第四章细胞质膜

第四章细胞质膜1细胞质膜研究历史2生物膜结构模型3生物膜化学组成4生物膜特征5生物膜功能概述6膜骨架

细胞质膜是围绕细胞最外层的一层由脂质和蛋白质组成的生物膜。质膜提供给细胞一个相对稳定的内环境①。在物质运输①③，能量转换③，信息传递④⑤，细胞连接和黏着⑤等方面有重要作用。真核细胞内部存在由膜构建的各种细胞器，它们有与质膜结构类似的生物膜②。1细胞质膜研究历史A.概念:质膜Plasmamembrane(细胞膜cellmembrane),细胞内膜Intracellularmembrane,生物膜Biomembrane.B.研究历史细胞膜的存在：研究细胞渗透压时（质壁分离及低渗破裂）证明质膜存在。Overton(1890s):细胞膜是脂类性质。Gorter和Grendel（1925）：利用红细胞显示质膜由双分子层脂类构成。Davson和Danielli（1930s）：根据质膜表面张力提出蛋白－脂质－蛋白的三明治质膜模型。Robertson(1959)提出单位膜模型－生物膜均由单位膜构成。随后获得电镜证据支持。

Singer和Nicolson(1972):

流动镶嵌模型。Simons等(1997):

脂筏模型。2生物膜结构模型Singer和Nicolson

的流动镶嵌模型是膜生物学的核心理论。膜的流动性（流动）：膜脂处于流动状态，膜脂和膜蛋白均处于动态运动中，可侧向运动。膜蛋白分布的不对称性（镶嵌）：膜蛋白以多种方式镶嵌于脂双分子层内、贯穿其中或附着在脂层表面。三明治模型和流动镶嵌模型。流动镶嵌模型和膜的流动性（其中成熟的膜蛋白在两层脂分子间翻转不会发生）3生物膜的化学组成3.1膜脂:膜脂为两性分子兼具亲水性和疏水性。膜脂主要有三种：磷脂、糖脂和固醇。磷脂：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。约占膜脂的50％以上。神经系统含鞘磷脂较丰富。磷脂主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。

鞘氨醇磷脂心磷脂（存在于线粒体内膜和一些细菌质膜中）磷脂磷脂模式图（卵磷脂）四种主要磷脂脂质体（liposome）脂质体是一种人工膜。由磷脂在水中搅动后形成。双层或单层脂分子球体，直径25～1000nm。人工脂质体可用于：转基因制备的药物研究生物膜的特性磷脂在水中的存在形式在小孔中形成平面脂双分子层膜（黑膜）可用以研究脂膜的通透性磷脂在水中形成的脂质体显微结构糖脂：普遍存在于真核、原核生物质膜中，约占膜脂总量5％以下。神经细胞膜含量高，约占5-10％。不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。两种糖脂结构:

半乳糖脑苷脂(A)由于亲水头部不带电荷被称为中性糖脂。神经节苷脂(B)头部亲水区含有带负电荷的唾液酸(C)。细菌及植物中几乎所有磷脂和糖脂均来自甘油酯，在动物细胞中糖脂大多来自鞘氨醇。NANA，唾液酸；Gal，半乳糖；Glc，葡萄糖；GalNAc，N-乙酰氨基半乳糖。胆固醇结构固醇存在真核细胞和少数原核细胞质膜（如支原体）上，约占膜脂的1/3，胆固醇存在于动物细胞膜中，植物细胞质膜含豆固醇等植物甾醇，真菌细胞质膜含麦角固醇。大多数细菌质膜不含胆固醇，但含有甘油酯等中性酯。在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。胆固醇在磷脂双分子层中嵌入单层磷脂分子间缝隙中增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通透性。3.2膜蛋白根据与脂分子的结合方式分为：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。整合蛋白①②，外周蛋白⑤⑥，脂锚定蛋白③④。多数跨膜蛋白可能通过一个或多个α螺旋跨过脂双分子层，有的通过β折叠跨膜，它们中的有些蛋白还共价连接有插入脂双分子层单层中的脂肪酸链。脂锚定蛋白通过与蛋白共价连接的脂肪酸链或异戊二烯链，插入细胞质一侧的脂单分子层中或通过低聚糖连接到细胞外侧脂单分子层中的磷脂（磷脂酰肌醇）上。外周蛋白通过非共价相互作用方式与其他膜蛋白或带电荷的膜脂相连并附着在膜上。整合蛋白靠跨膜结构域与膜中间疏水区相互作用疏水结构域两端的带电荷的氨基酸（碱性或酸性）与磷脂形成离子键整合于膜上。通过半胱氨酸连接脂锚定于膜上。在形成α螺旋或β折叠片时非极性氨基酸侧链位于外部与膜脂疏水区相互亲和，而极性侧链位于结构域内侧可形成特异或非特异极性分子跨膜通道。整合蛋白与膜的结合紧密，只有用去垢剂破坏膜结构后才能从膜上洗涤下来。离子型去垢剂常使蛋白结构改变而失活。跨膜α螺旋的氨基酸极性侧链和非极性侧链分布外周蛋白靠非共价键作用方式结合于膜外周其他蛋白或膜脂上。通过改变溶液的离子强度或改变温度即可使外周蛋白从膜上解离下来，而膜可不受破坏。蛋白一般不失活。典型的跨膜蛋白：α右手螺旋跨膜，糖基及二硫键位于细胞外侧，巯基在还原性的细胞内侧不形成二硫键。几种以β折叠跨膜的蛋白：不同数量的β折叠链形成不同大小的β桶行使不同功能。(1)TheE.coli

