細(xì)胞質(zhì)膜(翟中和第四版)

如何理解“細(xì)胞是生命活動(dòng)的根本單位〞。答：①細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的根本單位。一切有機(jī)體均由細(xì)胞構(gòu)成，只有病毒是非細(xì)胞形態(tài)的生命體。②細(xì)胞具有獨(dú)立的、有序的自控代謝體系，細(xì)胞是代謝與功能的根本單位③細(xì)胞是有機(jī)體生長(zhǎng)與發(fā)育的根底④細(xì)胞是遺傳的根本單位，細(xì)胞具有遺傳的全能性⑤細(xì)胞是生命起源和進(jìn)化的根本單位。⑥沒(méi)有細(xì)胞就沒(méi)有完整的生命怎樣理解“病毒是非細(xì)胞形態(tài)的生命體〞？答：⑴病毒是“不完全〞的生命體。病毒不具備細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，但卻具備生命的根本特征〔復(fù)制與遺傳〕，其主要的生命活動(dòng)必需在細(xì)胞內(nèi)才能表現(xiàn)。⑵病毒是徹底的寄生物。病毒沒(méi)有獨(dú)立的代謝和能量系統(tǒng)，必需利用宿主的生物合成機(jī)構(gòu)進(jìn)行病毒蛋白質(zhì)和病毒核酸的合成。⑶病毒只含有一種核酸。⑷病毒的繁殖方式特殊稱為復(fù)制。病毒可能是細(xì)胞在特定條件下“扔出〞的一個(gè)基因組，或者是具有復(fù)制與轉(zhuǎn)錄能力的mRNA。這些游離的基因組只有回到它們?cè)瓉?lái)的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中才能進(jìn)行復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。為什么電子顯微鏡不能完全替代光學(xué)顯微鏡？電子顯微鏡用電子束代替了光束，大大提高了分辨率，電子顯微鏡相對(duì)光學(xué)顯微鏡是個(gè)飛躍。但是電子顯微鏡：樣品制備更加復(fù)雜；鏡筒需要真空，本錢更高；只能觀察“死〞的樣品，不能觀察活細(xì)胞。光學(xué)顯微鏡技術(shù)性能要求不高，使用容易；可以觀察活細(xì)胞，觀察視野范圍廣，可在組織內(nèi)觀察細(xì)胞間的聯(lián)系；而且一些新開(kāi)展起來(lái)的光學(xué)顯微鏡能夠觀察特殊的細(xì)胞或細(xì)胞結(jié)構(gòu)組分。因此，電子顯微鏡不能完全代替光學(xué)顯微鏡。為什么說(shuō)細(xì)胞培養(yǎng)是細(xì)胞生物學(xué)研究的最根本技術(shù)之一？答：在體外模擬體內(nèi)的生理環(huán)境，培養(yǎng)從機(jī)體中取出的細(xì)胞，并使之生存和生長(zhǎng)的技術(shù)稱為細(xì)胞培養(yǎng)。 細(xì)胞培養(yǎng)是細(xì)胞生物學(xué)研究中最根本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，在理論上如細(xì)胞全能性的揭示，細(xì)胞周期及其調(diào)控，癌機(jī)制與細(xì)胞衰老，基因表達(dá)與調(diào)控，細(xì)胞融合以及一些細(xì)胞工程技術(shù)的建立都是與細(xì)胞培養(yǎng)分不開(kāi)的。在實(shí)驗(yàn)方面，植物細(xì)胞培養(yǎng)為植物育種開(kāi)辟了新途徑。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)為疫苗生產(chǎn)、藥物研制與腫瘤防治等醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了全新的手段。細(xì)胞培養(yǎng)是細(xì)胞生物學(xué)研究中最有價(jià)值的技術(shù)。通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)可獲得大量的細(xì)胞，也可以通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)研究細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞的合成代謝等。突出的特點(diǎn)是在離體條件下觀察和研究細(xì)胞生命活動(dòng)的規(guī)律。培養(yǎng)中細(xì)胞不受體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，可以認(rèn)為改變培養(yǎng)條件。 總的來(lái)說(shuō)，細(xì)胞培養(yǎng)是細(xì)胞生物學(xué)研究的前提和根底，許多后期實(shí)驗(yàn)均建立在細(xì)胞培養(yǎng)的根底之上。所以可以說(shuō)，細(xì)胞培養(yǎng)是細(xì)胞生物學(xué)研究的最根本技術(shù)之一。第4章細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞外表是復(fù)合的結(jié)構(gòu)體系與多功能的體系，細(xì)胞膜是細(xì)胞外表的核心結(jié)構(gòu)。細(xì)胞質(zhì)膜〔plasmamembrane〕又稱質(zhì)膜，曾稱細(xì)胞膜〔cellmembrane)，是圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類組成的生物膜。在細(xì)胞內(nèi)部包繞各種細(xì)胞器的膜，稱為細(xì)胞內(nèi)膜。質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜在起源、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜〔biomembrane〕。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的重要物質(zhì)根底。根本概念本章主要內(nèi)容細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與根本成分細(xì)胞質(zhì)膜的根本特征與功能第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型與根本成分細(xì)胞質(zhì)膜

