生物化学第五章生物膜

《生物化学第五章生物膜》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学第五章生物膜（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 生物膜,第一节 生物膜的化学组成 第二节 生物膜的结构 第三节 生物膜的功能,生物体的基本结构与功能单位是细胞，生物膜是细胞的质膜和内膜系统（如线粒体膜、叶绿体膜、内质网膜、高尔基体膜和核膜等）的统称。质膜是细胞与外界的屏障，而内膜系统将细胞内的空间分割成具有相互独立的结构和功能的小室。细胞的物质运输、能量转换、细胞识别及信息传递等生命活动都与生物膜密切相关。生物膜是由脂质、蛋白质及糖类等组成的超分子体系，其中脂质是生物膜的骨架，膜蛋白是生物膜功能的主要体现者。,第一节 生物膜的化学组成 主要由蛋白质和脂质两大类物质组成，此外还有糖、水和金属离子等。 每一种生物膜都具有其特征的蛋白质和

2、脂质，不同种类的生物膜其蛋白质和脂质的组成比例不同，一般来说，功能越复杂的膜，蛋白质所占的比例越大，且种类越多；而功能越简单特化的膜，蛋白质的含量和种类越少。,一、膜脂 生物膜中的脂质主要分三类： 磷脂、 糖脂、 固醇。,（一）磷脂 生物膜中的磷脂主要有甘油磷脂和鞘磷脂。 1、甘油磷脂： 组成：磷酸化的头部 +三碳的甘油骨架+ 两条脂肪酸链 主要包括 磷脂酸、磷脂酰胆碱、 磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、 磷脂酰肌醇等。,甘油磷脂的结构,胆碱,乙醇胺,丝氨酸,甘油,磷脂酰胆碱,磷脂酸,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰肌醇,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰甘油,甘油磷脂是两性分子，即由亲水和疏水两部分组成。其中磷酸基团及其

3、连接的胆碱、乙醇胺、丝氨酸等构成该分子的亲水头部，而两条较长的脂酰链为其疏水的尾部。这一特征决定了它们在生物膜中的双分子排列（脂双层结构）。 生物膜的骨架对膜起支撑作用，在信号转导过程中还起重要作用。,2、鞘磷脂 组成：基本骨架是鞘氨醇：十八碳二元醇 鞘脂与甘油磷脂在结构上均含有一个亲水的头部和两个疏水的尾部（见图5-2），但鞘脂中含有鞘氨醇而不含甘油。 作用：信号分子，而且鞘脂还参与膜的运输、离子通道的调节等很多重要过程。,（二）糖脂 一类含有糖基的甘油酯，此类脂质与甘油磷脂一样均是甘油的衍生物，一般将含有糖基的脂类即糖脂复合物也称为糖脂。 组成生物膜的糖脂主要为甘油糖脂和鞘氨醇糖脂。 甘油

4、糖脂由甘油二酯与糖类（半乳糖、甘露糖和脱氧葡萄糖）组成。植物和细菌的细胞膜中。 鞘氨醇糖脂由鞘氨醇、脂肪酸和糖类组成，包括脑苷脂和神经节苷脂 。动物的细胞膜中。,（三）固醇 固醇是脂类中不被皂化，在有机溶剂中容易结晶出来，因常温下呈固态而得此名称。固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。固醇也是一类重要的膜脂，动植物及微生物细胞生物膜所含固醇的种类是不同的。动物膜固醇主要是胆固醇，植物膜固醇中，胆固醇含量很低，主要是豆固醇和谷固醇。许多真菌如酵母质膜甾醇以麦角固醇为主（图5-4）。,胆固醇的结构及其酯化,A,B,C,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,15,16,17,18,19,

5、20,21,22,23,24,25,26,27,D,环戊烷 多氢菲,14,二、膜蛋白 生物膜具有物质运输、能量转换等多种功能，而这些功能主要是由膜蛋白来完成的。例如有些膜蛋白作为运输载体或“泵”，参与离子或某些分子的跨膜转运过程，有些作为酶、电子或质子传递体，参与细胞内能量的转换，有些作为受体、抗原传递信息。 质膜中很多膜蛋白以共价键与寡糖结合形成糖蛋白复合物，其中丝氨酸、苏氨酸和天冬氨酸残基是蛋白质中易与糖共价结合的位点。,三、糖类 生物膜中的糖类大多数与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。这些糖蛋白和糖脂复合物在质膜上很丰富，而且其中的糖类均暴露在细胞外表面。糖蛋白复合物中寡糖链伸向膜的外表面，由