OmpAprotein(8βstrands),whichservesasareceptorforabacterialvirus.(2)TheE.coli

OMPLAprotein(12βstrands),isalipase（脂酶）thathydrolyses（水解）lipidmolecules.Theaminoacidsthatcatalyzetheenzymaticreaction(showninred)protrude（突出）fromtheoutsidesurfaceofthebarrel.(3)Aporin（膜孔蛋白，位于壁外膜）fromthebacteriumRhodobactercapsulatus（一种光合细菌）,whichformswater-filledporesacrosstheoutermembrane(16βstrands).Thediameterofthechannelisrestrictedbyloops(showninblue)thatprotrudeintothechannel.(4)TheE.coliFepAprotein(22βstrands),whichtransportsironions.Theinsideofthebarreliscompletelyfilledbyaglobular（球状）proteindomain(showninblue)thatcontainsaniron-bindingsite.Thisdomainisthoughttochangeitsconformation（构象）totransporttheboundiron,butthemoleculardetailsofthechangesarenotknown.细菌视紫红质是多跨膜α螺旋结构膜整合蛋白，多个螺旋中央是亲水性质子通道。在色素蛋白接受光能后变构向胞外泵出H+，通道中两个极性氨基酸Asp在H+次第传递中起重要作用。荚膜红细菌（Rhodobactercapsulatus，一种光合细菌）的膜孔蛋白三聚体结构：16条反向平行的β链形成内部亲水的β筒，三个β筒组成三聚体在细胞壁外膜上运送亲水性物质，红色肽段位于中央控制扩散孔径。绿色红假单胞菌Rhodopseudomonasviridis光反应中心复合体结构（x射线晶体分析）：Thecomplexconsistsoffoursubunits,L,M,H,andacytochrome（细胞色素）.TheLandMsubunitsformthecoreofthereactioncenter,andeachcontainsfiveahelicesthatspanthelipidbilayer.Thelocationsofthevariouselectroncarriercoenzymesareshowninblack.(J.RichardsonandJ.DeisenhoferNature318:618-624)两种脂锚定蛋白连接方式：A，水溶性蛋白合成后通过N端氨基（甘氨酸）与脂肪酸（肉豆蔻酸或棕榈酸）形成酰胺键连接到质膜上。B，水溶性蛋白合成后C端附近的半胱氨酸侧链的巯基与异戊烯基醇（法尼醇或香叶醇）的羟基形成硫醚键，在切除半胱氨酸后面的氨基酸后羧基甲基化，连接到质膜上。脂锚定蛋白通过磷脂酰肌醇和寡聚糖连接的脂锚定蛋白多位于质膜外侧脂锚定蛋白分为两类：糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。此类膜蛋白可用去垢剂获得。两种去垢剂结构：两性分子，拥有疏水端（绿色）和亲水端（蓝色）去垢剂在水中形成微团粒，类似磷脂用非离子型去垢剂温和解离蛋白，非离子型去垢剂可能是由于分子大电荷小不易进入蛋白内部去垢剂温和型去垢剂在膜蛋白解离、纯化及膜－蛋白体系重建中的应用：Na+-K+ATPase的分离和功能膜脂分子的运动顺式双键脂肪酸链降低了膜脂分子排列的有序性，增加膜脂流动性，使膜脂双分子层更难被低温所凝固。磷脂中的不饱和脂肪酸增加了增加了膜的流动性4生物膜的基本特征4.1膜的流动性和不对称性膜脂的流动性和不对称分布胆固醇嵌于磷脂分子之间既限制了磷脂分子的运动，又降低了磷脂分子的相变温度。哺乳动物质膜中几种主要磷脂和糖脂电荷特征及在红细胞膜中的不对称分布。卵磷脂(PC，极性头部大)、鞘磷脂（SM)、主要分布于双分子层的细胞外一侧。脑磷脂(PE,极性头部小)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)主要分布于质膜内侧。