细胞生物学/细胞膜的化学组成与生物学特性

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细胞膜与物质的穿膜运输 - 细胞膜的化学组成与生物学特性 - 小分子物质和离子的穿膜运输 - 大分子和颗粒物质的穿膜运输 - 细胞膜异常与疾病
对从多种细胞分离获得的纯净质膜及各种内膜的化学分析表明,不同类型的细胞其细胞膜的化学组成基本相同,主要由脂类、蛋白质和糖类三种物质组成。脂类排列成双分子层即脂双层,构成膜的基本结构,形成了对水溶性分子相对不通透的屏障;蛋白质以不同方式与脂类结合,是膜的功能主体;糖类多分布于膜外表面,通过共价键与膜的某些脂类或蛋白质分子结合形成糖脂或糖蛋白。此外,细胞膜中还含有少量水分、无机盐与金属离子等。细胞膜具有多种复杂而重要的功能,主要是由于构成膜的三种主要成分各自具有特定的分子结构和生物学特性,并且三种成分之间有着巧妙的相互作用。近年来日益广泛应用的新技术不断揭示有关膜结构和功能的新信息,如结构生物学能够解析膜蛋白的立体构象、活性结构域;分子生物学、基因组学和生物信息学等手段有助于预测或重构膜蛋白的结构。

细胞膜的化学组成[编辑]

膜脂构成细胞膜的结构骨架[编辑]

细胞膜上的脂类称为膜脂(membrane lipid) , 约占膜成分的50%, 一个动物细胞的质膜中大约含有109个膜脂分子,在1μm×1μm脂双层范围内,大约有5xl06个膜脂分子。它们主要有三种类型:磷脂(phospholipid)、胆固醇(cholesterol)和糖脂(glycolipid), 其中以磷脂含量为最多。
1、磷脂是膜脂的主要成分 大多数膜脂分子中都含有磷酸基团,被称为磷脂,约占膜脂的50%以上。磷脂又可分为两类:甘油磷脂(phosphoglycerides)和鞘磷脂(sphingomyelin, SM)。甘油磷脂主要包括磷脂酰胆碱(卵磷脂)(phosphatidylcholine, PC)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)(phosphatidylethanolamine, PE)和磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)。此外,还有一种磷脂是磷脂酰肌醇(phosphatidylinosital, PI), 位于质膜的内层,在膜结构中含量很少,但在细胞信号转导中起重要作用。这些甘油磷脂主要在内质网合成。甘油磷脂有着共同的特征:以甘油为骨架,甘油分子的l、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键,3位羟基与磷酸基团形成酯键。如果磷酸基团分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合,即形成上述4种类型磷脂分子。这些亲水的小基团在分子的末端与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域,极性很强,被称为头部基团(head group)或亲水头。磷脂中的脂肪酸链长短不一,通常由14~24个碳原子组成,一条烃链不含双键(饱和链),另一经链含有1~2个顺式双键(不饱和链),顺式双键处形成一个约30°角的弯曲。磷脂分子逐个相依地整齐排列构成细胞膜的骨架结构。脂肪酸链是疏水的,无极性,称疏水尾。由于磷脂分子具有亲水头和疏水尾,被称为两亲性分子(amphipathic molecule)或兼性分子。
鞘磷脂(sphingomyelin, SM)是细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂,在膜中含量较少,但在神经元细胞膜中含植较多,主要在高尔基复合体合成。如神经鞘磷脂是丰度最高的一种鞘磷脂,它以鞘氨醇代替甘油,长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上;分子末端的一个胫基与磷酸胆碱(phosphocholine)结合,另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。目前研究发现,鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇及1-磷酸鞘氨醇参与各种细胞活动,如细胞增殖、分化和凋亡等。