6、于单糖间结合方式、排列顺序、种类、数量及分支不同，形成了各种细胞表面的特异天线，细胞之间可借此互相识别并交换信息，还可以接受外来的化学信号（图5-5）。但这些复合物很少存在于内膜系统如线粒体膜、叶绿体膜等。,图5-5糖蛋白与糖脂中的糖链,第二节 生物膜的结构 一、生物膜结构的研究历史 生物膜的组分主要是蛋白质、脂质和糖类等，这些组分是如何排列和组织起来形成特定的膜结构？科学家对生物膜的结构进行了大量的研究，对膜的基本结构的认识不断深入，曾提出了很多种关于膜结构的理论模型。 目前一般认为流动镶嵌模型在基本方面是正确的.,流动镶嵌模型的要点： 生物膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的脂质双分子层结构，

7、其中蛋白质就像一座座冰山漂移在流动的脂质的海洋中。蛋白质在膜中的分布是不对称的，即具有方向性，一些蛋白质仅在膜的一侧突出，另一些蛋白质则暴露于膜的内外两侧。,图5-9 流动镶嵌模型,目前一般认为流动镶嵌模型在基本方面是正确的，但仍存在局限性。它忽视了蛋白质、脂质等组分间的相互作用以及这些作用的不均匀性。随着研究的深入，人们逐渐认识到生物膜存在着流动性不同的微区。,二、目前对生物膜结构的认识 （一）脂质双分子层是生物膜的基本结构 实验发现当两性的脂质与水混合时，其亲水的头部与水相接触，疏水的尾部则尽可能相互靠近，而将水从其邻近部位排除，从而自动形成3种不同类型的脂质聚合体，即微团、双分子层结构及

8、脂质体（图5-10）。,1、微团 微团是疏水部位在内而亲水部位朝向外侧的球形结构，内部不含水。当脂质分子极性头部的有效截面积大于其非极性尾部的酰基侧链截面积时易形成这种结构，如游离脂肪酸、溶血磷脂等可形成微团。,2、双分子层 双分子层是由两个脂单层形成的一个二维结构，即每个单层的疏水尾部朝向内侧，远离水面，相互作用。 3、脂质体 脂质分子亲水的头部与双分子层表面的水相互作用，由于边缘的疏水部位与水相会发生短暂的接触，使得此结构相对不稳定，会进一步自我封合为双层微囊，即形成脂质体。,图5-10 两性脂质在水中的聚集,（二）膜蛋白在脂质双分子层中的分布 细胞中大约有2025%左右的蛋白质是与膜结构

9、相联系的。根据膜蛋白与膜脂的相互作用方式及其在膜中排列部位的不同，可以将其分为两大类： 外周蛋白、内在蛋白。,1外周蛋白 外周蛋白分布于膜的外表面，它们通过极性氨基酸残基侧链以静电引力、氢键等次级键与膜脂的极性头部，或与某些膜蛋白的亲水部分相结合（图5-11），如结合在线粒体内膜上的细胞色素c、已糖磷酸激酶等，均属于此类。,外周蛋白比较容易分离，经过温和的处理，如改变介质的离子强度或pH值，或加入金属螯合剂等即可把外周蛋白分离下来。从膜上分离下来的外周蛋白呈水溶性。此类蛋白质约占膜蛋白的20%30%。,图5-11膜蛋白在生物膜中的分布和种类,2内在蛋白 内在蛋白质通过非极性氨基酸残基侧链与膜脂

10、分子的疏水部分以疏水相互作用牢固结合，不同程度地插入或横跨脂双层（图5-11）。这类蛋白不易从膜上分离，只有使用比较剧烈的条件，如加入表面活性剂、有机溶剂，或使用超声波才能将其从膜上溶解下来。它们的特征是水不溶性，分离下来之后，一旦去掉表面活性剂或有机溶剂，又能聚合成水不溶性。,内在蛋白质约占膜蛋白的70%80%左右，往往担负着重要的功能，如受体、通道、载体和膜酶等都是内在蛋白。内在蛋白质与脂双层疏水区相接触的部分中，由于水分子的排除，多肽分子本身形成氢键的趋向大大增加，因此它们往往以-螺旋或-折叠形式存在，尤其以前者更为普遍（图5-12）。,膜锚蛋白 有些膜内在蛋白本身并没有进入膜内，而是以

11、共价连接到膜脂上，如碱性磷酸酯酶，它与糖基磷脂酰肌醇共价连接。有时也把它们称为膜锚蛋白。,图5-12内在蛋白的跨膜-螺旋,（三）生物膜的流动性 膜的流动性包括膜脂和膜蛋白的运动状态。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，物质运输、能量转换、信息传递、细胞分裂、细胞融合、内吞、外排以及激素的作用等都与膜的流动性有密切的关系。,1、膜脂的流动性 在生理条件下，膜脂大多数表现为流动的液晶态，当温度降至相变温度时即从液晶态转变为类似晶体的凝胶状态，凝胶态也可以熔解为液晶态。将液晶态和凝胶态的相互转变称之为相变（图5-13）。不同的膜

