生物膜结构和功能

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1、 1 第六章 生物膜 的结构与功能 2 第四章 生物膜 生物的基本结构和功能单位是细胞 任 何细胞都以1层薄膜 厚度约6 10nm 将其内含物与环境分开 这层膜称细胞 膜或外周膜 3 此外大多数细胞中还有许多内膜系统 它们组成具有各种特定功能的亚细胞结 构和细胞器 例如 细胞核 线粒体 内质网 溶酶 体 高尔基体 过氧化物酶体等 在植 物细胞中还有叶绿体等 与真核细胞相比 原核细胞的内膜系统 不很丰富 只有少量的膜结构 4 5 细胞的外周膜和内膜系统称为生物膜 biomembrane 生物膜结构是细胞结构的基本形式 在 真核细胞中 膜结构约占整个细胞干重 的70 80 6 这些膜结构不仅构成了

2、维持细胞内环境 相对稳定的有高度选择性的半透性屏障 而且直接参与物质转运 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 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 7 生物膜的研究不仅具有重要的理论意义 而且在工 农 医实践方面也有很广 阔的应用前景 例如 在医药方面 用磷脂和能识别癌 细胞表面抗原的抗体制成内含抗癌药物 的微囊 能定向地杀死癌细胞 8 在工业方面 正在模拟生物膜选择透性 的功能 一旦成功将大大提高污水处理 海水淡化以及工业副产品回收的效率 9 在农业方面 从细胞膜结构与功

3、能的角 度来研究农作物的抗寒 抗旱 耐盐 抗病的抗性机理正在进行 这方面的研 究成果将为农业增产带来显著成效 10 70年代以来 生物膜的研究已深入到生 物学的各个领域 是现代生命科学研究 的焦点之一 11 第一节 生物膜的组成 生物膜主要由蛋白质和脂质组成 此外 还有少量的糖 水 金属离子等 12 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比例较大 13 14 膜的分子组成 生物膜由蛋白质和极性脂质组成 少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂 的一部分 蛋白质和脂类的相对比例因不同的膜而不同 反映着膜生物作

4、用的广泛 性 神经元的髓鞘主要由脂类构成 为一种电子绝缘体 但细菌 线粒体 叶绿体的膜上由许多酶催化的代谢过程发生 含有的蛋白比脂类要多 特化 的脊椎动物视网膜杆状细胞90 以上的膜蛋白是光吸收蛋白视紫红质 特化 较低的红细胞质膜约含20种含量较高的蛋白及十几种较少的蛋白 其中多数 的蛋白为运输载体 有些膜蛋白还与一个或多个膜脂分子共价结合 后者可 能形成一种疏水的稳定体系以保证蛋白质存在于膜中 膜脂组成因不同的物种 不同的细胞和不同的细胞器而不同 15 各种生物膜的成分及含量 生物膜 蛋白质 质 量分数 脂类 质 量分数 糖类 质 量分数 人红细胞膜 49438 大鼠肝细胞 核膜 59352

5、 9 内质网膜 6733含量很少 线粒体外膜 5248含量很少 线粒体内膜 7624含量很少 16 例如 神经髓鞘膜功能简单 主要起绝 缘作用 仅含有三种蛋白质 蛋白质 脂 质的比值约为0 25 而线粒体内膜功能复杂 含有电子传递 链和氧化磷酸化等酶类共约60种蛋白质 蛋白质 脂质的比值约为3 6 17 1 1 膜脂 构成生物膜的脂质主要为磷脂 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 条件等改变而异 18 1 1 1 磷脂 膜上的磷脂可分为两大类 甘油磷酯 和鞘磷酯 甘油磷酯以甘油为骨架 19 20

