第2章生物膜講述

上課了！細(xì)胞生物學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張曉軍教授細(xì)胞cell

膜性結(jié)構(gòu)（生物膜）biomembrane非膜性結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜或細(xì)胞質(zhì)膜（plasmamembrane）

細(xì)胞內(nèi)膜（endomembrane）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體溶酶體核膜液泡和小泡葉綠體線粒體過氧化物酶體粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞壁細(xì)胞核核糖體細(xì)胞骨架第二章生物膜

生物膜的組成成分細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型生物膜的性質(zhì)細(xì)胞質(zhì)膜的功能膜骨架第一節(jié)生物膜組成成分生物膜脂類：50%蛋白質(zhì)：40%糖類：2-10%少量的水無機(jī)鹽微量核酸為什么沒有水就沒有生命？功能復(fù)雜：蛋白質(zhì)/脂類的比值大

功能簡單：蛋白質(zhì)/脂類的比值小膜的來源蛋白質(zhì)（%）脂類（%）蛋白質(zhì)/脂類

腦髓質(zhì)膜

一般動物細(xì)胞細(xì)菌質(zhì)膜線粒體內(nèi)膜20

50758080

5025200.25

134膜脂是生物膜的基本骨架膜蛋白是膜功能的體現(xiàn)者第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型膜結(jié)構(gòu)的研究簡史及結(jié)構(gòu)模型生物膜結(jié)構(gòu)的中心法則

一、膜結(jié)構(gòu)的研究簡史及結(jié)構(gòu)模型

1899年，ChalesOverton通過物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度提出：

細(xì)胞膜由一層連續(xù)的脂類物質(zhì)組1925年，E.Gorter和F.Grendel，通過單分子技術(shù)提出：

細(xì)胞膜由雙層脂類分子構(gòu)成的1935年，Danielli和Davson通過測定膜的表面張力提出：“蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)”三明治或三夾板質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型1959年，J.D.Robertson通過X射線衍射技術(shù)和電鏡觀察發(fā)展了三明治或三夾板質(zhì)膜結(jié)構(gòu)模型提出：

單位膜模型(unitmembranemodel)

1972

年，S.J.Singer和G.Nicolson通過冰凍蝕刻技術(shù)、示蹤技術(shù)提出：生物膜的“流動鑲嵌模型”(fluidmosaicmodel)1977年，Jain和White提出：生物膜的“板塊鑲嵌模型”1997年，K.Simonsetal提出：

脂筏模型（lipidraftsmodel）

FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572板塊鑲嵌模型

主要內(nèi)容膜中具有高度流動性的區(qū)域和非隨機(jī)分布的區(qū)域同時存在生，生物膜是由具有不同流動性的“板塊”鑲嵌而成的動態(tài)結(jié)構(gòu)。

主要依據(jù)

各種不同的脂類分子分別具有各自的相變溫度。在一定的溫度下，有的膜脂處于流動的液晶態(tài)，有的處于不流動的晶態(tài)。這樣生物膜就形成了流動性程度不同的板塊鑲嵌分布。細(xì)胞膜中的功能筏筏概念的形成傳統(tǒng)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)觀點認(rèn)為，脂類在雙層膜中主要是作為膜蛋白的溶劑，不同的膜蛋白決定了細(xì)胞膜具有不同的功能。隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到細(xì)胞膜上可以由特定的脂成分形成微小的脂質(zhì)功能區(qū)，這些脂質(zhì)微區(qū)可以“篩選”其中的蛋白質(zhì)組分，一些蛋白質(zhì)傾向于在脂微區(qū)中富集，而另一些蛋白質(zhì)被排斥在外。搭載著蛋白質(zhì)的由鞘脂類和膽固醇動態(tài)聚集而成的，組成了相對穩(wěn)定的具有一定功能的微區(qū)漂浮在二維流動的細(xì)胞膜中，人們形象地稱之為“功能筏”（functionalrafts）細(xì)胞膜中的功能筏筏的起源

在細(xì)胞內(nèi)的形成可能起源于高爾基體上特定膜微疇結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。筏的功能

可作為細(xì)胞內(nèi)膜泡運輸和信號傳導(dǎo)過程中蛋白質(zhì)的?？空尽?/p>

膜泡運輸信號傳導(dǎo)：可能是在膜的兩側(cè)將受體濃縮，以加速其與配體以及效應(yīng)子之間的結(jié)合。另外可以阻止各種信號途徑之間的不恰當(dāng)交叉，保證信號傳導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

生物合成運輸：高爾基體的TGN區(qū)胞吞運輸：受調(diào)控的沒有籠形蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞二、生物膜結(jié)構(gòu)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，但脂筏中存在某些有助于其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的功能蛋白。蛋白分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其表面,膜蛋白類型、分布的不對稱性及其與脂分子的協(xié)同作用賦予生物膜各自的特性與功能。

