細胞生物學[第四章細胞質(zhì)膜]課程預習

1、第四章 細胞質(zhì)膜 細胞膜(cell membrane)又稱質(zhì)膜(plasma membrane)，是指圍繞在細胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。細胞膜不僅是細胞結(jié)構上的邊界，使細胞有一個相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，同時在細胞與環(huán)境之間進行物質(zhì)、能量的交換及信息傳遞過程中也起著決定性的作用。 生物膜(biomembrane)：真核細胞內(nèi)部存在著由膜圍繞構建的各種細胞器，細胞內(nèi)的膜系統(tǒng)與細胞膜統(tǒng)稱為生物膜。 一、細胞質(zhì)膜的結(jié)構模型 (一)生物膜的結(jié)構模型 目前對生物膜結(jié)構的認識可歸納如下： (1)膜脂主要由磷脂分子構成，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、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，蛋白的類型、分布的不對稱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性。 (二)膜脂 膜脂是生物膜的基本組成成分，每個動物細胞膜上約有109個脂分子，即每平方微米的質(zhì)膜上約有5106個脂分子。 1成分 膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。 (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：具有一個極性頭和兩個非極性的尾

3、(脂肪酸鏈)，但存在于線粒體內(nèi)膜和某些細菌質(zhì)膜上的心磷脂具有4個非極性尾部；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。 在原核和真核細胞的膜上，糖脂含量約占膜脂總量的5以下，在神經(jīng)細胞膜上糖脂含量較高，約占510。已發(fā)現(xiàn)40余種糖脂，不同細胞中的糖脂種類不同。如神經(jīng)細胞的神經(jīng)節(jié)苷脂，紅細胞表面的ABO血型糖脂。 在糖脂中，一個或多個糖殘基連接于鞘氨醇上。最簡單的糖脂是腦苷脂類，只有一個葡萄糖或半乳糖殘基(半乳糖腦苷脂)，較復雜的神經(jīng)節(jié)苷脂可含多達7個糖殘基，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)膜上位于細胞外側(cè)，在各種細胞器的細胞內(nèi)膜上)，并將糖基暴露在細胞表面，其作用可能作為某些大分子的受體，與細胞識別及信息傳導有關。 (3)膽固醇。 膽固醇存在于真核細胞膜上，其含量一般不超過膜脂的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氫鏈上，使之不易活動。這種排列方式對膜的穩(wěn)定性十分重要。膽固醇在調(diào)節(jié)膜的流動性，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。細菌質(zhì)膜中不含有膽固醇成分，但某些細菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂質(zhì)。 2膜脂的運動方式 膜脂分子熱運動方

5、式有： (1)沿膜平面的側(cè)向擴散(lateral diffusion)。其擴散系數(shù)為10-8cm2s，相當于每秒移動2m的距離。由于側(cè)向運動產(chǎn)生分子間的換位，其交換頻率在106次s以上。側(cè)向運動是膜脂分子的基本運動方式，具有重要的生物學意義。 (2)脂分子圍繞軸心的自旋運動(rotation)。 (3)脂分子尾部的擺動(flexion)。脂肪酸鏈靠近極性頭部的擺動較小，尾部擺動較大。X射線衍射分析顯示，在距頭部第9個碳原子以后的脂肪酸鏈已由較為有序變成無序狀態(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細胞膜的現(xiàn)象。 (4)雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動(nip-flop)。一般

6、情況下翻轉(zhuǎn)運動極少發(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)通過翻轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)向另一側(cè)。 脂分子的運動不僅與脂分子的類型有關，也與脂分子同膜蛋白及膜周圍的生物大分子之間的相互作用以及溫度等環(huán)境條件有關。 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，其極性端插入水相而非極性尾部面向空氣界面。攪動后形成乳濁液，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制備，同時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性質(zhì)的極好實驗材料。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型： 膜周邊蛋白(peripheral proteins)或稱外在膜蛋白(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子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，膜結(jié)構并不

8、被破壞。 膜內(nèi)在蛋白(integral proteins)或稱整合膜蛋白：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，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)構域與脂雙層分子的疏水部分相互作用。 膜蛋白跨膜結(jié)構域兩端攜帶正電荷氨基酸殘基(如精氨酸、賴氨酸等)與磷脂分子帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 膜內(nèi)在蛋白跨膜結(jié)構域是與膜脂結(jié)合的主要部位，具體作用方式如下： (1)跨膜結(jié)構域形成螺旋，其外部疏水側(cè)鏈通過范德

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。如人紅細胞Band蛋白，它介導Cl/HCO3-的跨膜運輸。 (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)構域常常僅有1012個氨基酸殘基，形成折疊片結(jié)構。螺旋中相鄰二個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，可允許相對分子質(zhì)量小于104的小分子自由通過。 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)膜的流動性 成斑現(xiàn)象(patching)是指在某些細胞中，當熒光抗體標記時間繼續(xù)過長，已均勻分布在細胞表面的標記熒光會重新排布，聚集在細胞表面的某些部位。成帽現(xiàn)象(capping)是指標記熒光會聚集在細胞的一端。 成帽現(xiàn)象和成斑現(xiàn)象顯示了膜蛋白的流動性。這種現(xiàn)象反映了二價的抗體分子交聯(lián)相鄰的膜蛋白分子，同時也與膜蛋白和膜下骨架系統(tǒng)的相互作用及質(zhì)膜與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)之間膜泡運輸相關。實際上，并非所有的膜蛋白都在膜上自由流動，有的因某些特殊的結(jié)構被限定在細

