2 生物膜

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1、第二章 细胞与生物膜 第一节 细 胞（自学内容） 第二节 生物膜的组成和结构 细胞的膜系统 任何细胞都以一层6-10nm的薄膜将其内含物与环境分开,这层膜叫细胞膜(质膜，外周膜 plasma membrane). 内膜系统: 细胞器膜 质膜和内膜系统统称生物膜（biological membrane）.,一、生物膜的化学组成：脂类、蛋白质、糖、水及金属离子等，各种成分不同组织膜比例变化很大，如神经髓鞘脂79蛋白质18，而线粒体膜蛋白质75脂25） （一）脂类（2550） 1.主要以磷脂（5575）、糖脂、胆固醇为主 磷脂酰胆碱（PC） 磷脂酰乙醇胺（PE） 磷脂酰甘油（PG） 磷脂酰肌醇（PI

2、）,单层、微团（micelles）、双层（bilayer）、双层微囊 生物膜呈现脂双层结构,2. 膜脂的多态性：,3. 磷脂分子以脂双层形式存在，构成生物膜的连续相,（二）膜蛋白（5075）,1.膜外周蛋白（extrinsic protein）（2030） 位于膜外表面，通过静电作用力和范德华力与膜结合。易分离。,2. 膜内在蛋白（integral proteins）（ 70-80%） 又叫固有蛋白（整合蛋白） 通过疏水片段疏水力插入或穿过脂双分子层，镶嵌在脂类分子中。 不易分离。必须用去污剂破坏脂双层，才能释放出来。,内在蛋白的跨膜部分的二级结构多为-螺旋。,bacteriorhodopsi

3、n,3. 膜锚蛋白（anchor membrane protein） 有些外周蛋白不直接与脂双层结合，而是通过与糖链共价结合连到膜脂上，形成“蛋白质糖脂复合物”结构方式。这种膜蛋白活动度大，流动性强，易在膜上成簇。 在跨膜信息传递中起作用。,不同膜蛋白的分离： 外周蛋白易分离； 内在蛋白的分离需要去污剂或超声； 膜锚蛋白需要磷脂酶处理。,生物膜的大多数功能是通过蛋白质实现的; 不同功能的膜具有不同的蛋白质； 膜功能越复杂，蛋白质含量及种类越多. （线粒体内膜含3060种蛋白，占75）,（三）糖（110） 以糖蛋白或糖脂形式存在，即多数与蛋白质结合，少数与膜脂结合成复合物。 糖残基分布不对称，全

4、部分布在非细胞质的一侧。 （四）少量水和金属离子,（二）“三明治”模型（sandwich model） 三夹板 Danielli and Davson（1935） 在脂双层的基础上试图解释蛋白质定位。 两层磷脂分子的脂肪酸烃链伸向膜中心，其极性端则面向两侧水相，蛋白质分子以单层覆盖两侧，形成蛋白质脂质蛋白质的三明治结构。,二、生物膜的分子结构 （一）生物膜分子间作用力 疏水力、静电力、范德华力 （二）生物膜结构的主要特征 1. 膜组分的不对称分布,膜脂不对称（鞘脂、胆碱外层居多，磷脂酰丝氨酸、乙醇胺内层居多，单总量对称）,糖链常分布在细胞膜外表面,膜蛋白不对称,2. 生物膜的流动性 流动性是生

5、物膜结构的主要特征。 生物膜是一个处于不断运动的流动系统，表现为不对称分布的各种膜组分可以自由地沿平面侧向运动。其中，脂双层是一个动态的连续体系，作为内在蛋白的溶剂和物质通过膜的屏障；膜蛋白是不连续的单位，以不同的形式镶嵌于脂双层中。,（1）膜脂的流动性 膜质分子的流动: 侧向扩散 翻转运动（慢） 绕轴运动（摆动或旋转） 膜脂的流动性受其存在状态的影响和控制,脂肪酸链处于有序的刚性状态时(晶胶态),全部C-C键为trans构象（全反式构象）; 生理条件下，生物膜中的膜脂分子处于相对无序的液体状态时(呈液晶态)，在不断地运动着。 C-C键的gauche构象增多（偏转构象）,膜脂流动性受温度的影响

