生物膜与细胞的物理特性

1、 v生物膜是由两层脂类分子以疏水端相对排 列成双分子层骨架，其中结合了或多或少 的蛋白质和糖类等分子。 v区域化（compartmentalization)、物质通 透和输运(transport)的调节、能量转换 (energy conversion) 、外界信号的识别与 传递、细胞间相互作用 (intercellular interaction) 、生化活性的定位(locus for biochemical activities)、细胞的发育和分 化以及神经传导、激素作用等等都与生物 膜有密切关系。 表81 膜的化学组成() 膜的类别蛋白质脂类糖类 髓鞘18793 人红细胞质膜49438 小

2、鼠肝细胞质膜44524 变形虫质膜54424 盐杆菌紫膜75250 内质网膜6733 线粒体内膜76240(12) 菠菜叶绿体片层膜 70300 v大体上说，生物膜中的脂类约占总量的50 ，蛋白质占40，糖类占210，膜 上含有结合状态的结构水，并存在与某些 膜蛋白结合的金属离子。 v脂类和蛋白质的比例在不同的生物膜中相 差很大。功能越复杂，其蛋白质所占的比 例越大，反之，功能越简单，其蛋白质的 含量和种类越少。 v一般古细菌膜不含脂类，而含醚类，甘油 与脂肪醇以醚键相连。 v生物膜中的脂类，大多是极性脂类 v均为双亲性分子 v根据疏水部分结构，可以分为3大类，固醇、 甘油脂、鞘脂和鞘磷脂。

3、v也可分为磷脂(phospholipid)、糖脂 (glycolipid)和固醇。 v鞘脂又可分为，脑苷脂（cerebroside， CER）、神经节苷脂（ganglisoides，GM） 和鞘磷脂。前两者是糖脂，神经节苷脂在 神经细胞质膜中含量最丰富，约占总脂的 510%。多数细胞质膜中也含有少量的神 经节苷脂，已经鉴定出40多种神经节苷脂。 v主要类型：磷脂(phospholipid)、糖脂 (glycolipid)和固醇(stecol)。 v磷脂是生物膜中最重要、含量又最丰富的 脂类，约占膜脂总量的50%以上。所有动 物细胞的膜毫无例外地都含有磷脂。 v磷酸甘油酯 v鞘氨醇磷脂 游离脂肪

4、酸及其分子式 v约占膜脂总量的5%。与磷脂相似，糖脂也 可分为两类：糖基甘油酯和糖鞘脂 (glycosphingolipids)，糖鞘脂又分为中性 糖鞘脂和酸性糖鞘脂。 v糖脂广泛分布于动物、植物和微生物细胞 的膜系统中， v生物膜中的糖脂只存在于脂双层的外层表 面，其中的糖残基暴露于细胞表面。 （3）固醇类 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 OH v固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。 v胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定 性有作用。 v胆固醇在哺乳类的质膜中约含总脂质的45 （50%）。 v在高尔基体膜、溶酶体膜中，胆固醇的含量也很 高，但在内质网膜及线粒体膜中含量很低， v植物细胞质膜中

5、常见的是豆固醇(sitgmasteol)和 谷固醇(sitosetrol)，二者分别存在于大豆、麦芽 中。 v麦角固醇(ecgosterol)则是真核微生物膜中的主 要固醇，主要存在于酵母菌、霉菌中。 v原核细胞的质膜中则不含胆固醇。 v糖脂、磷脂和固醇。磷脂根据磷酸基连接基团的不同分 为磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC；卵磷脂， lecithin）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethannamine， P E ； 脑 磷 脂 ， c e p h a l i n ） 、 磷 脂 酰 丝 氨 酸 （ p h o s p h a t i d y l s e r i

6、 n e ， P S ） 、 磷 脂 酰 肌 醇 （phosphatidylinositides，PI，包括PI、PIP和PIP2）、 心磷脂（cardiolipin，CL）等； v糖脂根据糖基的不同分为若干种。 v其中每一种因所含脂肪酸的不同又分为若干种，如根据 脂肪酸链的含双键的情况分为饱和脂肪酸与不饱和脂肪 酸（双键的数目可以为15），脂肪酸链的长度可为 1226个碳。如果再考虑构象变化，每一种中都包括若 干种。 v一头是极性，另一头是非极性的 v磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺在生理条 件下是电中性(electroneutral)分子。 v磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰甘油 和二磷脂酰甘油（

