细胞膜结构的研究进展

细胞膜结构的研究进展

细胞膜结构的研究进展

摘要：真核细胞及其亚细胞器如线粒体和内质网等的表面包被着双层磷脂膜结构, 即质膜或生物膜.细胞生物学的发展大约经历了3个历史时期，细胞的发现和细胞学的创立，细胞学的经典时期，细胞生物学的产生。细胞膜的结构在细胞生物学中占有重要的地位，同时电子显微镜技术的应用使人们对细胞膜结构的研究更加深入，因此，我们对细胞膜结构的研究十分重要。

关键词：细胞膜磷脂磷脂双层镶嵌流动蛋白质结构

细胞是生命的基本结构与功能单位，细胞的外周膜（质膜）与细胞内的膜系统（如线粒体膜，叶绿体膜，内质网膜，高尔基体膜，核膜等）统称为生物膜，细胞的能量转换、信息识别与传递、物质运送等基本生命过程都与生物膜密切相关，生物膜是由脂类、蛋白质以及糖等组成的超分子体系，膜蛋白是生物膜功能的主要体现者，膜脂除了具有对膜结构的支撑作用外，近年来的研究表明，它们还与信号传递等功能有密切的联系，本文主要介绍了细胞膜的结构与功能的研究进展【1】。细胞的内膜系统是指在结构、功能及发生上有一定的关系、相互关系的由膜包被的细胞器或细胞结构，包括：内质网、高尔基体等。内膜系统中的细胞器是动态的、集合的网状结构的一部分，物质通过此系统在细胞中的各个部分间穿梭，并沿多种途径在细胞内外运转。

人们对真核细胞细胞质结构的认识是随着显微镜观察技术的提高而逐步深入的。在光学显微镜下，观察不到细胞质的细微结构。电子显微镜技术的应用，使人们对细胞质，细胞膜的结构与功能，现在已经知道，细胞的结构与功能。

真核细胞中细胞质的膜性细胞系统包括内质网、高尔基体、溶酶体、叶绿体和线粒体等。他们在结构和功能上彼此联系，同时与细胞膜也有密切联系，属于膜网状结构【2】的一部分。

从低等生物如草覆虫、鞭毛虫到所有的高等生物和人类,所有的细胞的表面均有类似的一层膜状结构, 即细胞膜。细胞膜不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障, 还是细胞物质交换和信息传递的通道【3】, 因而对于维持细胞的功能极其重要。细胞内的大部分细胞器如线粒体内质网、高尔基体、核的表面, 也同样包被着膜状结构,称为细胞内膜。细胞膜又称为质膜, 细胞膜和细胞内膜也可总称为质膜, 或称为生物膜。生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础, 调控细胞的物质和能量转换、信息传递、蛋白质合成等众多细胞功能【4】。

19 2 5 年, G o rt e r 和G re n d e l 【5】用有机溶剂提取人红细胞质膜的脂质成分,将其铺展在水溶液表面形成脂质单分子层,并测定这些脂质单分子层的面积大约是红细胞的表面积的2 倍。这一研究首次提示脂质可能以双分子层

的形式包被在细胞表面。1 9 3 5 年J . D a n i e l l i 和H . D a v s o n 【6】发现质膜的表面张力比单纯的油一水界面的张力要低得多,推测膜并非由单纯的脂质构成,其中可能含有蛋白质分子, 并提出“蛋白质一脂质一蛋白质”【7】的三明治模型。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。细胞膜(包括细胞质膜和细胞内膜) 上存在着一些跨膜蛋白,在这些蛋白的中央有供某些离子穿过的孔道,这些孔道就被称作离子通道,这些蛋白往往被称作通道蛋白【8】. 作为一类具有特定功能的蛋白质,离子通道具有多种特性.

1.1 选择性

细胞膜上的离子通道中,除少数非选择性离子通道允许多种离子通过外,大都对离子具有选择性.一种离子通道往往只允许1 种或者少数几种离子通过,离子通道也根据其主要选择通过的离子而命名,如钙通道、钾通道等. 已经发现,钙通道也允许镁、锰和钡离子通过,钾通道则允许少量钠离子通过【9】.

离子通道的选择性与其孔径有一定关系,一定孔径的通道只能够允许特定大小的离子通过. 而造成选择性的更为重要的因素是通道内部的空间结构和带电基团的分布情况,麦金农等(1998 年) 利用X 射线晶体衍射技术成功分析出钾通道内部存在钾离子结合位点,这些位点的空间结构与钾离子空间结构【10】能够很好地吻合,这为解释离子通道选择性提供了有力证据.

细胞外矿质离子种类很多,浓度变化也不规律,而细胞内离子浓度和比例则需要维持在相对平稳状态,因此细胞选择性吸收必需的矿质离子,将一些有害或暂时无用的离子隔离在外,对维持细胞内正常的代谢具有重要意义.

1.2 饱和性

离子通道开放后,1 s 可以运输107～108 个离子,在一定范围内,随着离子浓度提高、内外离子浓度梯度的加大,运输速度不断加快,但是超过一定浓度后,速率不再增加. 对于一个完整细胞而言,离子运输速度还和细胞膜上离子通道的密度有关【11】.

