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1、,Chapter 10 Membrane Structure,1,主要内容,脂双层 膜蛋白,2,细胞膜的存在对于细胞的生存是至关紧要的。质膜环绕着细胞，确定了细胞的轮廓，保持细胞质和细胞外环境的本质不同。 在真核细胞中，膜能够维持内质网、高尔基体、线粒体以及其他有膜包被的细胞器中的内含物和细胞质之间的特异性差异。膜上有专门的蛋白质能形成跨膜离子梯度，这种梯度通常帮助合成ATP，驱使某些溶质的跨膜运动或者在神经及肌肉细胞中产生并传导电信号。 在所有细胞中，质膜上也有些蛋白质作为外部信号的感受器，使细胞通过改变自身行为对环境信号做出应答，这些蛋白质感受器跨膜传递的信号不仅仅是离子或分子。,3,无论
2、生物膜的功能多么不同，所有的膜结构大致一样，都是由一非常薄的脂质膜和蛋白质分子组成，蛋白质分子和脂质膜主要是通过非共价相互作用结合在一起。 细胞膜是流动的结构，大多数上面的分子能在膜平面上平移。 脂类分子排列成5nm厚的连续双层。,4,The Lipid Bilayer,Three views of a cell membrane.(A)An electron micrograph of a plasma membrane (of a human red blood cell)seen in cross section.(B and C)These drawings show two-dime
3、nsional and three-dimensional views of a cell membrane and the general disposition of its lipid and protein constituents.,5,膜质类分子是两性分子，大多数能自发形成双分子层,脂类分子占大多数动物细胞的50%，剩余的大部分是蛋白质。 细胞膜中的所有的脂类分子都是两性分子，也就是说这些分子具有一个亲水的极性端和一个疏水的非极性端。 含量最丰富的膜质类分子是磷脂。,6,7,亲水分子能够容易地溶解在水里，是因为他们含有带电基团或不带电的极性基团，这些基团能够和水分子形成静电相互作用
4、或氢键。 疏水分子在水中难溶是因为这些分子几乎所有的原子都是不带电或者非极性的，因此不能和水分子形成较好的静电相互作用。 如果分散在水中，它们会推动周围的水分子重新组织成环状笼。绕在这些疏水分子周围的冰状笼。,8,9,因为上述原因，脂类分子自发聚集，将疏水尾部埋在内部，极性头部暴露在水中。 这些分子能够通过一下两种方法之一来实现这一点：脂类分子能形成球形胶囊，尾巴在内部；或者脂类分子能形成脂双层，形成疏水性尾巴夹在亲水性头部基团之间的三明治结构。,10,（A）楔形脂分子（上图）形成胶束，而圆柱形磷脂分子（下图）形成双分子层。 （B）脂胶束和直爽分子层的横截面。根据他们的形状。脂分子在水中自发形
5、成一个或多个这类结构。,11,脂双层自发闭合形成一个封闭腔 这种封闭结构是稳定的，因为它避免了疏水烃链暴露在水中，这种暴露在能量上是不利的。,12,脂双层是二维流体,在以往的研究中有两类制剂非常有用： 1、由球形囊状形成的双分子层，叫做脂质体； 2、平面双分子层，叫做黑膜，横跨两个水层之间隔膜上的小洞排列而成。,13,脂质体 水中的一个未固定，未染色的磷脂泡囊在液氮温度下被迅速冷冻。脂质体双分子层结构容易被看到。 一个小球形的脂质体截面示意图。在实验性研究中脂质体通常被用作典型膜。,14,一个黑膜（合成的脂双层）的横截面图像。 在两个分离的水区室之间的孔上形成的平面双分子层看上去是黑色的。黑膜
