細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)細(xì)胞質(zhì)膜Plasma Membrane

1、細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)細(xì)胞質(zhì)膜 Plasma Membrane 細(xì)胞為什么要有細(xì)胞膜？細(xì)胞膜應(yīng)有的特性是什么？ 在漫長的生命進(jìn)化過程中質(zhì)膜的出現(xiàn)是一個(gè)重要的關(guān)鍵階段，有了它才確定了細(xì)胞為生命的基本單位。質(zhì)膜的最基本作用：維持細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定；是細(xì)胞與周圍環(huán)境和細(xì)胞與細(xì)胞間進(jìn)行物質(zhì)交換和能量、信息傳遞的重要通道。 細(xì)胞質(zhì)膜（plasma membrane）也稱細(xì)胞膜（cell 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。 真核細(xì)胞內(nèi)部存在由膜圍繞構(gòu)建的各種細(xì)胞器。細(xì)胞內(nèi)的膜（internal membrane）系統(tǒng)與細(xì)胞質(zhì)膜統(tǒng)稱為生物膜（biomembrane）,它們具有

2、共同的結(jié)構(gòu)特征。一、生物膜的結(jié)構(gòu)模型 已知質(zhì)膜的主要成分是脂類、蛋白質(zhì)和少量的糖類，那么這些組分在膜中是如何排列和組織的，它們之間如何相互作用？關(guān)于膜的分子結(jié)構(gòu)問題，有很多模型被提出。J.F. Danielli and H. DavsonE. Gorter and GrendelC.E. OvertonLord Langmuir凡是溶于脂肪的物質(zhì)容易穿過膜脂單層是20世紀(jì)初膜結(jié)構(gòu)質(zhì)膜是由雙層脂分子構(gòu)成球形蛋白質(zhì)分子附著在脂雙層的兩側(cè)表面(一)片層結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為細(xì)胞有質(zhì)膜的存在經(jīng)歷了很長的歷程。最早的工作是質(zhì)膜通透性的研究（C.,1895)，發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易穿過膜，反之不溶于脂肪的物質(zhì)

3、則不容易穿過膜。Overton由此提出，細(xì)胞膜是由一層脂類物質(zhì)所組成。1917年， Langmuir 設(shè)計(jì)出了膜平衡技術(shù)具體做法是，把溶有脂類物質(zhì)的有機(jī)溶劑傾倒到盛有水的淺槽中，脂類分子旋即在水面上鋪展開，而溶劑隨即揮發(fā)掉。脂類分子的極性基(-COOH)被吸附到水分子上，而非極性的碳?xì)滏渼t豎立在水面以上。這時(shí)脂分子的分布比較散亂，然后用一板條在水槽中向一方推擠，減少水面的面積，使脂分子被擠成排列緊密的單層。在水面上浮有一靈敏的平衡裝置，可反映出脂分子所占的總面積。根據(jù)所投入的脂分子數(shù)，即可計(jì)算出單個(gè)脂分子所占的面積（如一個(gè)硬脂酸分子所占面積約為2)。用這種方法也可測(cè)定單脂分子層的厚度，硬脂酸的

4、厚度約為。當(dāng)把玻片插入浮有單層脂分子的水中時(shí)，玻片表面可吸附上單層脂分子膜。 從真核細(xì)胞分離純凈的質(zhì)膜很困難，主要受內(nèi)膜的污染。紅細(xì)胞沒有細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞核。經(jīng)低滲處理后，造成溶血現(xiàn)象，血紅蛋白和無機(jī)鹽等被溶出細(xì)胞外，剩下的空殼稱為血影。把血影的脂類物質(zhì)抽提出來，在水面上鋪成單分子層。1925年，兩位荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel用有機(jī)溶劑抽提人的紅細(xì)胞膜的膜脂成分并測(cè)定膜脂單層分子在水面的鋪展面積，發(fā)現(xiàn)它為紅細(xì)胞表面積的二倍，提示了質(zhì)膜是由雙層脂分子構(gòu)成的。E. Gorter1935年，Danielli和Davson發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油-水界面的表面張力低得多。已知脂滴表面如果吸

