细胞质膜

细胞质膜围绕在细胞最外层，由脂质，蛋白质和糖类组成的生物膜。一起来看看 细胞质膜基本模型、细胞膜基本成分、基本特征与功能的知识呀。

细胞质膜

• 定义和功能
  • 围绕在细胞最外层，由脂质，蛋白质和糖类组成的生物膜
  • 功能
    • 作为细胞的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境
    • 细胞与环境的物质运输、能量转换、信息传递
  • 生物膜：（真核细胞）内膜系统与细胞质膜统称为生物膜
• 细胞质膜基本模型
  • 三明治模型
  • 单位膜模型
  • 流动镶嵌模型
    • 膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动
    • 膜蛋白分布的不对称性，结合在膜表面，嵌入或横垮脂双分子层
  • 流动脂筏模型
    • 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（脂筏）一种动态结构
    • 细胞信号转导、物质跨膜运输及病原微生物侵染细胞过程中可能起重要作用
  • 归纳
    • 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子在以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成磷脂双分子层（脂分子是组成生物膜的基本结构成分）
    • 蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子中或结合在其表面（蛋白质具有方向性和不对称性）蛋白质的类型、分布的不对称性、与脂分子的协同作用影响生物膜的特性和功能
    • 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液
    • 在细胞生长和分裂等整个生命过程中，生物膜在三维空间可出现弯曲、折叠、延伸以及非脂双层状态等改变，处于不断动态变化中，保证细胞运动、增殖等代谢活动。
• 细胞膜基本成分
  • 膜脂
    • 生物膜的基本组成成分，每个动物细胞质膜上约有10（9）个脂分子，即每平方微米质膜上约有5*10（6）个脂分子 帮助膜蛋白锚定在生物膜上；影响膜的形态特征和生物学功能
    • 成分
      • 甘油磷脂
        • 含量：50％以上
        • 成分：3-磷酸甘油的衍生物，包括质膜中最丰富的磷脂酰胆碱（卵磷脂）&磷脂酰乙醇胺&磷脂酰肌醇
        • 合成：主要在内质网
        • 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）（存在线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂除外，其具四个尾部）
          • 脂肪酸碳链为偶数（多数16或18，也有少量14或20）
          • 除饱和脂肪酸（软、硬脂酸等）外，常常还有含1～2个双键的不饱和脂肪酸（油脂）（多为顺式）
      • 鞘脂
        • 成分：鞘胺醇的衍生物
        • 合成：主要在高尔基体
        • 形态
          • 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
          • 头部：鞘磷脂-类似于甘油磷酸的基于磷酸基团的极性头部
            • 神经鞘磷脂，丰富度最高的一种鞘磷脂，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
        • 鞘磷脂形成的脂双层的厚度较甘油磷脂的厚度更大
      • 固醇
        • 结构：一类含有4个闭环的碳氢化合物，亲水的头部为一个羟基，是一种分子刚性很强的两性化合物
        • （与磷脂不同）分子的特殊结构和疏水性太强，自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成
        • 胆固醇与甘油磷脂相互作用会增强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
        • 存在：动物细胞和极少数原核细胞，哺乳动物的细胞质膜中尤为丰富
        • 含量：一般不超过脂膜的1/3
        • 合成：动物细胞的胞质和内质网，动物体内胆固醇多数来自食物
        • 作用：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；很多重要的生物活性分子的前体化合物 缺乏胆固醇可能导致抑制细胞分裂
      • （少量）糖脂，属于鞘胺醇衍生物（一种鞘脂）
        • 含量：不足膜脂总量的5％（神经细胞是5%-10%）
        • 形态：两性分子，极性头部直接共价结合到鞘氨醇上的一个单糖分子或寡糖链
        • 分布：普遍存在原核和真核细胞的细胞质膜上
        • 动物细胞中最简单的糖脂是脑苷脂，只有一个葡萄糖或半乳糖残基与鞘氨醇连接
    • 运动方式
      • 沿膜平面侧向运动
        • 37℃时的扩散系数为10（-8）cm2/m（每秒2um)
        • 分子间换位，交换频率约10（7）次/秒
      • 脂分子围绕轴心的自旋运动
      • 脂分子尾部的摆动
        • 磷脂酸链靠近极性头部的摆性较大，尾部摆动较大（X射线衍射表示，距离头部9个碳原子以后的脂肪酸链已变成无序状态）
      • 双层脂分子之间的翻转运动
        • 特殊情况，滑面内质网上
      • 不仅与脂分子类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜两侧的生物大分子之间的相互作用及温度等环境有关
    • 脂质体
      • 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
      • 微团&球形脂质体
        • 单层脂分子铺展在水面上时,其极性端插人水相相而非极性尾部面向空气界面,搅动后形成乳浊液,即形成极性生端向外而非极性端在内的脂分子团，又称微团
          • 天然磷脂有两条非极性尾部，难以形成微团，用磷脂酶处理，仅保留一条脂肪酸链时，就容易形成
        • 或形成双层脂分子的球形脂质体
