第4章細(xì)胞質(zhì)膜翟中和第四版

1、第4章細(xì)胞質(zhì)膜翟中和第四版細(xì)胞表面是復(fù)合的結(jié)構(gòu)體系與多功能的體系，細(xì)胞膜是細(xì)胞表面的核心結(jié)構(gòu)。細(xì)胞質(zhì)膜（plasma membrane）又稱質(zhì)膜，曾稱細(xì)胞膜（cell membrane)，是圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類組成的生物膜。在細(xì)胞內(nèi)部包繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和細(xì)胞內(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)。基本概念本章主要內(nèi)容細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與基本成分細(xì)胞質(zhì)膜（plasma membrane）真核細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endo

2、membrane system）生物膜（biomembrane）一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型三明治模型單位膜模型流動鑲嵌模型脂筏模型每種模型對認(rèn)識生物膜的貢獻(xiàn)及其局限性？1895年， E. Overton 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞質(zhì)膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞質(zhì)膜，因此推測質(zhì)膜由連續(xù)脂類物質(zhì)組成。1. 質(zhì)膜由雙層脂分子構(gòu)成的推測 1925年，（戈頓）& F.Grendel （格倫德爾）用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)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(xì)胞表面積，因而推測細(xì)胞質(zhì)膜由雙層脂分子組成。2. “蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)” 三明治式結(jié)構(gòu)模型 1935年， J.

3、Danielli & H. Davson 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)。提出蛋白質(zhì)脂質(zhì)蛋白質(zhì)的三明治式的質(zhì)膜模型（三夾板模型）。 1959年， J. D. Robertson （羅伯遜）用超薄切片技術(shù) 獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示出暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)， 研究表明：它由厚約的雙層脂分子（明帶）和內(nèi) 外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成(暗帶總厚約）。 當(dāng)時認(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)過，由此發(fā)展了三明治模型，提出了蛋白質(zhì)脂質(zhì) 蛋白質(zhì)的單位膜模型（unit menbrane model）。 3. 單位膜模型電鏡超薄切片中的細(xì)胞質(zhì)膜顯示出暗亮暗三條帶4

4、. 流動鑲嵌模型1972年，Singer 和Nicolson 膜的流動性 膜蛋白分布的不對稱性Singer, S. J.; Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science , 175 (4023): 720731.該模型的主要論點是: 1）流動的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體,球形的膜蛋白質(zhì) 以各種鑲嵌形式與脂雙分子層相結(jié)合。 2）構(gòu)成膜的脂雙層具有液晶態(tài)的特性,它既有晶體的分 子排列的有序性, 又有液體的流動性。 該模型的突出特點是： 1）強(qiáng)調(diào)了膜的流動性：即膜蛋白和

5、膜脂均可側(cè)向運(yùn)動； 2）強(qiáng)調(diào)了膜組分分布的不對稱性：即膜蛋白有的鑲在表面、有的嵌入、有的橫跨脂雙分子層。該模型的不足之處： 1）忽視了蛋白質(zhì)分子對脂類分子流動性的限制作用； 2）忽視了膜各部分流動性的不均勻性等, 從而使人們 又提出了一些新的模型。5. 脂筏模型1988年，Simons膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“脂筏”載著執(zhí)行特定生物學(xué)功能膜蛋白Simons K, van Meer G (August 1988). Lipid sorting in epithelial cells. Biochemistry, 27 (17): 6197202.Simon

6、s K, Ikonen E (June 1997). Functional rafts in cell membranes. Nature,387 (6633): 56972.脂筏結(jié)構(gòu)模型脂筏模型（lipid rafts）：脂質(zhì)雙分子層不是一個完全均勻的二維流體，膜中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質(zhì)區(qū)。特點：這些區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較 少流動性。其周圍是流動性較高的液態(tài)區(qū)。 功能：參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運(yùn)輸?shù)?。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。6. 目前對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識磷脂分子在水相中具有自發(fā)封閉的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子

7、中或結(jié)合在其表面生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液細(xì)胞生命活動中，生物膜處于不斷的動態(tài)變化中生物膜結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)膜的化學(xué)組成質(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)。二、膜脂 (membrane lipid)（一）成分甘油磷脂鞘脂固醇1. 甘油磷脂具有一個極性頭和兩個非極性的尾脂肪酸碳鏈為偶數(shù)除飽和脂肪酸外常含1-2 個雙鍵的不飽和脂脂分子極性頭空間占位對脂雙層曲度的影響PE 極性頭較小，更多地分布在脂雙層曲度較小的一側(cè)(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰膽堿)甘油磷脂與鞘磷脂PE

8、 PS PC SM 2. 鞘脂主要在高爾基體合成鞘磷脂形成的脂雙層厚度較甘油磷脂厚度大A. 卵磷脂B. 鞘磷脂C. 卵磷脂和膽固醇D. 鞘磷脂和膽固醇3. 固醇：膽固醇及其類似物含4 個閉環(huán)，親水的頭部為一個羥基調(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)通透性脂筏基本結(jié)構(gòu)成分，還是很多重要生物活性分子的前體化合物Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（二）膜脂的運(yùn)動方式沿膜平面的側(cè)向運(yùn)動脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動脂分子尾部擺動雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動Figure 10-11b Molecular B

9、iology of the Cell ( Garland Science 2008)（三）脂質(zhì)體 (liposome)脂質(zhì)體：根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜的現(xiàn)象而制備的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白， 是研究膜脂與膜蛋白生物學(xué)性質(zhì)以及轉(zhuǎn)基因、藥物靶向的好材料（三）脂質(zhì)體 (liposome)Figure 10-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Lipid bilayers seal spontaneously三、膜蛋白(membrane protein)膜蛋白種類繁多賦予生物膜重要的生物學(xué)功能（一）膜蛋白的三