5、附有蛋白質(zhì)成分則表面張力降低,由此推測(cè)，質(zhì)膜中含有蛋白質(zhì)成分。從測(cè)定膜的表面張力得出細(xì)胞膜的“三明治結(jié)構(gòu)型”，即蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)。 球形蛋白磷脂雙分子層球形蛋白 這個(gè)模型表明，細(xì)胞膜中有兩層磷脂分子，其疏水脂肪酸鏈在膜的內(nèi)側(cè)彼此相對(duì)，而分子的親水端則朝向膜的內(nèi)外表面，球形蛋白質(zhì)分子附著在脂雙層的兩側(cè)表面。這一模型影響達(dá)20年之久。 Danielli-Davson Model(二)單位膜模型1959年,J.D. Robertson用電鏡觀察了各種膜后發(fā)現(xiàn)膜呈三層式結(jié)構(gòu)。內(nèi)外兩側(cè)為電子密度高的暗線，中間為電子密度低的明線。該模型認(rèn)為明線部分是膜中間的雙層脂類分子，而暗線部分則為膜兩側(cè)的單層蛋白質(zhì)分

6、子。這些蛋白質(zhì)以單層肽鏈折疊形式存在，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合。因此，生物膜也被稱為單位膜(Unit membrane)。2nm2nm不足之處：（1）單位膜為一種靜態(tài)單一的結(jié)構(gòu),無法說明膜的動(dòng)態(tài)變化，（2）單位膜模型無法解釋各種膜的不同功能，（3）各種不同細(xì)胞和同一細(xì)胞中的不同部分膜的厚度實(shí)際上并不都是。 60年代以后，科學(xué)家應(yīng)用一系列新技術(shù)，證明膜中的蛋白質(zhì)和脂類分子主要以疏水鍵相結(jié)合。電鏡冰凍蝕刻技術(shù)證明：脂類雙分子層中心部分有蛋白質(zhì)顆粒分布。紅外光譜分析證明膜蛋白不是折疊結(jié)構(gòu)而是-螺旋的球狀結(jié)構(gòu)。熒光標(biāo)記和細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)證明：生物膜具有液體的性質(zhì)。(三）流動(dòng)鑲嵌模型 1972年，S.

7、J. Singer和G. Nicolson對(duì)單位膜學(xué)說作了修正，提出流動(dòng)鑲嵌模型。該模型主要是把生物膜看成是嵌有球形蛋白質(zhì)的脂類二維排列的液態(tài)體，膜中脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體，它既具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動(dòng)性，呈液晶態(tài)。該模型強(qiáng)調(diào)：(1)膜的流動(dòng)性，即蛋白質(zhì)和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動(dòng)（2）膜蛋白分布的不對(duì)稱性。S.J. SingerG. Nicolson流動(dòng)鑲嵌模型該模型強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)性，蛋白質(zhì)和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動(dòng)，膜蛋白分布的不對(duì)稱性。有的鑲嵌在脂雙分子層表面，有的則全部或部分嵌入其內(nèi)，有的橫跨整個(gè)脂類區(qū)該模型認(rèn)為膜的結(jié)構(gòu)成分不是靜止的而是動(dòng)態(tài)的，膜脂雙分子層就像輕油般的流體，具有流動(dòng)性

8、，能迅速地在膜平面進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)鑲嵌模型比較合理地解釋了膜中所發(fā)生的生理現(xiàn)象，特別是它以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)分析膜中各種化學(xué)組分的相互關(guān)系，受到了人們的廣泛關(guān)注。該模型不足之處是忽視了蛋白質(zhì)分子對(duì)流動(dòng)性的控制作用和膜的各部分流動(dòng)性的不均勻性。通過進(jìn)一步的研究，有學(xué)者提出了強(qiáng)調(diào)生物膜的膜脂處于無序（流動(dòng)性）和有序（晶態(tài)）之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的“液晶態(tài)模型”；以及強(qiáng)調(diào)生物膜是由具有流動(dòng)性程度不同的“板塊”鑲嵌而成的“板塊鑲嵌模型”等。支持完善了這個(gè)模型。二、膜脂 通過對(duì)血影的分析表明, 一般情況下膜脂的成分如下 ： 脂 類 占 40% 蛋白質(zhì) 占 50% 糖 類 占 1-10% 膜中脂類和蛋白質(zhì)的含量變化與膜的

