细胞生物学3细胞质膜

作用：只能插入磷脂分子之间，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，但对鞘磷脂没有明显的影响。

细胞质膜

• 细胞质膜的结构与基本成分
  • 细胞质膜的结构模型
    • 发现历程
      • 观察到质膜的超微结构几十年前，细胞生理学家在研究细胞内渗透压时就已证明质膜的存在
      • 1925年 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
      • 人们发现质膜的表面张力比油-水界面的表面张力低得多，已知脂滴表面如吸附有蛋白质成分则表面张力降低，推测质膜中含有蛋白质成分并提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的质膜结构模型
      • 1959年，单位膜模型，发展了三明治模型，并大胆地推断所有的生物膜都由蛋白质-脂质-蛋白质的单位膜构成，这一模型得到X射线衍射分析结果的支持。暗亮暗两侧暗带厚度约2nm，推测是蛋白质，中间亮带宽度为3.5nm，推测是脂双分子层
      • 细胞融合结合免疫荧光标记技术证明，质膜中的蛋白质是可流动的，电镜冷冻蚀刻技术显示了双层膜脂分子中存在膜蛋白颗粒
      • 1972 流动镶嵌模型
        • 膜的流动性，即膜蛋白和膜脂均可侧向运动
        • 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
      • 1988脂筏模型：在甘油磷脂为主体的生物膜上，胆固醇、鞘磷脂等富集区域形成相对有序的脂相，如同漂浮在脂双层上的“脂筏”一样载着执行某些特定生物学功能的各种膜蛋白
    • 目前对生物膜结构的认识
      • 极性头部非极性尾部磷脂分子，尾部相对，头部向水,每层磷脂分子称为一层小叶，脂分子是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白质。但在脂筏中存在某些相对稳定的功能蛋白
      • 蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白质的类型、蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能
      • 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子之间的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏、纤毛和微绒毛等结构
      • 在细胞生长和分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可出现弯曲、折叠、延伸以及非脂双层状态等改变处于不断的动态变化中，从而保证了诸如细胞运动、细胞增殖等各种代谢活动的进行
  • 膜脂
    • 成分
      • 甘油磷脂
        • 占膜脂50%以上，3-磷酸甘油的衍生物
        • 分类
          • 磷脂酰胆碱PC
          • 磷脂酰丝氨酸PS
          • 磷脂酰乙醇胺PE
          • 磷脂酰肌醇PI
        • 合成部位：（主）内质网
        • 主要特征
          • 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），但存在于线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂除外，它具有4个非极性的尾部，极性头的空间占位可影响脂双层的曲度
          • 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16或18个碳原子组成，也有少量14或20个碳链组成的脂肪酸链
          • 除饱和脂肪酸外，常常还有含1-2个双键的不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30%角和弯曲。甘油磷脂不仅是生物膜的基本成分，而且其中的某些成分如PI等在细胞信号转导中起重要作用
      • 鞘脂
        • 化学本质：鞘脂均为鞘氨醇的衍生物
        • 合成部位：（主）高尔基体
        • 结构：它具有一条烃链，另一条链是与鞘氨醇的氨基共价结合的长链脂肪酸。其头部，可能是一个类似于甘油磷脂的基于磷酸基团的极性头部，称为鞘磷脂（SM）
          • 举例：神经鞘磷脂，它的头部是一个与鞘氨醇分子末端的羟基共价结合的磷酸胆碱
        • 糖脂（多属于鞘氨醇的衍生物，糖脂多归为鞘脂）
          • 结构：极性头部是直接共价结合到鞘氨醇上的一个单糖分子或寡糖链，因此也称鞘糖脂
          • 性质：两性分子
          • 神经细胞质膜上糖脂含量较高
          • 分类
            • 神经细胞含有神经节苷脂
            • 人红细胞表面含有ABO血型糖脂等
            • 最简单的糖脂
              • 脑苷脂
              • 结构:一个葡萄糖或半乳糖残基与鞘氨醇连接
            • 较复杂的神经节苷脂可含多达7个糖残基，其中含有不同数目的唾液酸
          • 不属于磷脂类
      • 固醇
        • 定义：胆固醇及其类似物统称固醇或甾醇
        • 结构
          • 含有四个闭环的碳氢化合物
          • 亲水的头部为一个羟基
        • 作用：只能插入磷脂分子之间，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，但对鞘磷脂没有明显的影响
        • 合成部位：动物细胞的胞质和内质网
        • 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