6、被用于检测合成膜的渗透性。,15,多种技术已经被用于测量单个脂分子以及它们不同部分的运动。 例如：其中一种技术是构造一个脂质分子，该分子的极性头部基团带有一个“自旋标记”，如：硝酰基；这包含了一个不配对的电子，该电子的自旋引起了一个超顺磁性的信号，这个信号基于电子自旋共振谱法（ESR）检测到。 这类研究显示了在合成的双层中的磷脂分子很少能从一边的单层移动到另一边的单层。 相对的，在膜的单层中脂分子和它们周围的邻居快速交换着位置。,16,在脂双层中磷脂分子可能的运动类型。,17,在单个的生物膜和活细胞中也采用标记后的脂分子完成了类似的研究。 结果通常和在合成的双分子层中的相同，这些结果证明了生物
7、膜的脂质成分是二维流体，其中的组成分子可以自由的侧向移动。 由于在合成的双分子层中，单独的磷脂分子通常被限制在自身所属的单分子层上，这一限制对于它们的合成产生了一个问题。 如果这些新产生的分子不能相当快速的迁移到非细胞质那一面的单分子层中，新的脂双层就不能产生。,18,脂双层的流动性依赖于它的成分,脂双层的流动性依赖于它的成分和温度。 在一个特定的凝固点，一个由单一类型磷脂分子构成的合成双分子层会从液态变成二维刚性的结晶，这种状态变化叫做相变。 如果烃链更短或有双键存在，这个相变温度就会更低。 细菌、酵母菌和其他一些温度随环境变化的生物体通过调整膜脂质中脂肪酸的成分来保持相对持续的流动性。,1
8、9,烃链中顺式双键的影响 双键使得更难将那些链聚集在一起，因此使得脂双层更难被固定。此外，因为不饱和脂分子的脂肪酸链伸展的分开，所以含有这些分子的双层分子要比那些专门由饱和脂分子组成的双分子层薄。,20,胆固醇的结构式、示意图和空间结构模型。,21,在脂双层中的胆固醇,22,23,哺乳动物的质膜中的几种主要的磷脂分子,24,质膜包含富含鞘磷脂、胆固醇和某些膜蛋白的脂质筏,细胞膜中大多数类型的脂分子随意地混合在它们所处的脂单层中。相邻的脂肪酸尾部之间的范德华力不能选择性地将同类分子的基团保持到一起。 对于某些脂类分子，如鞘脂类分子，具有长的饱和脂肪烃链，他们之间的范德华力足够强，可以再一些微小的
9、区域中将邻近的分子暂时低维持在一起。这种微小的区域称作脂质筏。鞘脂类分子被富集在其中。,25,脂质筏是膜上小且特殊的区域，那里富集了一些脂分子（主要是鞘脂类和胆固醇）和蛋白质。因为在脂质筏中某处的脂双层更厚，某些膜蛋白就聚集在那。,26,脂双层的不对称性在功能上是重要的,在许多生物膜的脂质双分子层的两个单层中的脂质成分具有明显的不同。,27,图10-14 磷脂和糖脂在人红细胞中的不对称分布,图10-15 膜磷脂在细胞信号传递中的一些功能,28,糖脂在所有质膜表面都有发现,在膜上分布最不对称的脂分子是含糖的脂分子，叫做糖脂。 这些分子在脂双层的非细胞质单层上被发现，在那这些分子认为优先被分隔成脂
10、质筏。 这些糖脂分子通过糖基彼此之间的氢键或它们的饱和烃链之间的范德华力趋于自联合。 在质膜中，糖基暴露在细胞表面，在细胞核周围环境的相互作用中，它们扮演了重要的角色。 糖脂大概存在于所有动物细胞的质膜中，在那些质膜中糖脂通常占质膜外层的脂分子的5%。 在一些细胞内膜中也发现有糖脂。,29,膜蛋白,膜蛋白可以通过多种方法和脂双层联在一起,30,图10-17 膜蛋白和脂双层连接的多种方式,由脂肪酸链或异戊二烯结合的膜蛋白 （A）一个脂肪酸链通过氨基连接到甘氨酸N末端。 （C）一个异戊二烯基通过一个二硫键连接到位于蛋白质C端的4个残基开头的半胱氨酸残基上。在异戊烯化后，最末端的3个氨基酸被切割下来
