第一节细胞膜的结构、功能与疾病（3）影响膜脂流动性的因素：影响膜脂流动性的主要因素有：①D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质分子排列的紧密程度，饱和脂肪酸链呈直线形，排列紧密：而不饱和脂肪酸链在双键处形成折屈呈弯曲状，排列比较疏松，增加了膜的流动性。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的不饱和程度，这是细胞适应环境温度变化而调节其流动性的主要途径。②脂肪酸链的长短，脂肪酸链短的相变温度低，膜流动性大。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。③胆固醇的双重调节作用：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烃链部分结合限制了膜的流动性，起到稳定细胞膜的作用；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，保持膜的流动性。④卵磷脂与鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值越高，膜的流动性越高；反之，膜的流动性越低。主要是因为卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂的脂肪酸链饱和程度高，相变温度较高。正常生理状态下，鞘磷脂的黏度比卵磷脂大6倍。5膜蛋白的影响：膜蛋白嵌人膜脂疏水区后，使周围的脂质分子不能单独活动而形成界面脂，嵌入的蛋白质越多，界面脂就越多，膜脂的流动性越小。此外，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的影响。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，因而膜的流动性降低。2.膜蛋白的流动性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：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LarryFrye和MichaelEdidin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。（2）旋转运动：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，但旋转扩散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。?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、信号转导等功能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，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。三、细胞膜的分子结构模型随着人们对膜的研究和认识的不断深人已经建立了各种不同的膜的分子结构模型，现介绍儿种主要的膜结构模型。1.片层结构模型具有三层夹板式结构特点。这一模型认为，细胞膜是由两层磷脂分子构成，磷脂分子的疏水烃链在膜的内部彼此相对，而亲水端则朝向膜的外表面，脂双层内外表面还覆盖着一层蛋白质分子，形成蛋白质－磷脂－蛋白质三层夹板式结构。细胞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。23医学细胞--正文.indd232018-5-18 17:31:07
www.hep.com.cn 23 第一节 细胞膜的结构、功能与疾病 （3）影响膜脂流动性的因素：影响膜脂流动性的主要因素有：①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质分子排列的紧密程度，饱和脂肪酸链呈 直线形，排列紧密；而不饱和脂肪酸链在双键处形成折屈呈弯曲状，排列比较疏松，增 加了膜的流动性。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的不饱和 程度，这是细胞适应环境温度变化而调节其流动性的主要途径。②脂肪酸链的长短，脂 肪酸链短的相变温度低，膜流动性大。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。③胆 固醇的双重调节作用：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 靠近极性头部的烃链部分结合限制了膜的流动性，起到稳定细胞膜的作用；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，保持膜的流动性。④卵磷脂与鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂 的比值越高，膜的流动性越高；反之，膜的流动性越低。主要是因为卵磷脂的脂肪酸 链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂的脂肪酸链饱和程度高，相变温度较高。正 常生理状态下，鞘磷脂的黏度比卵磷脂大 6 倍。⑤膜蛋白的影响：膜蛋白嵌入膜脂疏水 区后，使周围的脂质分子不能单独活动而形成界面脂，嵌入的蛋白质越多，界面脂就越 多，膜脂的流动性越小。此外，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的影响。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，因而膜的流动性降低。 2. 膜蛋白的流动性 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：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 Larry Frye 和 Michael 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。 （2）旋转运动：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，但旋转扩散的速 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。 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、信号转导等功能与 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，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。 三、细胞膜的分子结构模型 随着人们对膜的研究和认识的不断深入，已经建立了各种不同的膜的分子结构模 型，现介绍几种主要的膜结构模型。 1. 片层结构模型 具有三层夹板式结构特点。这一模型认为，细胞膜是由两层磷脂 分子构成，磷脂分子的疏水烃链在膜的内部彼此相对，而亲水端则朝向膜的外表面，脂双 层内外表面还覆盖着一层蛋白质分子，形成蛋白质 - 磷脂 - 蛋白质三层夹板式结构。细胞膜 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。 医学细胞-正文.indd 23 2018-5-18 17:31:07
第二章细胞膜与疾病2.单位膜模型20世纪50年代，J.D.Robertson使用电子显微镜（简称电镜）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，横切面上表现为内外两层电子密度高的暗线，中间夹一条电子密度低的明线，暗线厚约2nm，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”（unitmembranemodel）。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。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。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。3.流动镶嵌模型这一模型认为，膜中脂双层构成膜的连贯主体，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的结构，其组分可以运动，还能聚集。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（图2-6）。流动镶嵌模型tetce蛋白质脂双层图2-6流动镶嵌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细胞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，此后晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型予以补充。晶格镶嵌模型（crystalmosaicmodel）认为，生物膜中流动的脂质是在可逆地进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂质分子的运动具有限制作用。镶嵌蛋白和其周围的脂质分子形成膜中晶态部分（晶格），而具有“流动性”的脂质呈小片的点状分布。因此，脂质的“流动性”是局部的，并非整个脂质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。板块镶嵌模型（blockmosaicmodel）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质板块（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质区（无序结构的“板块”），有序结构的“板块”和无序结构的“板块”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。4.脂筏模型膜脂双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区，微区中富含胆固醇24医学细胞-正文.indd22018-5-18 17:31:07