          • 球形脂质体直径为25~ I 000 nm 不等,控制制形成条件可获得大小均一的脂质体,同样的原理还还可以制备平 面的脂质体膜
          • 可用单一或混合磷脂制备，同时还可嵌入不同的膜蛋白
  • 膜蛋白
    • 类型
      • 周边（外在）膜蛋白
        • 性质：水溶性蛋白质
        • 不直接与脂双层的疏水核心相接，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
        • 改变溶液的离子强度或提高温度就可以从膜上分离下来，但膜结构不被破坏
      • 整合（内在）膜蛋白
        • 内在膜蛋白与膜结合比较紧密,只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。内在膜蛋白占整个膜蛋白的 70%~80%,据估计人类基因中,1/4~1/3基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。
      • 脂锚定膜蛋白
        • 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，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外
        • 分类
          • 脂肪酸（豆蔻酸或软脂酸等）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的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端的半胱氨酸残基上，这种双重锚定有助于蛋白质更牢固地与膜脂结合。
          • 通过糖脂锚定在细胞质膜上。如磷脂酶C和大分子的蛋白聚糖。 与磷脂分子类似,同磷脂酰肌醇结合的2个脂肪酸链插人脂膜中。肌醇同时与长度不等的寡糖链相结合,最后寡糖末端的磷酸己醇胺与蛋蛋白质共价相连。从而有效地将蛋白质结合到质膜上。 GPI 脂锚定膜蛋白均分布在质膜外侧。
            • 不同细胞中，这类糖脂的结构大有不同，但都含有磷脂酰肌醇（PI）基团 称为磷脂酰肌醇糖脂锚定方式，GPI
    • 整合膜蛋白与膜脂结合的方式
      • 目前了解的整合膜蛋白均为跨膜蛋白
        • 结构
          • 膜质外结构域
          • 跨膜结构域
          • 胞质内结构域
      • 结合方式
        • 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（最主要最基本）
        • 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+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部的相互作用。
        • 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
      • 作用方式
        • 跨膜结构域含20个左右的疏水氨基酸残基，形成 a 螺旋(长度约3 nm ),其外部疏流水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链(厚度约3.2 nm )相互作用，这类膜蛋白称单次跨膜蛋蛋白。（如红细胞质膜上上的血型糖蛋白A ,其跨膜的 a 螺旋由23个氨基酸残基组成。） 很多膜蛋自具有几个跨膜的 a 螺旋区,称多次跨膜蛋白 。（如最普遍存在的细胞信号转导通路, G 蛋白偶联信号号通路的细胞表面受体就是一类跨膜7次的膜蛋白。） 跨膜结结构域的 a 螺旋的方向,有的与膜面垂直,有的则与与膜面呈一定的角度。因此跨膜结构域的 a 螺旋的长度也各有差异。
        • 跨膜结构域主要由 B 折叠片 组成。如大肠杆菌外膜上的孔蛋白 以及线粒体、叶绿体外膜上的孔蛋白。由于 a 螺旋中 相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.15nm ,而在在折叠片中为0.35 nm 。所以跨膜结构域的折叠片一 般由10~12个氨基酸残基组成。16个反向平行的 B 折 叠片相互作用形成跨膜通道,通道具有疏水性的外侧和亲水性的内侧。可允许相对分子质量小于10（4）的小小分子自由通过。孔蛋白跨膜结构域疏水性的外侧以及及某些疏水性的侧链,使其稳定的结合在脂膜上。所有的的孔蛋白均为三聚体的跨膜蛋白。
        • 某些 a 螺旋既具有极性侧链又具有 非极性侧链, a 螺旋的外侧是非极性链,与膜 脂相互作用。内侧是极性链,形成特异极性分子的跨膜通 道。如人红细胞膜上的带3 蛋白，介导Cl-/HCO3-的跨膜运输
      • 水孔蛋白
        • 一类具有6个a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
      • 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
      • 作用：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，形成可溶性微粒。
      • 少量去垢剂能以单分子状态溶解于水中，达到一定浓度时可在水中形成微团，此时的浓度称为微团临界浓度（CMC*重要参数）
      • 类型
        • 离子型
          • 如十二烷基磺酸钠（SDS）具有带电荷的基团，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强烈，可引起蛋白质变性，因此在纯化膜蛋白时（特别是为获得有生物活性的膜蛋白时）常用不带电荷的非离子去垢剂
        • 非离子型
          • 如TritonX-100
          • 也可使细胞膜崩解，但对蛋白质作用比较温和，不仅用于膜蛋白的分离纯化，也用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究。
• 基本特征与功能
  • 基本特征
    • 膜的流动性
      • 膜脂的流动性
        • 一般情况下，鞘脂或卵磷脂形成的脂双层膜流动性小一些 磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇&磷脂酰丝氨酸等形成的脂膜流动性大一些
        • 主要指脂分子的侧向运动，很大程度上由脂分子本身的性质决定
