细胞质膜知识导图

细胞生物第四章细胞质膜的知识点包括细胞质膜与生物膜、细胞质膜的结构模型与基本成分、细胞质膜的基本特征与功能。

第四章 细胞质膜

• 概述
  • 细胞质膜与生物膜
    • 细胞质膜 （plasma membrane ）：细胞与其外部环境之间的生物膜，构成细胞的界膜和选择性渗透屏障。质膜在物质运输、能量转换和信息传递过程中起着重要作用。
    • 生物膜（biomembrane）：细胞质膜和细胞内的膜系统统称为生物膜。
• 第一节 细胞质膜的结构模型与基本成分
  • 一、细胞质膜的结构模型
    • 发现历程
      • 1925年，E.Gorter和F.Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞质膜的膜脂成分，以便测定膜脂单层分子在水面上的铺展面积，发现它是红细胞表面积的二倍。
        • 这一结果提示了质膜是由双层脂分子构成的
      • 随后，人们发现质膜的表面张力比油一水界面的表面张力低得多，因此Davson和Danielle推测，质膜中有蛋白质成分并提出“蛋白质一脂质一蛋白质”的三明治式的质膜结构模型
      • 1959年，J.D.Robertson根据电子显微镜观察的结构提出了单位膜模型，发展了三明治模型，并大胆推断所有的生物膜都由蛋白质——脂质——蛋白质的单位膜构成。
      • 在此基础上S.J.Singer和G.L.Nicolson于1972年提出了生物膜的流动镶嵌模型
        • 流动镶嵌模型主要强调
          • 膜的流动性
          • 膜蛋白分布的不对称性
      • 1975年N.Unwin和R.Henderson首次报道了古核生物盐细菌的质膜蛋白一菌紫红质的三维结构
      • 近些年来，提出脂筏模型（ligid raft model. Simons 1988)
        • 是对膜流动性的新理解
      • 相关概念
        • 脂双层 （lipid bilayer ）：生物膜的膜脂分子基于亲水和疏水相互作用而自我组装形成的一种双分子层结构，其疏水尾部在内，而亲水性头部朝向水相。
        • 流动镶嵌模型（fluid mosaic model ）：一种关于生物膜的动态结构模型，脂双层上镶嵌着蛋白质是膜的基本结构，脂质和膜蛋白是可流动的和不对称分布的，它们通过在膜内的运动与其他膜分子发生相互作用。
        • 脂筏 （ lipid raft ）：生物膜上富含鞘磷脂和胆固醇的相对有序的微小区域，与生物膜某些特定功能的发挥有关。
    • 目前对生物膜结构的认知
      • 磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白
      • 蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面。膜蛋白分布不对称，赋予了生物膜的特定功能。
      • 生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。
      • 生物膜在细胞生长、分裂和运动中的作用
  • 二、膜脂
    • （一）、成分
      • 1. 甘油磷脂
        • 主要合成部位
          • 内质网
        • 特征
          • 具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）
          • 脂肪酸碳链为偶数
          • 除饱和脂肪酸外，常含有1~2个双键的不饱和脂肪酸
      • 2.鞘脂
        • 主要合成部位
          • 高尔基体
        • 类别
          • 鞘氨醇的衍生物
          • 糖脂
            • 普遍存在于原核和真核细胞的细胞质膜上。
            • 神经细胞质膜上糖脂含量高
            • 在动物细胞中，最简单的糖脂是脑苷类
      • 3.固醇
        • 特点
          • 与磷酸不同，自身分子的特殊结构和疏水性太强，自身不能形成脂双层
            • 只能插入磷脂分子间，参与生物膜的形成
          • 胆固醇与甘油磷脂相互作用会增加磷脂分子的有序性及脂双层的厚度，但对鞘脂没有影响
        • 存在部位
          • 动物细胞和极少数的原核细胞中
        • 合成部位
          • 动物细胞的胞质和内质网
            • 但动物体内的胆固醇多来自于食物
        • 功能
          • 调节膜的流动性
          • 增加膜的稳定性
          • 降低水溶性物质的r通透性
          • 是脂筏的基本结构成分
          • 是很多重要的生物活性分子的前体化合物
    • （二）、膜脂的运动方式
      • 1. 沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；
      • 2. 脂分子围绕轴心的自旋运动；
      • 3. 脂分子尾部的摆动；
      • 4. 双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。
    • （三）、脂质体
      • 概念
        • 脂质体 （liposome ）：在水溶液环境中，一种由人工形成的球形脂双层结构。
      • 应用
        • 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
        • 脂质体中裹入DNA可用于基因转移；
        • 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体。
  • 三、膜蛋白
    • （一）、膜蛋白的类型
      • 根据膜蛋白分离的难易程度及其与脂分子的结合方式
        • 外在膜蛋白
          • 概念
            • 外周膜蛋白 （ peripheral protein ）：位于磷脂双分子层表面，通过非共价键与膜脂或膜蛋白发生相互作用的一种膜结合蛋白。