〔plasmamembrane〕真核細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)

〔endomembranesystem〕生物膜〔biomembrane〕一、細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)模型三明治模型單位膜模型流動(dòng)鑲嵌模型脂筏模型每種模型對(duì)認(rèn)識(shí)生物膜的奉獻(xiàn)及其局限性？1895年，E.Overton發(fā)現(xiàn)但凡溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過(guò)植物的細(xì)胞質(zhì)膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜，因此推測(cè)質(zhì)膜由連續(xù)脂類物質(zhì)組成。1.質(zhì)膜由雙層脂分子構(gòu)成的推測(cè)1925年，E.Gorter〔戈頓〕&F.Grendel〔格倫德?tīng)枴秤糜袡C(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞外表積，因而推測(cè)細(xì)胞質(zhì)膜由雙層脂分子組成。2.“蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)〞三明治式結(jié)構(gòu)模型1935年，J.Danielli&H.Davson發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的外表張力比油－水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)。提出蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)的三明治式的質(zhì)膜模型〔三夾板模型〕。1959年，J.D.Robertson〔羅伯遜〕用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示出暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，研究說(shuō)明：它由厚約3.5nm的雙層脂分子〔明帶〕和內(nèi)外外表各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成(暗帶總厚約7.5nm〕。當(dāng)時(shí)認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)過(guò)，由此開(kāi)展了三明治模型，提出了蛋白質(zhì)－脂質(zhì)－蛋白質(zhì)的單位膜模型〔unitmenbranemodel〕。

3.單位膜模型電鏡超薄切片中的細(xì)胞質(zhì)膜顯示出暗－亮－暗三條帶4.流動(dòng)鑲嵌模型1972年，Singer和Nicolson①膜的流動(dòng)性

②膜蛋白分布的不對(duì)稱性Singer,S.J.;Nicolson,G.L.(1972)."Thefluidmosaicmodelofthestructureofcellmembranes".Science,175(4023):720–731.該模型的主要論點(diǎn)是:1〕流動(dòng)的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體,球形的膜蛋白質(zhì)以各種鑲嵌形式與脂雙分子層相結(jié)合。2〕構(gòu)成膜的脂雙層具有液晶態(tài)的特性,它既有晶體的分子排列的有序性,又有液體的流動(dòng)性。該模型的突出特點(diǎn)是：1〕強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)性：即膜蛋白和膜脂均可側(cè)向運(yùn)動(dòng)；2〕強(qiáng)調(diào)了膜組分分布的不對(duì)稱性：即膜蛋白有的鑲在外表、有的嵌入、有的橫跨脂雙分子層。該模型的缺乏之處：1〕無(wú)視了蛋白質(zhì)分子對(duì)脂類分子流動(dòng)性的限制作用；2〕無(wú)視了膜各局部流動(dòng)性的不均勻性等,從而使人們又提出了一些新的模型。5.脂筏模型1988年，Simons膽固醇、鞘磷脂等富集區(qū)域形成相對(duì)有序的脂相，如同漂浮在脂雙層上的“脂筏〞載著執(zhí)行特定生物學(xué)功能膜蛋白SimonsK,vanMeerG(August1988)."Lipidsortinginepithelialcells".Biochemistry,27(17):6197–202.SimonsK,IkonenE(June1997)."Functionalraftsincellmembranes".Nature,387(6633):569–72.