细胞质膜的基本特征与功能

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细胞质膜

• 概述
  • 细胞质膜曾称细胞膜，指围绕在细胞质外表面，由脂质，蛋白质以及糖类构成的生物膜。
  • 细胞内膜系统（各种细胞器膜）与细胞质膜统称为生物膜，具有共同的结构特征
• 细胞质膜的结构模型与基本成分
  • 细胞质膜的结构模型
    • 研究史&相关模型
      • 膜脂单分子层在水面的铺张面积是红细胞表面的二倍：质膜是双层脂分子构成的（有机溶剂抽提红细胞质膜）
      • “蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式模型：质膜表面张力远远低于油-水分界面张力（已知蛋白质等物质可以使油脂表面张力降低）。H.Davson和J.F.Danielli猜测质膜中含有蛋白质成分，并提出“蛋白质-脂质-蛋白质”模型，该模型影响长达20年。
      • 单位膜模型：1959年，J.D.Robertson在利用电子显微镜观察的结果提出该模型，发展了三明治模型，且推测所有生物膜均为“蛋白质-脂质-蛋白质”结构模式，该推测得到了X射线衍射结果支持。用锇酸固定细胞的试验中，在电镜超薄切片中的细胞质膜显示出“暗——亮——暗”三条带。
      • 质膜中的蛋白质是流动性的（细胞融合结合免疫荧光标记技术）
      • 双层膜脂中存在膜蛋白颗粒（电镜冷蚀刻技术）
      • 流动镶嵌模型：1972年S.J.Singer和G.L.Nicolson提出，1975年N.Unwin和Henderson首次报告古核生物眼细菌的质膜蛋白视紫红质的三维结构，表明其是一个连续跨膜7次的蛋白质，通过蛋白质的疏水结构域镶嵌在生物膜中，利用光能完成质子运转。
        • 流动镶嵌模型核心思想
          • 膜的流动性：膜蛋白与膜脂可以进行横向运动与侧向运动
          • 膜蛋白的不对称性：部分蛋白结合在膜表面，部分蛋白横跨或者嵌入脂质双分子层中
      • 脂筏模型：1988年K.Simons和G.van Meer提出。该模型认为在甘油磷脂为主体的生物膜上，有胆固醇，鞘磷脂等物质形成相对有序的脂相。胆固醇鞘磷脂等物质漂浮在甘油磷脂表面形成相对有序的部分，产生一定的稳定性，作为脂筏，承载各种蛋白质。
    • 目前学术界对生物膜的认识
      • 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水中自发形成封闭系统，该分子层以疏水性尾部相对，极性头部朝向极性的水溶液环境，自发形成双分子层。每层磷脂分子层被称为小叶。目前未发现磷脂分子层中起组织作用的蛋白质，但是在脂筏中有发现其稳定结构的功能蛋白。
      • 蛋白质分子以不同形式镶嵌在脂质双分子层中或结合在其表面，蛋白质类型，分布不对称性以及蛋白质与脂质相互作用赋予其特异性功能与特点。
      • 生物膜可视作蛋白质在双层脂分子中的二维溶液，膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间以及其膜两侧其他生物大分子的相互作用会限制膜蛋白与脂蛋白的流动性。同时也形成多种功能性结构，如脂筏，微绒毛与纤毛等。
      • 在细胞生长以及分裂的过程中，生物膜在三维空间上会出现弯曲，折叠，延伸以及非脂双层状态等改变，膜状态处于持续变化中，保证细胞诸多生理活动正常进行，此系列变化依赖细胞膜流动性
  • 膜脂
    • 帮助膜蛋白锚定在生物膜上，影响膜的形态特性和生物学功能
    • 主要成分
      • 甘油磷脂：占膜脂的50%以上，是3-磷酸甘油的衍生物。其中含量最丰富的是磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC），磷脂酰丝氨酸（PS），磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰肌醇（PI）等。甘油磷脂主要在内质网中进行合成。甘油磷脂是生物膜的重要成分，且其中部分成分如PI在生物信号传导过程中有重要作用。
        • 主要特征
          • 具有一个与磷酸基团结合的极性头部和两个非极性脂肪酸链尾部，具有一定的表面活性，可以形成脂质体，极性头的空间占位可以影响脂双层的曲度，如与PC比较，PE更倾向于形成曲面膜