10、種基本類型外在膜蛋白或外周膜蛋白內(nèi)在膜蛋白或整合膜蛋白脂錨定膜蛋白脂錨定膜蛋白的 3 種類型A：脂肪酸結(jié)合到膜蛋白 N 端的甘氨酸殘基上B：烴鏈結(jié)合到膜蛋白 C 端的半胱氨酸殘基上C：通過糖脂錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式內(nèi)在膜蛋白為跨膜蛋白可分為：胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(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相互作用跨膜結(jié)構(gòu)域兩端帶正電荷的氨基酸殘基或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+與帶負(fù)電的磷脂極性頭部相互作通過自身在胞質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價結(jié)合到膜脂肪酸分子上內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂跨膜結(jié)構(gòu)域形成 螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域主要

11、由 折疊片組成某些 螺旋外側(cè)非極性鏈與膜脂相互作用，內(nèi)側(cè)極性鏈形成特異極性分子的跨膜通道膜蛋白及其與膜脂關(guān)系的三維結(jié)構(gòu)分析跨膜蛋白既有疏水區(qū)域(跨膜區(qū))，也有親水區(qū)域（膜表面區(qū)），其結(jié)構(gòu)解析主要是應(yīng)用低溫電鏡技術(shù)和X射線晶體衍射技術(shù)圖4-12圖4-13（三）去垢劑一端親水、一端疏水的兩性小分子，是分離與研究膜蛋白的常用試劑插入膜脂與膜脂或膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域等疏水部位結(jié)合，形成可溶性的微粒（三）去垢劑離子型去垢劑：如SDS，可破壞蛋白質(zhì)中離子鍵和氫鍵等非共價鍵，甚至改變蛋白質(zhì)親水部分的構(gòu)象非離子去垢劑：如Triton X-100，對蛋白質(zhì)作用比較溫和，用于膜蛋白的分離與純化四、膜糖糖脂糖蛋白Fi

12、gure 10-28b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)細(xì)胞質(zhì)膜上的膜糖都位于質(zhì)膜外表面，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖則面向細(xì)胞器腔面！第二節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的基本特征與功能流動性不對稱性膜骨架質(zhì)膜的基本功能一、膜的流動性膜的流動性是是所有的生物膜的基本特征，是細(xì)胞生長增殖等生命活動的必要條件膜的流動狀態(tài)受細(xì)胞代謝過程的調(diào)節(jié)（一）膜脂的流動性脂肪酸鏈越短、不飽和程度越高，流動性越大溫度對膜脂的運(yùn)動有明顯影響膽固醇對膜的流動性起著雙重調(diào)節(jié)作用（二）膜蛋白的流動性熒光標(biāo)記人-鼠細(xì)胞融合實驗成斑現(xiàn)象（patching）或成帽現(xiàn)象（capping

13、）Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（二）膜蛋白的流動性膜蛋白流動性受多種因素限制： 如緊密連接、細(xì)胞骨架的影響等（三）膜脂和膜蛋白運(yùn)動速率的檢測熒光漂白恢復(fù)（FRAP）技術(shù)Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件例如物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞識別、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等，與細(xì)胞生長發(fā)育，抗寒性有關(guān)。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(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成

14、膜的溶解。膜流動性的生物學(xué)意義影響膜流動性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。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。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。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。其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的相互作用：內(nèi)在蛋白越多，界面脂越多，膜的流動性降低。二、膜的不對稱性膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不對稱分布糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)電鏡冷凍蝕刻技術(shù)（一）細(xì)胞質(zhì)膜各膜面的名稱質(zhì)膜的細(xì)胞外表面（extrocytoplasmic surface，ES）質(zhì)膜的原生質(zhì)表面

15、（ protoplasmic surface， PS）細(xì)胞外小葉斷裂面（extrocytoplasmic face，EF）原生質(zhì)小葉斷裂面（protoplasmic face，PF）EFPF小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻（二）膜脂的不對稱性膜脂的不對稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布糖脂分布表現(xiàn)出完全不對稱性：非胞質(zhì)側(cè)（二）膜脂的不對稱性（三）膜蛋白的不對稱性所有的膜蛋白在質(zhì)膜上都呈不對稱分布，每種膜蛋白分子在質(zhì)膜上都具有明確的方向性糖蛋白的糖殘基均分布在生物膜的非胞質(zhì)一側(cè)Figure 10-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Scienc

16、e 2008)三、細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨架Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）膜骨架細(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)，參與維持質(zhì)膜形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能哺乳動物紅細(xì)胞具有很好的彈性和強(qiáng)度Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（二）紅細(xì)胞的生物學(xué)特性血影(ghost)（三）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架紅細(xì)胞質(zhì)膜的剛性與韌性主要由質(zhì)膜蛋白與膜骨架復(fù)合體的相互作用來實現(xiàn)紅細(xì)胞雙凹形橢圓結(jié)構(gòu)的形成還需要其他的骨架纖維參與Adducin 內(nèi)收蛋白血型糖蛋白錨蛋白血影蛋白四聚體帶三蛋白Actin 肌動蛋白Tro-s肌動球蛋白Tro-d 原肌球蛋白（三）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架除紅細(xì)胞外，已發(fā)現(xiàn)在其他細(xì)胞中也存在與錨蛋白、血影蛋白及帶4.1 蛋白類似的蛋白質(zhì)，大多數(shù)細(xì)胞中也都存在膜骨架結(jié)