细胞生物学[第四章细胞质膜]课程预习

1、精选优质文档-倾情为你奉上第四章 细胞质膜 细胞膜(cell membrane)又称质膜(plasma membrane)，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过程中也起着决定性的作用。 生物膜(biomembrane)：真核细胞内部存在着由膜围绕构建的各种细胞器，细胞内的膜系统与细胞膜统称为生物膜。 一、细胞质膜的结构模型 (一)生物膜的结构模型 目前对生物膜结构的认识可归纳如下： (1)膜脂主要由磷脂分子构成，磷脂分子具有极性头部和非极性尾部。在水相中以疏水性非极性尾

2、部相对、极性头部朝向水相自发形成磷脂双分子层的封闭的膜系统。 (2)蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。 (3)在膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与膜两侧其他生物大分子之间的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。 (二)膜脂 膜脂是生物膜的基本组成成分，每个动物细胞膜上约有109个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5×106个脂分子。 1成分 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 (1)磷脂。 磷脂是膜脂的基本成分，占膜脂的50以上。组成生物膜的磷脂分子的主要

3、特征是：具有一个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具有4个非极性尾部；脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16、18或20个碳原子组成；除饱和脂肪酸根外，还常含有不饱和脂肪酸(如油酸)，不饱和脂肪酸多为顺式，顺式双键在烃链中产生约30。弯曲。 (2)糖脂。 在原核和真核细胞的膜上，糖脂含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占510。已发现40余种糖脂，不同细胞中的糖脂种类不同。如神经细胞的神经节苷脂，红细胞表面的ABO血型糖脂。 在糖脂中，一个或多个糖残基连接于鞘氨醇上。最简单的糖脂是脑苷脂类，只有一个葡萄糖或半乳糖残基(半乳糖脑苷脂)，较

4、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。糖酯均位于膜的非胞质面单层(即在质膜上位于细胞外侧，在各种细胞器的细胞内膜上)，并将糖基暴露在细胞表面，其作用可能作为某些大分子的受体，与细胞识别及信息传导有关。 (3)胆固醇。 胆固醇存在于真核细胞膜上，其含量一般不超过膜脂的13。胆固醇分子散布在磷脂分子之 间，其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，将固醇环固定在近磷脂头部的碳氢链上，使之不易活动。这种排列方式对膜的稳定性十分重要。胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等方面都起着重要作用。细菌质膜中不含有胆固醇成分，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂质

5、。 2膜脂的运动方式 膜脂分子热运动方式有： (1)沿膜平面的侧向扩散(lateral diffusion)。其扩散系数为10-8cm2s，相当于每秒移动2m的距离。由于侧向运动产生分子间的换位，其交换频率在106次s以上。侧向运动是膜脂分子的基本运动方式，具有重要的生物学意义。 (2)脂分子围绕轴心的自旋运动(rotation)。 (3)脂分子尾部的摆动(flexion)。脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小，尾部摆动较大。X射线衍射分析显示，在距头部第9个碳原子以后的脂肪酸链已由较为有序变成无序状态，有些可能折叠形成“小结”，这有助于解释极性的水分子比较容易通过细胞膜的现象。 (4)双层脂分子之

6、间的翻转运动(nip-flop)。一般情况下翻转运动极少发生，其发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10-10。但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，新合成的磷脂分子经几分钟后，将有半数从双层脂分子的一侧通过翻转运动转向另一侧。 脂分子的运动不仅与脂分子的类型有关，也与脂分子同膜蛋白及膜周围的生物大分子之间的相互作用以及温度等环境条件有关。 3脂质体 脂质体(1iposome)是根据磷脂分子在水相中形成稳定脂双层膜的特性而制备的人工膜。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部的脂分子团或形成双层脂分子

7、的球形脂质体。 球形脂质体直径为251000nm不等，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。 脂质体可用不同的膜脂来制备，同时还可以嵌入不同的膜蛋白，因此脂质体是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可用于基因转移。 (三)膜蛋白 1膜蛋白的类型 根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为两大基本类型： 膜周边蛋白(peripheral proteins)或称外在膜蛋白(extrinsic proteins)：膜周边蛋白为水溶性蛋白，靠离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提

8、高温度就可以从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。 膜内在蛋白(integral proteins)或称整合膜蛋白：膜内在蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂使膜崩解后才可分离出来，且多数为跨膜蛋白(transmembrane proteins)，也有些插入脂双层中。 2膜内在蛋白与膜脂结合的方式 膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水部分相互作用。 膜蛋白跨膜结构域两端携带正电荷氨基酸残基(如精氨酸、赖氨酸等)与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或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相互作用。 膜内在蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位，具体作用方式如下： (1)跨膜

9、结构域形成螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用。 (2)某些螺旋既具有极性侧链又具有非极性侧链，螺旋的外侧是非极性链，内侧是极性链，形成特异极性分子的跨膜通道。如人红细胞Band蛋白，它介导Cl/HCO3-的跨膜运输。 (3)某些跨膜蛋白(如大肠杆菌外膜上的孔蛋白(porins)和线粒体内膜上的孔蛋白)，其跨膜结构域常常仅有1012个氨基酸残基，形成折叠片结构。螺旋中相邻二个氨基酸残基的轴向距离为015Hi，而在折叠片中为O35nm。反向平行的；折叠片相互作用形成非特异的跨膜通道，可允许相对分子质量小于104的小分子自由通过。 3去垢剂 去垢剂(detergent)是一