9、功能有關(guān)。膜中含蛋白質(zhì)越多，膜的功能越復(fù)雜；膜的功能越簡單，所含的蛋白質(zhì)種類和數(shù)量越少。如神經(jīng)髓鞘，它的作用是起絕緣作用。所以蛋白質(zhì)的含量顯著低于脂類。（一）膜脂的成分 膜脂是生物膜的基本組成成分，每個(gè)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上約有109個(gè)脂分子，即每平方微米的質(zhì)膜上約有5106脂分子。構(gòu)成膜的主要脂類有磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。極性頭部基團(tuán)非極性尾部基團(tuán)脂肪酸膽堿磷酸甘油脂肪酸鏈順式雙鍵順式雙鍵甘油磷脂 1.磷脂（Phospholipid） 在膜中磷脂最為豐富，約占整個(gè)膜脂的一半以上。主要磷脂是甘油磷脂和鞘磷脂。30飽和不飽和16，18，20C 磷脂酰肌醇 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰絲氨酸 磷脂酰膽堿 鞘磷

10、脂 PI PE PS PC （以鞘氨醇為骨架）鞘氨醇甘油磷脂以甘油為骨架；在骨架上結(jié)合兩個(gè)脂肪酸鏈和一個(gè)磷酸基團(tuán)，而磷酸基團(tuán)又可分別將膽堿、乙醇胺、絲氨酸、肌醇等連接到脂分子上。 2. 糖脂 （Glycolipid） 糖脂存在于細(xì)胞膜上，占膜脂總量的5%以下。在神經(jīng)細(xì)胞質(zhì)膜中糖脂含量較高，占5-10%。目前發(fā)現(xiàn)40余種糖脂。不同細(xì)胞中所含糖脂的種類不同。在動(dòng)物細(xì)胞中，糖脂與鞘磷脂相似，都是鞘氨醇的衍生物，結(jié)構(gòu)似鞘磷脂，只是糖基取代了磷脂酰膽堿。半乳糖腦苷脂 神經(jīng)節(jié)苷脂 唾液酸（帶負(fù)電）葡萄糖半乳糖乙酰氨基半乳糖 （N-乙酰神經(jīng)氨酸） 腦苷脂為最簡單的糖脂，只含有一個(gè)單糖殘基。神經(jīng)節(jié)苷脂是比較復(fù)

11、雜的糖脂，其頭部有一個(gè)或幾個(gè)唾液酸和糖的殘基，可含有7個(gè)單糖殘基的分支鏈。決定ABO血型的糖脂3. 膽固醇（Chelesterol） 膽固醇是中性脂類，存在于真核細(xì)胞膜上，含量不超過膜脂的1/3。膽固醇包括三部分：羥基團(tuán)代表極性的頭部，非極性的甾環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊?。膽固醇在調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性、加強(qiáng)膜的穩(wěn)定性、降低水溶物質(zhì)的通透性方面都起重要作用。 在原核生物中無膽固醇，有些菌含有甘油中性脂類，植物中含有類固醇。 在膜中，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?，使之不易活?dòng)。這種排列方式對(duì)膜的穩(wěn)定性十分重要。三、膜蛋白生物膜所含

12、的蛋白稱為膜蛋白，是生物膜最為重要的組成成分，完成膜的大部分功能。在膜中，蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量反映膜功能的復(fù)雜程度，功能越復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)含量越高。動(dòng)物細(xì)胞主要有9種膜脂，而膜蛋白的種類繁多，多數(shù)膜蛋白分子數(shù)目較少，但卻賦予細(xì)胞膜非常重要的生物學(xué)功能。(一) 膜蛋白類型 根據(jù)膜蛋白分離的難易及其與脂分子的結(jié)合方式，膜蛋白可分為三大類型：膜周邊蛋白(peripheral proteins)或稱外周膜蛋白；膜內(nèi)在膜蛋白(integral proteins)或稱整合膜蛋白（跨膜蛋白）。脂錨定蛋白（lipid anchored protein）1.外周膜蛋白為水溶性蛋白，靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表