        • 影响因素
          • 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大
          • 温度
            • 各膜脂都具有不同的相变温度 在生物膜中膜脂的相变温度是由组成生物膜的各种脂分子的相变温度决定的
            • 鞘脂的相变温度一般高于磷脂
        • 重要性
          • 膜脂的流动性是生长细胞完成包括生生长、增殖在内的多种生理功能所必需的,在细菌和动物物细胞中常常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的的相变温度以维持膜脂的流动性。
          • 动物细胞&胆固醇
            • 在动物细胞中,胆固醇对膜的流动性也起起着重要的双重调节作用。
            • 胆固醇分子既有与磷脂疏水的的尾部相结合使其更为有序、相互作用增强及限制制其运动的作用, 也有将磷脂分子隔开使其更易流动的功功能。 其最终效应取决于胆固醇在脂膜中的相对含量以以及上述两种作用的综合效果。
            • 通常胆固醇是起到防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态的作用。在细胞质膜脂双层的 内外两侧的膜脂中,细胞外侧脂的胆固醇的含量往往高于内侧,因此内侧膜脂的流动性更弱。
        • 研究方法：荧光素标记磷脂分子
        • 运动范围：直径约0.5um的范围内自由运动 受直径约1um的膜蛋白含量较高的质膜区域所阻隔
      • 膜蛋白的流动性
        • 研究方法
          • 荧光抗体免疫标记（人鼠细胞融合实验）
            • 用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体(显绿色荧光)和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体(显红色荧光)分别标记小鼠和人1人的细胞表面,然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合。10 min 后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散,40 min 后 已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧荧光区域。
          • 成斑现象&成帽现象
            • 成斑现象
              • 在某些细胞中,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排布,聚集在细胞表面的某些部位,即所谓成斑现象
            • 成帽现象
              • 或聚集在细胞的一端,即成帽现象
          • 在极性细胞中,质膜蛋白被某些特殊的结构，如紧密连接接限定在细胞表面的某个区域。即使在单细胞生物草履虫的细细胞质膜上,膜蛋白的分布也具有特定的区域性。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,膜蛋白的流动动性大大增加。
        • 影响
          • 如果用药物抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径,对膜蛋白运动没有影响,但是是如果降低温度,则 膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20-1/10。 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参加,也不需需要能量输出。
          • 用非离子去垢剂处理细胞使细胞膜系统究崩解,多数膜蛋白流失,但仍有部分膜蛋白结合在细胞骨架上。细胞骨架不但影响膜蛋白的运动,也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白和膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的作用因素。
      • 膜脂和膜蛋白运动速率的检测
        • 荧光漂白恢复技术（FPR）
        • 原理
          • 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,使被照射区的荧光淬灭变暗。由于于膜的流动性,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 膜蛋白或膜脂扩散速度。
    • 膜的不对称性
      • 膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分分布,同一种膜 脂在脂双层中的分布不同。同一种膜 蛋白在脂双层中的 定向或其拓扑学结构完全不同,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
        • 质膜的细胞外表面-ES
          • 与细胞外环境接触的膜面
          • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶
        • 质膜的原生质表面-PS
          • 与细胞质基质接触的膜面
          • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶
        • 质膜的细胞外断裂面-EF
        • 原生质小叶断裂面-PF
        • 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
      • 膜脂的不对称性
        • 定义：同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布 多数磷脂存在于脂双层的内外两侧，但在某一侧往往含量高一些，并非均匀分布
        • 举例：人的红细胞质膜上，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&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。