11、，在插入膜之前蛋白质，新的C端被甲基化。,31,大多数跨膜蛋白借助a螺旋构想的多肽链穿过脂双层,一个跨膜蛋白在膜中总是有一个独特的方向。这既反映蛋白质在内质网中的合成及插入到脂双层中不对称的方式，也反映出了蛋白质胞质和非胞质区域功能的不同。,以a螺旋穿过脂双层的跨膜多肽的片段,32,通过亲水性图可以鉴定跨过脂双层的a螺旋。 对于将多肽链的连续片段从非极性溶剂转移到水中所需的自由能，可以根据每个片段所含氨基酸成分来计算，计算所用数据可以从一些典型化合物获得。这种计算通常由对固定大小的片段的计算组成，从链的每个连续的氨基酸开始。根据片段在链中位置的功能，片段的“亲水性检索”被绘在y轴上。正值意味着
12、转移到水中时需要的自由能（也就是说片段是疏水的），所指定的值就是所需能量数量的指标。亲水性检索的峰显示了氨基酸序列中疏水片段的位置。,33,使用亲水性图来确定多肽链中可能的a螺旋跨膜片段的位置,34,某些折叠形成大的跨膜通道,图1021不同数量的链形成的桶形结构,35,许多膜蛋白被糖基化,动物细胞中大多数跨膜蛋白被糖基化。 因为这样，寡糖链总是出现在膜的非胞质面。膜两面蛋白质之间其他的区别由细胞质的还原环境产生，这种环境降低了膜胞质侧的链内和链间二硫键形成的可能性。 这些链内和链间的键会在非胞质侧形成，这些键在稳定多肽链的折叠结构或帮助多肽链和其他多肽链结合方面起着重要作用。,36,图1022
13、 单次跨膜蛋白,37,用去污剂能溶解并纯化膜蛋白,通常，跨膜蛋白只能通过那些能破坏疏水缔合和脂双层的试剂来增加可溶性。而最好用的试剂是去污剂。 和膜混合后，去污剂的疏水末端结合到膜蛋白的疏水区上，从而替代了脂分子。因为去污剂分子的另一端是极性的，这种和膜蛋白的结合导致形成的去污剂-蛋白质复合物被带到溶液中。,38,图1024 用中性去污剂溶解膜蛋白,39,图1026 中性去污剂用于溶解、纯化和重新组成功能性膜蛋白系统,40,用血影细胞来研究胞质内侧的质膜蛋白,通过将细胞放到一个盐浓度低于细胞内部的溶液中，很容易就能制备空的红细胞膜，或者叫做血影细胞。然后水流进红细胞，红细胞膨胀破裂，将血红蛋白
14、和其他细胞质中的蛋白质释放出来。 当这种膜还是漏的时候可以用于研究。这种膜也能重新封闭，这样那些水溶性的试剂就到不了内表面。 此外，也能利用血影细胞制备反转封闭的囊泡，因此能够分别研究膜的内侧和外侧。,41,图1027 人红细胞的扫描电子显微镜照片,42,血影蛋白是一个细胞骨架蛋白，通过非共价作用和红细胞膜质面的胞质面相连,图1031 在人红细胞膜胞质侧的基于血影蛋白的细胞骨架,43,血型糖蛋白用一个单个的a螺旋穿过红细胞的脂双层,血型糖蛋白通常作为一个同型二聚体而存在。它的两个相似的链主要是通过非共价相互作用在跨膜的a螺旋中连接的。这样，膜蛋白的跨膜片段总是多于一个疏水性的锚：疏水氨基酸的序