2、胆固醇能够稳定细胞膜和调节膜的流动性 胆固醇是细胞膜中另一类重要的脂类,分子较小,散布在磷脂分子之间。动物细胞膜中胆固醇含量较高,有的膜内胆固醇与磷脂之比可达1:1, 植物细胞膜中胆固醇含昼较少,约占膜脂的2%。胆固醇也是两亲性分子:极性头部为连接于固醇环(甾环)上的羟基,靠近相邻的磷脂分子的极性头部;中间为固醇环,连接一条短的疏水性烃链。疏水的固醇环扁平富有刚性,固定在磷脂分子邻近头部的烃链上,对磷脂的脂肪酸链尾部的运动具有干扰作用。疏水的尾部经链埋在磷脂的疏水尾部中。胆固醇分子对调节膜的流动性、加强膜的稳定性具有重要作用。例如,一种中国仓鼠卵巢细胞突变株(M19), 不能合成胆固醇,体外培养时细胞会很快解体,只有在培养基中加入适量胆固醇并掺入到质膜中后,脂双层趋于稳定,细胞才能生存。
不同生物膜有各自特殊的脂类组成,如哺乳动物细胞膜上富含胆固醇和糖脂,而线粒体膜内富含 心磷脂;大肠杆菌质膜则不含胆固醇。而且不同类型的脂分子具有特定的头部基团及脂肪酸链,这赋予膜不同的特性。
3、糖脂主要位于质膜的非胞质面 糖脂也是亲水脂分子,由脂类和寡糖构成。糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜表面,含量占膜脂总量的5%以下。对于细菌和植物细胞,几乎所有的糖脂均是甘油磷脂的衍生物,一般为磷脂酰胆碱衍生的糖脂;动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物,结构似鞘磷脂,称为鞘糖脂。糖脂的极性头部可由1~15个或更多个糖残基组成,两条烃链为疏水的尾部。
目前已发现40余种糖脂,它们的主要区别在于其极性头部不同。最简单的糖脂是脑苷脂,其极 性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基,它是髓鞘中的主要糖脂。比较复杂的糖脂是神经节苷脂,其极性头除含有半乳糖和葡萄糖外,还含有数目不等的唾液酸(也叫做N-乙酰神经氨酸, NANA)。不同的细胞所含糖脂的种类不同,如神经节苷脂在神经元的质膜中最为丰富,占总脂类的5%~10%, 人红细胞膜中含有ABO血型糖脂。
所有细胞中,糖脂均位于脂双层的非胞质面单层,糖基暴露于细胞表面。据此推测,糖脂的作用与细胞同外环境的相互作用有关,可能作为细胞表面受体,参与细胞的识别、黏附及信号转导等。
膜脂都是两亲性分子,由于极性头部能与水分子形成氢键或静电作用而溶于水,非极性尾部不能与水分子产生相互作用而疏水。所以当这些脂质分子被水环境包围时,它们就自发地聚集起来,使疏水的尾部藏在内部,亲水的头部露在外面与水接触。实验中出现两种存在形式:①形成球状的分子团(micelle),把尾部包藏在里面;②形成脂双层(lipid bilayer)。脂质分子在水环境中排列成双层,两层分子的疏水尾部被亲水头部夹在中间。为了避免双分子层两端疏水尾部与水接触,其游离端往往能自动闭合,形成充满液体的球状小泡称为脂质体(liposome)。所谓的脂质体是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层的现象制备的人工膜。人工合成脂质体的直径约在25nm~1μm之间。脂质体可以用单一的或混合的磷脂来制备,同时还可以嵌入不同的膜蛋白。作为膜研究的实验模型,将蛋白质插入脂质体中,可以在比天然膜更简单的环境中研究其功能;脂质体也可以作为运载体,把药物或DNA包含在其中,转移进细胞以研究其生物学作用;如果将相应的抗体构建到脂质体膜上,脂质体可选择性地结合到靶细胞膜表面,使药物定向作用于靶细胞。
大多数磷脂和糖脂在水溶液中自动形成脂双层结构。脂双层具有作为生物膜理想结构的特点: ①构成分隔两个水溶性环境的屏障。脂双层内为疏水性的脂肪酸链,不允许水溶性分子、离子和大多数生物分子自由通过,保障了细胞内环境的稳定。②脂双层是连续的,具有自相融合形成封闭性腔室的倾向,在细胞内未发现有游离边界,形成广泛的连续膜网。当脂双层受损伤时通过脂分子的重新排布可以自动再封闭。③脂双层具有柔性是可变形的,如在细胞运动、分裂、分泌泡的出芽和融合及受精时都涉及膜的可变形特性。

膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合[编辑]

虽然脂双层组成细胞膜的基本结构,但细胞膜的不同特性和功能却是由与细胞膜相结合的膜蛋白(membrane protein)决定的。如膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特定的分子或离子进出细胞;有些 是结合于质膜上的酶,催化与其相关的生化反应;有些起连接作用,连接相邻细胞或细胞外基质成分;有些作为受体,接受周围环境中各种化学信号,并转导至细胞内引起相应的反应。膜蛋白的量很大,人体内30%的蛋白质位于质膜上。
不同生物膜上膜蛋白的含撞及类型有很大差异,功能越复杂的膜其蛋白质含显越高。如线粒体内膜上有电子传递链,氧化磷酸化相关蛋白位于其中,故膜蛋白质含量较高,约占75%。而髓鞘主要起绝缘作用,膜蛋白的含蜇低于25%。一般的细胞膜中蛋白质含量介于两者之间,约占50%左右。
根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同,膜蛋白可分为三种基本类型:内在膜蛋白(intrinsic membrane protein)或整合膜蛋白(integral membrane protein)、外在膜蛋白(extrinsic membrane protein)和脂锚定蛋白(lipid anchored protein)。
1、内在膜蛋白 又称穿膜蛋白(transmembrane protein), 占膜蛋白总量的70%~80%, 也是两亲性分子。分为单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型。单次穿膜蛋白的肽链只穿过脂双层一次,穿膜区一般含有20~30个疏水性氨基酸残基,以α-螺旋构象穿越脂双层的疏水区。因为α-螺旋构象允许在肤链的相邻氨基酸残基中形成最大数量的氢键,从而形成稳定性高 的结构;亲水的胞外区和胞质区则由极性氨基酸残基构成,它们暴露在膜的一侧或两侧,可与水溶性的物质(如激素或其他蛋白质)相互作用。如细胞表面受体是穿膜蛋白,他们在细胞外侧与信号分子结合,在内侧又激活细胞内不同的信号分子。一般肤链的N端位于细胞膜外侧,但也有相反定位的例子(如转铁蛋白受体)。多次穿膜蛋白含有多个由疏水性氨基酸残基组成的穿膜序列(可多达14个),通过多个α-螺旋构象穿过脂双层。目前通过DNA克隆和测序技术揭示了许多穿膜蛋白的氨基酸序列,所以从肽链的序列预测哪一段作为穿膜片段已经很容易。如果一个片段含有高度疏水的氨基酸达20~30个就可以以α螺旋方式穿越脂双层。
大多数穿膜蛋白穿膜域都是α-螺旋构象,也有的穿膜蛋白以β-折叠片层(β-pleated sheet)构象穿膜,在脂双层中围成筒状结构,称β筒(β-barrel)。有些B筒在质膜上起运输蛋白的作用,被称为孔蛋白(porin), 主要存在于线粒体、叶绿体和一些细菌的外膜。许多含B筒穿膜蛋白的结构用X线衍射晶体成像技术得到阐明,目前发现,围成β筒的β链最少是8条,最多可达22条,它们之间有氢键连接。
2、外在膜蛋白 又称周边蛋白(peripheral membrane protein) , 占膜蛋白总量的20%~30%。是一类与细胞膜结合比较松散的不插入脂双层的蛋白质,分布在质膜的胞质侧或胞外侧。一些周边蛋白通过非共价键(如离子键或弱的静电作用)附着在脂类分子头部极性区或穿膜蛋白亲水区的一侧,间接与膜结合;一些周边蛋白位于膜的胞质一侧,通过暴露于蛋白质表面的α螺旋的疏水面与脂双层的胞质面单层相互作用而与膜结合。周边蛋白为水溶性蛋白,它与膜的结合较弱,使用一些温和的方法,如改变溶液的离子浓度或pH, 干扰了蛋白质之间的相互作用,即可将它们从膜上分离下来,而不需破坏膜的基本结构。
外在膜蛋白有多种功能,研究较清楚的是位于质膜内表面(胞质面)的外周蛋白,如红细胞的血 影蛋白和铀蛋白,它们在红细胞膜内表面形成一个纤维网络,即膜“骨架”,给膜提供机械支持,并为整合蛋白提供锚定位点。它们在维持红细胞的双凹外形、抵抗其穿越毛细血管时的挤压力及维持红细胞膜的完整性方面具有重要作用。很多遗传性疾病(如溶血性贫血)表现为红细胞脆性增加及形态异常的特征,这涉及引起血影蛋白或铀蛋白结构和功能改变的基因突变。有的周边蛋白与膜之间是一种动态关系,根据功能的需要而募集到膜上或者从膜上释放出去。质膜内表面的一些周边蛋白有的作为酶或传递细胞外信号的因子发挥作用。与质膜外表面相连的一些周边蛋白通常是细胞外基质的主要成分。
3、脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)。这类膜蛋白可位于膜的侧,很像周边蛋白,但与其不同的是脂铀定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合。
脂锚定蛋白以两种方式通过共价键结合于脂类分子。一种位于质膜胞质一侧,一些细胞内信号蛋白直接与脂双层中的某些脂肪酸链(如豆蔻酸、棕榈酸或异戊二烯基)形成共价键而被锚定在脂双层上。例如,大多数的Src激酶是通过N端的甘氨酸残基(Gly)与脂双层的胞质面脂单层中的豆蔻酸和棕榈酸分别形成共价键而牢固地附着在质膜上;Ras通过其在C端附近的一个或两个半胱氨酸残基(Cys)分别与异戊二烯基和棕桐酸形成共价键而被铀定在质膜的胞质面。这种双重锚定有助于蛋白质更牢固地与膜脂结合。另外,在信号转导中起重要作用的G蛋白也是脂锚定蛋白,绝大部分的Gα具有棕榈酰化修饰,且棕榈酰化的位点都在N端。
另一种方式是位于质膜外表面的一些蛋白质,通过与磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价键结合而锚定到质膜上,这些磷脂酰肌醇分子位于脂双层外层中,所以它们又被称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(glycosylphosphatidylinositol linked protein, GPI)。GPI蛋白的结合方式表现为磷脂酰肌醇分子的两个脂肪酸链插入膜脂中;肌醇与长度不等的寡糖链结合;寡糖链末端的磷酸已醇胺与蛋白的C端共价结合。这样有效地将蛋白质结合到质膜上。因此有人也把GPI归类为整合膜蛋白。膜蛋白的这种锚定形式与穿膜蛋白相比,在理论上有许多优点。由于它们在膜上的运动性增大,有更多的侧向运动能力,有利于和其他胞外信号分子更快地结合和反应。GPI-锚定蛋白分布极广,目前大约有100多种蛋白已被确定是GPI-锚定蛋白,包括有多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等。
为了研究膜蛋白的结构、性质和功能,首先需要将其从细胞膜上分离出来,纯化后进行研究。由于穿膜蛋白具有疏水穿膜区,很难以可溶形式分离。要分离内在膜蛋白,需使用能干扰疏水作用并能破坏脂双层的试剂,一般常使用去垢剂(detergent)。
十二烷基磺酸钠(SDS)为常用的离子型去垢剂,它是两亲性的脂质样分子,有一个带电的亲水区 和一个疏水区(烃链)。当用高浓度的去垢剂与膜混合时,去垢剂分子的疏水区替代磷脂分子与穿膜蛋白的疏水区结合,也与磷脂分子的疏水尾部结合,由此把穿膜蛋白与磷脂分开。由于SDS 的极性端带电荷(离子型)更易溶于水,所以形成了去垢剂-蛋白质复合物进入溶液中而将膜蛋白分离出来。蛋白质经分离、纯化后,就可以用多种手段进行分析,确定其相对分子量、氨基酸组成、氨基酸序列等。SDS对蛋白质的作用较强烈,能使蛋白质解折叠引起变性,不利于对其进行功能研究。为获得有功能的膜蛋白,可采用非离子型去垢剂。
Triton X-100是非离子型去垢剂,它的极性端不带电荷,它与SDS对膜蛋白的作用方式类似,也可使细胞膜崩解,但对蛋白质的作用比较温和。它不仅用于膜蛋白的分离与纯化,也用于去除细胞内膜系统,以便对细胞骨架和其他蛋白质进行研究。

