第六章生物膜1

1、内容内容: :第一节第一节 生物膜的化学组成生物膜的化学组成第二节第二节 生物膜的分子结构及特征生物膜的分子结构及特征第三节第三节 生物膜的功能生物膜的功能第四节第四节 膜生物工程及应用（自学）膜生物工程及应用（自学）第六章第六章 生物膜生物膜内容和要求内容和要求: :1 1、掌握生物膜的化学组成成分，生物膜的脂质双层结、掌握生物膜的化学组成成分，生物膜的脂质双层结构和流动性，生物膜的机构模型，生物膜的物质运输功构和流动性，生物膜的机构模型，生物膜的物质运输功能。能。2 2、了解生物膜的结构特征，生物膜的其它功能。、了解生物膜的结构特征，生物膜的其它功能。第六章第六章 生物膜生物膜v所有的细胞

2、都以一层薄膜将它的内含物与外所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开。界环境分开。v大多数细胞中还含有许多内膜系统，组成具大多数细胞中还含有许多内膜系统，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器。有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器。v例如，线粒体、细胞核、内质网、溶酶体和例如，线粒体、细胞核、内质网、溶酶体和叶绿体等。叶绿体等。细胞膜以及各种细胞器的外膜通细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。称为生物膜。第一节第一节生物膜的化学组成生物膜的化学组成 生物膜的组成生物膜的组成v主要由脂质（主要是磷脂、糖脂和胆固醇）、蛋白质（包括主要由脂质（主要是磷脂、糖脂和胆固醇）、蛋白质（包括酶）和

3、糖类组成，还有少量的水和金属离子等。酶）和糖类组成，还有少量的水和金属离子等。v生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质/ /脂类脂类 大；大； 功能少而简单的膜，蛋白质功能少而简单的膜，蛋白质/ /脂类脂类 小小。脂质是构成生物膜最基本的结构物质脂质是构成生物膜最基本的结构物质脂质包括脂质包括磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂）、磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂）、 胆固醇胆固醇和糖脂等，其中以磷脂为主要成分。和糖脂等，其中以磷脂为主要成分。一、膜脂一、膜脂（一）磷脂（一）磷脂glycerophos

4、pholipidsglycerophospholipidsv主要是磷酸甘油二脂。甘油中第主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1 1，2 2位碳原子与脂肪酸酯基（主要是含位碳原子与脂肪酸酯基（主要是含1616碳的软脂酸和碳的软脂酸和1818碳的油酸）相连，第碳的油酸）相连，第3 3位碳原子则与磷酸酯基相连。不同的位碳原子则与磷酸酯基相连。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。以甘油为基础形成的甘油磷脂（以甘油为基础形成的甘油磷脂（glycerophospholipid）磷脂的特点磷脂的特点v磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的脂肪酸磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的

5、脂肪酸链，是优良的两亲性分子。链，是优良的两亲性分子。v磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。双层脂膜结构或微团结构。v磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双层脂膜。磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双层脂膜。v磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层脂膜）磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层脂膜）的特性。的特性。( (二二) )糖脂糖脂glycosphingolipidsglycosphingolipidsv糖脂也是构成双层脂膜的结构物质。是含糖的脂糖脂也是构成双层脂膜的结构物质。是含糖的脂类，不含磷酸基团类，不含磷

6、酸基团v糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。v动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。v结构为：结构为：ch2chnhchch=choh(ch2)12ch3神经鞘氨醇oohch2ohoohohr:脂肪酸cor半乳糖v植物和细菌膜脂中最主要的糖脂是甘油半乳糖脂，以单半植物和细菌膜脂中最主要的糖脂是甘油半乳糖脂，以单半乳糖脂和双半乳糖脂较丰富。乳糖脂和双半乳糖脂较丰富。（三）（三）胆固醇胆固醇sterolssterolsv胆固醇是一种类脂化合物胆固醇是一种类脂化合物, , 在生物膜中含量较多。在生物膜中含量较多。胆固醇以中性脂的形