          • 脂肪酸碳链为偶数个碳原子，多数是16个，18个碳原子少数有14个或20个碳原子
          • 除硬脂酸软脂酸之类的饱和脂肪酸之外，常含有1~2个双键，不饱和脂肪酸多为顺式结构，顺式双键在烃链中产生30°角度弯曲。
      • 鞘脂：是鞘氨醇衍生物，在高尔基体合成。
        • 鞘磷脂：具有一条烃链，另一条是与鞘氨醇的氨基共价结合的长链脂肪酸。头部结构类似甘油磷脂，称为鞘磷脂（SM）。分子结构类似甘油磷脂，与之并称为磷脂。脂肪酸链较大，26个碳原子，故相应磷脂层厚度更大，SM厚度约4.6~5.6nm。
        • 鞘糖脂：极性头部直接共价结合到鞘氨醇上的单糖分子或者寡糖链，也被称为鞘糖脂。糖脂含量较少，通常不足总量5%，但神经元上含量较高，约5%~10%。糖脂具有相当重要的生物学功能，通常由上面的糖类决定。动物细胞中最简单的糖脂是脑苷脂。
      • 固醇
        • 胆固醇以及结构类似物被统称为固醇或甾醇，因其结构中含有甾环母核（环戊烷并多氢菲）。甾体结构具有强疏水性，故只能插入磷脂分子之间参与生物膜形成。固醇与甘油磷脂相互作用可以增加磷脂分子有序性以及脂双层厚度，但对鞘磷脂层无明显影响。胆固醇存在于动物细胞与少数元和细胞中，含量通常少于膜脂量的⅓。多数细胞中的胆固醇通常位于细胞质膜和囊泡上。
        • 功能
          • 调节膜的流动性，增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通透性
          • 脂筏的基本结构组分
          • 胆固醇除可作为生物结构分子外，还有是很重要的生物活性分子的前体化合物。典型是固醇类激素，维生素D和胆酸等活性物质，同时还有能与调节发育的重要分子Hedgehog结合。
    • 膜脂运动方式
      • 膜脂运动与膜脂自身性质以及分子两侧与膜蛋白以及部分大分子有重要关系，故在一定条件下在某特定细胞中测定脂分子运动速率可能会与人工脂膜数据有区别。
    • 脂质体
      • 脂质体是根据磷脂分子在水中可以形成稳定的脂质双层膜的现象而制备的人工膜。单层分子在水面进行铺展时，极性头部插入水中，非极性尾部在水面上。经过搅动之后会形成乳浊液，分散质又被称为微团，其中非极性的烃尾朝内。天然磷脂有两条非极性尾部，故较难形成微团，需经过磷脂酶进行处理，脱掉一条脂肪酸链，就很容易形成微团。球形脂质体直径约25~1000nm。用肥皂洗手时的滑润感主要源于液体中大量的微团
      • 脂质体可以用单一或者混合磷脂制备，在嵌入蛋白质之后可以作为膜脂与膜蛋白相互作用以及其生物性质研究的重要材料，常用于转基因试验。脂质体同时可以作为多种药物或者酶的载体，可望治疗多种疾病，特别是脂质体技术结合单克隆抗体技术。
  • 膜蛋白
    • 膜蛋白是位于脂双层之中或表面的蛋白质总成，其种类繁多。多细胞生物的膜蛋白种类更加丰富，数量较少但是有更加重要的生物学功能。同一生物中不同细胞内膜蛋白种类与数量也有相当大差异，正是膜蛋白的分布差异赋予了生物膜独特的功能。
      • 膜蛋白类型：根据膜蛋白分离难易程度以及其于脂分子结合形式，膜蛋白可以分为三种基本类型：周边蛋白（外在膜蛋白），整合蛋白（内在膜蛋白）和脂锚定膜蛋白。
        • 周边膜蛋白：又称膜外在蛋白，具有水溶性，不直接与脂双层疏水核心进行接触，而是通过离子键或者其他相互作用方式与膜表面蛋白分子或者膜脂分子进行结合，故微小条件改变即可将其脱落，如改变离子强度和提高温度，但膜的结构不被破坏。
        • 脂锚定蛋白：通过共价键链接脂（脂肪酸或者糖脂）分子，以相似相溶原则插入膜脂分子中，而锚定在细胞质膜上的蛋白质。按照该蛋白结合的脂质的形式可以分为三类
          • 脂肪酸结合蛋白质：该脂肪酸结合到膜蛋白N端甘氨酸残基，如与肿瘤结合先关的酪氨酸蛋白激酶的突变体v-Src的N端共价结合到都口算插入脂双层小叶中。它是人类发现的第一个病毒致癌基因产物。
          • 15或20个碳的烃链结合到膜蛋白C端半胱氨酸残基上，有时还会有另一条烃链结合到其他半胱氨酸残基上。这种双重锚定更有利于进行结合。
          • 通过糖脂进行锚定，如大分子蛋白聚糖。这些糖脂结构有相当大不同，但均含有磷脂酰肌醇（PI）基团，故称为磷脂酰肌醇糖脂。锚定方式（GPI)