生物膜是雙層脂分子中嵌有蛋白質(zhì)的二維溶液。

“Centraldogma”ofmembranebiology（三）膜的流動性膜脂的流動性膜蛋白的流動性膜流動的生理意義熒光脫色恢復(fù)技術(shù)

1、膜脂的流動性

1.1膜脂分子的４種熱運動方式沿膜平面的側(cè)向運動：基本運動方式其擴(kuò)散系數(shù)為10-8cm2/s；膜脂的流動性主要是指脂分子的側(cè)向運動脂分子圍繞軸心的自旋運動脂分子尾部的擺動

雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運動：發(fā)生頻率還不到脂分子側(cè)向交換頻率的10－10。但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生頻率很高。

1、膜脂的流動性1.2

影響膜脂流動性的因素（1）脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。（2）溫度對膜脂的運動有明顯的影響。在相變溫度以上：膜脂呈液晶態(tài)、易流動在相變溫度以下：膜脂呈晶態(tài)、不易流動在細(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。1.2

影響膜脂流動性的因素（3）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。

在相變溫度以上：與磷脂分子結(jié)合限制其運動的作用

在相變溫度以下：將磷脂分子隔開增加流動性，防止膜脂從液晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變1.2

影響膜脂流動性的因素（4）膜蛋白

內(nèi)在性膜蛋白對其周圍的單層脂質(zhì)分子的運動有影響，使它不能運動，稱為界面脂質(zhì)。（5）遺傳因子、pH值、離子強(qiáng)度、細(xì)胞骨架的影響2、膜蛋白的流動性

2.1膜蛋白的運動方式限制性擴(kuò)散：某些膜蛋白與與膜下細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)（微絲）相結(jié)合限制了膜蛋白的運動。自由擴(kuò)散：有些細(xì)胞90%，有些細(xì)胞30%的膜蛋白是自由運動的。側(cè)向擴(kuò)散旋轉(zhuǎn)運動：圍繞著與膜平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)被動擴(kuò)散：隨著脂類分子的擴(kuò)散而擴(kuò)散邊旋轉(zhuǎn)邊側(cè)向擴(kuò)散2.2限制膜蛋白(內(nèi)在蛋白)分子運動的因素被膜骨架固定或被膜骨架(或其它膜結(jié)構(gòu))限制在一定范圍內(nèi)運動在Motorprotein的牽引下定向運動其運動受其它膜蛋白的限制或影響其運動受細(xì)胞外基質(zhì)限制2、膜蛋白的流動性2.3膜蛋白流動的證據(jù)---熒光抗體免疫標(biāo)記實驗自發(fā)的熱運動不需要細(xì)胞代謝產(chǎn)物的參加，也不需要提供能量。成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping)

在某些細(xì)胞中，當(dāng)熒光抗體標(biāo)記的時間繼續(xù)延長時，已均勻分布在細(xì)胞表面的標(biāo)記熒光會重新排布，聚集在細(xì)胞表面的某些部位，即所謂成斑現(xiàn)象；或聚集在細(xì)胞的一端，即成帽現(xiàn)象。

膜的流動性受多種因素影響；細(xì)胞骨架不但影響膜蛋白的運動，也影響其周圍的膜脂的流動。膜蛋白與膜脂分子的相互作用也是影響膜流動性的重要因素。3、膜流動的生理意義

細(xì)胞質(zhì)膜適宜的流動性是生物膜正常功能的必要條件。（1）為膜蛋白變構(gòu)提供了空間上的可能（2）酶活性與流動性有極大的關(guān)系，流動性大活性高。（3）為細(xì)胞的融合創(chuàng)造了條件（4）膜間流動為受體的激活以及受體的復(fù)合體執(zhí)行功能提供了條件（5）與細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運輸、能量傳遞、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)（6）膜的流動性與發(fā)育和衰老過程都有相當(dāng)大的關(guān)系。

（四）膜的不對稱性細(xì)胞質(zhì)膜各部分的名稱

膜脂的不對稱性膜蛋白的不對稱性

膜蛋白的不對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；膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復(fù)雜的在時間與空間上有序的各理功能的保證。膜糖的不對稱性

糖脂僅存在于質(zhì)膜的ES面，糖蛋白糖殘基均分布在質(zhì)膜的

ES面，是完成其生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

討論：膜的不對稱性有何生物學(xué)意義？（一）膜脂——生物膜的基本組成成分

成分

膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇

三種類型。

脂質(zhì)體（liposome）磷脂1、膜脂成分1.1磷脂：膜脂的基本成分，50％以上1.1.1類型:

甘油磷脂磷脂酰膽堿（卵磷脂PC）磷脂酰乙醇胺（腦磷脂PE）磷脂酰絲氨酸(PS)磷脂酰肌醇（PI）磷脂酰甘油（PG）鞘磷脂（SM）PC/SM減少，使膜的流動性降低，被認(rèn)為是衰老與發(fā)生動脈硬化的原因之一1.1.2主要特征①具有一個極性頭部和兩個非極性的尾部(脂肪酸鏈)。[心磷脂—雙磷脂酰甘油（DPG）除外]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飽和脂肪酸(如軟脂酸)及不飽和脂肪酸(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℃角的彎曲。1、膜脂成分1.2糖脂組成：含有寡聚糖的脂類分布：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5-10％功能：主要與膜受體有關(guān)例如：人紅細(xì)胞表面的ABO血型由糖脂決定A型血：N-乙酰半乳糖胺；B型血:半乳糖1、膜脂成分

1.3膽固醇和中性脂質(zhì)分布：膽固醇存在于真核細(xì)胞膜上（30%以下），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質(zhì)。功能：調(diào)節(jié)膜的流動性，增加膜的穩(wěn)定性，降低水溶性物質(zhì)的通透性例如

2、脂質(zhì)體（liposome）脂質(zhì)體的概念脂質(zhì)體的類型脂質(zhì)體的應(yīng)用(1)脂質(zhì)體的概念脂質(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而制備的人工膜。(2)脂質(zhì)體的類型(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán)(b)平面脂質(zhì)體膜(c)球形脂質(zhì)體(3)脂質(zhì)體的應(yīng)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)體作為藥物或酶等載體。

用于疾病治療的隱形脂質(zhì)體(stealthliposome)的示意圖

治療卡珀斯腫瘤的含有阿霉素的隱形脂質(zhì)體已經(jīng)應(yīng)用于臨床（二）膜蛋白——膜功能的體現(xiàn)者膜蛋白的基本類型內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式膜蛋白的功能

去垢劑(detergent)外在(外周)膜蛋白（20-30％）

(extrinsic/peripheralmembraneproteins)

水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價結(jié)合，易分離。

內(nèi)在（整合）膜蛋白（70-80％）

(intrinsic/integralmembraneproteins)

水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑使膜崩解后才可分離。1、基本類型脂錨定膜蛋白（lipid-anchoredprotein）

與糖脂結(jié)合的脂錨定膜蛋白：

多分布于質(zhì)膜的外表面，與包埋在脂雙層外小葉中的甘油磷脂酰肌醇（GPI）分子連接的寡糖鏈結(jié)合到質(zhì)膜的外表面。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都是這類蛋白。

例如一種罕見的貧血?。ㄩg歇性夜間血紅蛋白尿），因為GPI合成缺陷，導(dǎo)致紅細(xì)胞容易破裂。

與脂肪酸結(jié)合的脂錨定膜蛋白：多分布于質(zhì)膜的內(nèi)表面通過長長的包埋在脂雙層內(nèi)小葉中的碳?xì)滏滃^定在質(zhì)膜的胞質(zhì)側(cè)。

例如，Src和Ras兩類蛋白，涉及正常細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化。

1、基本類型膜蛋白的跨膜結(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)的半胱氨酸殘基上共價結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強(qiáng)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。2、結(jié)合方式去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。離子型去垢劑(SDS)和非離子型去垢劑（TritonX-100）

SDS:CH3-(CH2)11-OSO3-Na+

CH3CH3

CH3

–C

–CH2

–C

–(O-CH2-CH2)10-OH

CH3CH34、去垢劑

（三）膜糖1、存在形式：糖蛋白：糖類+蛋白質(zhì)糖脂：糖類+脂類2、存在部位：糖基部分位于非細(xì)胞質(zhì)的表面3、功能：人體內(nèi)許多重要的生活活性物質(zhì)

例如：免役球蛋白、激素、酶、干擾素、凝集因子、血漿中的轉(zhuǎn)運蛋白、凝集素、膜表面的抗原、受體和轉(zhuǎn)運蛋白3、膜蛋白的功能有些是具有催化作用的酶。有些是物質(zhì)運輸?shù)妮d體。接受信號的受體。有些與細(xì)胞的運動、支持和保護(hù)有關(guān)。四、確定膜蛋白方向的實驗程序

胰酶消化法

同位素標(biāo)記法4、熒光脫色恢復(fù)技術(shù)

(fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP)

研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術(shù)之一

程序：

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。

第三節(jié)生物膜的性質(zhì)（一）鑲嵌性（二）選擇通透性（三）膜的流動性（四）膜的不對稱性（五）膜的分相現(xiàn)象第四節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的功能

為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。選擇性的物質(zhì)運輸,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞。提供細(xì)胞識別位點,并完成細(xì)胞內(nèi)外信息跨膜傳遞。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。介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接。質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。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(guān)，很多膜蛋白可以作為疾病治療的藥物靶標(biāo)。第五節(jié)膜骨架

細(xì)胞質(zhì)膜常常與膜下結(jié)構(gòu)(主要是細(xì)胞骨架系統(tǒng))相互聯(lián)系,

協(xié)同作用,并形成細(xì)胞表面的某些特化結(jié)構(gòu)以完成特定的功能。（一）膜骨架的概念

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