7、心磷脂）都属于负电性 (anionic)磷脂，在生理条件下，它呈负电 性。 v生物膜中的磷脂、糖脂、胆固醇均为双亲性分子 (amphipathic molecules)或兼性分子 （zwitterionic） ，它们的疏水尾部为脂肪酸、醛、 醇、鞘氨醇衍生物或固醇分子的长链脂肪酸，亲 水头部为磷脂酰碱基、糖残基或羟基。 v膜磷脂成分由于其极性头的结构不同，表现了不 一样的行为，这种差异对于膜功能有很重要的意 义 v所谓兼性分子是该分子同时具有疏水 (hydrophobic)和亲水(hydrophilic)两部分。 ） v从物理结构上有共同的结构：一头是极性， 另一头是非极性的。 v磷酸甘油脂肪

8、酸链的双键往往取顺式(cis) 构型。 v顺式构型导致烃链在该处形成约44 （30）折角(bend或kink)，而相应反式脂 肪酰链则是直线链状。 v顺式构型的不饱和脂肪酰链比起相同碳原 子数的饱和脂肪酰链和反式构型的不饱和 脂肪酰链，链短而分子覆盖面积大 v(1)整合蛋白(intergral protein)或内在蛋白 (intrinsic protein) v(2)外周蛋白(peripheral protein)或外在蛋 白(extrinsic protein) v(3)脂锚定蛋白 v以不同深度镶嵌在脂质双分子层中，有的 还横跨全膜，称为跨膜蛋白 (transmembrane protei

9、n)。 v整合蛋白与膜结合牢固。 v跨膜蛋白的细胞外与细胞质内部分在结构 和功能上有着明显不同。 v大多数为水溶性的，通过与整合蛋白或脂 类分子极性头部的相互作用而结合于膜的 内、外表面。 v外周蛋白与膜结合得比较疏松 v生物膜上的糖类几乎总是被定位于膜的非胞浆面 (face away from the cytosol)， v质膜糖基含量约占膜重量的210，不同物种 和细胞类型的膜糖含量不同。 v膜结构中的糖类主要与膜脂、膜蛋白以共价键结 合形成糖脂和糖蛋白，红细胞膜含有约8的糖 类，其中约7共价连接于脂分子上，形成糖脂 类，93共价连接膜蛋白 v大多数暴露于细胞表面的蛋白质都带有糖基，通 常

10、接多个寡糖链，而脂双层外叶的脂分子连有寡 糖链的不到1，而且大多仅连有一条寡糖链。 v有9种糖基出现在膜糖链中， v中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、岩藻 糖、木糖等， v氨基糖有乙酰氨基葡萄糖、乙酰氨基半乳 糖、氨基糖酸(唾液酸和羟乙酰神经氨酸)， 但大多不含糖醛酸。 v唾液酸通常连接于寡糖链端部。 v糖基构建糖链，能够进行多样化的排列组 合，在糖蛋白和糖脂分子中形成复杂的， 具有巨大信息量的多样化基团结构(三糖链 就可以有1 958种结构形式)。 v质膜外的糖链结构参与信号识别、细胞识 别及粘合等过程。膜的不对称性，膜成分 的固定等。 v血型 v上皮细胞的膜糖脂总是分布在顶端表面， 有助于细

11、胞免受外部低pH和降解酶等严厉 条件的损伤。 v带电荷的膜糖脂如神经节苷脂可能改变跨 膜电场和改变膜外表的离子如Ca+的浓度。 v糖链具有高极性甚至负电性有利于膜蛋白 三维结构的稳定和有效正确地定向、定位 与抛锚。 v膜的不对称性(asymmetry of the membrane) v膜的不均一性 SM，神经鞘磷脂； PC，磷脂酰胆碱； PS，磷脂酰丝氨酸； PE，磷脂酰乙醇胺； P I ，磷脂酰肌醇；CL， 心磷脂 v膜的不对称性(asymmetry of the membrane)是 指膜脂双层的两个片层在结构、组成及功能上的 不同 、不一致性 v膜脂、膜糖和膜蛋白不对称地分布在脂双层的