        • 整合膜蛋白：结合相对紧密，只能用去垢剂（表面活性剂）进行处理获取。整合蛋白占所有膜蛋白的70%~80%。人类基因中约¼到⅓基因产物均为膜蛋白。
      • 整合膜蛋白与膜脂结合方式
        • 目前了解的整合膜蛋白均属于跨膜蛋白（结构上可以分为质外结构域，胞质内结构域和跨膜结构域三部分）
          • 结合方式
            • 膜蛋白跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用，这是整合膜蛋白与膜脂结合的最主要最基本结合方式。
            • 跨膜结构域两端携带正电荷氨基酸残基（精氨酸赖氨酸等）与磷脂分子负电极性头部相互作用形成离子键，或者带负电的氨基酸与钙离子镁离子等阳离子与磷脂正电头部相互作用。
            • 某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层结合力。
            • 膜蛋白结构性质与功能直接相关，同时也与细胞质膜的相关功能直接相关。很多膜蛋白都是以三聚体形式存在且行使其功能，这些与膜蛋白结构域紧密相关。影响膜蛋白功能的主要由一下因素：①蛋白质自身结构，性质；②蛋白质与膜相互作用；③脂蛋白，糖蛋白特殊性质；④糖蛋白，脂蛋白的特殊性质以及功能
          • • 通常该结构域中氨基酸形成α螺旋，外界与脂双层通过范德华力形成相互作用嵌入脂膜中。此类蛋白被称为单次跨膜蛋白，典型是红细胞膜上的血型糖蛋白。多次跨膜的蛋白中典型是G蛋白偶联信号通路的细胞表面受体蛋白。
            • 该结构域主要由β折叠片构成，相邻氨基酸轴向距离约0.35nm，故跨膜区域约10~12个氨基酸残基。通常此类结构域具有疏水性，细菌中有多种此类孔蛋白，用于物质转运以及其他生物学功能。孔蛋白跨膜结构域疏水性的外侧以及某些疏水性的侧链。使其稳定地结合在脂膜上
      • 去垢剂：即表面活性剂，在分子中同时具有强极性基团和非极性基团，具有典型的双亲性，即同一个分子同时具有亲水性和亲油性，在水中低浓度去垢剂能够形成球状微团，此时去垢剂浓度被称为临界胶团浓度（CMC）。
        • 离子型表面活性剂
        • 非离子型表面活性剂
• 细胞质膜的基本特征与功能
  • 膜的流动性
    • 流动性是所有生物膜的基本共性，同时也是细胞生长，增殖以及分泌等生命活动的基本条件，失去流动性的生物膜将丧失一切功能。
      • 膜脂流动性：主要指膜脂侧向运动，极大程度上是决定于脂质分子自身性质。烃链越短，不饱和度越高，流动性越高。膜脂流动性主要由温度影响，在相变温度下流动性通常较低。膜脂相变温度由组成膜脂的各种脂质的相变温度以及各种脂质的比例决定。
        • 通常情况下，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇与磷脂酰丝氨酸的流动性更大
        • 胆固醇具有疏水结构，可以结合磷脂分子尾部，对其进行固定，限制其运动，同时也能将磷脂分子隔开，使其更易流动。最终的作用效果取决于胆固醇含量以及其在膜中的位置
        • 通常胆固醇起到防止膜脂由液相转变为故乡以保证膜脂处于流动状态的作用。细胞质膜脂双层内外两个小叶中，细胞外小叶膜脂胆固醇含量通常较高，故内小叶膜脂流动性更弱
      • 膜蛋白流动性
        • 由荧光抗体标记试验证实。
        • 机体中并非所有蛋白质都具有较强的流动性，膜蛋白流动性由膜脂流动性与温度以及膜脂与蛋白质之间的相互作用共同决定。部分细胞的蛋白质会被特定结构进行位置固定，只能在限制区域内进行流动运动（某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制了膜蛋白的运动。
      • 膜蛋白膜脂运动速率检测：利用荧光漂白恢复技术进行研究，该技术利用荧光淬灭原理进行。
  • 膜的不对称性
    • 膜脂与膜蛋白在膜两侧分布不均匀，其作用在于适应两侧不同的化学环境，对应相应拓扑学特征，实现细胞膜两侧的不同功能。糖蛋白和糖脂的糖基部分均在细胞质膜的外侧
      • 细胞膜各面名称：与细胞外界环境接触的称为细胞外表面（ES），该层脂分子与膜蛋白成为“细胞膜的外小叶”；与细胞质基质直接接触的膜称为“质膜的原生质表面（PS）”，这一层脂分子与膜蛋白称为细胞膜的内小叶。细胞内各种生物膜命名与该形式相似。
