细胞膜的分子结构

1、第二节细胞膜的分子结构一、膜的亚微结构-单位膜各种细胞膜和细胞内膜在电镜下均呈“两暗夹一明”的三层式结构，把这种结 构称为单位膜（图2-5）。图2-5二、膜的分子结构膜中的脂类、蛋白质及糖类在细胞膜上的位置，排列方式及它们之间的相互 关系等问题的阐明，对于理解细胞膜的功能活动机制是十分必要的。因此，对细胞 膜分子结构的研究，多年来一直是学者们最为重视的课题之一。早在1925年，就有人曾提取红细胞膜的脂质，然后将脂质放在水面上制成由 单层脂质分子构成的膜，发现此膜面积相当于红细胞的总面积的2倍，因而认为红 细胞膜是由连续的双层脂质分子组成的,虽然这个研究中有两个错误的假设，一 是丙酮没有抽提完所

2、有的脂类，二是表面积的测量是根据干的样品，实际所测的 值少于真实的湿的样品，但这一发现，第一次提出了双层脂质分子是细胞膜的基 本结构的概念为人们进一步认识生物膜的分子结构奠定了科学基础，至今科学家 们已先后提出了几十种不同的细胞膜分子结构模型，但脂类双层这一概念已为大 部份模型所接受,下面介绍几种重要的模型。片层结构模型在1935年，人们发现细胞膜的表面张力明显低于油-水界面的表面张力，认为 不可能单纯由脂类构成，可能还吸收附有蛋白质，提出了片层结构模型。此模型认为，细胞膜中央是连续的磷脂双分子层，它们的亲水端朝向膜中央, 球形蛋白分子吸附在内、外表面上，形成蛋白质-磷脂双层-蛋白质的片层。此

3、模型第一次用分子术语来描述膜的结构，并将膜的分子结构与所观察到的 生物学理化性质联系起来，这时对细胞膜的研究给予了很大启示。此模型中所提 出的脂质双层排列方式一直沿用至今。单位膜模型在1959 年,Robertson利用电镜技术对各种细胞膜观察和研究发现它们厚度 基本一致，约75A,而且都有“两暗夹一明”的三层结构图象,便在片层结构模型的 基础上提出了单位膜模型。该模型认为“两暗夹一明”三层结构中的暗带，是对饿酸亲合力大的蛋白质层, 而明带是双层脂类分子，蛋白质层并非是球形蛋白质(因为球形蛋白质的直 径2nm)。而是由单层肽链的B折叠形式的蛋白质，通过静电作用与磷酸极性端相 结合。该模型提出各

4、种生物膜在形态上的共性,但无法说明膜的动态结构变化及功 能特性的多样化，但该模型提出的单位膜的概念一直沿用至今。液态镶嵌模型(fluid mosaic model)60年代以后，在膜的研究中采用了一系列新技术和方法，获得了许多知识，相 继又提出了许多模型，其中1972年提出的液态镶嵌模型，得到了广泛的支持。该模型的主要论点是:流动的脂双层构成膜的连续主体，球形的膜蛋白质以各 种镶嵌形式与脂双分子层相结合。构成膜的脂双层具有液晶态的特性，它既有晶 体的分子排列的有序性，又有液体的流动性（图2-6 ）。该模型的突出特点是强调了膜的流动性和上述膜组分分布的不对称性，即膜 的结构成份不是静止的，而是动

5、态的。但该模型也有其不足之处，它忽视了蛋白质 分子对脂类分子流动性的限制作用，忽视了膜各部分流动性的不均匀性等,从而使 人们又提出了一些新的模型。4.晶格镶嵌模型1975年提出，该模型认为细胞膜所以具有流动性是由于脂类可逆地进行无序 （液态）和有序（晶态）的相变过程，镶嵌蛋白对脂类分子的运动有控制作用，可使其 周围的脂质分子形成界面脂，而不发生单独活动，两者合在一起构成膜中晶态部份 （晶格）。流动的脂质是局部的，仅是小片的点状分布。5.板块镶嵌模型1977年提出，该模型认为，在流动的脂类双分层中存在许多大小不同,刚性较 大，彼此独立移动的脂质区（有序结构的“板块”），期间被流动的脂质“板块”（

6、无序的） 所分割，这两种“板块”之间可能存在一种连续的动态平衡，因而细胞膜实际上是同 时存在有不同流动性的板块镶嵌而成的动态态结构:这种结构使细胞膜的各部分 的流动性处于不均一状态，并可随生理状态和环境条件的变化而发生晶态和非晶 态的相变化。事实上，这两种模型与液态镶嵌模型并无本质差别，只不过是对膜的流动性的 分子基础作了解释，因而是对液态镶嵌模型的补充。目前所流行的关于膜结构的 基本观点，仍然是液态镶嵌模型。二、膜的重要特性生物膜具有两个显著的特性:膜的不对称性和膜的流动性。（一）膜的不对称性：细胞膜内外两层的组分分布和功能有很大的差异，人们称这种差异为膜的不 对称性（asymmetry），