膜糖类覆盖细胞膜表面[编辑]

细胞膜中含有一定量的糖类,由于种属和细胞类型不同,糖类约占质膜重量的2%~10%。如红细胞膜中的糖类占膜总重量的8%。膜糖(membrane carbohydrate)中93%的糖以低聚糖或多聚糖链形式共价结合于膜蛋白上形成糖蛋白,糖蛋白上的糖基化主要发生在天冬酰胺( N-连接),其次是在丝氨酸和苏氨酸(O-连接)残基上,并且经常几个位点同时发生糖基化。7%的膜糖以低聚糖链共价结合于膜脂上形成糖脂。大部分暴露于细胞表面的膜蛋白都带有多个寡糖侧链,而脂双层外层中每个糖脂分子只带1个寡糖侧链,质膜上所有的糖链都朝向细胞表面。自然界中存在的单糖及其衍生物有200多种,在动物细胞膜中主要有7种:D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖、N-乙酰半乳糖胺,N-乙酰葡萄糖胺及唾液酸。由于寡糖链中单糖的数量、种类、排列顺序以及有无分支等不同,低聚糖或多聚糖链出现了千变万化的组合形式。如人类ABO四种血型抗原的差别就是血型糖蛋白在红细胞质膜外表面寡糖链的组成结构决定的。唾液酸常见于糖链的末端,真核细胞表面的净负电荷主要由它形成。
在大多数真核细胞表面有富含糖类的周缘区,称为细胞外被(cell coat)或糖萼(glycocalyx), 用重金属染料钉红染色后,在电镜下可显示其为厚约10~20nm的结构,边界不甚明确。细胞外被中的糖类主要包括与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链,同时也包括被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。这些吸附的大分子是细胞外基质的成分,所以细胞膜的边缘与细胞外基质的界限是难于区分的。
现在细胞外被一般用来指与质膜相连接的糖类物质,即质膜中的糖蛋白和糖脂向外表面延伸出的寡糖连部分,因此,细胞外被实质上是质膜结构的一部分。而把不与质膜相连接的细胞外覆盖物称为细胞外物质或胞外结构。
细胞外被的基本功能是保护细胞抵御各种物理、化学性损伤,如消化道、呼吸道等上皮细胞的细胞外被有助于润滑、防止机械损伤,保护黏膜上皮不受消化酶的作用。糖链末端富含带负电荷的唾液酸,能捕集Na+,Ca2+等阳离子并吸引大量的水分子,使细胞周围建立起水盐平衡的微环境。糖脂及糖蛋白中低聚糖侧链的功能大多还不清楚,但根据寡糖链的复杂性及其所处的位置提示它们参与细胞间及细胞与周围环境的相互作用,如参与细胞的识别、黏附、迁移等功能活动。

细胞膜的生物学特性[编辑]

细胞膜是由脂双分子层和以不同方式与其结合的蛋白质构成的生物大分子体系,它不仅具有包围细胞质,形成“屏障”的作用,还执行物质运输、信号传递、细胞识别和能量转换等多种重要功能。这和细胞膜的分子结构和组成特性有关,细胞膜的主要特性是膜的不对称性和流动性。

膜的不对称性决定膜功能的方向性[编辑]