          • 脂筏的基本结构成分
          • 是很多重要的生物活性分子的前体化合物，如固醇类激素、维生素D和胆酸等
          • 可以与发育调控的重要信号分子Hedgehog共价结合
    • 膜脂的运动方式
      • 沿膜平面的侧向运动
      • 脂分子围绕轴心的自旋运动
      • 脂分子尾部的摆动
      • 双层脂分子之间的翻转运动
        • 极少发生
        • 不到脂分子侧向交换频率的百亿分之一
        • 在细胞某些膜系统中发生的频率很高，特别是在内质网膜上
        • 新合成的脂分子从一个小叶翻转运动到另一个小叶，为自然翻转运动速率的10万倍，需要翻转酶
    • 脂质体
      • 定义：是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的现象而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内的脂分子团又称微团（micelle），或形成双层脂分子的球形脂质体。
      • 用肥皂洗手时的润滑感主要来源于液体中大量的微团
      • 控制形成条件可获得大小均一的脂质体，同样的原理还可以制备平面的脂质体膜，但需要有固体支撑物
      • 制备方法：可用单一或混合的磷脂来制备，同时还可以嵌入不同的膜蛋白
      • 应用
        • 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好实验材料
        • 脂质体中裹入DNA可有效地将其导入细胞中，因此常用于转基因实验
        • 在临床治疗中，脂质体中裹入不同药物或酶等具有特殊功能的生物大分子，可望用于治疗多种疾病
        • 脂质体技术与单克隆抗体及其他技术结合，可使药物更有效地作用于靶细胞以减少对机体的损伤
  • 膜蛋白
    • 膜蛋白的类型
      • 周边膜蛋白（peripheral membrane protein）/外在膜蛋白（extrinsic membrane protein)
        • 水溶性蛋白质
        • 不直接与脂双层的疏水核心接触
        • 靠离子键或其他较弱的键与膜表面的膜蛋白分子或膜脂分子结合
        • 改变溶液离子强度或提高温度就可以从膜上分离下来，但膜结构并不被破坏
        • 举例·：多种以磷脂为底物的水溶性酶类，如磷脂酶，也是多种蛇毒的活性成分
      • 整合膜蛋白（integral membrane)/内在膜蛋白(intrinsic membrane)
        • 与膜结合比较紧密，只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来
        • 占比：整个膜蛋白的70%-80%，人类基因组中，1/4-1/3基因编码的蛋白质为整合膜蛋白
      • 脂锚定膜蛋白（lipid-anchored membrane protein)
        • 定义：通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子中，而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质位于脂双层外
        • 分类
          • 脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸残基上
          • 由15或20个碳链长的烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸残基上，有时还有另一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他半胱氨酸残基上
          • 通过糖脂锚定在细胞质膜上
            • 这类糖脂都含有磷脂酰肌醇（PI）基团，因此称为磷脂酰肌醇糖脂（GPI）锚定方式。GPI脂锚定膜蛋白都分布在质膜外侧
    • 整合膜蛋白与膜脂结合的方式
      • 目前所了解的整合膜蛋白均为跨膜蛋白
      • 跨膜蛋白三个组成部分
        • 胞质外结构域
        • 跨膜结构域
        • 胞质内结构域
      • 结合方式
        • 最主要、最基本：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
        • 电荷相互作用
          • 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
          • 带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部相互作用
        • 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的结合力
      • 跨膜结构域与膜脂结合的作用方式
        • 跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成α螺旋，其外侧的疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用。
          • 这类膜蛋白称单次跨膜蛋白，如红细胞质膜上的血型糖蛋白A
          • 多数膜蛋白具有几个跨膜的α螺旋区，称多次跨膜蛋白。如在细胞信号转导通路中，最普遍存在的G蛋白偶联信号通路的细胞表面受体就是一类跨膜7次的膜蛋白
        • 跨膜结构域主要由β折叠片组成，如大肠杆菌外膜上的孔蛋白以及线粒体、叶绿体外膜的孔蛋白。孔蛋白类型较少，可允许分子量小于10^4的小分子自由通过。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。
