细胞膜结构研究获得重要进展

哺乳动物组织细胞膜的结构模型

　　细胞膜(cell membrane)是由磷脂、糖和蛋白质组成的生物膜。因结构复杂和研究手段有限，一个世纪以来细胞膜的结构研究仍停留在模型假说阶段，细胞膜这一重要的细胞基本成分至今仍是未解难题。

　　中国科学院长春应用化学研究所王宏达研究员课题组，应用原子力显微镜、超分辨荧光显微镜和单分子力谱等高分辨、高灵敏的单分子技术，在接近生理条件下对多种细胞膜结构进行了系统深入研究(Nano Letters, 9, 4489 (2009); Nanoscale, 5, 11582 (2013); Cell Research, 24, 959 (2014); PLoS ONE, 9, e91595 (2014))。他们统一了多种模型观点，阐明细胞膜包括多种特征，如磷脂双层结构、流动镶嵌性、脂筏和非脂筏区域共存性、内外膜非对称性、不同功能细胞膜的差异性等，而不是单一模型可以解决所有的细胞膜问题。相关系列成果发表后被英国化学会《化学会评论》邀请撰写综述性论文 (Chemical Society Reviews, 44, 3617 (2015))。

　　王宏达课题组提出了两个新的细胞膜模型。一是哺乳动物组织细胞膜的结构模型(PLoS ONE, 9, e91595 (2014))，即Protein Layer-Lipid-Protein Island模型(如图所示)。该模型指出在磷脂层的外侧存在一层致密平滑的蛋白质层，厚度约4纳米(如图A所示)，它包含多种膜外区域蛋白和受体等；细胞膜内侧相对粗糙，有大量的膜蛋白存在，并且这些蛋白是以聚集体(与脂筏密切相关)的形式分布在膜内侧的(如图B和C所示)。二是血红细胞膜的“半镶嵌”模型(Ultramicroscopy, 110, 305 (2010))，它强调红细胞膜蛋白是非对称的半镶嵌在磷脂膜上的。两个模型有实质性的区别，红细胞膜的整体厚度约为10纳米，磷脂膜外侧没有致密的蛋白层，而有核的组织细胞膜厚约为20纳米，在细胞膜外多了一层致密的蛋白层。这些结果充分说明了细胞膜结构的多样性，以及结构与功能的密切相关性，即红细胞在血液中循环流动，表面必须光滑，没有大量膜外蛋白，而多数有核细胞存在于组织中，细胞间互相联系和支撑，需要大量膜外蛋白完成多种功能。

　　该系列研究工作得到了国家自然科学基金、科技部973等项目资助。

　(分子识别课题组)