        • 内在膜蛋白
          • 概念
            • 内在膜蛋白（intrinsic membrane protein）或整合膜蛋白 （integral protein ）：镶嵌或横跨脂双层的膜结合蛋白。
        • 脂锚定膜蛋白
          • 概念
            • 脂锚定膜蛋白 （lipid anchored protein ）：位于脂双层表面，与脂双层内的脂分子共价连接的膜结合蛋白
          • 类型
            • （1）脂肪酸（豆蔻酸或软脂酸）结合到膜蛋白N端的Gly残基上
            • （2）由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白C端的Cys残基上（有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的Cys残基上）
            • （3）通过糖脂锚定在质膜（外侧）上，如GPI（磷脂酰肌醇糖脂）锚定方式。
    • （二）、内在膜蛋白与膜脂结合的方式
      • 概述
        • 内在膜蛋白是跨膜蛋白，由胞质外结构域、跨膜结构域和胞质内结构域3部分组成。
      • 主要方式
        • （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结合的最主要和最基本的结合方式。
        • （2）跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，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钙离子、镁离子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，后者插入脂双层进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力。
      • 作用方式
        • （1）跨膜结构域是由含有20个左右的疏水氨基酸残基的α螺旋组成：如单次跨膜或多次跨膜；由多个α螺旋形成的特异极性分子跨膜通道内侧是极性的，而外侧是非极性的。
        • （2）跨膜结构域主要是由多个含有10~12个氨基酸残基的β折叠片组成，如孔蛋白（porin ）。孔蛋白存在于线粒体和叶绿体外膜上的内在膜蛋白，形成非选择性的通道。
        • （3）某些α螺旋既有极性侧链又具有非极性侧链
    • （三）、去垢剂
      • 概念
        • 去垢剂（detergent）：一端亲水、另一端疏水的两性分子，是分离和研究膜蛋白的常用试剂。
        • CMC是各种去垢剂的特征和功能的重要参数。当使用的去垢剂的浓度高于或低于其CMC时，去垢剂的作用方式和膜蛋白的分离效果均有所不同
      • 类型
        • 离子型去垢剂
        • 非离子型去垢剂
          • 也可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和。
        • 前者如十二烷基硫酸钠（SDS），后者如Triton X－100
• 第二节 细胞质膜的基本特征与功能
  • 一、膜的流动性
    • （一）、膜脂的流动性
      • 膜脂的四种热运动方式
      • 膜脂流动的流动性主要指脂分子的侧向运动，其影响因素有
        • 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，则膜脂的流动性越大。
        • 鞘脂的相变温度一般高于磷脂
        • 胆固醇起束尾和疏开的双重作用，但通常胆固醇是起到防止膜脂由液相变成固相以保证膜脂处于流动状态的作用。
    • （二）、膜蛋白的流动性
      • 概述
        • 荧光抗体免疫标记实验：两种荧光标记→细胞融合→对半→均匀→成斑→成帽
          • 这一实验清楚地显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动。
          • 实验表明，膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要细胞代谢产物的增加，也不需要能量的输出。
          • 成斑现象和成帽现象概念
        • 细胞骨架既限制膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动
          • 有些细胞90%的膜蛋白是自由运动的，，而有些细胞只有30%的膜蛋白处于流动状态。
          • 用阻断微丝形成的药物细胞松弛素B处理细胞后，膜蛋白的流动性大大增加。
        • 常用非离子去垢剂把膜蛋白溶解下来
        • 膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素。
      • 概念
        • 成斑现象：当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞表面的某些部位。
        • 成帽现象：当荧光抗体标记时间继续延长，已均匀分布在细胞表面的标记荧光会重新排布，聚集在细胞的一端。
        • 进一步证实了膜蛋白的流动性
    • （三）、膜脂和膜蛋白运动速率的检测
      • 在荧光漂白恢复技术（FPR）中，根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速度。
        • 用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射的区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度会逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。
      • 脂分子与蛋白质分子及蛋白质分子之间的相互作用束缚膜蛋白的自由扩散。
  • 二、膜的不对称性
    • （一）、细胞质膜各膜面的名称