7、式分布在双层胆固醇以中性脂的形式分布在双层脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用，有一定的调节作用，有利于保持膜的有利于保持膜的流动性和降低相变温度流动性和降低相变温度。二、膜蛋白二、膜蛋白 膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的场所。可以分为外周蛋白、内在膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的场所。可以分为外周蛋白、内在蛋白和锚定蛋白蛋白和锚定蛋白 。它们是受体，酶，抗原，通道和骨架蛋白等。它们是受体，酶，抗原，通道和骨架蛋白等。 z 外周蛋白（外周蛋白（peripheral protein） 分布于双层脂膜的外表层。分布于双层脂膜的外表

8、层。 与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。 外周蛋白比较亲水，能溶解于水。外周蛋白比较亲水，能溶解于水。 z 内在蛋白（内在蛋白（integral protein） 蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 难溶于水，且不容易从膜中分离出来。难溶于水，且不容易从膜中分离出来。 主要以主要以 -螺旋形式存在。螺旋形式存在。z 锚定蛋白锚定蛋白 （anchor menbrance protein）通过与之共价相连的脂分子插入膜的通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，从而锚定在细胞质膜上。脂双分子中，从而锚定在

9、细胞质膜上。约占膜蛋白的约占膜蛋白的70-80%70-80%主要以主要以 - -螺旋螺旋和和 - -折叠形式存在，其中又以折叠形式存在，其中又以 - -螺旋更普遍。螺旋更普遍。约占膜蛋白的约占膜蛋白的202030%30%，主要通过静电引力或范德华力与膜结合主要通过静电引力或范德华力与膜结合( (三、糖类三、糖类v生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。v糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。v生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。单糖或多聚糖单糖或多聚糖 +

10、+ 膜膜 脂脂单糖或多聚糖单糖或多聚糖 + + 膜蛋白膜蛋白细胞内细胞内脂双层脂双层膜蛋白膜蛋白细胞外细胞外衣衣细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞外衣或糖萼一起，形成一层外被，称细胞外衣或糖萼糖类在糖类在膜上的分布是不对称的膜上的分布是不对称的. .（糖萼）（糖萼）膜脂分布的不对称性膜脂分布的不对称性 全部分布在膜的全部分布在膜的非胞质面非胞质面。 磷脂酰丝氨酸带有负电荷，细胞膜内层负电荷多于外层。磷脂酰丝氨酸带有负电荷，细胞膜内层负电荷多于外层。第二：胆固醇第二：胆固醇 主要分布在细胞膜的外层。主要分布在细胞

11、膜的外层。膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性第一第一： 膜蛋白在脂双分子层中的分布位置是不对称的。（包膜蛋白在脂双分子层中的分布位置是不对称的。（包括内在及外在膜蛋白）括内在及外在膜蛋白）第三：第三： 糖蛋白的分布是不对称的。糖蛋白的分布是不对称的。第二第二： 膜蛋白颗粒在膜内外两层中的分布是不对称的。膜蛋白颗粒在膜内外两层中的分布是不对称的。 膜脂和膜蛋白分布的不对称性决定了膜内外表膜脂和膜蛋白分布的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性。面功能的不对称性。1、膜组分的流动、膜组分的流动侧向移动侧向移动全反式、偏转构型全反式、偏转构型旋转异构化运动旋转异构化运动翻转运动翻转运动摆动摆动

12、 、扭动、扭动（1）、磷脂分子的运动性）、磷脂分子的运动性在膜内作侧向扩散或侧向移动；在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；膜脂沿纵轴的上下振动；膜脂沿纵轴的上下振动；在脂双层中作翻转运动；在脂双层中作翻转运动；烃链围绕烃链围绕c-cc-c键旋转而导致的异构化运动键旋转而导致的异构化运动 相对运动较慢相对运动较慢侧向运动侧向运动旋转扩散旋转扩散2 生物膜的相变生物膜的相变 相变温度相变温度（ ）是膜脂物理状态由是膜脂物理状态由的温度。高于相变温度时，膜呈流动的液态，低于的温度。高于

