细胞生物学第三章细胞质膜

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细胞质膜的概念

细胞质膜结构模型演化

双层脂分子
蛋白质-脂质-蛋白质三明治模型(又称片层结构模型), 该模型认为膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构,脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被,即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构,内外两层的蛋白质层都非常薄。并且,蛋白层是以非折叠、完全伸展的肽链形式包在脂双层的内外两侧。1954年对该模型进行了修改:膜上有一些二维伸展的孔,孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性,可提高水对膜的通透性。这一模型是第一次用分子术语描述的结构,并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来, 对后来的研究有很大的推动作用。
单位膜模型, 主要是根据电子显微镜的观察, 发现细胞膜是类似铁轨结构,两条暗线被一条明亮的带隔开,显示暗-明-暗的三层,总厚度为7.5nm,中间层为3.5nm,内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质,透明层是脂,并建议将这种结构称为单位膜。
流动镶嵌模型: 主要强调膜的流动性, 膜蛋白分布不对称性, 认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对,极性头部朝向水相组成生物膜骨架,蛋白质或嵌在脂双层表面,或嵌在其内部,或横跨整个脂双层, 表现出分布的不对称性。
脂筏模型: 脂筏是指质膜外层富含胆固醇和鞘磷脂, 富集而形成有序脂相的微结构域, 是一种动态结构。脂筏像一个蛋白质停泊的平台, 其上载有蛋白质, 与膜信号转到有密切关系。①许多蛋白质聚集于脂筏, 便于相互作用②脂筏提供蛋白质一个有利于构象变化的环境, 形成有效构象。

根据已有的实验结果,生物膜具有如下共同特征:

膜的基本结构由脂双分子层镶嵌蛋白质构成, 双层脂分子以疏水性尾部相对,极性头部朝向水相。
蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子层中或结合在其表面,其分布的不对称性和与脂分子的协同作用使生物膜具有各自的特性与功能。
生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维流体。

细胞质膜的成分

膜脂

膜脂的成分

膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇三种类型。

甘油磷脂: 磷脂构成了膜脂的基本成分, 分为甘油磷脂和鞘磷脂。由极性头部和两条疏水尾部组成, 为双极性分子。
鞘脂: 为鞘氦醇的衍生物。含1-7个糖残基。
固醇: 胆固醇主要存在于动物细胞, 可调节膜的流动性、增加膜的稳定性及降低水溶性物质的通透性。某些细菌含有中性脂类。

膜脂的运动方式

沿膜平面的侧向运动: 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
脂分子围绕轴心的自旋运动
脂分子尾部的摆动: 脂肪酸链靠近极性头部的摆动较小, 其尾部摆动较大, 在距头部第9个碳原子以后的月旨肪酸链已变成无序状态
双层脂分子之间的翻转运动: 一般情况下翻转运动极少发生在细胞某些膜系统中发生的频率很高, 特别是在内质网上

膜蛋白

膜蛋白的类型

膜蛋白可分为三类:外在膜蛋白(外周膜蛋白)、内在膜蛋白(整合膜蛋白)、脂锚定膜蛋白。

1.外在膜蛋白为水溶性蛋白,分布在膜表面, 与膜结合较疏松,用温和的方法就可从膜上分离下来膜结构并不被破坏。外在膜蛋白可以增加膜的强度, 参与信号分子识别和转导, 是构成细胞质膜的重要组成部分。
2.内在膜蛋白多为跨膜蛋白,也有些插入脂双层中,与脂双层分子结合紧密。只有用去垢剂使膜崩解后可分离出。占整个膜蛋白的70%~80%。
3.脂锚定蛋白: 通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双层中, 锚定在细胞质膜上, 其水溶性蛋白质部分位于脂双层外。同脂结合有两种方式, 一种是蛋白质直接结合于脂双分子层, 另一种方式是蛋白并不直接同脂结合, 而是通过一个糖分子间接同脂结合。

内在膜蛋白/跨膜蛋白的结合方式

跨膜蛋白与膜结合的方式

膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用, 这是内在膜蛋白与膜脂最主要的和最基本的结合方式
跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基, 如精氨酸、赖氨酸等与脂分子带负电的极性头部形成离孑腱, 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。
内在膜蛋白的跨膜结构域与膜脂结合的主要部位具体作用方式: 1. 跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基, 形成$\alpha$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. 跨膜结构域主要由$\beta$折叠片组成, 16个反向平行的$\beta$折叠片相互作用形成跨膜通道, 具有疏水性的外侧和亲水的内侧3. 某些$\alpha$螺旋既有极性侧链又有非极性侧链, 多个$\alpha$螺旋形成持异性极性分子的跨膜通道, 其外侧是非极性涟, 内侧是极性链, 形成涌道.