15、列可能包含了介导蛋白质间的相互作用的信息。 在多次跨膜蛋白中的单个跨膜片段在折叠后的蛋白质结构中占据着特定的位置，能够有周围的a螺旋之间的相互作用索确定。 多次跨膜蛋白的跨膜片段在胞质或非细胞质中通过茎环结构的多肽链相连，这种多肽链会被蛋白酶切断，产生的片段停留在一起的话还能正常执行功能。 有些情况下，碎片可以传递到细胞中，它们自己又可以是当地组合形成一个具有功能的蛋白质。,44,图1032 单链多次跨膜蛋白向双链多次跨膜蛋白的转变,45,细菌视紫红质是一个质子泵，通过7个a螺旋穿过脂双层,每个细菌视紫红质分子包含一个单个的光吸收基团，或者叫做生色团(叫视网醛)，这一物质让蛋白质呈现紫色。 视
16、网醛与细菌视紫红质蛋白中的赖氨酸侧链共价相连。当被光线中的单光子激活时，激发态的生色团会改变形状并导致蛋白质中一系列小的结构变化，这些变化会帮助把氢离子从细胞里转运到细胞外。,46,图1037 细菌视紫红质分子的三维结构,47,膜蛋白通常形成大复合物来行使功能,图1038 细菌的光合反应中心的三维结构,48,许多膜蛋白在膜平面中扩散,像膜脂分子一样，膜蛋白不能在脂双层中翻转，但是它们能够绕一和膜平面垂直的轴旋转(转动扩散)。 此外，很多膜蛋白能够在膜中侧向移动(侧向扩散)。 一些质膜蛋白可以膜平面中移动的第一个直接的证据是通过一个实验来证明的，在这个实验中将小鼠细胞和人细胞人工融合，产生杂交细
17、胞(异核体)。两种不同标记的抗体被用来选择性地区分小鼠和人质膜蛋白。,49,图1039 用人鼠杂交细胞证明质膜蛋白的混合的实验,50,膜蛋白侧向扩散的速率的测量,图10-40使用荧光漂白技术测量膜蛋白侧向扩散的速率（A）,51,图10-40使用荧光漂白技术测量膜蛋白侧向扩散的速率（B）,52,细胞可以将蛋白质和脂分子限定在细胞膜中特定区域,图1041 一个质膜蛋白石如何被限制在一个特定的膜区域中,53,在所有的这些例子中，蛋白质和脂分子的扩散被限制在连续质膜的特定区域中。已经知道了细胞具有多种方法固定它们的膜蛋白。在盐杆菌的紫色膜中的细菌视紫红质分子聚集成大的二维晶体，其中单个蛋白质分子彼此之
18、间相互固定，这种大聚集体的扩散很慢。一个更常见的限制特定膜蛋白侧向扩散的方法是将蛋白质或脂分子拴在细胞内侧或细胞外侧中的大聚集体上。我们已经知道有些红细胞的膜蛋白被锚定在内部的细胞骨架上。在其他的细胞类型中，质膜蛋白能够被锚定到细胞骨架或细胞外基质上，或者两个都锚定上。,54,图1043 4种限制特定质膜蛋白侧向移动的方法,55,细胞膜表面包被糖残基,通常质膜蛋白不会毫无修饰地暴露在细胞的表面。 它们通常被糖基修饰，这几乎包被在所有真核细胞的表面。这些糖基通常以寡糖链的形式共价结合到膜蛋白(糖蛋白)或脂分子(糖脂)上。 它们也会以多聚糖的形式作为膜蛋白聚糖的部分出现。由长的多聚糖链共价连接到蛋
19、白质核心上所形成的蛋白聚糖，主要是在细胞的外侧发现，作为细胞外基质的组成部分。 但是对于一些蛋白聚糖，它的蛋白质核一fl,可能填充在脂双层中或者通过糖基磷脂酸肌醇(GPI)锚定在双分子层上。,56,细胞外被或糖萼通常用来描述细胞表面糖基富集的地带。这些地带能够被多种染料显色，如钌红，同样因为它对那些被叫做凝集素的结合糖基蛋白有亲和力，能够用荧光染料或其他一些可见的标记物来标记。 尽管大部分糖基都附在那些固定在脂膜中的分子上，但是糖萼还是包含了那些已经分泌到胞外空间并重新吸附到细胞表面的糖蛋白和蛋白聚糖。这类被吸附的大分子中许多都是胞外基质的成分，所以质膜的末端和胞外基质的起点位置很大程度上是差不多的。细胞外被的一个可能的作用是保护细胞免受机械和化学伤害以及保持细胞和外界物体及其他细胞之间的距离，防止一些不必要的蛋白质之间的相互作用。,57,图1044 细胞外被或糖萼,58,图1045 细胞外被简图,59,