脂筏結(jié)構(gòu)模型脂筏模型〔lipidrafts〕：脂質(zhì)雙分子層不是一個(gè)完全均勻的二維流體，膜中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質(zhì)區(qū)。特點(diǎn)：這些區(qū)域比膜的其他局部厚，更有秩序且較少流動(dòng)性。其周圍是流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。功能：參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運(yùn)輸?shù)?。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。6.目前對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)磷脂分子在水相中具有自發(fā)封閉的性質(zhì)蛋白質(zhì)分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結(jié)合在其外表生物膜可看成是蛋白質(zhì)在雙層脂分子中的二維溶液細(xì)胞生命活動(dòng)中，生物膜處于不斷的動(dòng)態(tài)變化中生物膜結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)膜的化學(xué)組成質(zhì)膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的根本骨架，膜蛋白是膜功能的主要表達(dá)者。動(dòng)物細(xì)胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質(zhì)。二、膜脂(membranelipid)〔一〕成分甘油磷脂鞘脂固醇1.甘油磷脂具有一個(gè)極性頭和兩個(gè)非極性的尾脂肪酸碳鏈為偶數(shù)除飽和脂肪酸外常含1-2個(gè)雙鍵的不飽和脂脂分子極性頭空間占位對(duì)脂雙層曲度的影響PE極性頭較小，更多地分布在脂雙層曲度較小的一側(cè)(磷脂酰乙醇胺)(磷脂酰膽堿)甘油磷脂與鞘磷脂PEPSPCSM2.鞘脂主要在高爾基體合成鞘磷脂形成的脂雙層厚度較甘油磷脂厚度大A.卵磷脂B.鞘磷脂C.卵磷脂和膽固醇D.鞘磷脂和膽固醇3.固醇：膽固醇及其類似物含4個(gè)閉環(huán)，親水的頭部為一個(gè)羥基調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)通透性脂筏根本結(jié)構(gòu)成分，還是很多重要生物活性分子的前體化合物Figure10-4MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)〔二〕膜脂的運(yùn)動(dòng)方式沿膜平面的側(cè)向運(yùn)動(dòng)脂分子圍繞軸心的自旋運(yùn)動(dòng)脂分子尾部擺動(dòng)雙層脂分子之間的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Figure10-11bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)〔三〕脂質(zhì)體(liposome)脂質(zhì)體：根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定脂雙層膜的現(xiàn)象而制備的人工膜用途：可嵌入不同的膜蛋白，

是研究膜脂與膜蛋白生物學(xué)性質(zhì)以及轉(zhuǎn)基因、藥物靶向的好材料〔三〕脂質(zhì)體(liposome)Figure10-8MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)Lipidbilayerssealspontaneously三、膜蛋白(membraneprotein)膜蛋白種類繁多賦予生物膜重要的生物學(xué)功能〔一〕膜蛋白的三種根本類型外在膜蛋白或外周膜蛋白內(nèi)在膜蛋白或整合膜蛋白脂錨定膜蛋白脂錨定膜蛋白的3種類型A：脂肪酸結(jié)合到膜蛋白N端的甘氨酸殘基上B：烴鏈結(jié)合到膜蛋白C端的半胱氨酸殘基上C：通過(guò)糖脂錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上〔二〕內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式內(nèi)在膜蛋白為跨膜蛋白可分為：胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域內(nèi)在膜蛋白與膜脂結(jié)合的方式膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心相互作用跨膜結(jié)構(gòu)域兩端帶正電荷的氨基酸殘基或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過(guò)Ca2+、Mg2+與帶負(fù)電的磷脂極性頭部相互作通過(guò)自身在胞質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價(jià)結(jié)合到膜脂肪酸分子上內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與膜脂跨膜結(jié)構(gòu)域形成α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域主要由β折疊片組成某些α螺旋外側(cè)非極性鏈與膜脂相互作用，內(nèi)側(cè)極性鏈形成特異極性分子的跨膜通道膜蛋白及其與膜脂關(guān)系的三維結(jié)構(gòu)分析跨膜蛋白既有疏水區(qū)域(跨膜區(qū))，也有親水區(qū)域〔膜外表區(qū)〕，其結(jié)構(gòu)解析主要是應(yīng)用低溫電鏡技術(shù)和X射線晶體衍射技術(shù)圖4-12圖4-13〔三〕去垢劑一端親水、一端疏水的兩性小分子，是別離與研究膜蛋白的常用試劑插入膜脂與膜脂或膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域等疏水部位結(jié)合，形成可溶性的微?！