6、： 膜脂分子在一定温度下，可以从晶胶态转变为液晶态，这种变化叫做膜脂的相变。发生相变的特定温度叫相变温度（Tc）。 相变温度 晶胶态 液晶态 分相：两种或两种以上的纯磷脂混合成膜时，由于相变温度不同，当温度降低到某一值时，有的已变为晶胶态，而有的仍是液晶态，处于两种状态的分子分别汇集，这一现象叫分相。,膜脂流动性受脂肪酸组成和胆固醇的控制. 磷脂分子中，脂肪酸碳氢链长度和不饱和度与生物膜流动性有关； 脂肪酸链长时,C-C倾向于trans构象，使脂双层易处于晶胶态;反之易处于液晶态; 双键(Cis)的弯曲干扰高度有序结构的形成,因此含双键多的有利于脂双层处于液晶态.,2 胆固醇对生物膜的物理状态

7、有双重调节作用。 在相变温度以上，胆固醇可以降低膜的流动性和通透性，从而使膜趋向于晶胶态； 在相变温度以下，胆固醇可以降低磷脂分子间的有序排列，保持膜的流动性。,膜脂流动性影响内在蛋白的构象和功能. *细胞膜流动性异常病 急性淋巴细胞白血病（细胞膜流动性变高） 克山病 （心肌线粒体膜流动性变低） 大骨节病（红细胞膜流动性变低） 杜兴氏型进行性肌肉营养不良（红细胞，骨骼肌，肝细胞膜流动性变低） *植物膜脂流动性影响植物抗冷性. 抗冷植物线粒体膜流动性高。,（2）膜蛋白的运动性 膜蛋白运动方式：侧向扩散、旋转扩散、穿越 膜蛋白运动的证据： 1970 Frye and Edidin 间接免疫荧光标记

8、和细胞融合实验,人、鼠细胞融合： 间接免疫荧光标记两种细胞表面特异抗原； 细胞融合初期，杂合细胞两半呈现两种不同颜色荧光； 保温一定时间后，2种颜色的荧光点均匀分布。,证明膜蛋白可以在脂双层中运动.,三、生物膜的结构模型 （一）脂双层模型（lipid bilayer model） Gorter and Grendel（1925） 双亲性的磷脂分子以尾对尾形成连续的双分子层，作为生物膜的主体。 脂双层是生物膜的基本结构。,脂双层特点: 脂双层的形成是一个快速的自组装(self-assembly)过程,疏水力是主要的驱动力; 脂双层结构是非共价的协同结构(cooperative structure

9、)； 脂双层是一个自我封闭 (self-sealing)的连续系统， 破损后可自我修复； 脂双层对离子和大多数极性分子高度不透(highly impermeable).,（二）“三明治”模型 Danielli and Davson（1935） 推测蛋白质在生物膜上的存在状态。 蛋白质-脂质-蛋白质 局限性,（三）单位膜模型（unit membrane model） Robertson 50年代 中间浅色区3.5nm，两面为 2.0nm深色区域。 强调“三明治”结构的普遍性。 局限性： 大多数膜蛋白不易分离，蛋白质并非全分布在外层； 膜两侧膜脂分子和膜蛋白是不对称的。,（四）流动镶嵌模型（flu

10、id mosaic model） Singer and Nicholson（1972） 是目前普遍接受的膜结构理论。 基于两个实验证据： 生物膜流动性 膜组分分布不对称性,Singer and Nicholson（1972）流动镶嵌模型 膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体，膜蛋白分布具有不对称性，有的蛋白质镶嵌在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整个膜。,（五）板块镶嵌模型 Jain and White（1977） 生物膜的各组分存在着一定的结构和功能联系，整个膜分成组成、结构不同、大小不同、流动性不同的板块。 生物膜是具有不同流动性的板块相互拼凑起来的动态结构。 强调了生

11、物膜结构和功能的局域化特点。,生物膜的共性 1 生物膜是一种6-10nm厚的片层结构，有封闭的边界； 2 生物膜主要由脂类和蛋白质组成，还含有一些与脂类和蛋白质分子连接的糖类； 3 膜脂分子很小，具有双亲性，它们在水溶液中形成极性分子的屏障脂双层； 4 膜的特异功能是通过特异蛋白质实现的；,5 膜是非共价的集合体； 6 生物膜结构是不对称的； 7 生物膜是流动的结构（由蛋白质和脂类分子排列成的二维液体）； 8 大多数膜是极化的（electrically polarized）。,生物膜结构理论还在发展完善中！,讨论,复习题 讨论生物膜的化学组成 讨论生物膜的结构特点 名词: 脂双层,填空题 1.