13、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，膜結(jié)構(gòu)并不被破壞。2.整合膜蛋白均為雙性分子，非極性區(qū)插在脂雙層分子之間，極性區(qū)則朝向膜的表面，他們通過很強(qiáng)的疏水或親水作用力同膜脂牢固結(jié)合，一般不易分離開來，只有用去垢劑(detergent)使膜崩解后才可分離出來。3.脂錨定膜蛋白 脂錨定膜蛋白是通過與之共價(jià)相連的脂分子（如脂肪酸或糖脂）插入膜的脂雙分子層中，從而錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上。與脂肪酸結(jié)合的脂錨定膜蛋白多分布在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，與糖脂相結(jié)合的脂錨定膜蛋白多分布在質(zhì)膜外側(cè)。(二) 膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式： 細(xì)胞質(zhì)膜的蛋白質(zhì)含量約占膜重的50%，膜脂分子與膜蛋白

14、的分子數(shù)量比約為501 。 外在膜蛋白，有的是通過寡糖鏈與脂雙層表面共價(jià)結(jié)合，有的則附著在其它膜蛋白上。 內(nèi)在膜蛋白為雙性分子，多數(shù)為跨膜蛋白，其穿膜部分為疏水區(qū)，同脂雙層分子的疏水尾相互作用。親水區(qū)則暴露在膜表面，與水相接觸。膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式有以下六種：1.單一的-螺旋跨膜，只穿膜一次，N端和C端分別在膜的兩側(cè) 。螺旋鏈多次跨膜，多肽鏈的N端和C端分別在膜的兩側(cè)。3.膜內(nèi)的表面膜蛋白，以脂肪酸鏈或異戊二烯基插入細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的單層膜內(nèi)。4.蛋白質(zhì)與寡糖、糖脂或肌醇磷脂結(jié)合，并以其脂肪酸鏈插入非胞質(zhì)一側(cè)單層膜內(nèi)錨定。5和6.是位于膜內(nèi)或膜外的蛋白質(zhì)以非共價(jià)鍵形式依附于其他跨膜蛋白上或膜脂的親

15、水表面上。（三）膜蛋白的結(jié)構(gòu)與嵌膜機(jī)制SingleMulti-spanningAmphipathic-helix周邊膜蛋白常用的嵌膜方式2. -barrel (special -sheet)多見于細(xì)菌的外膜，可先合成無高級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽，釋放到膜外空間，在折疊插入膜內(nèi)。OmpA structure and topology(四)膜蛋白的提取 用去垢劑(detergent)分離和純化膜蛋白： 整合膜蛋白與膜脂間的結(jié)合牢固，必須用去垢劑使膜崩解后才能提取。去垢劑是一種一端親水，一端疏水的兩性分子，是分離與研究膜蛋白常用的試劑。 它不僅使膜崩解，并與膜蛋白疏水部分結(jié)合使其與膜分離，還能破壞蛋白內(nèi)部的非共

16、價(jià)鍵，甚至改變親水部分的構(gòu)象。常用的去垢劑有兩種：SDS（離子型）和Triton X-100（非離子型），其中SDS作用較劇烈，會(huì)引起蛋白質(zhì)變性，因此要得到有生物活性的膜蛋白，常用非離子型去垢劑。去污劑膠團(tuán)水溶性蛋白-脂質(zhì)-去污劑復(fù)合體 可溶性脂質(zhì)去污劑混合膠粒用去污劑溶解膜蛋白。去污劑破壞脂雙層，把蛋白質(zhì)溶于溶液中，形成蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-去污劑復(fù)合物。膜上的磷脂也被去污劑溶解。 去污劑單體（五）脂質(zhì)體 根據(jù)脂類分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在水相中制備雙層脂分子的人工膜和脂質(zhì)體。脂質(zhì)體可用不同的膜脂來制備，同時(shí)還可以嵌入不同的膜蛋白，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