www.hep.com.cn 24 第二章 细胞膜与疾病 2. 单位膜模型 20 世纪 50 年代，J.D.Robertson 使用电子显微镜（简称电镜）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，横切面 上表现为内外两层电子密度高的暗线，中间夹一条电子密度低的明线，暗线厚约 2 nm， 明线厚约 3.5 nm，膜的总厚度约为 7.5 nm，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。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。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。 3. 流动镶嵌模型 这一模型认为，膜中脂双层构成膜的连贯主体，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的结构，其组分可以运动，还能聚集。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（图 2-6）。 图 2-6 流动镶嵌模型 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细胞膜 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，此后晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型予以补充。晶格镶嵌模型（crystal mosaic model） 认为，生物膜中流动的脂质是在可逆地进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜 蛋白对脂质分子的运动具有限制作用。镶嵌蛋白和其周围的脂质分子形成膜中晶态部 分（晶格），而具有“流动性”的脂质呈小片的点状分布。因此，脂质的“流动性”是 局部的，并非整个脂质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。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质板块（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质区（无序结构的“板块”），有序 结构的“板块”和无序结构的“板块”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。 4. 脂筏模型 膜脂双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区，微区中富含胆固醇 流动镶嵌模型 医学细胞-正文.indd 24 2018-5-18 17:31:07
第一节细胞膜的结构、功能与疾病和鞘脂，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，称为脂筏。其周围则是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区（图2-7）。脂筱模型深化了对膜结构和功能的认识。脂筱1一具有长跨膜结构域的蛋白质-胆固醇胞质溶胶1S电胞外糖脂9具有短跨膜结构域KGPI-锚定蛋白质不属于脂筱的蛋白质凝集素图2-7脂筏结构模式图临床聚焦2-1脂与疾病脂筏形象地被人们称为“功能筏”。曾经有过许多名称，如糖基磷脂酰肌醇脂微区、鞘糖脂富含微区去垢剂不溶的糖脂富含复合物、低浓度Triton不溶复合物等。研究发现，一些感染性疾病、心血管疾病、肿瘤、肌营养不良症、阿尔茨海默病，AIDS和既病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。例如病毒病是一种由病毒引起的神经退行性疾病，包括人克雅综合征、羊癌痒症和牛海绵样脑病、猫海绵状脑病等。病毒本质上是具有感染性的蛋白质。病毒病主要的特点是脑内蛋白（Prp）的异常形式（Prp）的聚集。Prpse是由正常的Prpe构象转换而成，两者有同样的氧基酸序列只是构象不同而已。PrPc发生构象转换PrP是由α螺旋转换为β片层结构。两者相比，Prp溶解度低，且抗蛋白酶K酶切。PrP是结合在细胞膜外层带有GPI锚结构的糖蛋白，主要存在于脂筏中，胆固醇损耗降低了Prps的产生量，而鞘脂损耗增加了PrPs的产生量。脂双层具有不同的脂筱结构：外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇及锚定蛋白，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锚定蛋白，如src、G蛋白等。脂筱中的脂质与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向扩散。从结构及组分分析，脂筱在膜内形成一个有效的平台，它有两个特点：许多蛋白质聚集在脂筱内，便于相互作用；脂筱提供一个有利于蛋白质变构的环境，形成有效的构象。研究发现，脂筱与阿尔茨海默病有关：阿尔茨海默病是一种大脑神经退行性疾病，其病理学特征有细胞外的淀粉样斑、细胞内的非正常au蛋白螺旋丝形成的神经原纤维缠结、神经元的缺失和多种神经递质系统的改变。淀粉样斑由多种蛋白质组成，其主要25医学细胞-正文.indd252018-5-18 17:31:08
www.hep.com.cn 25 第一节 细胞膜的结构、功能与疾病 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，称为脂筏。其周围则是富含不饱和磷脂的流 动性较高的液态区（图 2-7）。脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识。 图 2-7 脂筏结构模式图 临床聚焦 2-1 脂筏与疾病 脂筏形象地被人们称为“功能筏”。曾经有过许多名称，如糖基磷脂酰肌醇脂 微区、鞘糖脂富含微区、去垢剂不溶的糖脂富含复合物、低浓度 Triton 不溶复合 物等。研究发现，一些感染性疾病、心血管疾病、肿瘤、肌营养不良症、阿尔茨海 默病，AIDS 和朊病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。例如朊病毒病是 一种由朊病毒引起的神经退行性疾病，包括人克雅综合征、羊瘙痒症和牛海绵样脑 病、猫海绵状脑病等。朊病毒本质上是具有感染性的蛋白质。朊病毒病主要的特点 是脑内朊蛋白（PrPc ）的异常形式（PrPSc）的聚集。PrPSc 是由正常的 PrPc 构象转换 而成，两者有同样的氨基酸序列，只是构象不同而已。PrPc 发生构象转换 PrPSc 是 由 α 螺旋转换为 β 片层结构。两者相比，PrPSc 溶解度低，且抗蛋白酶 K 酶切。PrPc 是结合在细胞膜外层，带有 GPI 锚结构的糖蛋白，主要存在于脂筏中，胆固醇损耗 降低了 PrPSc 的产生量，而鞘脂损耗增加了 PrPSc 的产生量。 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 化的锚定蛋白，如 src、G 蛋白等。脂筏中的脂质与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向 扩散。从结构及组分分析，脂筏在膜内形成一个有效的平台，它有两个特点：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。 研究发现，脂筏与阿尔茨海默病有关：阿尔茨海默病是一种大脑神经退行性疾病， 其病理学特征有细胞外的淀粉样斑、细胞内的非正常 tau 蛋白螺旋丝形成的神经原纤维 缠结、神经元的缺失和多种神经递质系统的改变。淀粉样斑由多种蛋白质组成，其主要 医学细胞-正文.indd 25 2018-5-18 17:31:08