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细胞内纳米结构立体膜 精选

已有 6945 次阅读 2012-11-13 13:52 |个人分类:研究生培养|系统分类:科研笔记| 生物学, 委员会, 会议, 活性氧

上周末在上海华东医院参加一次上海自由基医学与生物学专业委员会和中国活性氧生物效应专业委员会举办的一次学术会议,会议的主题为“线粒体与衰老及疾病”,其中一个报告是新加坡国立大学Deng Yuru教授关于细胞内立体膜的研究。细胞线粒体是研究老年疾病和人体衰老的重要细胞器,新加坡国立大学Deng Yuru教授在国际上率先发现并开展研究线粒体在应激条件下所呈现特异的三维立体膜结构图纹,并发现细胞立体膜其变化规律与营养、饥饿、缺氧应激及细胞自噬密切相关。关于立体膜的研究十分有意思,相关研究对理解细胞膜的功能非常有帮助,这里根据自己的理解简单介绍,以引起相关研究者关注。

我们关于细胞膜的最基本认识是这样的,细胞膜作为一种结构简单,功能单一的细胞边界,最多不过是一些蛋白质发挥功能的平台而已。我们更愿意把细胞膜作为一种细胞组成结构,而不愿意作为一种具有功能细胞器。更多关于细胞膜结构和功能的认识历史,可以从本文最后几段文字中简单了解。

我们过去关于细胞膜的认识是把它们作为一种平面,最多是一种简单折叠。但关于立体膜的研究彻底打破了这一认识,相关研究发现细胞膜的折叠具有惊人的规律性。

随着电子断层摄影术技术的发展,微观立体成像的分辨率逐渐增加,甚至可以对一些大分子进行立体成像,给亚细胞结构精确成像提供了技术条件。例如可以进行400 nm厚度,分辨率达到5 nm以下的立体成像。这对于厚度可达到7-8nm厚度的细胞膜简直就是高分辨成像方法。由于过去的研究者没有从整体上分析膜结构,同样一个立体结构在不同的断层会呈现出非常复杂的结构特征,这类似于平时的CT断层,人体在不同的断面呈现出非常多样的断面图象。立体膜的研究正是解决了这样一种问题,在整体上分析细胞膜结构特点。通过对立体膜结构的研究发现,许多外界刺激在不引起明显病理损伤的情况下,可以使细胞内的膜结构发生剧烈改变。例如心脏缺血后,在非缺血部位虽然没有病理学改变,但心肌细胞内的线粒体的立体结构发生明显变化。这些变化提示,细胞膜空间折叠的不同代表着细胞的不同功能状态,或者是细胞感受外界刺激的敏感反映。

关于立体膜的研究结果发现,许多具有细胞膜结构的细胞器,其立体结构具有非常惊人的有序性。例如线粒体,过去我们都熟悉存在内膜脊结构,其实这种结构只是少数情况的推测,大多数线粒体内膜结构呈现出宏观上规律性非常强的有序结构。这种有序结构被研究者称为立体膜。这种立体膜在细胞遇到各类外界刺激时发生构像改变,而且已经发现有的立体膜结构本身具有生物学功能意义,例如在视网膜感光细胞中的立体膜具有光栅效应,也就是说正是这种结构赋予感光细胞本身具有特殊的光学性质。相信这种结构具有更广泛的功能意义。

过去生物学研究中,关于亚细胞结构的认识是随着微观技术的发展而发展的,我们认识到各类细胞器的超微结构和功能,但在整体上研究细胞器的结构仍存在许多困难,关于立体膜研究,可以说给这一研究道理提供了新的研究范式。具有特别重要的意义和价值。

关于细胞膜结构的研究历史(以下内容根据网络资料整理)

17世纪中叶以后的2个世纪中,细胞学说的发展史已经大体完成。但是唯独对细胞膜的认识还要推迟两个世纪。9世纪中叶K.W.Mageli发现细胞表面有阻碍染料进入的现象,提示膜结构的存在;1899E.Overton发现脂溶性大的物质易入胞,推想应为脂类屏障。1925年荷兰人E.GorterF.Grendel用丙酮抽提红细胞膜结构,计算出红细胞膜平铺面积约为其表面积的两倍,提出脂质双分子层模型. 40年后Bar重复这一试验发现红细胞膜平铺面积应不是70%80%,而是1.5倍还有蛋白质表面,同时干膜面积是99μm2,湿膜面积则为145μm2。两项误差相抵,结果基本正确。根据细胞的生理生化特征,曾先后推测质膜是一种脂肪栅、脂类双分子层和由蛋白质-磷脂-蛋白质构成的三夹板结构。同时电镜观察也证实质膜确实呈暗--暗三层结构。随后冷冻蚀刻技术显示双层膜中存在蛋白质颗粒;免疫荧光技术证明质膜中蛋白质是流动的。据此S.J.Singer等人在1972年提出生物膜的流动镶嵌模型,流动镶嵌模型的结构特征是:生物膜的骨架是磷脂类双分子层,蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中,细胞膜的表面还有糖类分子,形成糖脂、糖蛋白;生物膜的内外表面上,脂类和蛋白质的分布不平衡,反映了膜两侧的功能不同;脂双层具有流动性,其脂类分子可以自由移动,蛋白质分子也可以在脂双层中横向移动。

关于细胞膜的结构,后来又有一些人进行了补充,并提出了多种模型,如1975年,Wallach提出晶格模型。1977年,JainWhite提出生物膜是由具有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。脂筏模型可以说是细胞膜功能最新的功能解释模型。脂筏是在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一样载着各种蛋白.脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70nm 左右,是一种动态结构,位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链,分子间的作用力较强,所以这些区域结构致密,介于无序液体与液晶之间,称为有序液体。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台,与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。脂筏最初可能在内质网上形成,转运到细胞膜上后,有些脂筏可在不同程度上与膜下细胞骨架蛋白交联.推测一个100nm大小的脂筏可能载有600个蛋白分子。



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