细胞质膜基本功能

为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境
选择性的物质运输包括代谢底物的输入与代谢产物的排除, 其中伴随着能量物质的传递
提供细胞识别位点, 并完成细胞内外信息跨膜传递
为多种酶提供结合位点, 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疾病相关, 很多膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。

细胞质膜基本特征

膜的流动性

细胞膜的流动性是细胞质膜也是所有生物膜的基本特征之一, 也是细胞生长繁殖等生命活动的必要条件

1.膜脂的流动性
- 膜脂的流动性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
- 影响膜脂流动性的因素
- 胆固醇含量: 对膜具有双重调节作用, 既可以和磷脂疏水的尾部相结合使其更为有序、相互作用增强及限制其运动等作用, 又可以将磷脂分子隔开使其更易流动;
- 脂肪酸链的饱和度: 饱和度越低, 膜流动性越强
- 脂肪酸链的长度: 长链, 相变温度高, 膜流动性低
- 其他因素: 温度、酸碱度、离子强度等。
2.膜蛋白的流动性

膜的不对称性

细胞质謨各膜面的名称
- 质膜的细胞外表面(extrocytoplasmic surface, ES)
- 质膜的原生质表面(protoplasmic surface, PS)
- 细胞外小叶断裂面(extrocytoplasmic face, EF)
- 原生质小叶断裂面(protoplasmic face, PF)
- 内膜系统与细胞质接触的面为PS面, 与囊泡腔内液体接触的面为ES面
膜脂的不对称性
- 膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中成不均匀分布, 糖脂分布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, 糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础
膜蛋白的不对称性
- 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, 都是按一定的取向传递信号和转运物质, 如糖蛋白其糖残基均匀分布在质膜的ES面。膜蛋白的不对称性是在它们合成时就已经确定.

考点补充

1999年报道, 我国科学家成功将离体的B型血改造为O型血, 请解释原理(2001)

人体血型系统由红细胞膜表面抗原不同而组成不同血型, 在临床上最常见的是两种血型系统, 一种是ABO血型系统, 另一种是Rh血型系统。不同血型系统之间又存在明显区别, ABO血型系统和Rh血型系统两者最大的区别, 在于体内是否存在RhD抗原。

ABO血型系统是由9号染色体上的基因决定, 属于一种显性遗传, 当红细胞表面表达的抗原为A抗原时, 所测血型就是A型, A型血的人血浆中含有的抗体是抗B抗体。对于表达B抗原的血型就属于B型血, 而B型血的人血浆中含有的抗体是抗A抗体。红细胞表面抗原同时表达A抗原和B抗原, 在进行血型检测时, 血型就是AB型, 此时在血浆中既不包括抗A抗体, 也不含有抗B抗体。O型血是指红细胞膜表面的抗原既不表达A抗原, 也不表达B抗原, 而O型血的人血浆中含有的抗体是抗A抗体和抗B抗体。

A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同, 只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖胺;B型血为半乳糖;AB型两种糖基都有, O型血则缺少这两种糖基。

我国海南的咖啡豆中提取了阿尔发半乳糖苷酶。这种酶可以把B型血中最外端的半乳糖切除掉, 使B抗原活性丧失, 呈现O型血的典型特征, 从而成功地使B型血转变成O型血。

动物进入冬眠状态过程中, 其组织中细胞膜脂的不饱和度是升高还是降低？对细胞有何意义?

冬天温度降低, 许多动物会进入冬眠状态, 温度降低的情况下, 细胞质膜上的膜脂流动性也会降低, 为了避免细胞膜流动性降低到一定程度使得细胞膜过度凝固和破裂, 不饱和脂肪酸在寒冷条件下更稳定, 能够帮助细胞质膜在低温下保持流动性, 保持细胞质膜的功能和完整性, 因此动物会通过增加细胞膜脂的不饱和度来维持细胞质膜的流动性。之所以不饱和度增加会增加流动性, 是因为不饱和脂肪酸分子中的双键使得脂肪酸链可以相对自由地旋转, 这使得脂肪酸分子之间的相互作用减弱, 从而降低了细胞膜的刚性, 增加了膜的流动性。

对于细胞来说, 这种不饱和度的增加具有以下意义:

保持细胞膜流动性: 不饱和脂肪酸有助于在低温条件下保持细胞膜的流动性, 防止其变得过于僵硬, 影响细胞的功能。
保护细胞膜结构: 不饱和脂肪酸可以减少低温对细胞膜结构的破坏, 有助于细胞在冬眠期间存活。
适应环境变化: 动物通过增加细胞膜脂的不饱和度来适应冬眠期间的环境变化, 这种适应性有助于它们在冬季环境中生存。