膜的不对称性(membrane asymmetry)是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的,包括种类和数量上都有很大差异,这与细胞膜的功能有密切关系。
1、膜脂的不对称性 多项实验分析了各种膜脂双层的化学组成,发现各种膜脂分子在脂双层内、外两单层中的分布是不同的。例如,在人红细胞膜中,绝大部分的鞘磷脂和磷脂酰胆碱位于脂双层的外层中,而在内层中磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇含量较多。这些磷脂虽然在脂双层中都有分布,但含量比例上存在较大差异。胆固醇在红细胞膜内、外脂单层中分布的比例大致相等。细胞膜中糖脂均位于脂双层非胞质面。
另外,不同膜性细胞器中脂类成分的组成和分布不同。如质膜中一般富含鞘磷脂、磷脂酰胆碱和胆固醇等;核膜、内质网膜和线粒体外膜则富含磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇;线粒体内膜富含心磷脂。由于鞘磷脂在高尔基复合体中合成,所以其膜中鞘磷脂的含量约是内质网膜中的6倍。正是由于存在膜脂各组分分布的差异,使细胞内的生物膜具有不同的特性和功能。
膜脂组分不对称性分布的生物学意义尚不完全明确,但已知不同的膜脂组分应与膜的特定功能相一致。例如具有极性的小肠吸收上皮细胞,在细胞底侧面(basolateral surface)的质膜中,鞘脂与甘油磷脂、胆固醇之比是0.5:l.5:1, 大致与非极性细胞膜中的比值相同,但在朝向肠腔的游离面质膜中,这三种膜脂之比为1:1:1。其中鞘脂比例的增加,可能是鞘氨醇分子中自由羟基间广泛形成的氢键有利于增加膜的稳定性,因为游离面质膜易受更多的刺激。脂双层中的一些脂类分子(如磷脂酰肌醇)可以为特定蛋白质提供结合位点,对保持膜蛋白在脂双层中的正确定位和极性有重要作用。另外,膜脂的不对称分布使脂双层内、外两层流动性有所不同。
2、膜蛋白的不对称性 膜蛋白分布是绝对不对称的,各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。如血影蛋白分布于红细胞膜内侧面,酶和受体多位于质膜的外侧面,如5'-核苷酸酶、磷酸酯酶、激素受体生长因子受体等,而腺苷酸环化酶则位于质膜的内侧胞质面。
穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性,这也造成其分布的不对称性。例如,红细胞膜上的血型 糖蛋白肽链的N端伸向质膜外侧,C端在质膜内侧胞质面;带3蛋白肽链的N端则在质膜内侧胞质面。膜蛋白的不对称性还表现在穿膜蛋白的两个亲水端,其肽链长度、氨基酸的种类和顺序都不同,有的在膜外侧有活性位点,有的在膜内侧有活性位点。
3、膜糖的不对称性 膜糖类的分布具有显著的不对称性。细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面(非胞质面),而在内膜系统,寡糖侧链都分布于膜腔的内侧面(非胞质面)。
膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性与膜功能的不对称性和方向性有密切关系,具有重要的生物 学意义,膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性和生命活动的高度有序性。如红细胞膜表面糖脂的寡糖链决定了ABO血型;许多激素的受体位于质膜的外侧,接受细胞外信号并向细胞内传递;当细胞发生凋亡时(如衰老的淋巴细胞),原本位于脂双层内层的磷脂酰丝氨酸翻转到外层,成为巨噬细胞识别并吞噬凋亡细胞的信号。

膜的流动性是膜功能活动的保证[编辑]

膜的流动性(fluidity)是细胞膜的基本特性之一,也是细胞进行生命活动的必需条件。膜是一个 动态的结构,其流动性主要是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。
1、脂双层为液晶态二维流体 细胞内外的水环境使得膜脂分子不能自脂双层中逸出,在温和的温度下(37℃), 膜脂分子在脂单层(lipid leaflet)平面内可以前后左右运动和彼此之间交换位置,脂类是以相对流动状态存在,但分子长轴基本平行排列保持一定方向,此时的膜可以看作是二维流体。作为生物膜主体的脂双层,它的组分既有固体分子排列的有序性,又有液体的流动性,这一两种特性兼有的居于晶态和液态之间的状态,即液晶态(liquid-crystal state)是细胞膜极为重要的特性。
在生理条件下,膜大多呈液晶态。在温度下降到一定程度(<25℃),到达某一点时,脂双层的性 质会明显改变,它可以从流动的液晶态转变为“冰冻”的晶状凝胶,这时磷脂分子的运动将受到很大限制;当温度上升至某一点时又可以熔融为液晶态。所以,把这一临界温度称为膜的相变温度。由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”(phase transition)。在相变温度以上,膜处于流动的液晶态。
膜的流动性是膜功能活动的保证。如果膜是一种刚性、有序的结构则无法产生运动;而一个完全 液态,亳无黏性的膜会使各种膜成分无序排列,无法组织成结构,也不能提供机械支持。膜的液晶态在这两者之间达到完美折中。除此之外,有了膜的流动性,膜蛋白可以在膜的特定位点聚集形成特定结构或功能单位,以完成如细胞连接建立、信号转导等多种功能活动。许多基本的生命活动,包括细胞的运动、生长分裂,物质转运、分泌和吞噬等作用,都取决千膜组分的运动。如果膜是一种刚性、非液态结构,这些行为都不可能发生。
2、膜脂分子的运动方式 20世纪70年代,对人工合成的脂双层膜的研究证明,膜脂的单个分子能在脂双层平面自由扩散。应用差示扫描量热术、磁共振、放射性核素标记等多种技术检测膜脂分子的运动,结果表明,在高于相变温度的条件下,膜脂分子具有以下几种运动方式。

  • 侧向扩散(lateral diffusion): 侧向扩散是指在脂双层的单分子层内,脂分子沿膜平面侧向与相邻分子快速交换位置,交换频率约107次/s。侧向扩散运动是膜脂分子主要的运动方式,实验表明,处于液晶态的脂双层在30℃时其脂类分子的侧向扩散系数(D)约为10-8cm2/s, 此数值说明一个磷脂分子可以在1s内从细菌的一端扩散到另一端(1μm)或在20s内迁移大约一个动物细胞直径这样的距离。这种运动始终保持脂类分子的排列方向,亲水的头部基团朝向膜表面,疏水的尾部朝向膜的内部。
  • 翻转运动(flip-flop): 是指膜脂分子从脂双层的一单层翻转至另一单层的运动。一般情况下很少发生,因为当发生翻转运动时,磷脂的亲水头部基团将穿过膜内部的疏水层,克服疏水区的阻力方能抵达另一个层面,这在热力学上是很不利的。但内质网膜上有一种翻转酶(flippase) , 它能促使某些新合成的磷脂分子从脂双层的胞质面翻转到非胞质面。这些酶在维待膜脂的不对称分布中起作用。
  • 旋转运动(rotation): 是膜脂分子匣绕与膜平面相垂直的轴的自旋运动。
  • 弯曲运动(flexion) : 膜脂分子的经链是有韧性和可弯曲的,分子的尾部端弯曲、摆动幅度大,而靠近极性头部弯曲摆度幅度小。X射线衍射分析显示,在距极性头部第9个碳原子以后的脂肪酸链已变成无序状态。此外,膜脂脂肪酸链沿着双分子层平面相垂直的轴还可进行伸缩、振荡运动。

