內(nèi)蒙古大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)講義04細(xì)胞質(zhì)膜

1、第四章 細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞膜（plasma membrane）又稱(chēng)質(zhì)膜，是包在細(xì)胞最外層，與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱(chēng)為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的等方面具有相似性，故總稱(chēng)為生物膜（biomembrane）。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。質(zhì)膜下的表層溶膠中具有細(xì)胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除對(duì)質(zhì)膜有支持作用外，還與維持質(zhì)膜的功能有關(guān)，所以這部分細(xì)胞骨架又稱(chēng)為膜骨架。1、Overton 1895年發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過(guò)植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過(guò)細(xì)胞膜，因此推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類(lèi)物質(zhì)組成。2、Gorter

2、& F. Grendel 于1925年用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類(lèi)成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型1、細(xì)胞膜由流動(dòng)的雙脂層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。膜的流動(dòng)性是生物膜的基本特征之一, 是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的必要條件。2、磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；3、蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱(chēng)性。膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者；4、磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結(jié)構(gòu)成分,尚未發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)中起組織作用的蛋白。二、膜脂生物膜的基本組成成分（一）膜脂的構(gòu)

3、成磷脂：膜脂的基本成分（50以上）；分為二類(lèi)：甘油磷脂和鞘磷脂，主要特征：具有一個(gè)極性頭部和兩個(gè)非極性的尾部（心磷脂除外）；脂肪酸碳鏈碳原子為偶數(shù),大多數(shù)由16,18或20個(gè)組成；含有飽和脂肪酸(如軟脂酸)和不飽和脂肪酸(如油酸)； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核細(xì)胞的質(zhì)膜上（5以下），神經(jīng)細(xì)胞糖脂含量較高；膽固醇和中性脂類(lèi)：膽固醇存在于真核細(xì)胞膜上（30%以下），對(duì)增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)通透性起重要作用。細(xì)菌質(zhì)膜不含有膽固醇，但某些細(xì)菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂類(lèi)。（二）膜脂流動(dòng)的原因沿膜平面的側(cè)向運(yùn)動(dòng)（基本運(yùn)動(dòng)方式），其擴(kuò)散系數(shù)為10-8cm2/s；脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動(dòng)；脂分

4、子尾部的擺動(dòng)； 雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生頻率極低，但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生頻率很高。 (三) 影響膜脂流動(dòng)性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會(huì)降低膜的流動(dòng)性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字Ｆ渌蛩兀簻囟?、酸堿度、離子強(qiáng)度等。（四）脂質(zhì)體（liposome）脂質(zhì)體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢(shì)而制備的人工膜。作用：研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)；脂質(zhì)體中裹入DNA可用于基因轉(zhuǎn)移；在臨床治療中,脂質(zhì)體作為

5、藥物或酶等載體脂質(zhì)體的類(lèi)型(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán)；(b)球形脂質(zhì)體；(c)平面脂質(zhì)體膜；(d)用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖三、膜蛋白（一）類(lèi)型整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是兩性分子。與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來(lái)，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。去垢劑：是一端親水一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。整合蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域可以是1至多個(gè)疏水的螺旋，形成親水通道的整合蛋白跨膜區(qū)域有兩種組成形式，一是由多個(gè)兩性螺旋組成親水通道；二是由兩性折疊組成親水通道。外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋

6、白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(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)，有時(shí)很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因?yàn)橐粋€(gè)蛋白質(zhì)可以由多個(gè)亞基構(gòu)成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結(jié)合在膜的外部。脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)連接的蛋白，GPI位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C（能識(shí)別含肌醇的磷脂）處理細(xì)胞，能釋放出結(jié)合的蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類(lèi)蛋白。另一類(lèi)脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長(zhǎng)碳?xì)滏溄Y(jié)合。 （二）膜脂膜蛋白的

7、分子運(yùn)動(dòng)主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式?？捎霉饷撋謴?fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測(cè)側(cè)向擴(kuò)散。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。第二節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能膜的流動(dòng)性1、生理意義質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過(guò)高，又會(huì)造成膜的溶解。膜的流動(dòng)性受多種因素影響；細(xì)胞骨架不但影響膜蛋白的運(yùn)動(dòng)，也影響其周?chē)哪ぶ牧鲃?dòng)。膜蛋白與膜脂分子的相互作用也是影響膜流動(dòng)性的重要因素。光脫色恢復(fù)技術(shù)(florescence recovery after photobleachi

8、ng, FRAP)：研究膜蛋白或膜脂流動(dòng)性的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，根據(jù)熒光恢復(fù)的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散速度。二、膜的不對(duì)稱(chēng)性質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱(chēng)為膜的不對(duì)稱(chēng)性。（一）細(xì)胞膜各部分的名稱(chēng) 樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開(kāi)，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面；EF，細(xì)胞外小頁(yè)斷面；PS，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁(yè)斷面。 （二）膜脂的不對(duì)稱(chēng)性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類(lèi)紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對(duì)稱(chēng)性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形

9、成的微結(jié)構(gòu)域脂筏。（三）膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性：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；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。（四）復(fù)合糖的不對(duì)稱(chēng)性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。是完成其生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。二、細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨架（一）膜骨架指細(xì)胞質(zhì)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)胞質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。（二）紅細(xì)胞的生物學(xué)特性：膜骨架賦予紅細(xì)胞質(zhì)膜既有很好的彈性又具有較高強(qiáng)度。（三）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架膜骨架是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細(xì)胞質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。作用：維持質(zhì)膜

10、的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。成熟的哺乳動(dòng)物血紅細(xì)胞沒(méi)有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。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(chēng)為血影（ghost）。經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：1、血影蛋白(spectrin)：由結(jié)構(gòu)相似的鏈、鏈組成異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成四聚體。2、帶三蛋白：是陰離子載體，通過(guò)交換Cl-，使HCO3-進(jìn)入紅細(xì)胞。為二聚體，每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，跨膜12次。3、錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。4、血型糖蛋白：?jiǎn)未慰缒ぬ堑鞍祝s有131個(gè)氨基酸，N端在膜外側(cè)，結(jié)合16條寡糖鏈；C端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關(guān)，其功能尚不明確。紅細(xì)胞膜骨架的構(gòu)成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動(dòng)蛋白纖維（約1315單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)兩個(gè)錨定點(diǎn)固定在質(zhì)膜下方：通過(guò)帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結(jié)；通過(guò)錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性，得以幾百萬(wàn)次地通過(guò)比它直徑還小