11、胞表面的某個區(qū)域。 光脫色恢復技術光脫色恢復技術(fluorescence recovery after photobleaching，F(xiàn)RAP)是研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術之一。用熒光素標記膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射細胞表面某個區(qū)域，使被照射區(qū)的熒光淬滅變暗。由于膜的流動性，淬滅區(qū)域的高度逐漸增加，最后恢復到與周圍的熒光強度相等。根據(jù)熒光恢復的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴散速率。 (二)膜的不對稱性 (1)細胞膜各部分的名稱。 與細胞外環(huán)境接觸的膜面稱質(zhì)膜的細胞外表面(extrocytoplasmic surface，ES)，與細胞質(zhì)基質(zhì)接觸的膜面稱質(zhì)膜的原生質(zhì)表面(protop

12、lasmic surface，PS)。冷凍蝕刻技術制樣過程中，膜結(jié)構常常從雙層脂分子疏水端斷裂，這樣又產(chǎn)生了質(zhì)膜的細胞外小頁斷裂面(extrocytoplasmic face，EF)和原生質(zhì)小頁斷裂面(protoplasmic face，PF)。 細胞內(nèi)的膜系統(tǒng)也根據(jù)類似的原理命名，如細胞內(nèi)的囊泡，與細胞質(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)膜脂的不對稱性。 膜質(zhì)的不對稱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)出完全不對稱性，其糖側(cè)鏈都在質(zhì)膜的ES面上，因此糖脂僅存在于質(zhì)膜的細胞外小頁中。糖脂的不對稱分布是完成其生理功能的結(jié)構基礎。 (3)

13、膜蛋白的不對稱性。 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)膜上都呈不對稱分布。與膜脂不同，膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性。如細胞表面的受體、膜上載體蛋白等，都是按一定的方向傳遞信號和轉(zhuǎn)運物質(zhì)，與細胞膜相關的酶促反應也都發(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功能主要是由膜蛋白來決定的。膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復雜的在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。 (三)細胞質(zhì)膜的基本功能 生物膜的結(jié)構模型與生物學特征也基本適于細胞膜，但要指出的是，細胞膜作為細胞內(nèi)外邊界，其結(jié)構更為復雜，功能更為多樣

14、。細胞膜的主要功能概括如下： (1)為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 (2)選擇性物質(zhì)運輸，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)提供細胞識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞。 (4)為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應高效而有序地進行。 (5)介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接。 (6)質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構。 (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，很多膜蛋白可作為疾病治療的藥物靶標。 三、膜骨架 細胞膜常常與膜下結(jié)構(主要是細胞骨架系統(tǒng))相互聯(lián)系，協(xié)同作用，并形成細胞表面的某些特化結(jié)構以完成特定的功能。這些特化

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

16、同時把細胞代謝中產(chǎn)生的CO2運回肺中。哺乳動物成熟的紅細胞沒有細胞核和內(nèi)膜體系，所以紅細胞的質(zhì)膜是最簡單易操作的生物膜。紅細胞的血影一是指當細胞經(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，這時紅細胞仍然保持原來的形狀與大小。這種結(jié)構稱之為血影。 (三)紅細胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架 SDS-PAGE分析血影的蛋白成分顯示：紅細胞膜蛋白主要包括血影蛋白或稱紅膜肽(spectrin)、錨蛋白(ankyrin)、帶3蛋白、帶41蛋白和肌動蛋白(actin)，但此外還有一些血型糖蛋白(glycophorin)。 改變處理血影的離子強度，則血影蛋白和肌動蛋白條帶消失，說明這兩種蛋白不是膜內(nèi)在蛋白，比較

17、容易除去，此時血影的形狀變得不規(guī)則，膜蛋白的流動性增強，說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)，說明帶3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在維持細胞形態(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蛋白纖維長約35nm，其中包含13個肌動蛋白單體和一個長35nm的原肌球蛋白分子。因為肌動蛋白纖維的長度與原肌球蛋白分子長度相同，故認為原 肌球蛋白決定了肌動蛋白纖維的長度。純化的血影蛋白與肌動蛋白纖維結(jié)合力非常弱，帶41蛋白和adducin大大加強了肌動蛋白與血影蛋白結(jié)合。由于肌動蛋白纖維上存在多個(一般為5個左右)與血影蛋白結(jié)合的位點，所以可以形成一個網(wǎng)絡狀的膜骨架結(jié)構，膜骨架網(wǎng)絡與細胞膜之間的連接主要通過錨蛋白。 每個血影蛋白四聚體上平均有一個錨蛋白分子。錨蛋白含有兩個功能性結(jié)構域：一個能緊密、特異地與血影蛋白鏈相連；另一個結(jié)構域與帶3