13、相变温度时，膜呈流动的液态，低于相变温度时，膜呈凝固的胶态。相变温度时，膜呈凝固的胶态。（1 1）脂酰基的长度，脂肪酸碳链越长，其间相互作用力也越强，）脂酰基的长度，脂肪酸碳链越长，其间相互作用力也越强，脂双层的流动性降低，相变温度升高。脂双层的流动性降低，相变温度升高。（2 2）脂肪酸烃基的不饱和程度。不饱和度越高，流动性越强，相）脂肪酸烃基的不饱和程度。不饱和度越高，流动性越强，相变温度越底变温度越底（3 3）胆固醇在调节膜的流动性方面起重要作用，可以扩大液晶相）胆固醇在调节膜的流动性方面起重要作用，可以扩大液晶相存在的温度范围。存在的温度范围。影响生物膜流动性与相变温度的因素影响生物膜流

14、动性与相变温度的因素 1935 1935年年,danielli,danielli和和davson,davson,发发现细胞膜的表面张力显著低于油现细胞膜的表面张力显著低于油- -水界面的表面张力水界面的表面张力, ,因此认为因此认为, ,细细胞膜中除含有脂类外，还含有蛋胞膜中除含有脂类外，还含有蛋白质白质, ,故提出了片层结构模型故提出了片层结构模型. .蛋白质蛋白质 脂双分子层脂双分子层（球状）（球状）（球状）（球状）（双分子层）（双分子层）“蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质蛋白质”三夹板结构三夹板结构蛋白质：单层肽链蛋白质：单层肽链 折叠结构折叠结构脂双层脂双层细胞膜细胞膜细胞质细胞质 19

15、59年年, robertson 利用电子显微镜观察，发现所有利用电子显微镜观察，发现所有生物膜都呈生物膜都呈“暗暗-明明-暗暗”三层结构，故而把三层结构，故而把“两暗一明两暗一明”的结构模型称为的结构模型称为单位膜单位膜模型。模型。暗暗明明暗暗 此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈-折叠的薄片状蛋白质折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。，而非球状蛋白质。2.0nm 3.5nm2.0nm1. 1. 流动的脂双分子层流动的脂双分子层 构成生物膜的连续主体。构成生物膜的连续主体。2.2.球形的膜蛋白以球形的膜蛋白以各种形式镶嵌各种形式镶嵌在脂双分子层中或附

16、着在膜表面。在脂双分子层中或附着在膜表面。 脂双分子层脂双分子层极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部内在膜蛋白内在膜蛋白外在膜蛋白外在膜蛋白1972年，年，singer和和nicolson总结提出，其主要论点是：总结提出，其主要论点是：液态镶嵌模型可以液态镶嵌模型可以解释膜中发生的很多现象，为解释膜中发生的很多现象，为人们普遍接受，但也有人们普遍接受，但也有如忽视了膜的各部分如忽视了膜的各部分流动性的不均匀性，忽视了蛋流动性的不均匀性，忽视了蛋白质分子对脂分子流动性的限白质分子对脂分子流动性的限制作用。制作用。3.3.强调了膜的强调了膜的流动性流动性 和和不对称性不对称性。（四）板块镶嵌模型（四）

17、板块镶嵌模型 v板块镶嵌模型(plate mosaic model)由贾因(m.k. gain)和怀特(white)在1977年提出。他们认为，由于生物膜脂质可以在环境温度或其它化学成分变化的影响下，或是由于膜中同时存在着不同脂质(脂肪链的长短或不同的饱和度)，或者由于蛋白质和蛋白质、蛋白质和脂质间的相互作用，使膜脂的局部经常处于一种“相变”状态，即一部分脂区表现为从液晶态转变为晶态，而另一部分脂区表现为从晶态转变为液晶态。因此，整个生物膜可以看成是由不同组织结构、不同大小、不同性质、不同流动性的可移动的“板块”所组成，高度流动性的区域和流动性比较小的区域可以同时存在，随着生理状态和环境条件的

