生物膜的组成

第五章生物膜第一节生物膜的组成2023/1/111生物膜系统：细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等由膜围绕而成的细胞器，在结构和功能上是精密联系的统一整体，它们形成的结构体系。生物膜的重要性：生物膜结构是细胞结构的重要组成部分。在真核细胞中，膜结构约占整个细胞干重的70％～80％。这些膜结构不仅与细胞骨架一起提供了细胞赖以生存的空间，即构成了维持细胞内环境相对稳定的有高度选择性的半透性，是生命活动的主要结构基础。它们直接参与物质转运、能量转换、信息传递、细胞识别等重要的生命活动。细胞的形态发生、分化、生长、分裂以及细胞免疫、代谢调控、神经传导、肿瘤发生、吞饮与分泌作用、药物和毒物的作用、生物体对环境的反应等等，都与生物膜有密切的联系。2023/1/112生物膜的化学组成：生物膜主要由蛋白质和脂质和糖类组成，此外还有少量的水、金属离子等。其组成成分尤其是蛋白质和脂质的比例，因膜的种类不同可以有很大的差异，范围从1：4到4：1。一般说来，功能复杂或多样的生物膜其膜蛋白所占的比例较大；相反，膜功能简单，其膜蛋白的种类和含量越少。2023/1/113组成生物膜的脂类主要是复合脂，复合脂是脂和其它化合物的复合物。包括磷脂、糖脂、硫脂、脂蛋白等，其中最重要的是磷脂。2023/1/114甘油磷脂：甘油、脂肪酸、磷酸和一分子氨基醇(如胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇)组成。鞘氨醇磷脂：以鞘氨醇代替了甘油。2023/1/115含有一个或多个糖残基的脂类。分为糖鞘氨脂和糖甘油脂。糖鞘氨脂也是神经鞘氨醇的衍生物，结构与鞘磷脂很相似，只是糖基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。糖鞘氨脂分布很广，几乎所有的动物细胞都有，特别是神经细胞含量丰富。糖甘油脂是以甘油代替了鞘氨醇，在植物和细菌中含量较多。糖脂的功能：（1）细胞结构的刚性（2）抗原的化学标记血型抗原（3）细胞分化阶段可鉴定的化学标记（4）调节细胞的正常生长（5）授予细胞与其它生物活性物质的反应性倾向。2023/1/116硫脂是分中含有硫酸基团的脂类。有两类，一类是含有糖残基的硫脂，主要存在于植物膜中，例如叶绿体片层膜中的6-磺基-6-脱氧-葡萄糖甘油二脂（下式）。另一类是存在于一些藻类膜中的烷基硫酸和氯化烷基硫酸。2023/1/117血桨脂蛋白：血浆脂蛋白可以把脂类(三酰甘油、磷脂、胆固醇)从一个器官运输到另一个器官。（1）乳糜微粒，运输甘油三酯和胆固醇脂，从小肠到组织肌肉和脂肪组织。（2）极低密度脂蛋白VLDL在肝脏中生成，将脂类运输到组织中。（3）低密度脂蛋白，把胆固醇运输到组织。（4）高密度脂蛋白(HDL，1.063-1.210g/cm3)，也是在肝脏中生成，清除细胞膜上过量的胆固醇。2023/1/118萜类和固醇类化合物与前述的各类脂质不同，不含有脂肪酸，属于不可皂化脂质。但在生物体内这两类脂质也是以乙酸为前体合成的。它们在生物体内含量虽然不多，但不少是重要的活性脂质。2023/1/119萜分子碳架可以看成是由两个或多个异戊二烯单位连接而成。可以头尾相连，也可以尾尾相连。形成的萜类可以是直链的，也可以是环状分子。可以是单环、双环和多环化合物。2023/1/1110固醇类（甾类）是含有环戊烷多氢菲母核的一类醇、酸及其衍生物。环戊烷多氢菲由四个固定环组成的类固醇的母核，四个环中的三个为六碳环，一个为五碳环，这种母核为环戊烷多氢菲母核，整个环几乎是平面、僵硬的，C-C之间不能旋转。包括：固醇、固醇衍生物。2023/1/1111胆固醇及其衍生物胆固醇的分布及功能：脑及神经组织中，肝、肾、肾上腺、卵巢等都有合成固醇激素的腺体。胆固醇是生物膜的重要成分；