6、鞘磷脂 sphingomyelin SM 不含甘油 而代之以鞘氨醇骨架 只含1条脂肪酸链 以酰胺键与NH2基相连 磷酸基团则与胆 碱生成酯 21 1 1 2 胆固醇 生物膜中的固醇以胆固醇为主 一般 说来动物生物膜胆固醇的含量要较植物 中的高 它可能起着调节生物膜中脂质 的物理状态的作用 22 1 2 膜蛋白 细胞中大约有20 25 的蛋白质与膜结构相 联系的 膜蛋白 包括酶及受体 属单纯蛋白质的很少 多是糖蛋白 脂蛋白或糖脂蛋白 它们是生物膜功能的主要执行者 23 1 3 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结合于蛋白 形 成糖蛋白 有少量的

7、糖以共价键结合于 鞘磷脂上形成糖脂 24 在细胞质膜和细胞内膜系统都有分布 但糖类 在膜上的分布是不对称的 无论是质膜还是内 膜系统的糖脂和糖蛋白的寡糖 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向内膜系统的内腔 在生物膜中组成寡糖的单糖主要有 半乳糖 甘露糖 岩藻糖 半乳糖胺 葡萄糖胺 葡萄 糖和唾液酸等 25 糖类约占生物膜组分的5 但其结构复 杂 功能很重要 许多反应都是糖蛋白 起着关键性的作用 它是膜的门户 因 此有人把细胞膜的糖部分比喻为细胞表 面的天线 如在细胞免疫 细胞与细胞间的相互识 别 细胞与感染等接受外界信息方面具 有重要作用

8、26 糖蛋白也是许多膜上的酶 受体 膜抗 原的主要组成部分 糖与多肽结合有两种类型 一类为N 糖 苷型 是葡萄糖与蛋白质的天门冬酰胺 结合 另一类是O 糖苷型 是N 乙酰氨基半乳 糖与丝氨酸 或苏氨酸 结合 27 1 4 水和金属离子 据估计水约占膜重量的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 相当重要的作用 Mg2 对ATP酶复合体与 质膜的结合有促进作用 28 第二节 生物膜的结构 2 1 膜脂的结构特点 2 1 1 形成脂质双分子层的结构 膜脂都有共同的结构特点 它们都是两 性分子 amphipathic molecule

9、s 在一 个分子中既含极性部分又含非极性部分 29 30 两性的膜脂分子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 膜脂分子就形成微团和双层微 囊 31 32 两性脂在水中形成的聚集体 所有生物膜拥有共同的基本特征 对多数极性分 子或带电分子不通透 允许非极性分子通透 约5 8 nm 厚 横切电镜照片近似三层结构 脂类与水相共存时 会迅速形成一种脂双分子层结构而避开水的作用 生 物膜的厚度 电镜测定为5 8 nm 是由3 nm的脂双分子 层和蛋白的厚度决定的 所有证据都支持生物膜由脂 双分子层构成 3

10、3 温度引 起侧链 热运动 脂双层 平面内 的扩散 跨膜扩 散 翻 跟头 膜脂的运动 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 另外一种运动就是跨双分子 层运动 即flip flop 膜流动的程度依赖于脂的 组成及温度 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 34 2 2 膜蛋白的结构特点 2 2 1 膜蛋白的分类 根据膜蛋白在膜上的结合位

11、置及状态 膜蛋白可分为外周蛋白 内在蛋白和 膜锚蛋白 35 外周蛋白 嵌入 膜 内 蛋白 去污剂 处理 蛋白 多糖 pH改变 螯合剂 尿素 碳 酸盐可除 去外周蛋 白 外周蛋白 内在蛋白和 膜锚蛋白 外周蛋白 peripheral proteins 与膜结合松散 很容易释放 是水溶性的 外周蛋白通过与嵌入蛋白的 亲水区域或膜脂的极性头部 以静电作用或氢键结合到膜 上 通过温度的改变或破坏 静电或破坏氢键作用 如加 入螯合剂 尿素 碳酸盐或 改变pH 可被释放出来 这些外周蛋白可作为膜 结合酶的调节因子 或作为 连接膜内蛋白与胞间结构的 中介物 或与一些膜蛋白的 流动性有关 36 膜蛋白的扩散运