18、改变，这些“板块”之间可以彼此转化。 第三节第三节 生物膜的功能生物膜的功能v生物膜具有能量转换、信息传递、细胞识别生物膜具有能量转换、信息传递、细胞识别和物质运输等生物功能。和物质运输等生物功能。一、一、 物物 质质 运运 输输v 离子、小分子物质的运输（穿膜运输）离子、小分子物质的运输（穿膜运输）v 被动运输、被动运输、 主动运输主动运输v 生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）v 生物膜是具有选择通透性的屏障，细胞能主动地从环生物膜是具有选择通透性的屏障，细胞能主动地从环境中摄取所需要的营养物质，同时排出代谢产物和废物，境中摄取所需要的营养物质，同时排出代谢产物

19、和废物，使细胞维持动态的恒定，这对于维持细胞的生命活动极为使细胞维持动态的恒定，这对于维持细胞的生命活动极为重要。重要。 v简单扩散简单扩散物质从高浓度到低浓度的单纯的扩散作用，不需借助载物质从高浓度到低浓度的单纯的扩散作用，不需借助载体，不消耗能量。只有小分子量的不带电或疏水分子体，不消耗能量。只有小分子量的不带电或疏水分子（h h2 2o o、o o2 2、coco2 2、尿素、乙醇）以此方式过膜。、尿素、乙醇）以此方式过膜。v协助扩散协助扩散 物质从高浓度到低浓度（顺浓度梯度），需借助物质从高浓度到低浓度（顺浓度梯度），需借助载体蛋白的物质运输。包括亲水性分子如糖、氨基酸载体蛋白的物质运

20、输。包括亲水性分子如糖、氨基酸等的运输。等的运输。1 1、被动运输、被动运输 离子、小分子物质的运输（穿膜运输）离子、小分子物质的运输（穿膜运输）红细胞依靠葡萄糖转运蛋白吸收葡萄糖红细胞依靠葡萄糖转运蛋白吸收葡萄糖v红细胞葡萄糖转运蛋白是相对分子量红细胞葡萄糖转运蛋白是相对分子量45kd45kd的内在膜蛋白，以的内在膜蛋白，以-螺旋跨膜螺旋跨膜1212次，形成一个中间圆孔，葡萄糖借助此蛋白的次，形成一个中间圆孔，葡萄糖借助此蛋白的构象变化穿越这个圆孔。构象变化穿越这个圆孔。胞外胞外胞内胞内葡萄糖葡萄糖葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白葡萄糖结合葡萄糖结合转运蛋白发转运蛋白发生构象变化生构象变化 葡萄

21、糖扩散葡萄糖扩散到胞质溶胶到胞质溶胶转运蛋白转运蛋白构象恢复构象恢复质膜质膜v葡萄糖在细胞内被己糖激酶磷酸化为葡萄糖在细胞内被己糖激酶磷酸化为6-6-磷酸葡萄糖，磷酸葡萄糖， 6-6-磷酸葡磷酸葡萄糖不是葡萄糖转运蛋白的底物。萄糖不是葡萄糖转运蛋白的底物。协助扩散协助扩散 v物质物质逆浓度梯度逆浓度梯度的穿膜运输，需的穿膜运输，需消耗代谢能，并需专一性的载体消耗代谢能，并需专一性的载体蛋白。蛋白。（1 1）atpatp驱动的主动运输驱动的主动运输vnana+ + 、k k+ +的跨膜运输的跨膜运输 通过膜上的专一的载体通过膜上的专一的载体nana+ +、k k+ +- -泵泵被运输被运输, ,

22、nana+ +、k k+ +- -泵又称泵又称nana+ +、k k+ +-atp-atp酶酶，它通过水解它通过水解atpatp提供的能量主动向外运提供的能量主动向外运输输nana+ +，向内运输向内运输k k+ +，每水解，每水解1 1分子分子atpatp向向膜外泵出膜外泵出3 3个个nana+ +，向膜内泵入，向膜内泵入2 2个个k k+ +。高k+低na+高na+低k+2. 2. 主动运输主动运输质膜质膜胞外胞外胞内胞内2k+3na+nana+ +、k k+ +- -泵泵nana+ +、k k+ +- -泵由泵由、两个亚基组成，两个亚基组成， 其中其中亚基跨膜，上有亚基跨膜，上有nana