生物膜膜蛋白可分为外周膜蛋白和内在膜蛋白，后者约占整个膜蛋白的7% -80%。它们部分或全部嵌入膜内，有的则跨膜分布，如受体，通道，离子泵，膜孔，运载体以及各种膜酶等等，要深入了解膜蛋白的功能必须解析它们的三维结构，整个真核细胞内所含的蛋白质中，据估计，1/4—1/3 为内在膜蛋白，人类基因组研究的初步结果表明，在全长约3亿碱基对中只有3000-40000基因能编码并表达为蛋白质【12】。据估计，其中内在膜蛋白也差不多占1/4—1/3 其他模式生物的基因组所表达的蛋白质中，内在膜蛋白也占相似比例，总之，内在膜蛋白三维结构的解析，无论对整个细胞重要功能的深入探索，还是从后基因组研究考虑都是十分重要的，此外，内在膜蛋白三维结构的解析也有很明显的应用前景，

与医、药的关系尤为密切，有人估计，4%的受体和通道可能是药物的靶标。内在膜蛋白的异常与一些遗传病（如囊性纤维变性560-780）、癌症、甚至神经退行性疾病（如老年痴呆症，帕金森氏症）等【13】都有关，因此内在膜蛋白三维结构的解析无疑对新药的发现、设计、筛选都有很大的作用，但是，与水溶性蛋白质相比较，内在膜蛋白的研究明显滞后，这主要由于，a 内在膜蛋白含量很低，一般为微克数量级，应用基因工程方法来大量表达也存在着很多困难；b内在膜蛋白的分离、纯化也有很大的难度，只有用较剧烈的条件（如，去垢剂，有机溶剂，超声波等）才能将它们溶解下来，分离后一旦将去垢剂或有机溶剂除去，很容易凝聚为不溶性物质；c 内在膜蛋白晶体【14】生长十分困难，无论二维还是三维晶体都很不容易长成，尤其是三维，这是因为三维晶体的形成与生长主要靠亲水<亲水相互作用，而内在膜蛋白在天然膜中主要依靠疏水-疏水相互作用来维持。

2.1、多不饱和脂肪酸【15】是细胞膜磷脂的重要组成成分，决定了细胞膜的流动性和变形性。细胞膜的各种重要功能，如受体结合、离子转运、重摄取和膜结合酶活性等都与膜的流动性密切相关。适宜程度的流动性是细胞维持正常生理功能的必要条件。膜脂质成分的改变可导致膜流动性和变形性的改变，从而影响膜表面酶和受体功能，免疫细胞膜表面的抗原、抗体数量和分布以及淋巴因子和抗体分泌等功能。主要从细胞膜脂质的组成、细胞膜的流动性、通透性及膜脂质过氧化等方面对多不饱和脂肪酸对细胞膜功能的影响进行了综述。

磷脂双分子层构成细胞膜的基本支架，蛋白质分子镶嵌、贯穿、覆盖其间。磷脂分子的流动性和蛋白质分子的运动性导致细胞膜的结构具有一定的流动性。细胞膜具有控制物质进出细胞的功能，物质进出细胞有自由扩散、协助扩散、主动运输以及胞吞和胞吐等方式，而细胞膜上载体蛋白的种类和数量不同，决定了进出细胞的物质的种类和数量不同，因此细胞膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。因此细胞膜的功能特性是选择透过性。

2.2、磷脂的熔点较低在体温条件下是液态的,使得生物膜具有一定的流动性。但生物膜的流动性还与膜所含的胆固醇的量有关。胆固醇熔点较高, 在体温下是固体,在膜上的分布是不均一的, 调节膜的流动性(软硬度)。胆固醇含量越高则膜的流动性越低。另外, 细胞所处的环境温度当然能影响生物膜的流动性; 温度升高如发烧条件下, 细胞膜磷脂双层偏向液态【16】, 流动性增加。膜流动性的一个最重要的功能是为细胞和细胞器提供了张力和变形能力。例如, 红细胞能变形通过比它自身直径还小的毛细血管, 而白细胞变形能穿过毛细血管壁,游动迁移到组织中去。生物膜的膜流动性使细胞和细胞器能经受更大的张力而不容易

破裂, 即使不幸出现了膜的微小破裂, 也能自动融合而修复在不同的细胞膜或同一细胞膜的不同膜区域、以及双层脂质膜的内外两层磷脂单层中,磷脂分子的种类与含量可能很不相同。例如, 靠外测的磷脂单层膜主要含磷脂酞胆碱, 靠胞浆一侧的磷脂单层主要含磷脂酞乙醇胺和磷脂酞丝氨酸。膜磷脂的这种成分差异和特殊分布, 实际上与细胞内外物质和信息交换的不同特征有关【17】,对细胞执行特殊功能至关重要。

展望, a 脂筏和质膜微囊的存在已经有很多实验室给以验证与肯定，这些脂质微区的生理功能究竟是什么？对于生物膜研究来说，这确是一个富于挑战和很有发展前途的领域,b 鉴于脂筏和质膜微囊都很小，不易在位研究，又难以分离纯化，这就需要引进与创立新的方法才能将这方面的研究引向深入，国际上已经尝试将单分子技术等引入脂质微区的研究，这方面需要大力加强, c 除细胞质膜外，在胞内膜系【18】中是否也有脂质微区存在？如果也有分布，它们的普遍性又如何？这些都值得进一步研究, d 鉴于脂筏和质膜微囊含有较多信号分子，因而对它们与信号转导的关系比较关注, 但是这些信号分子以及与信号转导有关的组分在脂筏和质膜微囊所呈现的【19】相中是否能表现出最佳的功能，这是一个需要认真思考与研究的问题,脂筏和质膜微囊与医、药关系【20】的研究还处于起步阶段，值得重视并作进一步探索,

总之，无论膜蛋白的三维结构还是脂质微区结构与功能的研究都是生物膜研究的基本问题, 虽然开展这方面研究的难度较大，周期较长，探索性也很强，但它们都富有挑战性，一旦有所突破对生物膜甚至生命科学的研究都将产生重大的推动作用，应引起足够的重视,

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