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1、第二章 细胞质膜细胞质膜也称质膜，是包围着细胞表面的一层薄膜，电镜观察显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5 nm，是由厚约3.5 nm的双层脂分子和内外表面各厚约2 nm的蛋白质构成,我们称之为“单位膜”(unit membrane)。关于真核细胞的膜系统，一般将生物膜(biomembrane)分为细胞外膜和细胞内膜系统。细胞外膜也就是细胞质膜(plasma membrane)，而细胞内膜系统就是指细胞内各种细胞器的膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成等方面具有相似性，故总称为生物膜。质膜在进化过程中的出现，确定了细胞称为生命的基本单位。它维持了细胞内环境的稳定，与外界不断的进行物质交换，能量和
2、信息的传递，对细胞的生存，生长和分化至关重要。 质膜表面寡糖链形成细胞外被(cell coat)或糖萼(glycocalyx)；质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜下骨架。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。第一节 细胞膜的化学组成细胞膜主要是由脂质，蛋白质和糖类组成。膜脂是膜的骨架结构，而蛋白质是膜的功能执行者，糖类可以与膜质和膜蛋白结合形成糖脂和糖蛋白。脂类约占总量的50%，蛋白质40%，糖类1-10%。一、 膜脂主要以磷脂，胆固醇和糖脂为主，其中以磷脂最丰富。1. 磷脂磷脂是构成膜脂的基本成分，约
3、占整个膜脂的50以上。磷脂又可分为两种：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子磷酸基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱(phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidyl serine，PS)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine ，PE，旧称脑磷脂)，磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)和双磷脂酰甘油(diphosphoglycerate, DPG，旧称心磷脂)等。鞘磷脂(sphingomyelins，SM
4、)在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇(sphingosine)为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。磷脂是一种双型性分子(amphipathic molecules)或称兼性分子，具有极性的头部和非极性的尾部。头部是磷脂酰碱基，包括磷酸和碱基，是亲水的；尾部是两条脂肪酸链，多数为偶数，疏水的。常含有不饱和脂肪酸(如油酸)。其结构见(图2-1)。2. 糖脂糖脂普遍存在于原核和真核细胞的细胞膜上，不同的细胞所含的糖脂是不同的。一般细胞其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5-10。神经细胞的神经节苷脂
5、(ganglioside)是变化最多、最复杂的糖脂，也是神经元质膜中具有特征性的成分，现在已发现有40多种。带电荷的糖脂如神经节苷脂有重要的电学效应，它们的存在能改变跨质膜的电场以及质膜表面的离子浓度，如Ca2+浓度。儿童所患的家族性白痴病就与它有关。糖脂也是一些细菌毒素的作用位点。如神经节苷脂GM1，能作为细菌毒素作用的表面受体，霍乱毒素结合到GM1表面，如小肠上皮细胞表面后，能增加胞内的cAMP浓度，能引起大量的水和Na+释放到肠道中。人红细胞表面的ABO血型糖脂也具有重要的生物学功能。糖脂也是一种双型性分子。由于磷脂和糖脂是双型性分子，因此他们在水环境中能形成脂质双分子层，即亲水的头部伸
6、向两侧的表面，疏水的尾部伸向分子层内侧。3. 胆固醇一般只存在在真核细胞中, 含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。其功能是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。4. 脂质体脂质体(liposomes)是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径25-1000 nm 不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。(图2-2)二、膜蛋白1. 膜蛋白的分类膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结
7、合方式，可分为整合蛋白(integral protein)、外周蛋白(peripheral protein)。另外还包括一种脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)。整合蛋白也叫内在蛋白，为跨膜蛋白，是两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂(detergent)才能从膜上洗涤下来。去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离研究膜蛋白的常用物质。可分为离子型的和非离子型的两种。离子型的去垢剂有十二烷基磺酸钠(sodium dodecylsulfonate, SDS)，作用较为剧烈，能引起蛋白质变性
8、。非离子型去垢剂有Triton X-100。能通透细胞膜。(图2-3)。外周蛋白也叫外在蛋白，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要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。脂锚定蛋白可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)锚定蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合的蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。2. 膜内在蛋白与膜脂的结合方式 跨膜蛋白伸过脂双层，其跨膜部分主要是以-螺旋的形式通过的。多肽链以单一-螺旋通过的为单次跨膜蛋白,以多次-螺旋通过脂双
