第三講 生物膜

第三講生物膜

—細胞質膜與內膜系統(tǒng)第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)一、膜功能概述1.房室化（compartmentalization）：邊界，特定反應不受干擾，便于調控。2.生化反應的支架（scaffold）：溶液中的反應是隨機事件，位于膜上則有序、有效。3.選擇性的通透性屏障（selectivelypermeablebarrier）：胞內胞外，不同房室第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)4.溶質轉運（transportingsolutes）：從低濃度向高濃度，積累小分子，建離子梯度。5.感應刺激（respondingtoexternalsignal）：不同膜上有不同種類和不同數量的受體6.細胞間的相互作用（intercellularinteraction）：通訊、識別、粘著7.能量轉換（energytransduction）：把一種形式的能量轉換成另一種形式。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)二、生物膜的結構1.E.Overton1895發(fā)現凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質則不易透過，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)2.E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了人類紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成。

親水分子與水分子的相互作用疏水分子與水分子的相互作用第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)脂雙層是一種二維流體，柔韌性使其具有彎曲能力，從而也限定了膜所能形成的小囊泡的最小直徑約為25nm。疏水性尾部暴露于水中在能量上是不利的，封閉結構是穩(wěn)定的，因而，磷脂雙層本身自發(fā)地封閉形成區(qū)室。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)3.J.Danielli&H.Davson1935

發(fā)現質膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質，從而提出了”蛋白質-脂類-蛋白質”的三明治模型。1959年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過。

第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)4、J.D.Robertson1959用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”(unitmembrane)模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成。單位膜模型的不足之處在于把膜的動態(tài)結構描寫成靜止不變的。

紅細胞質膜培養(yǎng)的肌細胞質膜(PM)與肌漿網膜(SR)第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)5、S.JonSinger和GarthNicolson于1972年提出流體鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）。脂類雙分子層主要作為膜的支撐架構，是阻擋水溶性物質自由進出細胞的屏障；膜蛋白作為不連續(xù)的顆粒鑲嵌在脂雙層，由它們完成膜的大部分特定功能。膜生物學的“中心法則”（centraldogma）第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)一是強調膜的流動性。無論類脂的雙分子層或者膜的Pr都是可以流動或運動的；二是蛋白質鑲嵌在脂類中表現出分布的不對稱性。雙層磷脂酰膽堿；32個丙氨酸殘基構成的螺旋體Fluid-mosaicmodelofmembranestructure膜的流動性6、脂筏模型（lipidraftmodel）近年來的研究表明許多細胞質膜的外小葉含有特化的區(qū)域即微結構域(microdomain)，這些區(qū)域富含膽固醇和鞘磷脂，使得這些區(qū)域更具有粘性，分子的組織更有序。這些微結構域好像是漂浮在流動性更大、更無序的環(huán)境里。因此，這一片片的微結構域就稱為“脂筏”。添加的蛋白質一部分移動到脂筏的中心，另一部分則在脂筏的邊緣。外小葉的脂質影響內小葉脂質的組成，因此，內小葉脂質主要由膽固醇和具有較長的飽和脂肪酸鏈的甘油磷脂組成。內小葉可以使脂錨定蛋白聚集，如與細胞信號轉導有關的非受體酪氨酸激酶src。脂筏在活細胞中是否存在，一直是個有爭議的話題。不過很多證據表明它們是存在的，不過面積不大，約10-25nm。處于形成-分散的動態(tài)平衡之中。