因此, 动物在进入冬眠状态时, 通过增加细胞膜脂的不饱和度, 能够更好地适应低温环境, 保护细胞结构和功能, 从而保证在冬眠期间细胞的存活和恢复能力。

如何改变mTOR通路的活性？ #learnlater

加入PI3K的抗体, 阻止他和RTK结合激活
mTOR抑制剂, 使其不能识别Akt
利用一些RNA干扰等技术去敲减, 降低相应基因的表达, 从而阻断通路

红细胞质膜骨架的主要成分和结构 #learnlater

组成:

血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络
带4.1蛋白和血型糖蛋白相互作用
锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用·

膜骨架(membrane associated cytoskeleton): 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, 参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能

血影(ghost): 当细胞经低渗处理后, 质膜破裂, 释放出血红蛋白和胞内其他可溶性蛋白, 此时红细胞仍保持原来的基本形态和大小, 这一结构为血影

红细莫蛋白主要包括血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、带4.2蛋白和肌动蛋白, 此外还有一些血型糖蛋白

血影蛋白(spectrin): 又叫收缩蛋白, 是膜骨架主要成分, $\alpha \beta$亚基构成, 非膜蛋白

血型糖蛋白A(glycophorin A): 红细胞膜蛋白, 富含唾液酸, 类似的还有血型糖蛋白B, C, D, 单次跨膜蛋白

带3蛋白(band 3 protein): 膜蛋白, “阴离子通道”;多次跨膜

肌动蛋白(actin): 又称带5蛋白, 是膜骨架的主要成分, 肌动蛋白纤维上有多个不血影蛋白结合的位点

锚定蛋白(ankyrin): 又称带2.1蛋白, 一方面连接血影蛋白, 一方面连接带3蛋白
带4.1蛋白(band 4.1 protein): 膜骨架成分, 促使血影蛋白和肌动蛋白结合,

甘油磷脂的特点与功能

膜脂是生物膜的基本组成成分, 不仅能够帮助膜蛋白定在生物膜上, 还能够影响膜的形态特征和生物学功能, 主要包括甘油磷脂、鞘脂和胆固醇三种类型

1.定义: 是构成膜脂的基本成分之一, 为3-磷酸甘油的衍生物, 占整个膜脂的50％以上
2.类型: 磷脂酰胆碱(卵磷脂, PC), 磷脂酰丝氨酸(PS), 磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰肌醇(PI)
3.定位: 在内质网进行合成
4.功能: 它不仅是生物膜的基本成分, 而且其中的某些成分在细胞信号转导中起重要作用
5.主要结构特征
- 具有一个与磷脂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菌质膜上的心脂除外, 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, 如与PC上交, PE更倾向于形成曲面膜。
- 脂肪酸碳链为偶数, 多数碳链由16或18个碳原子组成。
- 除饱和脂肪酸外, 还含有1-2个双键的不饱和脂肪酸, 不饱和月旨肪酸多为顺式, 顺式双键在烃链中产生约$30^\circ$的弯曲·

实验证明膜蛋白流动性

荧光抗体免疫标记细胞融合: 用抗鼠细胞质膜蛋白的荧光抗体(绿色)和抗人细胞质膜蛋白的荧光抗体(红色)分别标记小鼠和人的细胞表面, 然后用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合。10min后观察到不同颜色的荧光在融合细胞表面开始扩散, 40min后已分辨不出融合细胞表面绿色荧光或红色荧光区域。加上不同的滤光片可以显示红色荧光或绿色荧光都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脂膜上的运动。
荧光漂白恢复技术(FRAP): 是指使用亲脂性或亲水性荧光分子, 如绿色荧光蛋白等与蛋白或脂质耦联, 用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部的运动及其迁移速率。原理: 利用高能激光束照射细胞的某一特定区域, 使该区域内标记的荧光分子发生不可逆的淬灭, 这一区域称为光漂白区, 由于细胞中脂质分子或蛋白质分子的运动。结果使光漂白区的荧光强度逐渐恢复到原有水平。这一过程称为荧光恢复。荧光恢复的速度在很大的程度上反映荧光标记的脂质或蛋白质在细胞中的运动速率。
成斑现象(patching): 在荧光免疫标记试验中, 两种蛋白的膜蛋白荧光抗体混合后, 由于膜蛋白的流动性, 一段时间后, 两种荧光蛋白抗体均匀分布在质膜上。时间继续延长, 标记的荧光抗体在细胞表面会重新分布, 聚集在细胞的一定部位即所谓的成斑现象。成帽现象(capping):在荧光免疫标记试验中, 两种蛋白的膜蛋白荧光抗体混合后, 由于膜蛋白的流动性, 一段时间后, 两种荧光蛋白抗体均匀分布在质膜上。经过一段时间后, 二价抗体在细胞膜表面相互交联使被标记的膜蛋白集聚在细胞的一端, 即成帽现象。成斑现象和成帽现象进一步证明了膜蛋白的流动性。