      • 膜脂不对称性：指同种脂质在膜两侧分布不均匀，各种脂质在膜两侧均存在，但是某侧通常分布更多。此差异会影响膜的曲度以及各种其他性质。
        • 胆固醇在生物膜内外小叶的分布一般比较均匀
        • 糖脂完全不对称性
      • 膜蛋白不对称性：膜蛋白分布不对称性指膜蛋白在质膜上有明确方向，这种方向性能够确保膜蛋白能够正确行使其功能，保证各种生化反应都能在正确的区域进行，防止生化反应紊乱导致生物功能异常。
  • 细胞质膜的膜骨架
    • 膜骨架指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白构成的网状结构，在力学上参与维持细胞质膜的形状以及完成多种生理功能。因为膜骨架与多种肌动蛋白相关联，故也成为“基于肌动蛋白的膜骨架”。
      • 红细胞的生物学特征
      • 红细胞质膜蛋白及膜骨架
  • 细胞质膜基本功能
    • 1.为细胞生命活动提供相对稳定的环境；2.选择性运输物质，包括代谢底物输入，产物排出，伴随能量转换；3.提供细胞识别位点，完成信息传递，实现寄生微生物识别且侵染宿主细胞；4.提供多种酶结合位点，让酶促反应高效进行；5.介导细胞与细胞，细胞与胞外基质链接；6.形成具有不同功能的特化结构；7.膜蛋白与免疫，遗传病，恶性肿瘤，自身免疫甚至神经退行性疾病相关，多数蛋白可以作为疾病治疗的靶标
• 问答题
  • 生物膜的“单位膜"模型是根据哪一种电镜制样技术的实验结果提出来的?为什么在多数细胞超微结构图片中，难以观察到“单位膜”的图像?
    • ⑴生物膜的“单位膜”模型是根据超薄切片技术的实验结果提出来的。 ⑵①分辨率限制：光学显微镜的分辨率在0.2μm左右，而“单位膜”模型的厚度约为7.5nm, 远小于光学显微镜的分辨率。因此，光学显微镜无法清晰地观察到“单位膜”的结构。 ②制样技术限制：在进行超薄切片技术过程中，固定剂（如戊二醛和饿酸）与细胞成分的相互作用可能会影响膜的结构，导致在电镜下观察到的图像与真实的膜结构有所偏差。
  • 何谓整合膜蛋白？它以什么方式与脂双层膜相结合？
    • (1)整合膜蛋白又称内在膜蛋白，是指与膜结合比较紧密的跨膜蛋白。 (2)整合膜蛋白与脂双层膜的结合方式： ①膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用，这是内在膜蛋白与膜脂结合的最主要也是最基本的结合方式。 ②跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸、赖氨酸等与磷脂分子带负电的极性头部形成离子键；或带负电的氨基酸残基通过 Ca+、Mg+等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用。 ③某些膜蛋白通过在自身胞质一侧的半胱氨酸残基共价结合到脂肪酸分子上，后者插入到脂双层中进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。
  • 流动镶嵌模型强调？
    • ① 膜的流动性，即膜蛋白和膜脂均可侧向运动； ②膜蛋白分布的不对称性，有的结合在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。
  • 生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？
    • (1)生物膜的基本特征有两个, 即膜的不对称性和膜的流动性: ①膜的不对称性： a.膜脂的不对称性：不同膜脂在脂双层中分布不同。 b.糖脂的不对称性：糖侧链都在非胞质侧。 c.膜蛋白的不对称性:指每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性。 ②膜的流动性: a.膜脂的流动性:主要指脂分子的侧向运动。 b.膜蛋白的流动性:膜蛋白的流动性并不是完全自由和随机的，可能受膜蛋白和膜下骨架系统相互作用以及质膜与细胞内膜系统之间膜泡运输等相关。 (2)生物膜的两个基本特征与它的生理功能的关系： ①膜的不对称性保证了膜功能的方向，使膜两侧具有不同功能。 ②膜的流动性与物质转运、能量转化、细胞识别免疫、药物对细胞的作用密切相关，可以说，一切膜的基本活动均在细胞膜的流动状态下进行。若细胞膜固化，黏度增大，膜内的活动将终止, 最后导致细胞死亡。