细胞生物学 第三章 细胞质膜

参考《细胞生物学》第5版第3章细胞质膜，内容覆盖结构模型与成分以及基本特征与功能。欢迎大家批评指正～

第三章 细胞质膜

• 结构模型与成分
  • 细胞质膜的结构模型
    • 1925；E.Gorter,F.Grendel；有机溶剂抽提红细胞膜脂实验；结论：质膜由脂双层构成
    • 1925后；发现质膜表面张力低；H.Davson,J.F.Danielli推测：“蛋白质－脂质－蛋白质”结构
    • 1959；J.D.Robertson；电镜观察细胞膜；提出：单位膜模型
    • 1972；S.J.Singer,G.L.Nicolson提出：流动镶嵌模型，膜有流动性和膜蛋白有不对称性
    • 1988；K.Simons,G.van Meer；脂筏模型
    • 归纳
      • （1）具有极性头部和疏水性尾部的磷脂分子以尾部相对，头部朝向水相的方式形成脂双层，每层磷脂分子称为一层小叶
      • （2）蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层中
      • （3）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的改变，保证如细胞运动，增殖等代谢活动的运行
  • 膜脂
    • 1.成分
      • 主要包括甘油磷脂，鞘脂，固醇
      • 甘油磷脂
        • 概述：膜脂基本成分，占50%以上，为3－磷酸甘油衍生物，主要在内质网合成
        • 类型：磷脂酰胆碱（卵磷脂，phosphatidyl-choline PC），磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl-serine PS），磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl-amine PE），磷脂酰肌醇（phosphatidyl-inostitol PI）
        • 主要特征
          • （1）具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性尾部
            • 心磷脂有4个非极性尾部，存在于线粒体内膜和细菌质膜
          • （2）极性头的空间占位与膜曲率有关（PE<PC）
          • （3）脂肪酸碳链为偶数，多为16~18个
      • 鞘脂
        • 概述：鞘氨醇衍生物，主要在高尔基体合成
        • 类型
          • （1）鞘磷脂（sphingomyelin SM）：有基于磷酸基团的极性头部，其脂肪酸链较长（26个碳），可形成较厚的脂双层
          • （2）糖脂：极性头部为共价结合在鞘氨醇上的单糖分子或寡糖链，如ABO血型糖脂，脑甘脂
      • 固醇
        • 概述：胆固醇及其类似物，4环系，亲水为羟基部位，刚性分子结构
        • 功能特点
          • （1）不能形成脂双层，只能插入磷脂分子间参与生物膜形成，增加磷脂分子有序性
          • （2）调节膜流动性，增加膜稳定性，降低水溶性物质通透性
          • （3）脂筏的基本结构成分
    • 2.运动方式
      • （1）沿膜平面侧向运动：2μm/s（37℃）
      • （2）脂分子围绕轴心的自旋运动
      • （3）脂分子尾部的摆动
      • （4）双层脂分子的翻转运动：一般极少发生，但在内质网中由翻转酶催化下，新合成的磷脂分子可以在小叶间翻转
    • 3.脂质体
      • 概述：根据磷脂在水相中形成稳定的脂双层现象而制备的人工膜
      • 应用：研究膜脂和膜蛋白，导入DNA，靶向药物制剂
  • 膜蛋白
    • 1.类型
      • （1）周边膜蛋白（或外在膜蛋白 peripheral membrane pritein）：水溶性蛋白质，以离子键与膜蛋白或膜脂结合，可改变离子强度破坏分离，如磷脂酶
      • （2）整合膜蛋白（或内在膜蛋白 integral membrane pritein）：占膜蛋白70%~80%，结合紧密，用去垢剂方可分离
      • （3）脂锚定膜蛋白（lipid-anchored membrane protein）
        • 锚定方式：通过与之相连的脂分子插入到膜的脂双分子中从而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外
        • 分类
          • a.由脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸（Gly）残基上，例：酪氨酸激酶突变体v-Src
          • b.由15~20个碳长的烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸（Cys）残基上，有时还有一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他Cys残基上，形成双重锚定