17、因轉(zhuǎn)移；裹入不同的藥物或酶等具有特殊功能的生物大分子，可望診斷與治療多種疾病。特別是脂質(zhì)體技術(shù)與單克隆抗體及其他技術(shù)結(jié)合，可使藥物更有效地作用于靶細(xì)胞以減少對(duì)機(jī)體的損傷。 水溶液中的磷脂分子團(tuán)球形脂質(zhì)體用于疾病治療的脂質(zhì)體的示意圖平面脂質(zhì)體膜脂質(zhì)體的類型膜蛋白與膜脂的體外重組是對(duì)膜蛋白進(jìn)行研究的重要手段Hu et al. Science 2008, Levy et al. Methods Enzymol. 2003四，生物膜的基本特征與功能膜的流動(dòng)性膜的不對(duì)稱性膜蛋白膜脂(一) 膜脂的運(yùn)動(dòng)1. 膜脂的特點(diǎn) （1）膜脂都是兼性分子，其分子結(jié)構(gòu)中含有親水和疏水兩部分。兩條脂肪酸鏈幾乎彼此平行，分子

18、的兩端，形成所謂極性的頭部和非極性的尾部，頭部具有親水性而尾部具有疏水性。（2）在水溶液中會(huì)自動(dòng)形成雙分子層結(jié)構(gòu)，即親水的頭部朝向膜的兩表面，疏水端朝向膜的中央。膜脂的分子運(yùn)動(dòng)A.側(cè)向運(yùn)動(dòng) 在同一單分子層內(nèi)的脂類分子極易與鄰近分子交換位置。這種運(yùn)動(dòng)始終保持脂分子在質(zhì)膜中排布的方向：親水朝向膜表面，疏水尾朝向膜內(nèi)部。 這種運(yùn)動(dòng)方式快速頻繁，是膜脂分子的基本運(yùn)動(dòng)方式。B.自旋運(yùn)動(dòng) 每個(gè)脂分子都圍繞其長軸做快速旋轉(zhuǎn)。C.擺尾運(yùn)動(dòng) 膜脂的脂肪酸鏈有韌性，可彎曲，最大彎曲發(fā)生在脂雙層的中心部分，最小程度的彎曲接近極性頭部。D.翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)至另一層的運(yùn)動(dòng)，對(duì)維持膜的不對(duì)稱性很重要。

19、很少發(fā)生，也可由膜蛋白協(xié)助完成。2.影響膜脂流動(dòng)的因素：主要有膜本身的組成成分、遺傳因子及環(huán)境的理化因素（溫度、pH、離子強(qiáng)度、藥物）等(1)膽固醇的影響 真核細(xì)胞的質(zhì)膜包含有大量的膽固醇，多至每個(gè)磷脂分子就有一個(gè)膽固醇，因此膽固醇對(duì)調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性有一定作用。(2)不飽和鏈的含量和長度典型的磷脂分子有1個(gè)極性的頭部和2個(gè)疏水的碳?xì)洌N）鏈尾部，通常為1424個(gè)碳原子。烴鏈的長度及飽和狀態(tài)的不同，影響膜的流動(dòng)性。不飽和時(shí)，在雙鍵部分可形成彎曲。脂肪酸烴鏈不飽和程度主要是通過細(xì)胞代謝來調(diào)節(jié)，這是細(xì)胞適應(yīng)溫度及其他變化而調(diào)節(jié)膜流動(dòng)性的主要途徑。鏈長會(huì)使膜的流動(dòng)性降低，鏈短能減低脂肪酸尾部彼此相互作用

20、的傾向，在相變溫度下不易于凝集。(3)卵磷脂與鞘磷脂的比值 哺乳動(dòng)物細(xì)胞，卵磷脂與鞘磷脂的含量占膜脂的50%。卵磷脂：含脂肪酸鏈不飽和程度高，相變溫度低。鞘磷脂：含脂肪酸鏈飽和程度高，鞘磷脂比卵磷脂黏度大6倍，因此鞘磷脂含量大，流動(dòng)性降低。(4)膜蛋白、溫度、離子和pH值等 蛋白質(zhì)嵌入膜脂的疏水區(qū)后，具有與膽固醇相似的作用，使膜的黏度增加，嵌入的蛋白質(zhì)越多，脂質(zhì)層的流動(dòng)性越??；環(huán)境溫度高，脂質(zhì)層流動(dòng)性越大，在相變溫度范圍內(nèi)，每下降10度，膜的黏度增加3倍，流動(dòng)性降低。（二）膜蛋白的流動(dòng)1、膜蛋白的運(yùn)動(dòng)方式 膜蛋白在一定條件下，可發(fā)生位置上的變動(dòng)。 證明膜蛋白在平面移動(dòng)的直接證據(jù)來自1970年D

