細(xì)胞生物學(xué)-翟中和-第四章

細(xì)胞生物學(xué)第四章細(xì)胞質(zhì)膜

第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型第二節(jié)生物膜基本特征與功能第三節(jié)膜骨架細(xì)胞生物學(xué)質(zhì)膜（plasmamembrane）包在細(xì)胞外面所以又稱細(xì)胞膜。圍繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(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，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。質(zhì)膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，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體現(xiàn)者。動物細(xì)胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質(zhì)。細(xì)胞生物學(xué)第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型一、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型E.Overton1895發(fā)現(xiàn)溶于脂肪的物質(zhì)易透過植物的細(xì)胞膜，不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E.Gorter&F.Grendel1925

用有機溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。細(xì)胞生物學(xué)3、J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。提出了“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”的三明治式的結(jié)構(gòu)模型；1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。細(xì)胞生物學(xué)4、J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。細(xì)胞生物學(xué)5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”。細(xì)胞生物學(xué)６、脂筏模型(lipidraftsmodel)

即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一樣載著各種蛋白。脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。脂筏就像一個蛋白質(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。細(xì)胞生物學(xué)公認(rèn)生物膜結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的特點細(xì)胞膜由流動雙脂層和嵌在其中蛋白質(zhì)組成。具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中自發(fā)形成生物膜的性質(zhì)。以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。細(xì)胞生物學(xué)二、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。1、磷脂是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：1）具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內(nèi)膜上的心磷脂具有4個非極性尾部。2）脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個碳原子組成。3）常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)Diphosphatidylglycerol（DPG

）細(xì)胞生物學(xué)鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經(jīng)細(xì)胞膜中特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部含膽堿與磷酸。原核細(xì)胞、植物中沒有鞘磷脂。細(xì)胞生物學(xué)2、糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5％以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，其結(jié)構(gòu)與鞘磷脂很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；變化最多、最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元質(zhì)膜中具有特征性的成分。細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)3、膽固醇含量一般不超過膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。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。細(xì)胞生物學(xué)（二）膜脂的運動方式側(cè)向擴(kuò)散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動。翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。是在翻轉(zhuǎn)酶（flippase）的催化下完成。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進(jìn)行伸縮震蕩運動。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)。細(xì)胞生物學(xué)（三）脂質(zhì)體（liposome）1)是一種人工膜。在水中，攪動后磷脂形成雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。2)人工脂質(zhì)體可用于：轉(zhuǎn)基因制備的藥物研究生物膜的特性細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)三、膜蛋白（一）類型是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。細(xì)胞生物學(xué)（二）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核心的相互作用。跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。

某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)(三)去垢劑整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），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，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。細(xì)胞生物學(xué)第二節(jié)生物膜基本特征與功能一、膜的流動性（一）膜脂的流動

膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。溫度對膜脂的運動有明顯的影響。在細(xì)菌和動物細(xì)胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調(diào)節(jié)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細(xì)胞中，膽固醇對膜的流動性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。

細(xì)胞生物學(xué)影響膜脂流動性的因素：1)膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。2)脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。3)脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。4)卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5)其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。細(xì)胞生物學(xué)(二)膜蛋白流動性主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運動方式。可用光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)檢測側(cè)向擴(kuò)散。膜蛋白的側(cè)向運動受細(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)向運動。細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)（三）熒光漂白恢復(fù)技術(shù)細(xì)胞生物學(xué)膜流動性的生理意義質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。細(xì)胞生物學(xué)二、膜的不對稱性（一）細(xì)胞膜各部分的名稱質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細(xì)胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細(xì)胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細(xì)胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質(zhì)小頁斷面（protoplasmicface）。細(xì)胞生物學(xué)（二）膜脂的不對稱性：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。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域。糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。

（三）膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性。如各種激素的受體具有極性，細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜M側(cè)。細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)三、細(xì)胞膜的功能1)為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；2)選擇性的物質(zhì)運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；3)提供細(xì)胞識別位點，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；4)為多種酶提供結(jié)合位點，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)參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。7)膜蛋白與某些疾病的發(fā)生有關(guān)，可以藥物的靶點細(xì)胞生物學(xué)第三節(jié)膜骨架細(xì)胞質(zhì)膜與膜下結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系，協(xié)同作用并形成細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)如：膜骨架、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)胞運動、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。細(xì)胞生物學(xué)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。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0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。細(xì)胞生物學(xué)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度。成熟的哺乳動物血紅細(xì)胞沒有核和內(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，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。細(xì)胞生物學(xué)三、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（