        • 胆固醇在生物膜内外小叶的分布一般比较均匀 糖脂则表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其他内膜的ES面上，因此糖脂仅存在于质膜的细胞外小叶中以及内膜的ES面上
      • 膜蛋白的不对称性
        • 定义：每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性
        • 举例：细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的取向传递信号和转运物质。 与质膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白或糖脂，其糖残基均分布在质膜的ES面，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。
        • 意义：各种生物膜的特征和生物学功能主要是由膜蛋白决定的。膜蛋白的不对称性是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。
  • 膜骨架
    • 细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系，协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些特化结构包括： 膜骨架、鞭毛&纤毛、微绒毛及细胞的变形足等。 与细胞形态的维持、细胞运动、细胞物质交换和信息传递等功能有关。
    • 定义：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,它从カ学上参与维持 细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
    • 发展： 早期人们应用光学显微镜曾注意到在细胞质膜下存在约0.2u um 厚的、观察不到任何细胞结构的“溶胶层”, 又称细胞的皮层。 电镜技术出现以后,才发现质膜下的溶胶层中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝等),这些 骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。多数细胞的的细胞质膜下,也都存在精细而复杂的细胞骨架网络。
    • 红细胞的生物学特性
      • 作用
        • 红细胞负责把O2从肺运送到体内各组织,同时把细胞代谢产生的 CO2 运回肺中。哺乳动物成熟的红细胞没细胞核和内膜系统,所以红细 胞的质膜是最简单最易研究的生物膜。
      • 形态
        • 正常情况下,红细胞呈双凹形的椭球结构,直径约7 um ,但它可以通过直径比自己更小的毛细血管。 红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高的强度。
      • 特性
        • 红细胞质膜的这些特性在很大程度上是由膜骨架赋予的。 红细胞的质膜与膜骨架比较容易纯化、分析。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。 红细胞为研究质膜的结结构及其与膜骨架的关系提供了理想的材料。
    • 红细胞质膜蛋白及膜骨架
      • 红细胞质膜蛋白类型
        • 血影蛋白/红膜肽
          • 由a&B链组成一个二聚体，长约100nm，直径约5nm 两个二聚体头与头部相连形成一个长度为200nm的四聚体，血影蛋白在体外溶液就可组装
          • 每个红细胞约含10万个血影蛋白四聚体
        • 肌动蛋白
          • 与血影蛋白四聚体游离端相连的肌动蛋白纤维链长约35nm，包含13个肌动蛋白单体和一个原肌球蛋白分子（由两个多肽链组成，每个多肽相对分子质量为3.5*10(4)）
          • 纯化的血影蛋白和肌动蛋白纤维结合力非常微弱，带4.1蛋白和内收蛋白与之相互作用大大加强了肌动蛋白与血影蛋白的结合力
          • 肌动蛋白纤维上存在多个（一般5个）与血影蛋白结合的位点，可以形成一个网络状的膜骨架结构
        • 不是内在蛋白，比较容易除去，此时血影的形状变得不规则，膜蛋白流动性增强。 *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
          • 每个血影蛋白四聚体上平均有一个锚蛋白分子
          • 膜骨架网络与细胞膜之间的链接主要通过锚蛋白
          • 两个功能性结构域
            • 一个能紧密而且特异性地与血影蛋白B链上一个位点相连
            • 一个结构域与带3蛋白中伸向胞质面的一个位点紧密结合，从而使血影蛋白网架与细胞质膜连接在一起
        • 血型蛋白
        • 带3蛋白
        • 用去垢剂TritonX-100处理血影，这两种蛋白的电泳条带消失，但血影仍能维持原来的形状，说明这两种蛋白是膜整合蛋白，在维持血影乃至细胞形态上不起决定性作用。
        • 带4.1蛋白
          • 可与血型蛋白的细胞质结构域（C端）或带3蛋白结合
          • 起使膜骨架与质膜蛋白相连的作用
        • 带4.2蛋白
      • 膜骨架主要成分：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白等
      • 刚性和柔性
        • 主要由质膜膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现,但其双凹形形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与。
        • 在红细细胞中还存在着少量短纤维状的肌球蛋白纤维,它可能与两两个或更多的肌动蛋白纤维相结合并将它们拉到一起, 以维持红细胞的形态。
  • 基本功能
    • (1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环环境。 (2)选择性的物质运输,包括代谢底物的的输人与代谢产物的排除,其中伴随着能量物质的传递。 (3)提供细胞识别位点,并完成细胞内外外信息跨膜传导,病毒等病原微生物识别和侵染特异的宿宿主细胞的受体也存在于质膜上。 (4)为多种酶提供结合位点,使酶促反应应高效而有序地进行。 (5)介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之之间的连接。 (6)质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特特化结构。 (7)膜蛋白的异常与某些遗传病、恶乐性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关,很多膜漠蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