10、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。去垢剂可分为两类离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠(SDS)非离子型去垢剂Triton X-100。 二、生物膜基本特征和功能 (一)膜的流动性 成斑现象(patching)是指在某些细胞中，当荧光抗体标记时间继续过长，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(capping)是指标记荧光会聚集在细胞的一端。 成帽现象和成斑现象显示了膜蛋白的流动性。这种现象反映了二价的抗体分子交联相邻的膜蛋白分子，同时也与膜蛋白和膜下骨架系统的相互作用及质膜与细胞内膜系统之间膜泡运输相关。实际上，并非所有的膜蛋白都在膜上自

11、由流动，有的因某些特殊的结构被限定在细胞表面的某个区域。 光脱色恢复技术光脱色恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching，FRAP)是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。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个区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的高度逐渐增加，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率。 (二)膜的不对称性 (1)细胞膜各部分的名称。 与细胞外环境接触的膜面称质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface，ES)，与细胞质基质接触

12、的膜面称质膜的原生质表面(protoplasmic surface，PS)。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，这样又产生了质膜的细胞外小页断裂面(extrocytoplasmic face，EF)和原生质小页断裂面(protoplasmic face，PF)。 细胞内的膜系统也根据类似的原理命名，如细胞内的囊泡，与细胞质基质接触的膜面为它的PS面，而与囊泡腔内液体接触的面为ES面。 (2)膜脂的不对称性。 膜质的不对称性是指同一脂膜分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜的ES面上，因此糖脂仅存在于质膜的细胞外小页中。糖脂的不对称分

13、布是完成其生理功能的结构基础。 (3)膜蛋白的不对称性。 所有的膜蛋白，不论是膜周边蛋白还是膜内在蛋白在质膜上都呈不对称分布。与膜脂不同，膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。如细胞表面的受体、膜上载体蛋白等，都是按一定的方向传递信号和转运物质，与细胞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，其糖残基均分布在质膜的ES面。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。 (三)细胞质膜的基本功能 生物膜的结构模型与生物学特征也基本适于细胞膜，但要指出的是，细胞膜作为细胞

14、内外边界，其结构更为复杂，功能更为多样。细胞膜的主要功能概括如下： (1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。 (2)选择性物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量的传递。 (3)提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递。 (4)为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行。 (5)介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接。 (6)质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 (7)膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤，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。 三、膜骨架 细胞膜常常与膜下结构(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

15、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(membrane associated cytoskeleton)、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。 (一)膜骨架 膜骨架是指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。光镜下人们曾发现细胞膜下存在约02m厚的溶胶层，电镜出现以后，人们才逐渐认识到膜下溶胶层的实质，其中含有丰富的细胞骨架纤维(如微丝、微管等)，这些骨架纤维通过膜骨架与质膜相连。对膜骨架研究最多的还是哺乳动物的红细胞。 (二)红细胞的生物学特性 红细胞的主要功

16、能是负责把O2从肺中运送到体内各组织，同时把细胞代谢中产生的CO2运回肺中。哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜体系，所以红细胞的质膜是最简单易操作的生物膜。红细胞的血影一是指当细胞经低渗处理后，质膜破裂，血红蛋白及其可溶性蛋白被溶出，这时红细胞仍然保持原来的形状与大小。这种结构称之为血影。 (三)红细胞质膜蛋白及膜骨架 SDS-PAGE分析血影的蛋白成分显示：红细胞膜蛋白主要包括血影蛋白或称红膜肽(spectrin)、锚蛋白(ankyrin)、带3蛋白、带41蛋白和肌动蛋白(actin)，但此外还有一些血型糖蛋白(glycophorin)。 改变处理血影的离子强度，则血影蛋白和肌动蛋白条带消

17、失，说明这两种蛋白不是膜内在蛋白，比较容易除去，此时血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增强，说明这两种蛋白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。 若用去垢剂Tritonx100处理血影，这时脂质、带3蛋白及一些血型糖蛋白消失，但血影仍能维持其形态，说明带3蛋白及血型糖蛋白是膜整合蛋白，在维持细胞形态上并不起决定性作用。 存留的部分即是纤维状的膜骨架蛋白网络及部分与之结合的膜内在蛋白，因此血影的形状仍能保持。膜骨架蛋白主要成分包括血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带41蛋白等。 与血影蛋白四聚体游离端相连的肌动蛋白纤维长约35nm，其中包含13个肌动蛋白单体和一个长35nm的原肌球蛋白分子。因为肌动蛋白纤维的长度与原肌球蛋白分子长度相同，故认为原 肌球蛋白决定了肌动蛋白纤维的长度。纯化的血影蛋白与肌动蛋白纤维结合力非常弱，带41蛋白和adducin大大加强了肌动蛋白与血影蛋白结合。由于肌动蛋白纤维上存在多个(一般为5个左右)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，膜骨架网络与细胞膜之间的连接主要通过锚蛋白。 每个血影蛋白四聚体上平均有一个锚蛋白分子。锚蛋白含有两个功能性结构域：一个能紧密、特异地与血影蛋白链相连；另一个结构域与带3蛋白中伸向胞