3、影响膜脂流动性的因素 膜脂的流动性对于膜的功能具有重要作用,它必须维持在一定范围内才能保证膜的正常生理功能。脂双层的流动性主要依赖于其组分和脂分子本身的结构特性,影响其流动性的主要因素如下:

  • 脂肪酸链的饱和程度:相变温度的高低和流动性的大小决定于脂类分子排列的紧密程度。已知磷脂分子疏水尾部间的范德华力和疏水性相互作用使得它们相互聚集。磷脂分子长的饱和脂肪酸链呈直线形,具有最大的聚集倾向而排列紧密成凝胶状态;而不饱和脂肪酸链在双键处形成折屈呈弯曲状,干扰了脂分子间范德华力的相互作用,所以排列比较疏松,从而增加了膜的流动性。可以看出,脂双分子层中含不饱和脂肪酸越多,膜的相变温度越低,其流动性也越大。一些受外界环境温度影响的细胞,主要通过代谢来调节其膜脂脂肪酸链不饱和程度,如当环境温度降低时,细胞通过一种去饱和酶(desaturases)催化将单键去饱和形成双键,或通过磷脂酶和脂酰转移酶在不同磷脂分子间重组脂肪酸链以产生含两个不饱和脂肪酸链的磷脂分子,这是细胞适应环境温度变化而调节其流动性的主要途径。
  • 脂肪酸链的长短:脂肪酸链的长短与膜的流动性有关。脂肪酸链短的相变温度低,流动性大。这是因为脂肪酸链越短则尾端越不易发生相互作用,在相变温度以下,不易发生凝集而增加了流动性;长链尾端之间不仅可以在同一分子层内相互作用,而且可以与另一分子层中的长链尾端作用,使膜的流动性降低。
  • 胆固醇的双重调节作用:动物细胞膜含较多的胆固醇,与磷脂分子数相近,对膜的流动性起重要的双重调节作用。当温度在相变温度以上时,由于胆固醇分子的固醇环与磷脂分子靠近极性头部的经链部分结合限制了这几个CH2的运动,起到稳定质膜、增加有序性的作用。当温度在相变温度以下时,由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子,可有效地防止脂肪酸链相互凝聚,干扰晶态形成,动物细胞膜中的胆固醇可以有效地防止低温时膜流动性的突然降低。
  • 卵磷脂与鞘磷脂的比值:哺乳动物细胞中,卯磷脂和鞘磷脂的含量约占膜脂的50%,其中卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高,相变温度较低,鞘磷脂则相反,其脂肪酸链饱和程度高,相变温度也高,且范围较宽(25~35℃)。在37℃时,卵磷脂和鞘磷脂二者均呈流动状态,但鞘磷脂的黏度却比卵磷脂大6倍,因而鞘磷脂含量高则流动性降低。在细胞衰老过程中,细胞膜中卵磷脂与鞘磷脂的比值逐渐下降,其流动性也随之降低。
  • 膜蛋白的影响:膜脂结合膜蛋白后对膜的流动性有直接影响。膜蛋白嵌入膜脂疏水区后,使周围的脂类分子不能单独活动而形成界面脂(嵌入蛋白与周围脂类分子结合而形成),嵌入的蛋白越多,界面脂就越多,膜脂的流动性越小,但膜脂与某些内在蛋白的结合是可逆的。另一方面,在含有较多内在蛋白的膜中,存在由内在蛋白分割包围的富脂区(lip吐richregion) , 磷脂分子只能在一个富脂区内自由扩散,而不能扩散到邻近的富脂区。用荧光素标记磷脂分子,研究磷脂分子在成纤维细胞质膜中的运动清况,发现大多数磷脂只能在直径约为0.5μm范闱的富脂区内自由运动。