胆固醇是合成胆汁酸、类固醇激素、维生素D等生理活性物质的前体。睾酮和雌甾醇分别是天然的雄性和雌性激素，有促进动物的发育、生长及维持性特征的作用。黄体酮使受精卵在子宫中发育，临床上用于治疗习惯性流产。也具有抑制脑垂体促性腺素的分泌，卵巢得不到促性腺素的作用，阻止了排卵，因而可用于避孕。2023/1/1112第二节生物膜的结构（一）膜脂的结构特点（二）膜蛋白的结构特点（三）膜脂与膜蛋白的相互作用（四）生物膜的结构模型2023/1/1113生物膜膜脂质膜蛋白糖类水金属离子磷脂甘油磷脂鞘磷脂糖脂硫脂胆固醇膜脂质脂质:构成生物膜的脂质主要是磷脂，此外还有糖脂、胆固醇等。不同细胞其脂质组成差异很大，仅从某一细胞生物膜的组成来看也不是一成不变的，它随着细胞的生长、分化、外界条件等改变而改变。膜蛋白:根据粗略估计，细胞中大约20％～25％的蛋白质是与膜结合存在的。不同的生物膜，膜蛋白含量相差很大。神经细胞膜只含三种蛋白质，含量为18％，细菌质膜及线粒体内膜蛋白质含量都超过75％，种类在60种以上。实验证明，功能越复杂多样的膜，膜蛋白含量越高，种类也越多。糖类：生物膜中含有一定的糖类，它们主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。膜中的糖以寡糖链共价键结合于蛋白、鞘磷脂上，形成糖蛋白和糖脂。糖类在细胞质膜和细胞内膜系统都有分布，但分布是不对称的，全部分布在非细胞质的一侧，即：质膜中所有的糖类均暴露在细胞外表面；细胞内膜系统的糖类则朝向内膜系统的内侧。水和金属离子：据估计水占膜重量的30％，其中大部分呈结合状态。膜上金属离子和一些膜蛋白与膜的结合有关，例如Ca2+对调节膜的生物功能有重要作用，Mg2+对ATP酶复合体与膜的结合有促进作用。2023/1/11141.磷脂形成脂质双分子层的结构。两性分子（在一个分子中既含极性部分又含非极性部分）在水溶液中能迅速地在水-空气界面形成单分子层，极性头部与水接触，疏水的尾部伸向空气一侧。如加入较多量的膜脂，使水-空气界面达到饱和，膜脂分子就形成囊团和双层微囊。大多数天然膜脂更倾向于双层微囊的形式。脂质双分子层的结构构成了生物膜的基本骨架。

2023/1/11152.脂质双分子层两侧分布的不对称性脂双层的内外两侧是不对称的，不对称性主要决定于磷脂的头部。脂双层内侧是含有氨基的磷脂，有丝氨酸磷脂（PS）、肌醇磷脂（PI）乙醇胺磷脂（PE）,有较强的负电性，胆碱磷脂（PC）及鞘磷脂（SM）在脂双层的外侧。内外两侧磷脂的脂肪酸也不完全相同，PC及SM多为饱和脂肪酸，PS、PE含不饱和脂肪酸较多。现在已知有三种酶维持生物膜脂双分子层两侧的正常不对称性：①氨基磷脂转移酶它可以使PS及PE从脂双层的外层转入内层，而对PC无此作用，对PS的翻转速度比PE快5～10倍。②依赖ATP的翻转酶对PE，PS，PC都有作用，它可将脂双层内层的脂质翻转到外层，与氨基磷脂转移酶作用相反，但速度为它的1/10。③脂质爬行酶依赖钙离于活化，可在几分钟内在脂双层双相翻转。2023/1/11163.膜脂的运动近年来生物物理及物理技术的发展，可以快速准确地测出分子的运动。应用不同的荧光探针，可以在磷脂分子内分别结合到脂肪酸的长链、甘油骨架及碱基（如胆碱）上，测出磷脂不同部位的运动速度及偏转的角度，可以看出其运动状态。膜脂的基本组分在生理状态下处于相对流动状态，膜脂的运动有下列五种方式。2023/1/1117膜质的运动2023/1/1118外周蛋白：外周蛋白通过离于键和氢键与膜脂的极性头相结合，它不伸入脂双层中。外周蛋白较易分离。外周蛋白一般约占膜蛋白的20％～30％，这类蛋白质可溶于水。嵌入蛋白：整合蛋白约占膜蛋白的70％～80％，它们主要通过疏水作用而结合在膜上。全部或部分插人脂双层中，有的贯穿整个脂双层。与膜脂结合很紧密，不易与膜分离，这类蛋白质的特征是水不溶性。膜蛋白的运动膜蛋白与膜脂相似，在膜内是可以运动的，一方面它有本身的运动，另一方面它镶嵌在脂质中，脂质运动对它有影响。膜蛋白的自身运动可分为侧向扩散和旋转扩散。膜的流动性，既包括膜脂也包括膜蛋白的运动状态。流动性是生物膜结构的主要特征。大量研究的结果表明，合适的流动性对生物膜表现其正常功能具有十分重要的作用。例如能量转换、物质运送、信息传递、细胞分裂、细胞融合、内吞外排以及激素作用等都与膜的流动性有密切关系。2023/1/1119膜蛋白的类型2023/1/11201.膜脂对膜蛋白的作用①生物膜的内在蛋白需要一定量的膜脂才能维持其构象，表现出活性。②在膜蛋白周围有着一层不可活动的“界面脂”。有人提出在整个细胞膜脂处于流动状态时，界面脂与整体脂之间的交换是非常慢的。③研究发现膜脂流动性对物质运输、酶的活性、受体活性都有影响。2.膜蛋白对膜脂的影响近年来运用波谱技术、光谱技术研究了蛋白质的结合对膜脂的影响，现发现蛋白质可使脂的疏水链排列趋于无序，使脂质更趋于流动。2023/1/1121人类对生物膜的认识经历了一个漫长的过程。一系列重要研究成果的基础上，1972年美国的Singer和Nicolson提出“流体镶嵌”模型（如图）。其基本观点目前已普遍为大家接受，主要内容包括三个要点。