细胞质膜

• 定义和功能
  • 围绕在细胞最外层，由脂质，蛋白质和糖类组成的生物膜
  • 功能
    • 作为细胞的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境
    • 细胞与环境的物质运输、能量转换、信息传递
  • 生物膜：（真核细胞）内膜系统与细胞质膜统称为生物膜
• 细胞质膜基本模型
  • 三明治模型
  • 单位膜模型
  • 流动镶嵌模型
    • 膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动
    • 膜蛋白分布的不对称性，结合在膜表面，嵌入或横垮脂双分子层
  • 流动脂筏模型
    • 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（脂筏）一种动态结构
    • 细胞信号转导、物质跨膜运输及病原微生物侵染细胞过程中可能起重要作用
  • 归纳
    • 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子在以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成磷脂双分子层（脂分子是组成生物膜的基本结构成分）
    • 蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子中或结合在其表面（蛋白质具有方向性和不对称性）蛋白质的类型、分布的不对称性、与脂分子的协同作用影响生物膜的特性和功能
    • 生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液
    • 在细胞生长和分裂等整个生命过程中，生物膜在三维空间可出现弯曲、折叠、延伸以及非脂双层状态等改变，处于不断动态变化中，保证细胞运动、增殖等代谢活动。
• 细胞膜基本成分
  • 膜脂
    • 生物膜的基本组成成分，每个动物细胞质膜上约有10（9）个脂分子，即每平方微米质膜上约有5*10（6）个脂分子 帮助膜蛋白锚定在生物膜上；影响膜的形态特征和生物学功能
    • 成分
      • 甘油磷脂
        • 含量：50％以上
        • 成分：3-磷酸甘油的衍生物，包括质膜中最丰富的磷脂酰胆碱（卵磷脂）&磷脂酰乙醇胺&磷脂酰肌醇
        • 合成：主要在内质网
        • 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）（存在线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂除外，其具四个尾部）
          • 脂肪酸碳链为偶数（多数16或18，也有少量14或20）
          • 除饱和脂肪酸（软、硬脂酸等）外，常常还有含1～2个双键的不饱和脂肪酸（油脂）（多为顺式）
      • 鞘脂
        • 成分：鞘胺醇的衍生物
        • 合成：主要在高尔基体
        • 形态
          • 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
          • 头部：鞘磷脂-类似于甘油磷酸的基于磷酸基团的极性头部
            • 神经鞘磷脂，丰富度最高的一种鞘磷脂，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
        • 鞘磷脂形成的脂双层的厚度较甘油磷脂的厚度更大
      • 固醇
        • 结构：一类含有4个闭环的碳氢化合物，亲水的头部为一个羟基，是一种分子刚性很强的两性化合物
        • （与磷脂不同）分子的特殊结构和疏水性太强，自身不能形成脂双层，只能插入磷脂分子之间，参与生物膜的形成
        • 胆固醇与甘油磷脂相互作用会增强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
        • 存在：动物细胞和极少数原核细胞，哺乳动物的细胞质膜中尤为丰富
        • 含量：一般不超过脂膜的1/3
        • 合成：动物细胞的胞质和内质网，动物体内胆固醇多数来自食物
        • 作用：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；很多重要的生物活性分子的前体化合物 缺乏胆固醇可能导致抑制细胞分裂
      • （少量）糖脂，属于鞘胺醇衍生物（一种鞘脂）
        • 含量：不足膜脂总量的5％（神经细胞是5%-10%）
        • 形态：两性分子，极性头部直接共价结合到鞘氨醇上的一个单糖分子或寡糖链
        • 分布：普遍存在原核和真核细胞的细胞质膜上
        • 动物细胞中最简单的糖脂是脑苷脂，只有一个葡萄糖或半乳糖残基与鞘氨醇连接
    • 运动方式
      • 沿膜平面侧向运动
        • 37℃时的扩散系数为10（-8）cm2/m（每秒2um)
        • 分子间换位，交换频率约10（7）次/秒
      • 脂分子围绕轴心的自旋运动
      • 脂分子尾部的摆动
        • 磷脂酸链靠近极性头部的摆性较大，尾部摆动较大（X射线衍射表示，距离头部9个碳原子以后的脂肪酸链已变成无序状态）
      • 双层脂分子之间的翻转运动
        • 特殊情况，滑面内质网上
      • 不仅与脂分子类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜两侧的生物大分子之间的相互作用及温度等环境有关
    • 脂质体
      • 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
      • 微团&球形脂质体
        • 单层脂分子铺展在水面上时,其极性端插人水相相而非极性尾部面向空气界面,搅动后形成乳浊液,即形成极性生端向外而非极性端在内的脂分子团，又称微团