12、脂相变温度也各不相同。,虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个的磷脂和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由，它们的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就可环绕红细胞的一周。双分子的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋转而不断地运动。,膜流动的程度与脂的组成及温度有关，低温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态（类晶体、半晶体）排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。,影响膜脂流动性的因素： 包括脂烃链的链长和不饱和程度，胆固醇、鞘磷脂的含量，膜蛋白以及温度、pH、离子强度、金属离子等等。 脂肪酸烃链越长，其间相互作用也越强，脂质双分子层的流动性将会降低。,脂肪酸烃链不饱和程度越高

13、，流动性越强。因为不饱和脂肪酸的顺式双键会产生烃链的扭曲，并且会促进双键两侧烃链的旋转运动，分子间的距离也增大，降低了脂质分子间排列的有序性，从而削弱了相邻脂质的相互作用。,胆固醇在调节膜脂的流动性方面具有重要的作用。 在相变温度以上时，胆固醇由于能抑制磷脂分子的脂肪酸链的旋转异构化运动，因而降低膜的流动性； 在相变温度以下，胆固醇又可阻止脂肪酸链的有序排列，因而增加膜的流动性，防止其向凝胶态转化。,2、膜蛋白的流动性 膜蛋白可以快速在脂质双分子层内扩散。 膜蛋白还可以围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。这种运动方式比侧向扩散的速度要慢，不同的膜内在蛋白由于本身及微环境的差别，它们的旋转扩散也有

14、很大的差异。,3、膜流动性的生理意义 膜脂合适的流动性是膜蛋白表现正常功能的必要条件。这是因为膜脂的流动性对膜内在蛋白嵌入脂质双分子层的深度有一定影响。当膜脂流动性降低时，嵌入的膜蛋白暴露于水相的部分就会增加；相反，如果膜脂流动性增加，嵌入的膜蛋白则更多地深入脂质双分子层中。因此，膜脂流动性的变化会影响膜蛋白的构象与功能。,在生物体内，可以通过细胞代谢、pH、金属离子（Mg2+、Ca2+等）等因素使膜具有合适的流动性从而表现正常功能。如果超出调节范围，生物膜就会发生病变。 此外，植物的抗冷性也与生物膜的流动性相关。,（四）生物膜的不对称性 1、膜脂在脂双分子层两面是不对称的。 例如，人红细胞膜

15、的外层含磷脂酰胆碱和鞘磷脂较多，内层则含磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺较多。这种不对称分布会导致膜内外两层电荷数量、流动性等的差异。膜脂的不对称分布与膜蛋白的定向分布及其功能也有着密切的关系。,2、蛋白质在膜上的定位也是不对称的， 如有的外周蛋白位于膜的内侧，有的则专一分布在膜的外侧。就膜内在蛋白来说，有的部分嵌入或插入外侧，有的则从内侧嵌入或插入，即使是跨膜的内在蛋白，无论是它们在膜两层的疏水区，还是暴露在两侧的亲水部分都是不同的。 另外糖类在膜上的分布也是不对称的，糖蛋白及糖脂中的寡糖均分布在膜的非细胞质一侧。,第三节 生物膜的功能 一、物质的跨膜运输 细胞能主动地从环境中摄取所需的营养物质如

16、糖、氨基酸和无机盐，同时排出代谢废物和产物，使细胞保持动态的恒定，这对维持细胞的生命活动是极为重要的。小分子物质的跨膜运输主要依靠浓度梯度、电势差或同时依靠二者进行。另外大多数小分子物质的运输还需要通过膜上的转运蛋白质来介导。而大分子的运输主要是通过膜泡运输的方式进行。,（一）小分子物质的跨膜运输 根据物质被运输的过程是否需要消耗能量，小分子物质的运输可分为被动运输和主动运输。 1. 被动运输 被动运输是物质从高浓度的一侧跨膜转运到低浓度的一侧，即顺浓度梯度的转运过程。这是一个不需要能量的自发性过程。根据是否需要专一性载体蛋白，将被动运输又可分为简单扩散和协助扩散。, 简单扩散 简单扩散是物质依赖于膜两侧的浓度差，从高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散的过程，不需要能量，也不需要载体。扩散的速度与膜两侧分子的浓度差成正比。由于膜的基本结构是脂质双分子层，只有非极性的小分子及不带电荷的极性小分子以简单扩散的方式过膜，如O2、N2、CO2、H2O、尿素、乙醇等。, 协助扩散 协助扩散与简单扩散有相同之处，它也是物质从高浓度的一侧向低浓度的一侧转运的过程，也不需要消耗能