          • c.通过糖脂锚定，含有PI基团，PI结合2个脂肪酸链插入细胞膜，同时结合寡糖链，糖链末端的磷酸乙醇胺与蛋白质共价相连，这种方式称为磷脂酰肌醇糖脂（glycosy-phosphatidyl-inositol GPI）锚定方式
    • 2.整合膜蛋白与膜脂的结合方式
      • 概述：整合膜蛋白均为跨膜蛋白（trans-membrane protein），结构上可分为：胞质内，胞质外，跨膜三个结构域
      • （1）膜蛋白的跨膜结构与膜脂疏水核心的相互作用
        • a.单次跨膜蛋白
        • b.多次跨膜蛋白
        • 跨膜结构域含有疏水氨基酸残基，形成α螺旋，螺旋方向与长度各异
        • c.孔蛋白
          • 跨膜结构域由β折叠片组成，一般有10~12个氨基酸残基构成
        • d.某些α螺旋同时含有极性链与非极性链，多个α螺旋形成特异极性分子的跨膜通道，其外侧是非极性链，与膜脂相互作用，内侧是极性链，形成通道
      • （2）跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸(Arg），赖氨酸（Lys），或带负电荷的氨基酸残基通过Ca²⁺，Mg²⁺与磷脂分子的极性头部形成离子键
      • （3）某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸（Cys）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
    • 3.去垢剂
      • 概述：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，
      • 微团临界浓度（critical micelle concertration CMC)：去垢剂分子可在水中形成微团的最小浓度
      • 离子型去垢剂：如十二烷基硫酸钠（SDS），可使细胞膜崩解，破坏蛋白质中的离子键和氢键
      • 非离子型去垢剂：如Triton X－100，对蛋白质作用温和
• 基本特征与功能
  • 膜的流动性
    • 1.膜脂的流动性
      • 相变温度（phase transition temperature）：不同膜脂具有不同的相变温度，鞘脂一般高于磷脂；低于相变温度时膜的流动性大大降低
      • 胆固醇的作用：既有结合磷脂分子疏水尾部使之有序并限制运动，也有将磷脂分子隔开便于流动；综合下来使膜脂处于液相，保证流动性
    • 2.膜蛋白的流动性
      • 不需要代谢参与与能量输入，自发热运动
      • 某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制膜蛋白运动
    • 3.膜脂和膜蛋白运动速率检测
      • 关键词：荧光漂白恢复技术（fliorescence photobleaching recovery FPR）
      • 内容：用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面的某一区域，使荧光淬灭，由于膜流动，淬灭区域亮度逐渐增加。
  • 膜的不对称性
    • 1.细胞质膜各膜面名称
      • 细胞外表面：extro-cytoplasmic surface ES
      • 细胞内表面：称为原生质表面（protoplasmic surface PS）
      • 细胞内膜系统也采用类似命名，在膜泡出芽，融合以及转运的过程中，其拓扑学结构不变
    • 2.膜脂的不对称性
      • 概述：同一种膜脂分子在膜的脂双层中程不均匀分布
      • 例：
        • 糖脂其糖侧链都在质膜ES面上
        • 磷酸化的PI均在细胞膜的PS面
        • 甘油磷脂多在PS面，鞘脂多在ES面
    • 3.膜蛋白的不对称性
      • 概述：膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性，按一定的取向传递信号或转运物质
      • 特点：不会像膜脂那样发生翻转
  • 膜骨架
    • 1.概述：细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白原组成的网架结构，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。多数细胞都存在细胞骨架网络
    • 2.红细胞特性：质膜具有良好的弹性，低渗处理破裂后仍然保持基本形状与大小，称为血影（ghost）
    • 3.红细胞质膜蛋白与膜骨架
      • 膜蛋白成分：血影蛋白（红膜肽 spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带3蛋白、带4.1蛋白，带4.2蛋白，肌动蛋白
        • 血影蛋白和肌动蛋白属于周边膜蛋白，具有骨架作用；带3蛋白与血型糖蛋白为整合膜蛋白
      • 膜骨架成分：血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白，带4.1蛋白
  • 脂筏
    • 基本成分：鞘磷脂和胆固醇