（1）组成膜的脂类分子呈双分子层排列，是构成膜结构的基础。脂双层有双重作用，既是内在蛋白的溶剂，又是物质通透的屏障。在生理条件下，膜脂处于流动状态，生物通过改变膜脂的脂肪酸组成等因素进行调节控制其流动性。（2）外周蛋白分子表面分布有许多极性R基，通过静电力与膜脂的极性头部亲合而附着于膜两侧表面。内在蛋白以不同深度镶嵌在脂双层中，有的贯穿整个膜。其分子中有疏水结构域和亲水结构域，疏水域埋在脂双层中心，与膜脂疏水尾相亲合，亲水域朝向膜的表面。脂双层结构对于内在蛋白构象的形成和功能表现是必要的，若脱离膜，内在蛋白就失去活性。（3）除非为特殊的相互作用所限制，膜蛋白在脂双层中可以自由地侧向扩散，但它们一般不能从膜的一侧翻转到另一侧。2023/1/1122蛋白质分子时间：1972年人物：桑格和

尼克森提出：流动镶嵌模型

磷脂双分子层2023/1/1123膜结构的流动镶嵌模型(FluidMosaicModel)

生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中，球状蛋白以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白则伸出（突出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨越整个膜。蛋白质在脂双分子层中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。2023/1/1124这个模型与过去提出的种种模型的主要差别在于：一是突出了膜的流动性，认为膜是由脂质和蛋白质分子排列的流体组成；二是强调了生物膜的不对称性，即生物膜在结构与功能上的两侧不对称性。“流体镶嵌”模型可以解释生物膜的许多物理、化学和生物学特性。2023/1/1125第三节生物膜的功能生物膜执行着许多复杂的重要的生物功能，可归纳为如下四个方面：物质运输、能量转换、细胞识别、信息传递。2023/1/1126细胞靠它的质膜与周围环境分隔开，生物膜是具有高度选择性的半透膜，细胞能从环境中摄取所需要的营养物质，并排除代谢产物和废物，使细胞保持动态恒定，这是活细胞维持正常的生理内环境的基本因素。此外，生物膜的许多功能，如细胞间的相互作用、氧化磷酸化过程中能量的转化、神经和肌肉的兴奋等，都与膜的物质运输密切相关。根据物质运输自由能变化的情况，膜对离子和小分子物质的运输可分为被动运输和主动运输。当ΔG＜0时，物质顺着电化学梯度（浓度梯度和电位梯度总称为电化学梯度，）运输，为被动运输；当ΔG＞0时，物质逆着电化学梯度运输，为主动运输。2023/1/1127被动运输是指物质顺着电化学梯度的方向跨膜运输，即从膜的高浓度一侧扩散到低浓度一侧，它的自由能减小，是不需要供给能量的自发过程。被动运输的扩散速度依赖于该物质在膜两侧的浓度差，并与分子大小、电荷性质、在膜脂双层中的溶解性有关。被动运输包括简单扩散和促进扩散。1.简单扩散简单扩散是生物膜运送物质最简单的一种方式。它依赖于物质的扩散作用和渗透作用，运送速率取决于物质在膜两侧的浓度差及物质的分子大小、亲脂性等因素。物质在两侧的浓度差越大、分子越小、亲脂性越大，则穿膜速率越快。一些非极性小分子物质如O2、N2、苯、甾类激素等，以及一些不带电荷的极性小分子物质如H2O、CO2、甘油、乙醇、尿素等，可以简单扩散的方式穿过膜。