除上述因素外,膜脂的极性基团、环境温度、pH、离子强度等均可对膜脂的流动性产生一定影响。如环境温度越高,膜脂流动性越大,在相变温度范围内,每下降10℃,膜的黏度增加3倍,因而膜流动性降低。
4、膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性,其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。这两种分子运动方式与膜脂分子相似,但移动速度较慢。 (1) 侧向扩散:许多实验证明,膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散。1970年,霍普金斯大学的L. Frye和M. Edidin用细胞融合和间接免疫荧光法证明,膜抗原(即膜蛋白)在脂双层二维平面中可以自由扩散。他们把体外培养的入和小鼠的成纤维细胞进行融合,观察人-小鼠杂交细胞表面抗原分布的变化。融合前,用发绿色荧光的荧光素标记小鼠成纤维细胞的特异性抗体,人成纤维细胞的特异性抗体用发红色荧光的荧光素标记。被标记的抗体分别与小鼠和人成纤维细胞膜上的抗原相结合。用灭活的仙台病毒介导两种细胞融合,刚发生融合时膜抗原蛋白只限于各自的细胞膜部分,人细胞一侧呈红色荧光,小鼠细胞一侧呈绿色荧光。37℃继续培养40分钟后,两种颜色的荧光在整个杂交细胞膜上均匀分布。这说明膜抗原蛋白在膜平面内经扩散运动而重新分布。但在低温条件下(1℃), 膜抗原则基本停止运动。
目前测定膜蛋白的侧向扩散常采用荧光漂白恢复(fluorescence photobleaching recovery, FPR)技术。这种技术是研究膜蛋白和膜脂流动性的基本实验方法。用荧光素标记膜蛋白或膜脂,然后用高能激光束照射细胞表面某一区域,使该区域内标记的荧光分子发生不可逆的淬灭,称为光漂白(photobleaching), 由于侧向扩散,周围带有荧光的膜蛋白或膜脂不断向漂白区迁移,漂白区的荧光强度又恢复到原有水平。可用其恢复速度计笲膜蛋白或膜脂的侧向扩散速度。不同膜蛋白其扩散速率不同,扩散常数(D)约为5×l0-9~5×l0-11cm2/s。所以一个分子量为lOOkD的内在蛋白,其扩散系数仅为膜脂扩散系数的1/2左右。
(2)旋转运动(rotational diffusion): 或称旋转扩散,膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动,但旋转运动的速度比侧向扩散更为缓慢。不同膜蛋白旋转速率也有很大差异,这与其分子结构及所处不同的微环境有关。
实际上不是所有的膜蛋白都能自由运动,有些细胞只有部分膜蛋白(30%~90%)处于流动状态。膜蛋白在脂双层中的运动还受到许多其他因素影响,如膜蛋白聚集形成复合物,使其运动减慢;整合蛋白与周边蛋白相互作用;膜蛋白与细胞骨架成分连接以及与膜脂的相互作用等,这些均限制了膜蛋白的运动性。如果用细胞松弛素B处理细胞,阻断微丝的形成,可使膜蛋白流动性增强。膜蛋白周围膜脂的相态对其运动性有很大影响,处于不流动的晶态脂质区域的膜蛋白不易运动,而处于液晶态区的膜蛋白则易于发生运动。另外,膜蛋白在脂双层二维流体中的运动是自发的热运动,不需要能量。实验证明,用药物抑制细胞能噩转换,膜蛋白的运动不会受到影响。
膜的流动性具有十分重要的生理意义,如物质运输、细胞识别、信息转导等功能都与膜的流动性有密切关系。生物膜各种功能的完成是在膜的流动状态下进行的,若膜的流动性降低,细胞膜固化、黏度增大到一定程度时,许多穿膜运输中断,膜内的酶丧失活性,代谢终止,最终导致细胞死亡。

细胞膜的分子结构模型[编辑]

前面已介绍了膜脂、膜蛋白的分子结构特点,但它们是如何排列和组织的?这些成分之间如何相 互作用?这些对阐明膜的功能活动及机制十分重要。
在分离质膜以前,有关膜的分子结构理论是根据间接材料提出的。1890年,苏黎世大学的E.Ovetron发现溶于脂肪的物质容易穿过膜,非脂溶性的物质不易穿过细胞膜,他据此推测细胞的表面有类脂层,初步明确了细胞膜的化学组成。1925年,E. Gorle1和F. Grendel从“血影”中抽提出磷脂,在水面上铺成单分子层,测得其所占面积与所用红细胞膜总面积之比在l.8:1至2.2:1之间,他们猜测实际的比值应该是2:1, 因此,他们认为红细胞膜是双层脂分子组成。这样就第一次提出了脂双分子层是细胞膜基本结构的概念。脂双层的概念为后来大部分膜结构模型所接受,并在这一基础上提出了许多种不同的膜分子结构模型,现介绍几种主要的膜结构模型。

片层结构模型具有三层夹板式结构特点[编辑]

1935年,H.Davson和J.Danielli发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面的表面张力,已知脂滴表面如吸附有蛋白成分则表面张力降低,因此他认为,细胞膜不是单纯由脂类组成,推测质膜中含有蛋白质成分,并提出“片层结构模型”(lamella structure model)。这一模型认为,细胞膜是由两层磷脂分子构成,磷脂分子的疏水经链在膜的内部彼此相对,而亲水端则朝向膜的外表面,内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子,形成蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板式结构。后来,为了解释质膜对水的高通透性,Davson和Danielli对其模型进行了修改,认为质膜上有穿过脂双层的孔,小孔由蛋白质分子围成,其内表面具有亲水基团,允许水分子通过。这一模型的影响达20年之久。

单位膜模型体现膜形态结构的共同特点[编辑]