          • 天然磷脂有两条非极性尾部，难以形成微团，用磷脂酶处理，仅保留一条脂肪酸链时，就容易形成
        • 或形成双层脂分子的球形脂质体
          • 球形脂质体直径为25~ I 000 nm 不等,控制制形成条件可获得大小均一的脂质体,同样的原理还还可以制备平 面的脂质体膜
          • 可用单一或混合磷脂制备，同时还可嵌入不同的膜蛋白
  • 膜蛋白
    • 类型
      • 周边（外在）膜蛋白
        • 性质：水溶性蛋白质
        • 不直接与脂双层的疏水核心相接，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
        • 改变溶液的离子强度或提高温度就可以从膜上分离下来，但膜结构不被破坏
      • 整合（内在）膜蛋白
        • 内在膜蛋白与膜结合比较紧密,只有用去垢剂处理使膜崩解后才可分离出来。内在膜蛋白占整个膜蛋白的 70%~80%,据估计人类基因中,1/4~1/3基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。
      • 脂锚定膜蛋白
        • 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，其水溶性的蛋白质部分位于脂双层外
        • 分类
          • 脂肪酸（豆蔻酸或软脂酸等）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的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端的半胱氨酸残基上，这种双重锚定有助于蛋白质更牢固地与膜脂结合。
          • 通过糖脂锚定在细胞质膜上。如磷脂酶C和大分子的蛋白聚糖。 与磷脂分子类似,同磷脂酰肌醇结合的2个脂肪酸链插人脂膜中。肌醇同时与长度不等的寡糖链相结合,最后寡糖末端的磷酸己醇胺与蛋蛋白质共价相连。从而有效地将蛋白质结合到质膜上。 GPI 脂锚定膜蛋白均分布在质膜外侧。
            • 不同细胞中，这类糖脂的结构大有不同，但都含有磷脂酰肌醇（PI）基团 称为磷脂酰肌醇糖脂锚定方式，GPI
    • 整合膜蛋白与膜脂结合的方式
      • 目前了解的整合膜蛋白均为跨膜蛋白
        • 结构
          • 膜质外结构域
          • 跨膜结构域
          • 胞质内结构域
      • 结合方式
        • 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（最主要最基本）
        • 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+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头部的相互作用。
        • 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
      • 作用方式
        • 跨膜结构域含20个左右的疏水氨基酸残基，形成 a 螺旋(长度约3 nm ),其外部疏流水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链(厚度约3.2 nm )相互作用，这类膜蛋白称单次跨膜蛋蛋白。（如红细胞质膜上上的血型糖蛋白A ,其跨膜的 a 螺旋由23个氨基酸残基组成。） 很多膜蛋自具有几个跨膜的 a 螺旋区,称多次跨膜蛋白 。（如最普遍存在的细胞信号转导通路, G 蛋白偶联信号号通路的细胞表面受体就是一类跨膜7次的膜蛋白。） 跨膜结结构域的 a 螺旋的方向,有的与膜面垂直,有的则与与膜面呈一定的角度。因此跨膜结构域的 a 螺旋的长度也各有差异。
        • 跨膜结构域主要由 B 折叠片 组成。如大肠杆菌外膜上的孔蛋白 以及线粒体、叶绿体外膜上的孔蛋白。由于 a 螺旋中 相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.15nm ,而在在折叠片中为0.35 nm 。所以跨膜结构域的折叠片一 般由10~12个氨基酸残基组成。16个反向平行的 B 折 叠片相互作用形成跨膜通道,通道具有疏水性的外侧和亲水性的内侧。可允许相对分子质量小于10（4）的小小分子自由通过。孔蛋白跨膜结构域疏水性的外侧以及及某些疏水性的侧链,使其稳定的结合在脂膜上。所有的的孔蛋白均为三聚体的跨膜蛋白。
        • 某些 a 螺旋既具有极性侧链又具有 非极性侧链, a 螺旋的外侧是非极性链,与膜 脂相互作用。内侧是极性链,形成特异极性分子的跨膜通 道。如人红细胞膜上的带3 蛋白，介导Cl-/HCO3-的跨膜运输
      • 水孔蛋白
        • 一类具有6个a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
      • 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
      • 作用：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，形成可溶性微粒。
      • 少量去垢剂能以单分子状态溶解于水中，达到一定浓度时可在水中形成微团，此时的浓度称为微团临界浓度（CMC*重要参数）
      • 类型
        • 离子型
          • 如十二烷基磺酸钠（SDS）具有带电荷的基团，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强烈，可引起蛋白质变性，因此在纯化膜蛋白时（特别是为获得有生物活性的膜蛋白时）常用不带电荷的非离子去垢剂
        • 非离子型
          • 如TritonX-100
          • 也可使细胞膜崩解，但对蛋白质作用比较温和，不仅用于膜蛋白的分离纯化，也用于除去细胞的膜系统，以便对细胞骨架蛋白和其他蛋白质进行研究。
• 基本特征与功能
  • 基本特征
    • 膜的流动性
      • 膜脂的流动性
        • 一般情况下，鞘脂或卵磷脂形成的脂双层膜流动性小一些 磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇&磷脂酰丝氨酸等形成的脂膜流动性大一些