12、两 个片层。 v所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生 物膜功能的重要基础。 v不同的细胞质膜，脂类的不对称分布是不相同的。 即使同一质膜的不同部位也可能有不同的脂分布。 v组成 v结构 v功能 v生物膜上分子的运动特性可以说是细胞行 使各类生理功能的基础。 v生长，变化，繁殖， v脂质分子如果运动性强，则膜的流动性就 大；反之亦然 v (1)最常发生的脂肪酰链长轴上绕着CC 键的旋转(旋转速度为100ps)； v (2)烃链的顺式扭结(cis kinks)，约1ns发 生一次； v (3)脂肪酰链沿长轴向的伸缩或弯曲 (bending)。 v (1)整个分子绕着与膜平面垂直的轴转动 (r

13、otation)，也称转动扩散(rotation， diffusion)，其转动速度为每10ns转动2角 度。 v (2)侧向扩散，即膜脂分子在膜平面内的 扩散。 v (3)翻转(transmembrane flip-flop)，这是 指脂分子从脂双层的一个叶片层完全翻转 到另一个叶片层的运动。 v“一维运动”，脂质分子自身的运动（即脂 酰烃链绕CC键旋转的异构化运动)，磷 脂分子以其自身长轴(与膜平面垂直)为轴 左右摆动和左右旋转； v “二维运动”，脂质分子在膜内沿膜平面 做侧向扩散和侧向移动 v“三维运动”，磷脂分子的翻转运动。脂 质分子难发生垂直膜面的直线运动 v膜蛋白也同脂类分子一样

14、处在一种运动的 平衡之中。膜内在蛋白的主要运动形式包 括侧向扩散运动、旋转扩散(rotational diffusion)、构象变化以及蛋白多聚复合物 的聚合和解聚等 v无翻转 v膜蛋白运动的特殊性是其扩散运动、和无 翻转运动。其分子内部运动（包括构象变 化、聚合与解离等参见蛋白质质分子运动） v在膜平面内发生随机的布朗运动(Brownian movement) （局部移动，整个膜上运动， 基本不动锚定，蛋白质密度，定向运动） v膜蛋白的运动首先由脂双层的微粘度和自 身大小所决定。 v被膜骨架蛋白构成的“藩篱”所限制。有些蛋白可以在 整个膜平面中无规则地移动，但是它们的运动速率低， v如果膜内

15、在蛋白含量多，分布拥挤，相邻蛋白的随机运 动也将受到限制。 v在不同的生物膜中，膜蛋白的运动速度差异很大。 v不同细胞上、内膜系统不同的细胞器膜上膜蛋白以及处 在不同功能状态的细胞，其质膜和内膜系统上的膜蛋白 的运动速率是明显不同的。 v细胞中特殊功能的质膜糖蛋白不动，有的蛋白被“锚定” 在膜骨架上而无法作扩散运动。 v其他方面的蛋白间相互作用也限制或控制着膜蛋白的运 动。 v一些情况下，某些特异的蛋白的运动有高度的方向性， 似乎在膜的胞浆面有马达蛋白(motor protern)驱动其运动。 v电磁相互作用 亲水的极性头部 疏水部分 v两者都发生着相互适应和契合的构象变化。 v脂分子与蛋白的

16、相互作用可以调整膜中膜 蛋白的聚集状态，进而调整膜蛋白的功能。 v蛋白质掺入膜时，膜的通透性会增加，膜 磷脂分子的跨膜运动(transmembrane movement，或flip-flop)速率也提高 v有些膜脂的存在对于某些酶的激活是必需 的。 v在膜蛋白存在下，脂双层似乎被诱导形成两个脂 的“结构域”(domains) v其运动受到明显的限制。 v不能参与高度协调的相变。 v结合磷脂或结合脂(bound phospholipids)与非界 面脂的交换要慢得多， v能够以与膜蛋白相似的特征速率在膜中旋转。 v它既不像液体那样具有强流动性，又不像固体 那样完全保持一定的形态，外形上流动性差，

