生物膜極性的統(tǒng)一性脂筏和膜泡窖結(jié)構(gòu)上相對穩(wěn)定、有序的質(zhì)膜微區(qū)。脂筏是富含膽固醇和鞘脂的微結(jié)構(gòu)域。約70nm左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜。就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。膜泡窖：50100nm的質(zhì)膜凹陷區(qū)。也富含膽固醇、鞘脂和糖基磷脂酰

21、肌醇脂錨定膜蛋白。含有窖蛋白。流動鑲嵌模型及膜泡窖：transient confinement瞬時(shí)封閉，caveolae膜泡窖，caveolin窖蛋白，nanodomain超微區(qū)，GPI糖基磷脂酰肌醇，fluid lipid流動脂。脂筏形成機(jī)制：蛋白亞基聚集導(dǎo)致與其連接的相對穩(wěn)定的膜脂微區(qū)域聚集。ligand配體，lectin凝集素，oligomerization低聚化，adapter接頭蛋白，scaffold支架蛋白。5 5 細(xì)胞膜的功能細(xì)胞膜的功能質(zhì)膜功能保護(hù)；運(yùn)輸；通信；提供酶結(jié)合位點(diǎn)；介導(dǎo)細(xì)胞連接；形成細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)。有關(guān)膜的生理和物理性質(zhì)細(xì)胞膜對水有很高的透性。對脂溶性物質(zhì)具有通透性。對電的阻力高，電流只能通過膜上特殊的離子通道。在細(xì)胞膜的表面存在著很低的張力。在生理pH下，膜表面帶負(fù)電性。被脂類溶劑和蛋白酶處理后溶解。6 膜骨架在質(zhì)膜下與膜蛋白相連的一些纖維蛋白組成網(wǎng)架（主要是細(xì)胞骨架），以維持膜的形態(tài)，協(xié)助質(zhì)膜完成各項(xiàng)生理功能。紅細(xì)胞血影是膜骨架的典型。紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個(gè)保持原形的空殼，稱為血影 。血影形成的網(wǎng)格對紅細(xì)胞膜起加固作用，使膜穿越狹小的毛細(xì)血管時(shí)受力分散，不至于使膜受到損傷。血影與細(xì)胞中