7、各种膜结构都存在着不对称性。膜蛋白分布的不对称性膜蛋白的分布是绝对不对称的，膜两侧嵌入蛋白的数量、位置、种类不同，周 围蛋白多在膜的内表面，酶蛋白有的只存在于外侧，有的只存在于内侧，就是贯穿 膜全套的镶嵌蛋白,二个亲水端的长度和aa种类，顺序也不相同。例如:血型糖蛋白分子伸向膜内，外侧面的氨基酸残基数目不对称（图2-7）。红细胞膜内侧面分布有血影蛋白而外侧面没有。冰冻蚀刻技术观察胞质面的蛋白质颗粒比细胞外侧面少（图2-8）。Vai Pro Lsu ger2-7血型糖蛋白c A Thr Asp vol 5 5 set sBrPro LeU Pro Ser P E Tb了% Vai110Glu图2

8、-8冰冻蚀刻技术膜脂的不对称性鸵f GluM膜脂不对称表现在两侧分布的各类脂的含量比例不同，在不同的细胞膜脂不 对称性差异很大，不易改变，故脂分子在膜上翻转的机率是很小的。例:血红细胞为例，含胆碱的磷脂,如磷脂酰胆碱、鞘磷脂则主要分布在外层； 含氨基酸的磷脂如磷脂酰丝aa,磷脂酰乙醇胺则主要分布在内层（图2-9）。磷脂总量占磷脂总量的百分数5040 30 2010o102030 4050神经磷脂磷脂酰胆碱I磷脂酰丝氨酸外层磷脂层erinenl|n-l胞质面磷脂层图2-9人红细胞膜内外层磷脂的不对称分布胆固醇的分布也是不对称的，它倾向集中于细胞膜的外层。糖脂也主要分布于外层。膜糖的不对称性糖类主

9、要分布于细胞膜的外表面，与膜脂和膜蛋白结合成糖脂和糖蛋白。综上所述，细胞膜内外两层的组成分布是不对称的，从而使膜的功能产生了方 向性,使膜的两侧具有不同的功能，膜的不对称性具有重要的生物学意义。（二）膜的流动性膜的流动性是指组成膜的分子的运动性,包括膜脂的流动性和膜蛋白的运动 性。膜脂的流动性在生理条件下（生理温度），膜脂质多是液晶态，当温度下降到某一点时,液晶态 又变为晶态，温度上升时，晶态又溶解为液晶态，这种变化称为相变，这一引起相变 的温度称为相变温度。膜脂质分子在相变温度以上时，有以下几种主要的运动方式。分子内部烃链的旋转异构运动,烃链可以从全反式构象和歪扭构象之间产 生旋转，即C-C

10、键的旋转而引起的异构运动。随着温度的开放,歪扭构象增多，流动 性加大。整个分子的旋转运动:即围绕与膜平面相垂直的铀进行旋转。脂肪酸链的伸缩、震荡运动。侧向扩散运动:各脂质分子沿膜平面不断侧向移动交换位置。翻转运动:脂分子在双分子层之间，由一层侧翻至另一层，这种运动极少发 生。膜蛋白的运动性蛋白分子的侧向扩散1970 年,Edidin用细胞融合法首先证明了膜蛋白质具有侧向移动的运动特点, 他用发绿色萤光的萤光素标记小鼠细胞膜表面的抗体蛋白，使其与小鼠细胞膜表 面的抗原结合。用发红色萤光的罗丹明标记人的抗体蛋白，使其与人红细胞膜上 的抗原结合，当小鼠与人的两种细胞融合后，在萤光显微镜下观察膜表面一

11、半呈红 光绿色，另一半呈红色光,37。保温40后，两种颜色的萤光点在融合的新细胞膜上 呈均匀分布(图2-10 BMouse CellTime after fusion 0-00Human Cell图2-10人-鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动有的实验以淋巴细胞为材料也得到了类似的结果，用抗淋巴细胞的专一抗体 标记萤光，再用淋巴细胞的表面抗原结合，就可根据萤光的分布来追踪细胞抗原的 位置变化。在刚开始结合时，抗原在细胞表面的分布很均匀，几分钟后，由均匀状态 变为成簇分布。随之又成斑，最后全部集中到某一区域形成帽状结构，即成帽反应。目前测定蛋白质的侧向扩散需采用光致漂白萤光恢复法，这种方法是利

12、用激 光,使膜上结合含有萤光的膜蛋白的某一微区不可逆地漂白，然后由于扩散运动, 其他部位的膜蛋白进入这个微区时，萤光又重新恢复。可用其恢复速度计算蛋白 分子的侧向扩散系数和速率（图2-11）。BLEACH WITH LASERBEAMRECOVERS-(1)脂肪酸链的长短不饱和程度:重要因素脂肪酸链越长,膜流动性越低，不饱 和脂肪酸越多，膜流动性越高。胆固醇与磷脂的比例:胆固醇含量增加，膜脂的有序性增加，膜的流动性降 低，但在低于相变温度时,膜脂处于晶态，胆固醇却又能扰乱膜脂有序性的出现，阻 止晶态的形成。卵磷脂与鞘磷脂的比值:卵磷脂所含蛋白的不饱和脂肪酸高，相变温度低, 而鞘磷脂相反，所含的脂肪酸不饱和程度低，所以鞘磷脂含量高则膜有流动性低