    • 关键蛋白质：阀蛋白（flotillin），GPI锚定膜蛋白对脂筏组装，稳定起作用
    • 特性：异质性，高度动态，分子排列紧密，流动性较低的膜脂微区，直径一般为10~200nm
    • 作用：某些受体可能富集于脂筏上，在细胞胞饮、蛋白质分选，某些疾病发生过程中起重要作用

第三章 细胞质膜

• 结构模型与成分
  • 细胞质膜的结构模型
    • 1925；E.Gorter,F.Grendel；有机溶剂抽提红细胞膜脂实验；结论：质膜由脂双层构成
    • 1925后；发现质膜表面张力低；H.Davson,J.F.Danielli推测：“蛋白质－脂质－蛋白质”结构
    • 1959；J.D.Robertson；电镜观察细胞膜；提出：单位膜模型
    • 1972；S.J.Singer,G.L.Nicolson提出：流动镶嵌模型，膜有流动性和膜蛋白有不对称性
    • 1988；K.Simons,G.van Meer；脂筏模型
    • 归纳
      • （1）具有极性头部和疏水性尾部的磷脂分子以尾部相对，头部朝向水相的方式形成脂双层，每层磷脂分子称为一层小叶
      • （2）蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层中
      • （3）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的改变，保证如细胞运动，增殖等代谢活动的运行
  • 膜脂
    • 1.成分
      • 主要包括甘油磷脂，鞘脂，固醇
      • 甘油磷脂
        • 概述：膜脂基本成分，占50%以上，为3－磷酸甘油衍生物，主要在内质网合成
        • 类型：磷脂酰胆碱（卵磷脂，phosphatidyl-choline PC），磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl-serine PS），磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl-amine PE），磷脂酰肌醇（phosphatidyl-inostitol PI）
        • 主要特征
          • （1）具有一个与磷酸基团相结合的极性头和两个非极性尾部
            • 心磷脂有4个非极性尾部，存在于线粒体内膜和细菌质膜
          • （2）极性头的空间占位与膜曲率有关（PE<PC）
          • （3）脂肪酸碳链为偶数，多为16~18个
      • 鞘脂
        • 概述：鞘氨醇衍生物，主要在高尔基体合成
        • 类型
          • （1）鞘磷脂（sphingomyelin SM）：有基于磷酸基团的极性头部，其脂肪酸链较长（26个碳），可形成较厚的脂双层
          • （2）糖脂：极性头部为共价结合在鞘氨醇上的单糖分子或寡糖链，如ABO血型糖脂，脑甘脂
      • 固醇
        • 概述：胆固醇及其类似物，4环系，亲水为羟基部位，刚性分子结构
        • 功能特点
          • （1）不能形成脂双层，只能插入磷脂分子间参与生物膜形成，增加磷脂分子有序性
          • （2）调节膜流动性，增加膜稳定性，降低水溶性物质通透性
          • （3）脂筏的基本结构成分
    • 2.运动方式
      • （1）沿膜平面侧向运动：2μm/s（37℃）
      • （2）脂分子围绕轴心的自旋运动
      • （3）脂分子尾部的摆动
      • （4）双层脂分子的翻转运动：一般极少发生，但在内质网中由翻转酶催化下，新合成的磷脂分子可以在小叶间翻转
    • 3.脂质体
      • 概述：根据磷脂在水相中形成稳定的脂双层现象而制备的人工膜
      • 应用：研究膜脂和膜蛋白，导入DNA，靶向药物制剂
  • 膜蛋白
    • 1.类型
      • （1）周边膜蛋白（或外在膜蛋白 peripheral membrane pritein）：水溶性蛋白质，以离子键与膜蛋白或膜脂结合，可改变离子强度破坏分离，如磷脂酶
      • （2）整合膜蛋白（或内在膜蛋白 integral membrane pritein）：占膜蛋白70%~80%，结合紧密，用去垢剂方可分离
      • （3）脂锚定膜蛋白（lipid-anchored membrane protein）
        • 锚定方式：通过与之相连的脂分子插入到膜的脂双分子中从而锚定在细胞质膜上，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外
        • 分类
          • a.由脂肪酸结合到膜蛋白N端的甘氨酸（Gly）残基上，例：酪氨酸激酶突变体v-Src
          • b.由15~20个碳长的烃链结合到膜蛋白C端的半胱氨酸（Cys）残基上，有时还有一条烃链或脂肪酸链结合到近C端的其他Cys残基上，形成双重锚定
          • c.通过糖脂锚定，含有PI基团，PI结合2个脂肪酸链插入细胞膜，同时结合寡糖链，糖链末端的磷酸乙醇胺与蛋白质共价相连，这种方式称为磷脂酰肌醇糖脂（glycosy-phosphatidyl-inositol GPI）锚定方式