        • 主要指脂分子的侧向运动，很大程度上由脂分子本身的性质决定
        • 影响因素
          • 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大
          • 温度
            • 各膜脂都具有不同的相变温度 在生物膜中膜脂的相变温度是由组成生物膜的各种脂分子的相变温度决定的
            • 鞘脂的相变温度一般高于磷脂
        • 重要性
          • 膜脂的流动性是生长细胞完成包括生生长、增殖在内的多种生理功能所必需的,在细菌和动物物细胞中常常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的的相变温度以维持膜脂的流动性。
          • 动物细胞&胆固醇
            • 在动物细胞中,胆固醇对膜的流动性也起起着重要的双重调节作用。
            • 胆固醇分子既有与磷脂疏水的的尾部相结合使其更为有序、相互作用增强及限制制其运动的作用, 也有将磷脂分子隔开使其更易流动的功功能。 其最终效应取决于胆固醇在脂膜中的相对含量以以及上述两种作用的综合效果。
            • 通常胆固醇是起到防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态的作用。在细胞质膜脂双层的 内外两侧的膜脂中,细胞外侧脂的胆固醇的含量往往高于内侧,因此内侧膜脂的流动性更弱。
        • 研究方法：荧光素标记磷脂分子
        • 运动范围：直径约0.5um的范围内自由运动 受直径约1um的膜蛋白含量较高的质膜区域所阻隔
      • 膜蛋白的流动性
        • 研究方法
          • 荧光抗体免疫标记（人鼠细胞融合实验）
            • 用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体(显绿色荧光)和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体(显红色荧光)分别标记小鼠和人1人的细胞表面,然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合。10 min 后不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散,40 min 后 已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧荧光区域。
          • 成斑现象&成帽现象
            • 成斑现象
              • 在某些细胞中,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排布,聚集在细胞表面的某些部位,即所谓成斑现象
            • 成帽现象
              • 或聚集在细胞的一端,即成帽现象
          • 在极性细胞中,质膜蛋白被某些特殊的结构，如紧密连接接限定在细胞表面的某个区域。即使在单细胞生物草履虫的细细胞质膜上,膜蛋白的分布也具有特定的区域性。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,膜蛋白的流动动性大大增加。
        • 影响
          • 如果用药物抑制细胞能量转换、蛋白质合成等代谢途径,对膜蛋白运动没有影响,但是是如果降低温度,则 膜蛋白的扩散速率可降低至原来的1/20-1/10。 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参加,也不需需要能量输出。
          • 用非离子去垢剂处理细胞使细胞膜系统究崩解,多数膜蛋白流失,但仍有部分膜蛋白结合在细胞骨架上。细胞骨架不但影响膜蛋白的运动,也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白和膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的作用因素。
      • 膜脂和膜蛋白运动速率的检测
        • 荧光漂白恢复技术（FPR）
        • 原理
          • 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,使被照射区的荧光淬灭变暗。由于于膜的流动性,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 膜蛋白或膜脂扩散速度。
    • 膜的不对称性
      • 膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不对称分分布,同一种膜 脂在脂双层中的分布不同。同一种膜 蛋白在脂双层中的 定向或其拓扑学结构完全不同,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
        • 质膜的细胞外表面-ES
          • 与细胞外环境接触的膜面
          • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的外小叶
        • 质膜的原生质表面-PS
          • 与细胞质基质接触的膜面
          • 这一层脂分子和膜蛋白称细胞膜的内小叶
        • 质膜的细胞外断裂面-EF
        • 原生质小叶断裂面-PF
        • 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
      • 膜脂的不对称性
        • 定义：同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布 多数磷脂存在于脂双层的内外两侧，但在某一侧往往含量高一些，并非均匀分布
        • 举例：人的红细胞质膜上，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&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。
        • 胆固醇在生物膜内外小叶的分布一般比较均匀 糖脂则表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜或其他内膜的ES面上，因此糖脂仅存在于质膜的细胞外小叶中以及内膜的ES面上