前面所介绍的对质膜化学性质与结构的认识,都是根据分析实验数据间接推论出来的,缺少直观资料。由于细胞膜非常薄,在光学显微镜下无法直接观察清楚。1959年,J. D. Robertson使用电子显微镜观察各种生物细胞膜和内膜系统,发现所有生物膜均呈“两暗一明”的三层式结构,在横切面上表现为内外两层为电子密度高的暗线,中间夹一条电子密度低的明线,内外两层暗线各厚约2 nm, 中间的明线厚约3.5nm, 膜的总厚度约为7.5nm, 这种“两暗一明”的结构被称为单位膜。因此,他们在片层结构模型基础上提出了“单位膜模型”(unit membrane model)。
这一模型认为磷脂双分子层构成膜的主体,其亲水端头部向外,与附着的蛋白质分子构成暗线,磷脂分子的疏水尾部构成明线。这个模型与片层结构模型不同,认为脂双分子层内外两侧的蛋白质并非球形蛋白质,而是单条肽链以β片层形式的蛋白质,通过静电作用与磷脂极性端相结合。单位膜模型提出了各种生物膜在形态结构上的共同特点,即把膜的分子结构同膜的电镜图像联系起来,能对膜的某些属性做出解释,在超微结构中被普遍采用,名称一直沿用至今。但是这个模型把膜作为一种静态的单一结构,无法说明膜的动态变化和各种重要的生理功能,也不能解释为何不同生物膜的厚度不同。

流动镶嵌模型是被普遍接受的模型[编辑]

20世纪60年代以后,由于新技术的发明和应用,对质膜的认识越来越深入。例如,应用冰冻蚀刻 技术显示膜中有蛋白质颗粒存在;应用示踪法表明膜的结构形态不断发生流动变化;应用红外光谱、旋光色散等技术证明膜蛋白主要不是β-片层结构,而是α-螺旋的球形结构。这些事实都对单位膜模型提出了修正,此阶段又相继提出了许多新的模型,其中受到广泛支持的是S.J.Singer和G. L. Nicolson在1972年提出的“流动镶嵌模型”(fluid mosaic model)。这一模型认为膜中脂双层构成膜的连贯主体,它具有晶体分子排列的有序性,又具有液体的流动性;膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合,有的嵌在脂双层分子中,有的则附着在脂双层的表面。它是一种动态的、不对称的具有流动性结构,其组分可以运动,还能聚集以便参与各种瞬时的或非永久性的相互作用。流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性,较好地解释了生物膜的功能特点,它是目前被普遍接受的膜结构模型。
流动镶嵌模型可以解释许多膜中所发生的现象,但它不能说明具有流动性的质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性,忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等,因此又有人提出了一些新的模型。如1975年Wallach提出了一种“晶格锁嵌模型”(crystal mosaic model), 认为生物膜中流动的脂类是在可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变,膜蛋白对脂类分子的运动具有限制作用。镶嵌蛋白和其周削的脂类分子形成膜中晶态部分(晶格),而具有“流动性” 的脂类呈小片的点状分布。因此脂类的“流动性”是局部的,并非整个脂类双分子层都在进行流动,这就比较合理地说明了生物膜既具有流动性、又具有相对完整性及稳定性的原因。
1977年,Jain和White又提出了“板块镶嵌模型”( block mosaic model), 认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的脂类板块(有序结构的“板块”),在这些有序结构的板块之间存在流动的脂类区(无序结构的“板块”),这两者之间处于一种连贯的动态平衡之中,因而生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。
事实上,后两种模型与流动镶嵌模型并无本质区别,不过是对膜流动性的分子基础进行了补充。

脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识[编辑]

脂双层近似一个二维流体,里面镶嵌有许多的蛋白质,而在真实的细胞膜上,脂双层不是一个完全均匀的二维流体,一些脂质分子可以形成相对稳定的凝胶状态或液态有序状态。近来发现膜质双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区(microdomain), 微区中富含胆固醇和鞘脂,其中聚集一些特定种类的膜蛋白。由于鞘脂的脂肪酸尾比较长,因此这一区域比膜的其他部分厚,更有秩序且较少流动,被称为脂筏(lipid rafts)。其周围则是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。近年发现脂筏不仅存在于质膜上,亦存在于高尔基复合体膜上。认为脂筏最初可能在高尔基复合体上形成,最终转移到细胞质膜上。
脂双层具有不同的脂筏结构:外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇及CPI-锚定蛋白,由于鞘脂含有长链饱和脂肪酸,流动性较差,而邻近的磷脂区其脂肪酸多不饱和,所以出现相分离;内层也有类似的微区,但与外层的脂质不完全相同,主要是在此区有许多酰化的铀定蛋白,特别是信号转导蛋白,如Src、G蛋白的Gα亚基、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)等。这种由鞘脂和胆固醇富集的微区,如同漂浮在脂双层上的“脂筏”同时承载着执行特定生物学功能的膜蛋白。据推测,一个直100nm的脂筏可载有600个蛋白质分子。从结构及组分分析认为,脂筏在膜内形成一个有效的平台,许多蛋白质聚集在脂筏内,便于相互作用;脂筏提供一个有利于蛋白质变构的环境,形成有效的构象。目前比较公认的脂筏的功能是参与信号转导、受体介导的胞吞以及胆固醇代谢运输等。从当前的研究来看,脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、Alzheimer病、疯牛病及肌营养不良等疾病。对脂筏结构和功能的研究不仅加深了对许多重要的生命现象和病理机制的了解,而且也有助于了解细胞膜的结构和功能,将给膜生物学带来更多的信息与启示。