21、avid等設(shè)計(jì)的膜蛋白運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：標(biāo)記時(shí)間延長后，抗體可誘導(dǎo)抗原蛋白成斑和成帽現(xiàn)象,最后引起內(nèi)吞。淋巴細(xì)胞經(jīng)專一抗體處理后的變化異核體 在鼠-人雜種細(xì)胞上質(zhì)膜蛋白互相混合的實(shí)驗(yàn)表明，最初，鼠和人的蛋白質(zhì)僅局限在新形成的異核體質(zhì)膜中各自的半邊，但隨著時(shí)間的推移，它們又交混在一起。2、影響膜蛋白運(yùn)動(dòng)的因素 膜蛋白的運(yùn)動(dòng)受到很多因素的控制，除溫度外，在極性細(xì)胞中還被某些特殊的結(jié)構(gòu)（如緊密連接）限定在細(xì)胞表面的某個(gè)區(qū)域。自聚成大的聚合體細(xì)菌視紫丘質(zhì)紫斑外部因素誘導(dǎo)聚合（細(xì)胞外基質(zhì)）內(nèi)部因素誘導(dǎo)聚合（細(xì)胞骨架）細(xì)胞間蛋白質(zhì)相互 作用（表面信號(hào)分子）影響膜蛋白流動(dòng)的幾種因素研究膜蛋白或膜脂流動(dòng)性的基本實(shí)驗(yàn)技

22、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)胞表面某一區(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)域的亮度逐步增加，最后恢復(fù)到與周圍的熒光強(qiáng)度相等?？筛鶕?jù)熒光恢復(fù)的速度推算出膜蛋白或膜脂擴(kuò)散速率。光脫色恢復(fù)技術(shù)（Fluorescence Recovery After Photobleaching）FRAPShibata et al. JBC 2008(三）膜脂分布的不對(duì)稱性 膜脂的不對(duì)稱性： 同一種膜脂分子在膜的脂雙層中分布不均勻,一般脂類雙層的兩層膜脂有組成上的不同，但這種不對(duì)稱不是絕對(duì)的，僅在含量和比例上有差異。 通過分析各種生物膜內(nèi)層和外層脂質(zhì)的化學(xué)組成等實(shí)驗(yàn)證明，膜脂

23、在脂質(zhì)雙分子層上分布是不對(duì)稱的。含膽堿的磷脂多分布在外層；膽固醇的分布集中于細(xì)胞膜的外層，糖脂也存在于外層。含氨基的磷脂多分布在內(nèi)層；帶有負(fù)電荷的磷脂酰絲氨酸位于內(nèi)層，其結(jié)果是兩個(gè)單層間有明顯的電荷差。糖脂磷脂酰膽堿和鞘磷脂磷脂酰乙醇胺和 磷脂酰絲氨酸 由于膜上磷脂更新率很高，這種不對(duì)稱性的維持與磷脂的合成、交換、轉(zhuǎn)移和降解都有密切關(guān)系。 脂質(zhì)雙層不對(duì)稱性的生理意義目前還不大清楚，但它可以使膜的兩層流動(dòng)性有所不同，有助于維持膜蛋白的極向。保證了膜功能的方向性，使膜兩側(cè)具有不同的功能。膜糖脂是組成膜結(jié)構(gòu)的成分。主要與膜脂、膜蛋白以共價(jià)鍵形成膜糖脂和膜糖蛋白，分布在膜的表面，僅三個(gè)糖基連在一起就能