9、层为多次跨膜蛋白。 一些多次跨膜蛋白的多次跨膜节段是排列成封闭的-片，通常称为-筒。这类蛋白如孔蛋白(porin)，由三聚体构成，每个单体就是一个-筒，中间有个水通道，每个-筒由16个反向平行排列的-片卷曲成的筒状结构。 跨膜蛋白形成大的复合物起作用。如细菌光合作用反应中心，就是多次跨膜蛋白通过多肽链形成一种复合的蛋白，叶绿体或线粒体就是通过这种光合成复合物来捕捉光能和泵出H+。 膜蛋白在膜的内表面完全位于胞液中，以一个或多个脂肪酸链或其他类型的脂链与脂双层结合。另一些膜蛋白在膜的外表面，通过一共价连接连到质膜外单层磷脂酰肌醇锚定到脂双分子层。 一些膜蛋白完全不能伸入到脂双层的内侧，通过与其他
10、膜蛋白非共价键的作用，结合到膜的胞质面或外表面。第二节 质膜的分子结构一 质膜结构的研究历史1. Overton (1895)： 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2. Gorter & F. Grendel (1925)： 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。3. Danielli & Davson 三明治模型(1935)： 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的
11、三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959 年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。4. Robertson 单位膜模型(1959)： 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5 nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5 nm的双层脂分子和内外表面各厚约2 nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。5. Singer & Nicolson流动镶嵌模型(1972)：根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”
12、。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性 (Singer & Nicolson, 1972; Vereb G et al., 2003) 。二 细胞质膜的结构模型1. 流动镶嵌模型(fluid mosaic model) 这个模型是由S.Jon Singer和Garth Nicolson (1972) 年提出的，这个模型最重要的特点是强调了膜的流动性，是动态的而不是静止的。细胞膜由流动的脂质双分子层中镶嵌着球蛋白按二维排列液体状的组成。 此模型还强调膜蛋白的在脂质中分布的不对称性，膜蛋白有的在膜的表面，有的横跨或嵌入脂双分子层。 使膜分子聚集在一块起作用的主要是蛋白-蛋白，蛋白-脂类，脂类-脂类
13、的相互作用，其中最主要是疏水的和亲水的两种共价键在相互作用。当它们相互作用达到最大时，在最小的自由能下就能维持稳定。2. 脂筏模型(lipid raft model)自从Simons (1997) 首次提出脂筏的概念以后,越来越多的试验证实脂筏的存在及其重要性。脂筏(lipid raft)是质膜上富含胆固醇和鞘脂（鞘磷脂和鞘糖脂）的微区的微结构域(microdomain)。大小约50 nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页，脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏不仅存在于质膜上，而且还存在于高尔基体膜(Golgi membrane)上。脂筏富含鞘磷脂，鞘糖脂，胆固醇，GPI-锚定蛋白，S
14、rc-kinase等。生物膜膜脂主要分为磷脂，糖脂和胆固醇，其中磷脂根据醇成分的不同分为甘油磷脂和鞘磷脂，糖脂根据醇的成分分为甘油糖脂和鞘糖脂。脂筏中，鞘磷脂和鞘糖脂（如神经节苷脂类）的饱和脂肪链紧密聚集，饱和脂肪链之间的空隙填满了作为间隔分子的胆固醇，形成液态称有序液相（liquid-ordered phase，即脂筏)，直径大约在50 nm左右。而不饱和脂肪链围绕在筏区的周围，形成非筏区，非筏区的主要成分是卵磷脂，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸等，也含有胆固醇。因为鞘脂含有长链饱和脂肪链，所以脂筏区与非筏区相比，流动性差，脂肪链伸展，而且粘稠，所以出现分相的现象。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，
15、与膜的信号转导、蛋白质分选(sorting)均有密切的关系。1. 信号转导 除了鞘脂和胆固醇之外，一些蛋白能够短暂的偶联到脂筏上，或者作为脂筏的组成部分。含有蛋白质的脂筏能够参与信号转导过程并在其中扮演十分重要的角色。这些蛋白质包括（1）通过GPI锚结合在质膜外层上的外层蛋白（如朊病毒蛋白PrP）；（2）膜受体蛋白(如 IgE receptor FcRI )；（3）结合在质膜内层的Src家族的酰化蛋白质酪氨酸激酶。由于脂筏分散在质膜上，且能够侧向漂移，因此脂筏能将活化的受体和信号转换分子聚到一起，从而启动下游的信号传导过程。2 蛋白质转运 越来越多的试验证明，脂筏是蛋白质特别是病原体进入细胞的门户。质膜微囊内包含许多的受体蛋白，质膜微囊利用不同的途径运送这些受体蛋白进入细胞。病原体如病毒，细菌及其毒素等利用脂筏感染宿主细胞。霍乱毒素(cholera toxin)结合GM1，志贺毒素(shiga toxin)结合中性糖Gb3，分支杆菌(mycobacterium)结合胆固醇，这些病原体通过与脂筏中鞘脂（鞘磷脂和鞘糖脂）结合，而发生构象转换，达到增加其与受体蛋白的亲和性，进入细胞的目的。三 质膜的性质 (一) 膜的流动性膜的流动性是生物膜结构的基本特征之一，膜的流动性实际是指膜内部分子的运动性，包括膜脂的流动性和膜蛋白的流动性。相变(phase transition)