如磷脂酰丝氨酸在细胞衰老时或凝血时才由内侧翻向外侧，被吞噬细胞识别后被吞噬去除。胆固醇（CI)。糖脂均位于细胞膜外小叶。磷脂不对称性可能与合成部位有关。膜脂不对称分布是膜行使生理功能所必需的。膜蛋白的流动性和不对称分布膜蛋白的流动不需能量，但蛋白的流动性和细胞类型有关，极性细胞使某些蛋白限定在细胞局部区域。某些蛋白与细胞内部骨架等结合限制了流动性。不同细胞可流动蛋白比例也可能不同。小鼠－人细胞融合显示膜蛋白的流动性.Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfined（限定）totheirownhalves（半边）ofthenewlyformedheterocaryon（异核体）plasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluorescein（荧光素）isgreenwhereasrhodamine（罗丹明）isred.（右图）抗体诱导的白细胞表面蛋白成斑成帽现象。二价抗体（荧光标记）与抗原形成多分子交联使细胞表面抗原（抗体）聚集在细胞某些地方形成斑块。继而进一步聚集在细胞一端成帽状。（左图）荧光漂白恢复显示膜脂或膜蛋白流动性所有的膜蛋白在膜中都是不对称分布的。膜蛋白在膜上分布具有确定的方向性，生物膜的特性和功能主要是由膜蛋白决定。膜蛋白的不对称分布是生物膜执行复杂的在时间和空间上有序的各种生理功能的保证。极性细胞使某些蛋白限定在细胞局部区域：细胞的紧密连接限制了蛋白扩散并可能对膜脂有一定的限定作用。抗体荧光免疫标识豚鼠精子细胞膜三个不同区域：用荧光标记的不同抗体显示精子表膜分为前头部、后头部和尾部，精子不同区域存在不同的特异蛋白。特异膜蛋白区域化分布的四种途径：A，自聚集。B，C，与胞外或胞内大分子相互作用。D，与其他细胞蛋白相互作用。样品经冰冻断裂处理后，质膜断裂各断面命名为：ES，细胞外表面；EF细胞外小页断裂面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。根据生物膜的进化和来源，ES面和PS面在细胞生物膜系统中是统一的。如质膜的外侧和内质网膜腔面一侧、高尔基体膜内侧、溶酶体膜内侧、液泡膜内侧、运输小泡膜的内侧、胞吞泡膜的内侧、线粒体外膜内侧、线粒体内膜外侧、线粒体嵴膜的内侧，叶绿体外膜内侧、叶绿体内膜外侧、叶绿体类囊体膜内侧、细胞核外膜内侧和内膜外侧以及病毒包膜的外侧极性是相同的，都是膜的ES面，这些膜的另一侧都是PS面。细胞在生命活动中有些细胞器膜可能发生融合，只发生同极融合，既PS面融合后仍在PS面，ES面仍在ES面。4.2生物膜极性的统一性冷冻蚀刻处理后膜的各面生物膜极性的统一性脂筏和膜泡窖－结构上相对稳定、有序的质膜微区。脂筏是富含胆固醇和鞘脂的微结构域。约70nm左右，是一种动态结构。介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜。就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。膜泡窖：50～100nm的质膜凹陷区。也富含胆固醇、鞘脂和糖基磷脂酰肌醇脂锚定膜蛋白。含有窖蛋白。流动镶嵌模型及膜泡窖：transientconfinement瞬时封闭，caveolae膜泡窖，caveolin窖蛋白，nanodomain超微区，GPI糖基磷脂酰肌醇，fluidlipid流动脂。脂筏形成机制：蛋白亚基聚集导致与其连接的相对稳定的膜脂微区域聚集。ligand配体，lectin凝集素，oligomerization低聚化，adapter接头蛋白，scaffold支架蛋白。5细胞膜的功能质膜功能保护；运输；通信；提供酶结合位点；介导细胞连接；形成细胞表面的特化结构。有关膜的生理和物理性质细胞膜对水有很高的透性。对脂溶性物质具有通透性。对电的阻力高，电流只能通过膜上特殊的离子通道。在细胞膜的表面存在着很低的张力。在生理pH下，膜表面带负电性。被脂类溶剂和蛋白酶处理后溶解。6膜骨架在质膜下与膜蛋白相连的一些纤维蛋白组成网架（主要是细胞骨架），以维持膜的形态，协助质膜完成各项生理功能。红细胞血影是膜骨架的典型。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影。血影形成的网格对红细胞膜起加固作用，使膜穿越狭小的毛细血管时受力分散，不至于使膜受到损伤。血影与细胞中的骨架相连可维持红细胞形状。血影是红细胞膜整合蛋白带3蛋白和血型糖蛋白通过外周蛋白锚蛋白和带4.1