24、形成1000多種不同的糖。膜蛋白結(jié)合的糖類主要有：中性糖（D-半乳糖、D-甘露糖、L-巖藻糖）氨基糖（D-半乳糖胺、D-葡萄糖胺以及氨基糖等）。特點(diǎn)：所有的糖類都在細(xì)胞的外面，真核細(xì)胞表面上的靜電荷主要是由膜糖脂造成的。整合膜蛋白外周蛋白細(xì)胞骨架纖維 糖 糖蛋白 糖脂膽固醇（四）膜蛋白的不對(duì)稱性 用冰凍蝕刻技術(shù)得到生物膜的兩個(gè)剖面，清楚看到，膜蛋白分布有明顯差異。細(xì)胞膜各部分的名稱： ES：質(zhì)膜的細(xì)胞外表面EF：質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁斷裂面 PS: 質(zhì)膜的原生質(zhì)的表面PF：原生質(zhì)小頁斷裂面 膜蛋白的不對(duì)稱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

25、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)膜的細(xì)胞外表面（ES面）。而起骨架作用的蛋白分布在原生質(zhì)的表面（PS面），如血影蛋白。1997年Kai Simons首次提出脂筏的概念，越來越多的試驗(yàn)證實(shí)脂筏的存在及其重要性，脂筏（lipid raft）是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域（microdomain）。大小約70nm左右，是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，位于質(zhì)膜的外小頁。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強(qiáng)，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下（4）這些區(qū)域

26、能抵抗非離子去垢劑的抽提，所以又稱為抗去垢劑膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。脂筏就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。 近年來的研究表明，一些感染性疾病，心血管疾病，腫瘤，肌營養(yǎng)不良癥，阿爾采默癥，HIV，朊病毒病等可能與脂筏功能紊亂有著密切的關(guān)系。 （五）脂筏另參見教材85頁圖4-3 Caveoli and caveolin spiralsRothberg et al. Cell 1992 脂筏是膜脂雙層內(nèi)含有特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的微區(qū)。富含鞘磷脂，鞘糖脂，膽固醇，GPI-錨固蛋白， Src-kinase等。脂筏不僅存在于

27、質(zhì)膜上，而且還存在于高爾基體膜(Golgi membrane)上。鞘磷脂和鞘糖脂（如神經(jīng)節(jié)苷脂類）的飽和脂肪鏈緊密聚集，飽和脂肪鏈之間的空隙填滿了作為間隔分子的膽固醇，形成液態(tài)有序相（即脂筏），直徑大約在70nm左右。而不飽和脂肪鏈圍繞在筏區(qū)的周圍，形成非筏區(qū)，非筏區(qū)的主要成分是卵磷脂，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰絲氨酸等，也含有膽固醇。因?yàn)榍手虚L鏈飽和脂肪鏈，Tm較高，所以脂筏區(qū)與非筏區(qū)相比，流動(dòng)性差，脂肪鏈伸展，而且粘稠。所以出現(xiàn)分相。脂筏區(qū)比非筏區(qū)高大約左右。質(zhì)膜內(nèi)外兩層均含有脂筏，脂膜內(nèi)層的脂筏除了知道需要膽固醇來維持其整體性和缺少鞘磷脂之外，脂筏的組成還是不清楚的。脂筏模型包括液態(tài)有序相中的脂（紅色），液晶相中的脂（藍(lán)色），膽固醇（橙色）。膽固醇主要分布在液態(tài)有序相中，外層的脂筏主要富含鞘磷脂和鞘糖脂，對(duì)應(yīng)的內(nèi)層脂筏包含有脂肪酸鏈更偏向于飽和的甘油脂。GPI-錨固蛋白耦聯(lián)于質(zhì)膜外層的脂筏，Src kinase耦聯(lián)于質(zhì)膜內(nèi)層的脂筏。Glyco-phosphatidyl-inositolFantini, J. 等提出了一個(gè)脂筏中脂組成的基本模型，認(rèn)為根據(jù)分子的兩性特征和脂肪鏈的伸展性，鞘磷脂，鞘糖脂及一部分種類的甘油磷脂可以視為一個(gè)倒立的金字塔形，而膽固醇則視為一個(gè)小一點(diǎn)正立的金字塔形。這樣膽固醇可以作為間隔分子而與鞘磷脂，鞘糖脂和部分的甘油磷脂形成較緊密的脂質(zhì)層，稱