      • ES：质膜的细胞外表面
        • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶
      • PS：质膜的原生质表面 （与细胞质基质接触）
        • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶
      • EF：质膜的细胞外小叶断裂面
      • PF：质膜的原生质小叶断裂面
      • 电镜冷冻蚀刻技术制样过程中，膜结构常常从双层脂分子疏水端断裂
      • 细胞的膜系统在膜泡出芽、融合及转运过程中，其拓扑学结构保持不变。
    • （二）、膜脂的不对称性
      • 概述
        • 膜脂的不对称性是指同一种膜脂在脂双层中的分布不同
          • 多数磷脂存在于脂双层的内外两侧，但某一侧往往含量高一些，并非均匀分布。
        • 糖脂仅存在于质膜的外小叶中及内膜的ES面（内面）
          • 糖脂的不对称性分布是完成其生理功能的结构基础。
        • 磷脂在人红细胞质膜上分布的示意图
          • 在外小叶中多者：SM：鞘磷脂 PC ： 卵磷脂
          • 在内小叶中多者：PE ：脑磷脂 PS ： 磷脂酰丝氨酸 PI ：磷脂酰肌醇
          • 无偏重者：CI ：胆固醇
    • （三）、膜蛋白的不对称性
      • 概述
        • 同一种膜蛋白在脂双层中的分布具有特定的方向或拓扑学特征
        • 糖蛋白的糖基位于质膜的ES面
        • 各种生物膜的特征和功能主要是由膜蛋白来决定的
  • 三、细胞质膜相关的膜骨架
    • （一）、膜骨架
      • 概述
        • 膜骨架是指质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白网架，参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
    • （二）、红细胞的生物学特性
      • 概述
        • 血影是指红细胞（既无细胞核又无内膜系统）经低渗处理，释放出血红蛋白和胞内其它可溶性蛋白后，留下的仍保持原来基本形状和大小的红细胞结构。
        • 血影是研究质膜结构及其与膜骨架关系的理想材料。
    • （三）、红细胞的质膜蛋白及膜骨架
      • SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析血影的蛋白质成分显示，红细胞膜蛋白主要包括
        • 血影蛋白，或称红膜肽
        • 肌动蛋白
        • 改变处理血影的离子强度后进行电泳分析，则血影蛋白和肌动蛋白条带消失
          • 说明两种蛋白不是内在膜蛋白，比较容易除去
          • 此时血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增强，说明这两种蛋白质在维持膜的形状及固定其他膜蛋白的位置方面起重要作用
        • 锚蛋白
        • 带3蛋白
        • 血型糖蛋白
        • 若用去垢剂Triton X-100处理血影，这时带3蛋白及一些血型糖蛋白的电泳条带消失，但血影仍能保持原来的形状
          • 说明带3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在维持血影乃至细胞形态上并不起决定作用
        • 带4.1蛋白
        • 带4.2蛋白
      • 膜骨架蛋白主要成包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白等。
        • 是能使血影的形状保持的蛋白质，不会被轻易除去
        • 血影蛋白
          • 与血影蛋白四聚体游离端相连的肌动蛋白纤维链长约35nm，其中包含13个肌动蛋白单体和一个原肌球蛋白分子。
        • 带4.1蛋白
          • 带4.1蛋白和一种称为内收蛋白的蛋白质与之相互作用大大加强了肌动蛋白与与血影蛋白的结合力。
        • 由于肌动蛋白纤维上存在多个与血影蛋白结合的位点，所以可以形成一个网络状的膜骨架结构。
      • 红细胞质膜的刚性与韧性主要由质膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现。
  • 四、细胞质膜的基本功能
    • 1. 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境
    • 2. 选择性的物质运输
    • 3. 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传导。
    • 4. 为多种酶提供结合位点
    • 5. 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接
    • 6. 参与形成细胞表面特化结构
    • 7. 膜蛋白的异常常与某些遗传病、癌、自身免疫病甚至是将推行性疾病相关，很多膜蛋白可作治疗的药物靶标。
    • 脂筏和胞膜窖具有特殊功能
      • 脂筏
        • 概念
          • 是一种相对稳定的、分子排列较紧密的、流动性较低的膜脂微区。富含鞘磷脂、胆固醇和膜蛋白，脂筏比质膜其他部分较厚一些。
            • 用非离子去垢剂可以将富含鞘磷脂和胆固醇脂筏从细胞质膜上分离出来。
              • 由于鞘磷脂的疏水尾部的碳链币甘油磷脂长，所以脂筏的脂双层厚一些。
            • 某些蛋白质如阀蛋白、GPI锚定膜蛋白，以及与脂筏表面糖基结合的外在膜蛋白对脂筏的组装及稳定性均起着一定的作用。
      • 胞膜窖
        • 概念
          • 又称质膜微囊，是一种相对有序，结构相对稳定的，直径50～100nm的质膜凹陷区。
            • 其中也鞘磷脂、胆固醇及GPI锚定蛋白，同时还发现一类称窖蛋白（caveolin）的膜蛋白
      • 脂筏和胞膜窖在细胞的信息传递和物质运输中起重要作用。