23、+ +、k k+ +、atpatp及乌本苷结合位点。及乌本苷结合位点。nana+ +、k k+ +- -泵的作用机制，人们普遍泵的作用机制，人们普遍接受的是构象变化假说接受的是构象变化假说亚基亚基亚基亚基内外细胞外细胞质na+na+ppna+k+pk+k+1 12 23 34 45 56 6atpadpnana+ +、mgmg2+2+k k+ +p膜外膜外na na + +高，内高，内na na + +低，本身有从外到内的趋势，贮存了能量。低，本身有从外到内的趋势，贮存了能量。na na + +顺浓度梯度流向膜内，葡萄糖利用顺浓度梯度流向膜内，葡萄糖利用na na + +梯度提供的能量，梯度提

24、供的能量，通过专一的运送载体，伴随通过专一的运送载体，伴随na na + +一起进入细胞。一起进入细胞。 再由再由 na na + +、 k k + + - -泵将泵将na na + +泵出以保持膜两侧的泵出以保持膜两侧的na na + + 梯度。梯度。不靠不靠atpatp水解放能推动，靠离子或水解放能推动，靠离子或h h+ +梯度形式贮存的能量。梯度形式贮存的能量。在动物中，形成这种梯度的离子通常是在动物中，形成这种梯度的离子通常是na na +,+,如葡萄糖被转如葡萄糖被转运到小肠上皮细胞：运到小肠上皮细胞：外高na+内低na+在细菌中，很多情况下是由质子梯度推动在细菌中，很多情况下是由质

25、子梯度推动（2 2）离子梯度驱动的主动运输）离子梯度驱动的主动运输葡萄糖葡萄糖质膜质膜被动运输和主动运输示意图被动运输和主动运输示意图v质膜对大分子化合物或颗粒不能通透，他们在质膜对大分子化合物或颗粒不能通透，他们在细胞内运转时都由膜包围，形成细胞质小泡，细胞内运转时都由膜包围，形成细胞质小泡，故称故称膜泡运输膜泡运输。主要有。主要有胞吐和胞吞胞吐和胞吞 生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）1. 1. 胞吐胞吐有些物质在细胞内被囊泡裹入形成分泌泡，逐渐移至有些物质在细胞内被囊泡裹入形成分泌泡，逐渐移至细胞表面，最后与质膜接触、融合并向外排除，如胰细胞表面，最后与质膜

26、接触、融合并向外排除，如胰岛素的分泌。岛素的分泌。质膜细胞质2. 2. 胞吞胞吞细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围而内陷，随后从质膜上脱落下来形成含小部分包围而内陷，随后从质膜上脱落下来形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程。有摄入物质的细胞内囊泡的过程。v吞噬作用吞噬作用v胞饮作用胞饮作用v受体介导的内吞作用受体介导的内吞作用v吞噬作用：吞噬作用：凡以大的囊泡形式内吞较大的固体颗粒、凡以大的囊泡形式内吞较大的固体颗粒、直径达几微米的复合物、微生物及细胞碎片等的过直径达几微米的复合物、微生物及细胞碎片等的过程。如高等动物的免疫系统的巨噬细胞内吞内侵的程。如高等动物的免疫系统的巨噬细胞内吞内侵的细菌。细菌。v胞饮作用：胞饮作用：以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体（直径体（直径1 1微米）吞入细胞内的过程。微米）吞入细胞内的过程。v受体介导的内吞作用：受体介导的内吞作用：内吞物（配体，是蛋白质或内吞物（配体，是蛋白质或小分子）与细胞表面的专一受体结合，并随即引发小分子）与细胞表面的专一受体结合，并随即引发细胞膜的内陷，形成的囊泡将配体裹入并输入细胞细胞膜的内陷，形成的囊泡将配体裹入并输入细胞内的过程。内的过程。二能量转