    • 2.整合膜蛋白与膜脂的结合方式
      • 概述：整合膜蛋白均为跨膜蛋白（trans-membrane protein），结构上可分为：胞质内，胞质外，跨膜三个结构域
      • （1）膜蛋白的跨膜结构与膜脂疏水核心的相互作用
        • a.单次跨膜蛋白
        • b.多次跨膜蛋白
        • 跨膜结构域含有疏水氨基酸残基，形成α螺旋，螺旋方向与长度各异
        • c.孔蛋白
          • 跨膜结构域由β折叠片组成，一般有10~12个氨基酸残基构成
        • d.某些α螺旋同时含有极性链与非极性链，多个α螺旋形成特异极性分子的跨膜通道，其外侧是非极性链，与膜脂相互作用，内侧是极性链，形成通道
      • （2）跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基，如精氨酸(Arg），赖氨酸（Lys），或带负电荷的氨基酸残基通过Ca²⁺，Mg²⁺与磷脂分子的极性头部形成离子键
      • （3）某些膜蛋白通过自身在胞质一侧的半胱氨酸（Cys）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
    • 3.去垢剂
      • 概述：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，
      • 微团临界浓度（critical micelle concertration CMC)：去垢剂分子可在水中形成微团的最小浓度
      • 离子型去垢剂：如十二烷基硫酸钠（SDS），可使细胞膜崩解，破坏蛋白质中的离子键和氢键
      • 非离子型去垢剂：如Triton X－100，对蛋白质作用温和
• 基本特征与功能
  • 膜的流动性
    • 1.膜脂的流动性
      • 相变温度（phase transition temperature）：不同膜脂具有不同的相变温度，鞘脂一般高于磷脂；低于相变温度时膜的流动性大大降低
      • 胆固醇的作用：既有结合磷脂分子疏水尾部使之有序并限制运动，也有将磷脂分子隔开便于流动；综合下来使膜脂处于液相，保证流动性
    • 2.膜蛋白的流动性
      • 不需要代谢参与与能量输入，自发热运动
      • 某些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制膜蛋白运动
    • 3.膜脂和膜蛋白运动速率检测
      • 关键词：荧光漂白恢复技术（fliorescence photobleaching recovery FPR）
      • 内容：用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面的某一区域，使荧光淬灭，由于膜流动，淬灭区域亮度逐渐增加。
  • 膜的不对称性
    • 1.细胞质膜各膜面名称
      • 细胞外表面：extro-cytoplasmic surface ES
      • 细胞内表面：称为原生质表面（protoplasmic surface PS）
      • 细胞内膜系统也采用类似命名，在膜泡出芽，融合以及转运的过程中，其拓扑学结构不变
    • 2.膜脂的不对称性
      • 概述：同一种膜脂分子在膜的脂双层中程不均匀分布
      • 例：
        • 糖脂其糖侧链都在质膜ES面上
        • 磷酸化的PI均在细胞膜的PS面
        • 甘油磷脂多在PS面，鞘脂多在ES面
    • 3.膜蛋白的不对称性
      • 概述：膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性，按一定的取向传递信号或转运物质
      • 特点：不会像膜脂那样发生翻转
  • 膜骨架
    • 1.概述：细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白原组成的网架结构，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。多数细胞都存在细胞骨架网络
    • 2.红细胞特性：质膜具有良好的弹性，低渗处理破裂后仍然保持基本形状与大小，称为血影（ghost）
    • 3.红细胞质膜蛋白与膜骨架
      • 膜蛋白成分：血影蛋白（红膜肽 spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带3蛋白、带4.1蛋白，带4.2蛋白，肌动蛋白
        • 血影蛋白和肌动蛋白属于周边膜蛋白，具有骨架作用；带3蛋白与血型糖蛋白为整合膜蛋白
      • 膜骨架成分：血影蛋白，肌动蛋白，锚蛋白，带4.1蛋白
  • 脂筏
    • 基本成分：鞘磷脂和胆固醇
    • 关键蛋白质：阀蛋白（flotillin），GPI锚定膜蛋白对脂筏组装，稳定起作用
    • 特性：异质性，高度动态，分子排列紧密，流动性较低的膜脂微区，直径一般为10~200nm
    • 作用：某些受体可能富集于脂筏上，在细胞胞饮、蛋白质分选，某些疾病发生过程中起重要作用