        • 某些α螺旋既具有极性侧脸又具有非极性侧链
          • 其外侧是非极性链，与膜脂相互作用
          • 内测是极性链，形成通道
          • 举例：人红细胞膜上的带3（band3）蛋白，它介导Cl-/HCO3-的跨膜运输
        • 水孔蛋白（aquaporin）：一类具有6个α螺旋区的蛋白质家族，通常形成四聚体的膜蛋白以行使其转运水或甘油等分子的功能。
    • 去垢剂（detergent）
      • 定义：一端亲水、一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可以插入膜脂，与膜脂或膜蛋白的跨膜结构域等疏水部位结合，形成可溶性的微粒
      • 少量的去垢剂能以单分子状态溶解于水中，当达到一定浓度时，去垢剂分子可在水中形成微团，此时的去垢剂浓度称为微团临界浓度（critical micelle concentration，CMC）
      • 分类
        • 离子型去垢剂
          • 十二烷基硫酸钠（SDS),可使细胞膜崩解，与膜蛋白疏水部分结合并使其与膜分离，高浓度的SDS还可以破坏蛋白质中的离子键和氢键等非共价键，甚至改变蛋白质亲水部分的构象。
          • SDS对蛋白质的作用较为剧烈，可引起蛋白质变性
        • 非离子型去垢剂
          • 可使细胞膜崩解，但对蛋白质的作用比较温和
          • 应用
            • 膜蛋白的分离与纯化
            • 除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究
• 细胞质膜的基本特征与功能
  • 膜的流动性是细胞质膜和所有的生物膜的基本特征之一
  • 膜的流动性
    • 膜脂的流动性
      • 膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动
      • 决定因素
        • 脂肪连越短，流动性越大
        • 不饱和程度越高，流动性越大
        • 温度对膜脂的运动有明显的影响，各种膜脂都具有其不同的相变温度，鞘脂的相变温度一般高于磷脂
        • 低于相变温度，膜脂的流动性会骤然降低
        • 卵磷脂/鞘磷脂的比值越大，流动性越大
        • 胆固醇对膜的流动性也起着重要的双重调节作用
    • 膜蛋白的流动性
      • 实验：荧光抗体免疫标记实验
        • 抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体（绿）和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体（红）
        • 灭活的仙台病毒介导两种细胞融合
        • 10min后开始扩散
        • 40min后已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域，加上滤光片，则红绿荧光均匀地分布在融合细胞表面
        • 显示了与抗体结合的膜蛋白在质膜上的运动
      • 影响因素
        • 用药物抑制细胞能量转换、蛋白合成等代谢途径，对膜蛋白运动没有影响
        • 降低温度，则膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20-1/10
        • 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，原因之一是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。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
        • 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
    • 膜质和膜蛋白运动速率的检测
      • 荧光漂白恢复（FPR）
        • 荧光素标记膜蛋白或膜脂
        • 激光束淬灭
        • 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
        • 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂的扩散速率
  • 膜的不对称性
    • 不对称类型举例
      • 同一种膜脂在脂双层两个小叶中的分布不同
      • 同一种膜蛋白在脂双层中的分布都有特定的方向或拓扑学特征
      • 糖蛋白和糖脂的糖基部分均位于细胞质膜的外侧
    • 细胞质膜各膜面的名称
      • 与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面（ES），这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶
      • 与细胞质基质接触的膜面称质膜的原生质表面（PS），这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶
      • 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，产生了质膜的细胞外小叶断裂面和原生质小叶断裂面
      • 在脂肪细胞和很多细胞中，都含有储存脂肪的一种细胞器，称为脂滴，脂滴外周仅有一层磷脂分子包被，相当于膜的内小叶
    • 膜脂的不对称性
      • 概念：膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布
        • 举例：人的红细胞中
          • 鞘磷脂和卵磷脂多分布在质膜外小叶