12、膜中的脂质主要有三类：（ ）（ ）（ ）。 2.生物膜中分子间作用力主要有三种类型（）（）（）。 答案：1.甘油磷脂，糖（鞘）脂，固醇 2.静电力，疏水力，范德华力,第三节 生物膜的功能 生物膜具有保护、转运、能量转换、信息传递、运动和免疫等生物功能。 一、作为渗透屏障，使细胞分隔为不同区域，维持特定环境，使新陈代谢有条不紊地进行。,二、膜融合参与许多生物学过程,1.内吞作用 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、内陷，其后从质膜上脱离下来而形成含有摄入物质的细胞内囊泡。这一过程叫胞吞作用。 吞噬作用（phagocytosis）-几微米的颗粒 胞饮作用（pinocytosis

13、）-小于1微米的液滴,2. 外排作用（exocytosis） 细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜接触、融合，并向外释放出物质。,三、过膜运输 （一）小分子物质的跨膜运输 被动, 主动,1 被动运输（passive transport）,方式： *简单扩散（Simple diffusion）： 通过膜脂瞬间通道(直径8nm)进行。 适于脂溶性物质或极性小分子（H2O， CO2， O2）。 *协助扩散（facilitated diffusion）： 借助载体（carrier ） 缬氨霉素是钾离子载体。 借助通道蛋白（channel protein）,通道蛋白,载体,红细胞葡萄糖运输借

14、助通道蛋白（被动运输） 葡萄糖渗透酶,被动运输主要特点: 顺浓度梯度； 运输速率既依赖于跨膜物质浓度差，又与物质分子大小、电荷、脂溶性有关； 为自发过程，不需要提供能量。,2. 主动运输 主要特点： 1.逆电化学梯度（浓度梯度、膜电位）； 2.需要专一性载体蛋白; 3.运输速度可以达到饱和状态； 4.有方向性; 5.需要能量（ATP或 跨膜离子梯度）.,例1 Na+,K+-ATPase（Na+,K+-pump） 每水解一分子ATP，向膜外泵出3个Na+，向膜内泵入2个K+。 Na+K+反向协同主动运输,Na+,K+-泵(主动运输),所有细胞存在离子梯度差,Na+,K+-泵维持细胞跨膜离子梯度差

15、具有重要生理意义： 1.维持细胞膜电位，使细胞处于可兴奋状态； 2.调节细胞体积； 3.驱动某些细胞糖和氨基酸的运输。,主动运输的能量 来自ATP的水解（离子） 来自跨膜的离子梯度（糖和氨基酸）,跨膜运输的形式（单向，同向，双向）,协同运输,四、生物膜参与能量转换 光合作用： 光能化学能 氧化磷酸化： 还原力质子梯度化学能,五、通过生物膜传递信息,举例说明生物膜的功能。,Cl-HCO3-反向协同运输） 带3蛋白阴离子通道 （被动运输）,第四节 生物膜的模拟-人工膜,人工模拟生物膜是指由双亲性分子高度有序排列形成的体系，如胶束、微团、单分子层膜、双分子层膜和脂质体等。 人工膜具有生物膜的基本结构

16、特点和某些理化性质，是研究生物膜结构与功能关系的基本模型。 最能代表生物膜结构特性的人工膜是单分子层膜、双分子层膜和脂质体。,1单分子层膜,单分子层膜是由高度有序排列的双亲性分子形成的单分子层膜结构。 自组装膜（Self-Assemble ,SA膜）,-RSH,Au,Preparation of LB film,LB膜技术是制备单/多分子层膜的主要方法。LB膜技术是由Langmuir 和Blodgett发明的膜制备技术，所以称为LB膜技术。,2双层类脂膜,Black membrane (BM, 黑膜),3脂质体,是指由磷脂形成的封闭的双分子层球形或椭圆形的囊泡结构。 由于脂质体在结构上与细胞相似，因此，是研究细胞膜的结构与功能的理想模型。,课后习题,1.人们采取多种方法来制备人工模拟膜以研究和利用生物膜的功能，如：_，_,和_。 2.物质大分子跨末运送的两个主要