踩橙ス竸╇x子型去垢劑：如SDS，可破壞蛋白質(zhì)中離子鍵和氫鍵等非共價(jià)鍵，甚至改變蛋白質(zhì)親水局部的構(gòu)象非離子去垢劑：如TritonX-100，對(duì)蛋白質(zhì)作用比較溫和，用于膜蛋白的別離與純化四、膜糖糖脂糖蛋白Figure10-28bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)細(xì)胞質(zhì)膜上的膜糖都位于質(zhì)膜外外表，內(nèi)膜系統(tǒng)中的膜糖那么面向細(xì)胞器腔面！第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的根本特征與功能流動(dòng)性不對(duì)稱性膜骨架質(zhì)膜的根本功能一、膜的流動(dòng)性膜的流動(dòng)性是是所有的生物膜的根本特征，是細(xì)胞生長(zhǎng)增殖等生命活動(dòng)的必要條件膜的流動(dòng)狀態(tài)受細(xì)胞代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)〔一〕膜脂的流動(dòng)性脂肪酸鏈越短、不飽和程度越高，流動(dòng)性越大溫度對(duì)膜脂的運(yùn)動(dòng)有明顯影響膽固醇對(duì)膜的流動(dòng)性起著雙重調(diào)節(jié)作用〔二〕膜蛋白的流動(dòng)性熒光標(biāo)記人-鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)成斑現(xiàn)象〔patching〕或成帽現(xiàn)象〔capping〕Figure10-35MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)〔二〕膜蛋白的流動(dòng)性膜蛋白流動(dòng)性受多種因素限制：如緊密連接、細(xì)胞骨架的影響等〔三〕膜脂和膜蛋白運(yùn)動(dòng)速率的檢測(cè)熒光漂白恢復(fù)〔FRAP〕技術(shù)Figure10-36aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件例如物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等，與細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育，抗寒性有關(guān)。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過(guò)高，又會(huì)造成膜的溶解。膜流動(dòng)性的生物學(xué)意義影響膜流動(dòng)性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會(huì)降低膜的流動(dòng)性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高那么膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字?。其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的相互作用：內(nèi)在蛋白越多，界面脂越多，膜的流動(dòng)性降低。二、膜的不對(duì)稱性膜脂和膜蛋白在生物膜上呈不對(duì)稱分布糖蛋白和糖脂的糖基局部均位于細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)電鏡冷凍蝕刻技術(shù)〔一〕細(xì)胞質(zhì)膜各膜面的名稱質(zhì)膜的細(xì)胞外外表〔extrocytoplasmicsurface，ES〕質(zhì)膜的原生質(zhì)外表〔protoplasmicsurface，PS〕細(xì)胞外小葉斷裂面〔extrocytoplasmicface，EF〕原生質(zhì)小葉斷裂面〔protoplasmicface，PF〕EFPF小鼠肝細(xì)胞膜冰凍蝕刻〔二〕膜脂的不對(duì)稱性膜脂的不對(duì)稱性是指同一種膜脂分子在膜的脂雙層中呈不均勻分布糖脂分布表現(xiàn)出完全不對(duì)稱性：非胞質(zhì)側(cè)〔二〕膜脂的不對(duì)稱性〔三〕膜蛋白的不對(duì)稱性所有的膜蛋白在質(zhì)膜上都呈不對(duì)稱分布，每種膜蛋白分子在質(zhì)膜上都具有明確的方向性糖蛋白的糖殘基均分布在生物膜的非胞質(zhì)一側(cè)Figure10-27MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2023)三、細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)的膜骨架Figure10-42aMolecularBiologyoftheCell(?Gar