glycosyl-phosphatidylinositol-anchoredprotein6、脂筏模型（lipidraftmodel）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。脂筏是質膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域，大小約70nm左右，是一種動態(tài)結構，位于質膜的外小頁。脂筏就像一個蛋白質停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)三、膜的化學組成1、膜脂膜的核心就是雙分子層構成的一片脂質。磷脂，鞘脂和膽固醇。不僅是結構組分，還賦予膜重要的生物學性質：（1）決定膜的物理狀態(tài)，影響特定膜蛋白的活性；（2）提供高活性化學信號的前體分子。脂類人紅細胞人髓鞘牛心線粒體酵母磷脂酸1.50.500磷脂酰膽堿1910390磷脂酰乙醇胺18202765磷脂酰甘油00018磷脂酰絲氨酸8.58.50.50心磷脂0022.512鞘磷脂17.58.500糖脂102600膽固醇252630第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)2、膜糖糖基共價結合于膜蛋白（大于90%）和膜脂上。糖含量占膜總重的2-10%一般都是分支的寡糖鏈，不超過15個糖基。都是位于遠離細胞質的方向。寡糖調節(jié)細胞與環(huán)境的作用（selectin），分選膜蛋白到不同房室。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)紅細胞膜上糖脂的寡糖鏈是A\B\O血型的決定者。A型的人擁有把N-乙酰葡萄糖胺加到寡糖鏈末端的酶；B型的人有加半乳糖的酶。這2種酶都是同一個基因變換的版本。AB型的人擁有兩種酶；O型的人缺乏該酶。寡糖決定的ABO血型系統(tǒng)第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)3、膜蛋白數百種蛋白質，按與脂雙層的關系分為3大類：整合蛋白，外周蛋白，脂錨定蛋白。人類約1/3的基因編碼整合蛋白。脂錨定蛋白大多位于質膜外側，有部分在質膜的內側，重要的分子Src和Ras。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)四、細胞內膜系統(tǒng)endomembranesystem內質網Endoplasmicreticulum；高爾基復合體Golgicomplex；胞內體endosomes；溶酶體lysosomes；膜泡vacuoles實現了區(qū)室間代謝的分工和精準的物質交流；每個細胞器含有一套獨特的大小分子第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)關于真核細胞中具有膜結構的細胞器的總體描述通常有三個概念：內膜系統(tǒng)是指內質網、高爾基體、溶酶體和液泡(包括胞內體和分泌泡)等四類膜結合細胞器，因為它們的膜是相互流動的，處于動態(tài)平衡，在功能上也是相互協同的。廣義上的內膜系統(tǒng)概念也包括線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核等細胞內所有膜結合的細胞器。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)細胞質膜系統(tǒng)(cytoplasmicmembranesystem)：是指細胞內那些在生物發(fā)生上與質膜相關的細胞器，顯然不包括線粒體、葉綠體和過氧化物酶體，因為這幾種細胞器的膜是逐步長大的，而不直接利用質膜。所有膜被細胞器的體積平均占真核細胞體積的一半。一個典型的哺乳動物細胞內質網的面積比質膜大20-30倍。（一）膜被細胞器由不同途徑進化而來真核細胞的體積比大腸桿菌大1000-10000倍。表面積/體積比是關鍵。細菌身體小。膜被細胞器至少通過兩條途徑在進化中出現。核被膜、高爾基體、胞內體、溶酶體起源于質膜內陷；線粒體和葉綠體強烈暗示由原始真核細胞吞入細菌。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)蛋白質、脂肪和復合糖類的運輸或轉移都是以膜泡的形式來實現。膜泡的轉移依靠馬達蛋白以細胞骨架纖維為軌道的運動。最主要的途徑包括生物合成途徑（分泌途徑）和內吞途徑。膜泡能正確地到達目的地緣于其分檢信號（sortingsignals）的指導，信號就包含在膜蛋白的氨基酸序列或寡聚糖的序列里。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)分泌蛋白、溶酶體蛋白和植物液泡蛋白是由膜結合的核糖體合成的。信號肽：N-端的6-15個疏水氨基酸殘基，也可以是多肽鏈內部的序列。膜整合蛋白的合成與上述的類似，但是多肽鏈內出現了停止轉譯序列（至少15個疏水氨基酸或不帶電荷的氨基酸）脂溶性片段側向移動嵌入脂雙層第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)膜脂的不對稱性（1）大多數被膜細胞器都含有進行膜脂轉換的酶，如把磷脂酰絲氨酸轉換成磷脂酰膽堿。（2）出芽的小泡對一些膜脂有選擇。（3）磷脂轉譯蛋白能把磷脂從一個區(qū)室的膜轉譯到另一區(qū)室，特別是能把特殊的磷脂從ER轉譯到其它細胞器（線、葉、過氧化物酶體）。當前膜研究的熱點1．膜結構研究：（1）膜蛋白三維結構研究，一直是重點和難點。（2）膜脂結構研究，脂筏(1ipidrafts)和質膜微囊(Caveolae，一種有微囊素(Caveolin)包被的特殊的脂筏結構，通常在細胞膜上形成內陷的小窩)

．2．信號轉導受體的二聚體化3．生物膜的單分子研究：成像觀察，構象變化，動力學，操縱以及相互作用

(二)蛋白質分選運輸的途徑蛋白質的分選運輸途徑主要有三類：1、門控運輸（gatedtransport）：如核孔可以選擇性的主動運輸大分子物質和RNP復合體，并且允許小分子物質自由進出細胞核。有人認為通過植物細胞胞間連絲的蛋白也屬于這類。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)2、跨膜運輸（transmembranetransport）：蛋白質通過跨膜通道進入目的地。如細胞質中合成的蛋白質在信號序列的引導下，進入ER；進入線粒體、葉綠體和過氧化物酶體，都是通過膜上的蛋白質轉運體（轉位因子），以解折疊的線性分子進入。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)脂溶性片段側向移動嵌入脂雙層3、膜泡運輸（vesiculartransport）：蛋白質被選擇性地包裝成運輸小泡，定向轉運到靶細胞器。轉運小泡從一個區(qū)室的內部間隙（或稱“腔”）裝載蛋白質，從膜上長出并離開。這些小泡然后通過膜融合把所裝的蛋白質卸到第二個區(qū)室中去，在這個過程中膜脂和膜蛋白也從第一區(qū)室轉到第二區(qū)室。如內質網向高爾基體的蛋白質運輸，高爾基體分泌形成溶酶體，細胞攝入某些營養(yǎng)物質或激素，都屬于這種運輸方式。蛋白質輸入細胞器的三種主要機制這幾種運輸機制都涉及信號序列的引導和靶細胞器上受體蛋白的識別。也需要細胞提供能量。大多數運輸小泡是在膜的特定區(qū)域以出芽的方式產生的，通常在其胞質面具有明顯的蛋白質外被（coat）。在出芽完成后，這種外被消失，可使運輸小泡與靶細胞器的膜融合。第三講生物膜—細胞質膜與內膜系統(tǒng)外被至少具有兩個功能：①使膜形成芽體并選擇性地將特定蛋白聚集在一起，最后形成運輸小泡；②如同模具一樣決定運輸