          • 磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸多分布在质膜内小叶，这种分布将会影响质膜的曲度
      • 糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础
      • 磷脂分子不对称分布的原因和生物学意义还不清楚
        • 原因
          • 有人认为可能与其合成部位有关，如甘油磷脂和鞘磷脂分别在内质网的PS面和高尔基体的ES面合成
          • 也有人推测可能与膜蛋白的不对称分布有关
        • 生物学意义
          • 细胞质膜上，所有的磷酸化的磷脂酰肌醇的头部基团都面向细胞质一侧，这是G蛋白偶联的信号转导的必要条件
          • 血小板的质膜上，，磷脂酰丝氨酸通常主要分布在质膜的内小叶中，当受到血浆中某些因子的刺激后，很快翻转到外小叶上，火花参与凝血的酶类
          • 在质膜外小叶上，磷脂酰丝氨酸的含量明显增加，这种现象已作为研究细胞凋亡过程的检测指标之一
    • 膜蛋白的不对称性
      • 质膜上的糖蛋白或糖脂，其糖残基均分布在质膜的ES面，它们与细胞外的胞外基质，以及生长因子、凝集素和抗体等相互作用，如人的ABO血型。
      • 各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白来决定的
      • 膜蛋白的不对称性是在它们合成时就已经确定，在随后的一系列转运和修饰过程中其拓扑学结构始终保持不变直至蛋白质降解，而不会像膜脂那样发生翻转运动
      • 意义：生物膜完成复杂的、在时间与空间上有序的各种生理功能的保证
  • 细胞质膜相关的膜骨架
    • 膜骨架（membrane associated cytoskeleton）
      • 概念：膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它从力学上参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
      • 因为膜骨架多与肌动蛋白（actin）相关联，因此也称基于肌动蛋白的膜骨架
    • 红细胞的生物学特性
      • 功能
        • 把O2从肺运送到体内各组织
        • 把细胞代谢产生的CO2运回肺中
      • 结构
        • 哺乳动物成熟红细胞没有细胞核和内膜系统，最简单最易研究的生物膜
        • 双凹型的椭球结构，直径约7微米，但它可以通过直径比自己更小的毛细血管
        • 既有很好的弹性又具有较高的强度
        • 红细胞质膜的这些特性在很大程度上是由膜骨架赋予的
        • 当细胞经低渗处理后、质膜破裂，同时释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白，这时红细胞仍然保持原来的基本形状和大小，这种结构称为血影（ghost）
    • 红细胞质膜及膜骨架
      • 红细胞膜蛋白
        • 血影蛋白或称红膜肽
        • 锚蛋白
        • 带3蛋白
        • 带4.1蛋白
        • 带4.2蛋白
        • 肌动蛋白
        • 血型糖蛋白
      • 对细胞形态决定作用
        • 一
          • 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
          • 说明这两种蛋白质不是整合膜蛋白而是周边膜蛋白，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
        • 二
          • 用去垢剂TritonX-100处理血影
          • 带3蛋白和一些血型糖蛋白的电泳条带消失
          • 血影仍能维持原来的形状，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性作用
      • 带3蛋白是红细胞膜上Cl-/HCO3-阴离子运输载体蛋白
      • 膜骨架的主要成分包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白
      • 纯化的血影蛋白与肌动蛋白纤维结合力非常微弱，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血影蛋白的结合力
      • 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，但其双凹型椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与
  • 细胞质膜的基本功能
    • 简答
      • 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境
      • 选择性地运输物质，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量物质的传递
      • 提供细胞识别位点，使酶促反应高效而有序地进行
      • 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之间的连接
      • 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构
      • 膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关，很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标
    • 质膜功能的研究
      • 脂筏及与之相关的胞膜窖的研究
      • 某些病毒的感染过程，阿尔茨海默病以及某些肿瘤的发生均可能与脂筏有密切的关系