      • 膜蛋白的不对称性
        • 定义：每种膜蛋白分子在质膜上都具有明确的方向性
        • 举例：细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的取向传递信号和转运物质。 与质膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是质膜上的糖蛋白或糖脂，其糖残基均分布在质膜的ES面，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。
        • 意义：各种生物膜的特征和生物学功能主要是由膜蛋白决定的。膜蛋白的不对称性是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。
  • 膜骨架
    • 细胞质膜特别是膜蛋白常常与膜下结构（主要是细胞骨架系统）相互联系，协同作用，并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些特化结构包括： 膜骨架、鞭毛&纤毛、微绒毛及细胞的变形足等。 与细胞形态的维持、细胞运动、细胞物质交换和信息传递等功能有关。
    • 定义：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,它从カ学上参与维持 细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
    • 发展： 早期人们应用光学显微镜曾注意到在细胞质膜下存在约0.2u um 厚的、观察不到任何细胞结构的“溶胶层”, 又称细胞的皮层。 电镜技术出现以后,才发现质膜下的溶胶层中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝等),这些 骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。多数细胞的的细胞质膜下,也都存在精细而复杂的细胞骨架网络。
    • 红细胞的生物学特性
      • 作用
        • 红细胞负责把O2从肺运送到体内各组织,同时把细胞代谢产生的 CO2 运回肺中。哺乳动物成熟的红细胞没细胞核和内膜系统,所以红细 胞的质膜是最简单最易研究的生物膜。
      • 形态
        • 正常情况下,红细胞呈双凹形的椭球结构,直径约7 um ,但它可以通过直径比自己更小的毛细血管。 红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高的强度。
      • 特性
        • 红细胞质膜的这些特性在很大程度上是由膜骨架赋予的。 红细胞的质膜与膜骨架比较容易纯化、分析。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。 红细胞为研究质膜的结结构及其与膜骨架的关系提供了理想的材料。
    • 红细胞质膜蛋白及膜骨架
      • 红细胞质膜蛋白类型
        • 血影蛋白/红膜肽
          • 由a&B链组成一个二聚体，长约100nm，直径约5nm 两个二聚体头与头部相连形成一个长度为200nm的四聚体，血影蛋白在体外溶液就可组装
          • 每个红细胞约含10万个血影蛋白四聚体
        • 肌动蛋白
          • 与血影蛋白四聚体游离端相连的肌动蛋白纤维链长约35nm，包含13个肌动蛋白单体和一个原肌球蛋白分子（由两个多肽链组成，每个多肽相对分子质量为3.5*10(4)）
          • 纯化的血影蛋白和肌动蛋白纤维结合力非常微弱，带4.1蛋白和内收蛋白与之相互作用大大加强了肌动蛋白与血影蛋白的结合力
          • 肌动蛋白纤维上存在多个（一般5个）与血影蛋白结合的位点，可以形成一个网络状的膜骨架结构
        • 不是内在蛋白，比较容易除去，此时血影的形状变得不规则，膜蛋白流动性增强。 *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
          • 每个血影蛋白四聚体上平均有一个锚蛋白分子
          • 膜骨架网络与细胞膜之间的链接主要通过锚蛋白
          • 两个功能性结构域
            • 一个能紧密而且特异性地与血影蛋白B链上一个位点相连
            • 一个结构域与带3蛋白中伸向胞质面的一个位点紧密结合，从而使血影蛋白网架与细胞质膜连接在一起
        • 血型蛋白
        • 带3蛋白
        • 用去垢剂TritonX-100处理血影，这两种蛋白的电泳条带消失，但血影仍能维持原来的形状，说明这两种蛋白是膜整合蛋白，在维持血影乃至细胞形态上不起决定性作用。
        • 带4.1蛋白
          • 可与血型蛋白的细胞质结构域（C端）或带3蛋白结合
          • 起使膜骨架与质膜蛋白相连的作用
        • 带4.2蛋白
      • 膜骨架主要成分：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白等
      • 刚性和柔性
        • 主要由质膜膜蛋白与膜骨架复合体的相互作用来实现,但其双凹形形椭圆结构的形成还需要其他的骨架纤维参与。
        • 在红细细胞中还存在着少量短纤维状的肌球蛋白纤维,它可能与两两个或更多的肌动蛋白纤维相结合并将它们拉到一起, 以维持红细胞的形态。
  • 基本功能
    • (1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环环境。 (2)选择性的物质运输,包括代谢底物的的输人与代谢产物的排除,其中伴随着能量物质的传递。 (3)提供细胞识别位点,并完成细胞内外外信息跨膜传导,病毒等病原微生物识别和侵染特异的宿宿主细胞的受体也存在于质膜上。 (4)为多种酶提供结合位点,使酶促反应应高效而有序地进行。 (5)介导细胞与细胞、细胞与胞外基质之之间的连接。 (6)质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特特化结构。 (7)膜蛋白的异常与某些遗传病、恶乐性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关,很多膜漠蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。