17、 有一定粘性； v内部结构上，分子间的相对位置既不像晶体那 样相对不变，又不像液体那样完全“无规则” 运动，其有序程度介于晶体与液体之间，光学 性质上表现出各向异性的双折射现象(立方相和 部分六角相除外)，不同类型的液晶，其分子有 序程度不同。 v晶体从外部形态上看有一定形状，从内部结构上看分子间距离相对不变，光 学上表现出各向异性的双折射现象(立方相和部分六角相除外)。 v液体从外部形态上看无定型，从内部结构上看分子间的距离不定，分子运动 不定，光学上表现出各向同性。 44 4 2 生物 膜主要是脂双层相 液晶状态 v膜结构的基础是建立在膜脂主要成分磷脂的 双亲性(amphipathic)特

18、性上。 v磷脂兼性分子能够以物理的而非化学的联系 自组装(self-assemble)成各种膜样微结构 (microstructures)。这些结构，包括微团、膜 泡(vesicles)、脂质体(liposomes)、微管状 (microtubles)和脂双层(bilayers)等，构成具 有油样区(oil-like regions)和较大界面 (interfacial areas)的微相(microphases)。 生物膜是脂双层(lipid bilayers)结构 v对生物膜而言，脂双层是由膜脂分子(尤其是 磷脂)形成的最主要的结构。 v这个结构一般有两个相，凝胶相和液晶相， v生理条件下

19、是以液晶相存在 液晶或流体相 v从人工膜测得的数据表明，磷脂在膜中有高 的侧向运动自由度，脂质分子能在平行于膜 表面的膜平面中相当自由和快速地转位，每 秒钟磷脂分子与其临近分子交换位置达106次。 v并不是真正液态，脂质分子不倾向于在垂直 于脂双层平面的方向进行转位或者说不易于 从膜向外伸出或滑出。 凝胶或固态相(The gel or solid phases) v处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被 “冻结”几乎完全失去运动自由性，而取 硬棒样形状，即全反构象。膜变得更具刚 性而失去柔韧性，并且镶嵌于脂双层中的 蛋白质不再能够运动。 v凝胶相的膜对物理性协迫(stress)失去适应 性，而易

20、于形成渗漏(leak)，造成膜通透性 及其功能的损害。衰老或不完善的生物膜 往往表现为典型的凝胶相。 4443 相变 和相分离 phase transition & phase separation 凝胶相到液晶相的相变 vgel-to-liquid crystalline phase transition v相变温度(transition temperature，Tt)，从液 晶态到凝胶态开始改变的最低温度 v高于Tt脂双层处于液晶相，反之处于凝胶相。 v相变温度是膜流动性的重要特征指标，相变 温度高的膜流动性差。 v高Tt的生物膜比低Tt的生物膜在生理学上对外 环境的协迫更为敏感。 相分离

21、(phase separation) 或者混合 相(mixed phase) v即在给定的膜内发生或存在相态各不相同的不同微 区(domains)。对于两种磷脂组成的人工膜，当温度 处于两种磷脂相变温度之间时，即可发生相分离， 即一种磷脂处于液晶相，另一种磷脂却处于凝胶相， 两相共存。 v生物膜发生相分离的生理意义是多方面的，如老的 细胞膜发生典型的相分离导致膜的泄漏(leak)，预示 细胞的死亡。另一方面，有序的不同膜相区域的共 存，在某些情况下却是有益的。 (c) 片层脂双层相和六角形相之间的 相变 vlamellar hexagonal phase transition v这种相变的发生

22、要慢得多，特别是从六角形 相到片层脂双层相的转变。在人工膜的实验 中，常常要求相当长的孵育时间(数小时到数 天)，而从片层脂双层相到六角形相的相变的 发生则很迅速，在数秒或数分钟内即可实现。 这种相变之所以较慢，是因为在相变过程中 磷脂分子要进行根本性的重排。 4444脂双层 流动性的重要性 固液两性的意义 v（脂双层流动性的重要性） v既不过于刚性(rigid)又不失其有序性(ordering)，既不 变成完全的流体(completely fluid)，又表现着适宜的柔 性(flexibility)， 膜上成分即可以有序组织，又可以运动。 v固体：膜成分定向有序地组织，形成特殊的结构，具 有