名词补充

glycerophosphatide

甘油磷脂(glycerophosphatide): 甘油磷脂构成了膜脂的基本成分, 为3-磷酸甘油的衍生物, 占整个
膜脂的50%以上。主要包括: 磷脂酰胆碱(卵磷脂, PC)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂
酰肌醇(PI)等, 主要在内质网进行合成。它不仅是生物膜的基本成分, 而且其中的某些成分在细胞信号转
导中起重要作用。

sphingolipid

鞘脂(sphingolipid): 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。鞘脂均为鞘氨醇的衍生物, 主要在高尔基体合成。其头部可能是类似于甘油磷脂的基于磷酸基团的极性头部, 称为鞘磷脂。鞘脂是构成膜成分的重要组成成分。

sphingomyelin

鞘磷脂(sphingomyelin, SM): 鞘磷脂在神经系统中非常丰富, 丰度最高的鞘磷脂为神经鞘磷脂, 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。鞘磷脂形成的脂双层的厚度比甘油磷脂的更厚。
原核细胞和植物细胞不具有鞘磷脂。其分子结构与甘油磷脂非常相似, 可以与甘油磷脂共同组成生物膜。

glycolipid
糖脂(glycolipid): 属于鞘脂中的一类, 属于两性分子。它的极性头部直接共价连接到鞘氨醇上的一个糖分子或寡糖链。糖脂普遍存在于原核细胞和真核细胞的细胞质膜上, 其含量不高, 在神经细胞质膜上糖脂含量较高。不同的细胞中所含糖脂的种类不同, 均具有重要的生物学功能。

liposome

脂质体(liposome): 磷脂分子可在水中形成稳定的脂双层膜,其亲水头部插人水中, 疏水尾部伸向空气, 搅动后形成的球形双层脂分子即为脂质体。①用于研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的实验材料;②脂质体中裹入DNA可有效地将其导入细胞中, 常用于转基因实验;③在临床治疗中, 脂质体技术与单克隆抗体结合可使药物更有效的作用于靶细胞减少对机体的损伤。

Sterol

固醇(Sterol): 胆固醇及其类似物的总称。是一类含有四个闭环的碳氢化合物, 其亲水头部为一个羟基, 是一种分子刚性、疏水性很强的两性化合物。

cholesterol

胆固醇(cholesterol): 是动物组织中含量最丰富的固醇类化合物。它是一类含有4个闭环的碳氢化合物。其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。主要分布在真核细胞膜上, 含量一般不超过膜脂的1/3, 植物细胞膜中含量较少。胆固醇作为膜脂的主要类型之一, 可以提高脂双层的力学稳定性, 调节脂双层流动性, 降低水溶性物质的通透性。

detergent

去垢剂(detergent): 是一端亲水、一端疏水的两性小分子, 是分离与研究膜蛋白的常用试剂, 可使细胞膜分解。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, 形成可溶性微粒。一般具有乳化、分散和增溶的作用, 可分为阴离子、阳离子和中性去垢剂等多种类型。

extrinsic/peripheral membrane protein

外在膜蛋白(peripheral membrane protein): 或称为外周膜蛋白, 为水溶性蛋白质, 暴露在脂双层的外侧或内侧, 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。通过改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来, 但膜结构并不被破坏。外在膜蛋白可以增加膜的强度, 参与信号分子识别和转导, 是构成细胞质膜的重要组成部分。

intrinsic/integral membrane protein

内在膜蛋白(integral membrane protein): 或称为整合膜蛋白或跨膜蛋白(transmembrane protein), 结构上分为胞质外结构域、跨膜结构域、胞质内结构域。部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧, 以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。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。内在膜蛋白是构成细胞质膜的重要组成部分。

lipid-anchored membrane protein

脂锚定膜蛋白(lipid-anchored membrane protein): 通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双层中, 锚定在细胞质膜上, 其水溶性蛋白质部分位于脂双层外。同脂结合有两种方式, 一种是蛋白质直接结合于脂双分子层, 另一种方式是蛋白并不直接同脂结合, 而是通过一个糖分子间接同脂结合。

aquaporin

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。

作业

问: 膜脂有哪几种基本类型?它们各自的结构特征与功能是什么?

问: 从生物膜结构模型的演化, 谈谈人们对生物膜的认识过程。

问: 细胞表面有哪几种常见的特化结构?

问: 生物膜的”单位膜”模型是根据哪一种电镜制样技术的实验结果提出来的?为什么在多数细胞超微结构图片中, 难以观察到”单位膜”的图像?

问: 什么是膜蛋白？有哪些基本类型？