体积较大的极性分子如葡萄糖、蔗糖、氨基酸及各种离子都不能自由扩散通过膜。简单扩散在膜对物质的运输中只占很小的比例。2.促进扩散有些小分子物质顺浓度梯度穿膜运送中，需借助膜上载体蛋白的帮助，这种运送方式称为促进扩散。载体蛋白对物质的运送有很高的专一性，不同的物质由不同的载体蛋白运送。载体蛋白为跨膜蛋白，其分子中有与被运送物质专一结合的位点。在结合与释放被运送物质时，载体蛋白构象会发生可逆变化，促使其在膜一侧结合的物质在膜的另一侧释放。促进扩散的速率在一定限度内与物质的浓度成正比，如果超过一定限度，浓度再高，运送速率不会再增加。此时，载体蛋白已被运送的物质所饱和，运送速率已接近或达到最大值。2023/1/1128主动运输是指物质逆着电化学梯度的方向跨膜运输，即从膜的低浓度一侧运输到高浓度一侧，它的自由能增大，是需要供给能量的过程。在被动运输中，生物膜相当于一个被动的过滤装置，不能起浓缩物质的作用；而主动运输使得细胞内某些物质的浓度能够远远超过细胞外，而另一些物质的浓度能够远远低于细胞外。例如，在许多细胞内K+浓度至少是周围介质中K+浓度的30倍，而Na+浓度则低于周围介质；海带中碘的浓度比海水中碘的浓度大3×105倍。根据所耗能量的来源不同，主动运输又分为初级主动运输、次级主动还输和基团移位三种方式。2023/1/1129这种机制的特点是，在转运过程中产生的能量（ATP或PEP水解释放的自由能、光能、电子流等）直接消耗于物质的跨膜运输。动物细胞内用来维持正常的高K+浓度和低Na+浓度的Na+-K+泵（Na+-K+pump）就是一个研究得较为详细的初级主动运输系统。1957年，丹麦科学家JensC.Skou发现了一种ATP水解酶，它只有在Na+和K+存在的情况下，并添加Mg2+才有活性，这种酶称为Na+-K+ATP酶（Na+-K+ATPase）。Na+-K+ATPase

是一个跨脂膜的Na+-K+泵，即通过水解ATP提供主动向外运输Na+及向内运输K+输所需的能量。2023/1/1130也叫协同运送，是经过主动运输过程的一种物质所产生的化学势能，被用于另一种物质的跨膜主动运输。这种方式不是直接依靠ATP等提供的能量，而是利用离子顺电化学梯度流动释放的自由能来推动的。这种方式主要用来运输葡萄糖、氨基酸等物质。此时，葡萄糖或氨基酸的运送速度和程度取决于Na+等的跨膜浓度梯度。2023/1/1131指生物在将物质穿膜运送时，由位于膜上的专一蛋白对被运送物进行专一化学修饰，再运送过膜的过程。如1964年S．Roseman等在大肠杆菌质膜中发现的磷酸烯醇式丙酮酸转磷酸酶系统，此酶系统利用磷酸烯醇式丙酮酸作为磷酸供体，使葡萄糖磷酸化，成为磷酸葡萄糖并运送过膜。2023/1/11322023/1/1133膜泡运送：前面讨论了几种生物膜穿膜运送小分子物质的过程，生物膜对大分子物质的运送主要是通过膜泡运送的方式进行的。膜泡运送是物质被包在由单层生物膜围起的小泡内进出细胞的过程，膜泡运送每次能将物质较大批量地运送过膜，也能将较大的颗粒物质运送过膜。绝大多数细胞都具有膜泡运送物质的能力。可分为外排作用和内吞作用。2023/1/1134生物界两个最基本的能量转换过程――氧化磷酸化和光合磷酸化，都是在相应的线粒体膜和叶绿体膜上进行的，所以生物膜对能量的转换十分重要。2023/1/1135细胞通过其表面的特殊受体选择性地与胞外信号物质分于发生相互作用，从而引发胞