23、机械支撑与分隔能力，（韧）。 v液体：柔，伸缩自如，膜内成分之间相互作用方便， 运动灵活，便于各种功能的发挥。可以自由插入或移 除某个分子。 v细胞运动、细胞生长、细胞分裂、细胞内吞与外排(分 泌)等都依赖于膜的流动性。 4445 影响膜 流动性及相变温度 的主要因素 影响膜流动性的主要因素 v磷脂分子脂酰链的长度、脂酰链的饱和度、 脂分子极性头部的极性强度、 v环境的温度、离子强度、金属离子种类、 v膜脂的脂分子组成、各组分的比例以及膜上 蛋白质等 磷脂脂肪烃链的结构 v不同磷脂的相变温度是很不相同的，具有不同脂 肪酰链的PC形成的脂双层其Tt可以从低于0到高 于60。 vTt随脂肪烃链的长

24、度增长而升高；脂肪烃链的不 饱和度越大，Tt越低； v双键在脂肪烃链上的位置也影响Tt，如果双键处 于链中部位，Tt则最低，sn-2位脂肪酰链的性质 对Tt影响更大。 v不饱和脂肪酰链含量越高，流体相越大，不 饱和脂肪酰链的cis双键造成链的扭曲(kinks)， 增加柔韧性(pliability)。 极性头的性质 v在所有常见的磷脂中，PE的Tt最高，依次 为PEPSPCPG，与极性头基团的结构 及其特性相关的还有其水化程度和介质pH。 脱水的磷脂PC比完全水化的磷脂PC，其Tt 高24。当介质pH有利于磷脂带有电荷则 磷脂的Tt降低。阳离子与膜表面的结合是另 一个与磷脂极性头相关的膜现象。钙

25、离子 的结合造成磷脂分子脱水，因此提高了磷 脂的Tt。 膜的磷脂组成 v纯磷脂相变温度范围很窄，混合磷脂的相变温度取决于各磷 脂的结构之间的差别，一般来说结构差别大的磷脂组成的混 合磷脂相变温度范围要宽。生物膜膜脂组成复杂，通常难以 测定到一个确切的相变温度，特别在近于生理温度下。但是， 某些生物膜，包括微粒体膜，在非生理温度范围内可能同样 可以表现出凝胶态到液晶态间的相变。在生理温度范围内， 生物膜则可能存在微区(microscopic domains)的脂质的相变。 胆固醇分子平行插入磷脂分子之间，其具刚性的四环核与磷 脂的脂肪酰链相互作用改变脂肪酰链之间包裹的紧密程度。 胆固醇的掺入，一

26、般倾向于使Tt变宽而增加膜的稳定性。 类固醇 特点: v刚性平面， v疏水的分支脂肪烃链固有的运动性 对膜的作用： v提高膜的刚性和微粘度(microviscosity)， v增加膜局部微区的无序性(disorder)，使流 动性增加。 v被认为对膜起着双向调整和稳定的“缓冲 剂”作用(hemeostatic and stabilizing buffer effect)，使生物膜能在较宽的温度 范围内(3040)行使功能。 鞘脂类 v分子中的两条疏水性链大多是高饱和度烃链，而且 链较长，尤其是比鞘氨醇烃链更长的脂肪酰链可能 伸入膜脂两单分子叶片层之间增加脂双分子层的稳 定性，而鞘氨醇氨基与脂肪

27、酸羧基形成的酰胺键( CONH)非常倾向于形成氢键，这又可以稳定膜 蛋白 v起显著的增强生物膜刚性的作用(rigidificating)，这 方面的作用仅次于类固醇。 膜蛋白 v一方面，跨膜蛋白、内在蛋白或具有一定疏 水基团的外在蛋白，可以使膜上位于其四周 的脂类分子界面脂，完全脱离脂类其它 的分子，而随膜蛋白的运动方式运动。 v另一方面，散布在膜磷脂分子之中的膜蛋白， 由于限制了其邻近脂分子的运动，从而影响 了整个膜脂质分子运动及相变的一致性，而 使相变温度降低，液晶温域增宽。 膜的流动性调节 v植物及原核生物中膜的流动性主要是通过调 节脂酰链的双键数和长度来实现的。 v动物还有胆固醇也是调节膜流动性的关键因 素。 生物膜基本上是脂双层(lip