12、动 许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向 很少 发生翻转的情况 即使有 flip flop也非常慢 蛋 白质分布的不对称往往还与组成膜上的泵相关 糖 蛋白分布的不对称反映了功能的不对称 红细胞氯 碳酸氢盐交换体的局限运动 锚蛋白 血影蛋白 37 外周蛋白 外周蛋白通过离子键和氢键与膜脂的极 性头相结合 它不伸入脂双层中 外周蛋白较易于分离 一般用比较温和 的处理如改变溶液的离子强度或pH 加 入金属螯合剂就能使外周蛋白从膜上溶 解下来 而不破坏膜的基本结构 38 外周蛋白一般约占膜蛋白的20 30 这 类蛋白质可溶于水 线粒体膜上的细胞色素C 已糖激酶 F1 ATP酶 红细胞膜的纤维状蛋白等都属

13、于 这一类 39 内在蛋白 整合蛋白约占膜蛋白的70 80 它们主要 通过与脂双层疏水区的疏水作用而结合在膜上 有的全部埋于脂双层的疏水区内 有的部分插 入脂双层中 有的贯穿整个脂双层 40 O 连接四糖 N 连接糖 螺旋 红细胞上血型糖蛋白的跨膜结构 生物膜的冰冻蚀刻电镜观察到的一个 蛋白或多蛋白复合体分布情况显示 一些 蛋白仅存在于膜的一面 另一些则横跨整 个膜双分子层 有些穿过膜的另一表面 膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动 冰冻蚀刻 Freeze fracture Technique 撕开膜双层 41 膜内 嵌入 蛋白 integral proteins 通常富含疏水氨基酸区 域 可在中间

14、段 也可在氨 基端或羧基端 有些可有 多个疏水序列 如 螺旋 可横贯整个膜脂双分子层 与膜结合紧密 由膜上释放 时要用特别的试剂 去污剂 有机溶剂 变性剂等 即使嵌入蛋白由膜上释放出 来 一旦去除变性剂或去污 剂会立即引起蛋白沉淀 不 溶聚积物 析出 42 整合蛋白质与膜脂结合很紧密 不易与 膜分离 通常只有用去垢剂 有机溶剂 超声波等剧烈条件处理才能把它们从 膜上分离下来 这类蛋白质的特征是水 不溶性 43 膜锚蛋白 44 磷脂酰肌醇 鞘糖脂 有些蛋白与膜脂有一个或多个共价结 合位点 如长链脂肪酸 或磷脂酰肌醇糖 基化衍生物 连接的脂提供了一个疏水的 锚以插入脂双分子层 45 46 2 4

15、生物膜的分子结构模型 1899年Overton在研究细胞通透性时发现 脂溶性物质容易透过细胞 而水溶性 物质透入细胞十分缓慢 从而认为细胞 表面存在由脂质和胆固醇类物质构成的 细胞膜 形成蛋白质 脂质 蛋白质的 三夹板 式结构 47 在生物膜的流动性和膜两侧的不对称性 的一系列重要研究成果的基础上 1972 年美国Singer和Nicolson提出 流体镶嵌 模型 fluid mosaicmodel of membrane 48 膜结构的流动镶嵌模型 Fluid Mosaic Model 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

16、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 49 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 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 50 这表现在膜蛋白在膜两侧分布的种类和 数量不同 膜的脂双层膜脂的组分及其含量有差异 膜上的糖基都分布在非细胞质一侧 结构上的两侧不对称保证了膜两侧在功 能上的不同 51 近年来的研究表明 膜的流动性是不均 匀的 由于膜脂组成的不同 膜蛋白 膜脂 膜 蛋白 膜蛋白的相互作用 以及温度 pH 金属离子等环境因素的影响 52 在一定温度条件下 有的膜脂呈凝胶态 有的则呈流 动的液晶态 即使都处于液晶态 膜中各部分的流动性也不全相同 这样 整个膜可视为具有不同流动性的 微区 相间隔 的动态结构 因此在1977年Jain与with又提出 板块 学说 其实质 即是膜可分成许多区域 同一条件下有的区域是流