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1、生物膜和运输,Biomembrane and Transport,生物膜的组成与结构细胞膜,任何细胞都以一层薄膜（厚4-7nm）将其内含物与环境分开，这层膜称细胞膜(cell membrane)。 内膜系统-组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器所具有的膜。 生物膜-细胞结构的基本形式，对细胞内很多生物大分子的有序反应和整个细胞的区域化都提供了必需的结构基础，使各个细胞器和亚细胞结构既各自具有恒定、动态的内环境，又相互联系相互制约，从而使整个细胞活动有条不紊，协调一致地进行。 物质运送、能量转换、激素和药物作用、细胞识别、肿瘤发生、细胞重复等都与生物膜有关。,生物膜（Biomembrane
2、）,生物膜包括细胞（外）膜 (plasma membrance) 及细胞内膜(细胞器膜)。 生物膜的形成对于生物体能量的贮存及细胞间的通讯起着中心作用。膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。,各类膜的电镜 横切面照片,细胞体,纤毛,线粒体,消化泡,内质网,分泌泡,生物膜的基本功能,(1) 生物膜是细胞独立空间的界限，并有选择性阻隔效果； (2) 生物膜是特定生物功能反应进行的場所 ； (3) 生物膜可探测传递电子信号及化学信号； (4)
3、生物膜控制物质的运输 ； (5) 生物膜为细胞间联系的媒介。,膜的生化特性,膜不是被动的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度转运特定的有机物和无机离子；能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量；质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件。,膜的分子组成,生物膜几乎所有的质量都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，反映着膜生物学作用的广泛性。如神经元的髓鞘主要由脂类构成，表现为一种被动的电子绝缘体；但细菌、线粒体、叶绿体的膜上有许多酶催化的代谢过程发生，含有的蛋
4、白质比脂类要多。,生物膜的基本组成,膜脂质 : 主要为三类，磷脂、糖脂及固醇类或甘油磷脂、鞘脂和固醇。 蛋白质: 主要为三类，貫穿性膜蛋白、附着性膜蛋白、附脂质膜蛋白。 糖类：糖类沒有单独以糖分子存在于生物膜上，而是以共价键结合于蛋白质或脂质分子上，以糖蛋白及糖脂出现于生物膜上。,脂肪酸碳链的长短及不饱和程度与膜的流动性有关。,磷脂分子结构的两性特征： 双分子层排列为脂（质）双分子层。,生物膜的磷脂,生物膜甘油磷脂的结构,生物膜中的胆固醇,胆固醇 动物植物、质膜细胞器膜 胆固醇两性特点: a.对膜中脂类的物理状态有调节作用； b. 在相变温度以上，阻挠脂分子脂酰链的旋转和异构化运动，降低膜的流
5、动性； c.在相变温度以下，阻止磷脂脂酰链的有序排列，防止向凝胶态的转化，保持了膜的流动性，降低其相变温度。,生物膜中胆固醇和鞘脂与磷脂的作用,细菌 甘油衍生物 植物/ 动物-是神经鞘氨醇的衍生物,磷脂分子插入胆固醇及相互作用,极性头部,受胆固醇影响，流动性降低,可流动区域,含“寡糖”的极性头部,脂双层疏水区,膜脂的不对称性及脂质的多形性,脂质分布不对称 膜两层电荷数量，流动性的差异 与膜蛋白的定向分布与功能有关系 具两性 溶解度有限 a 磷脂加入水中，疏水部分表面积增大、在水-空气界面形成单分子层极性-水中-“烃”-空气； b 多量的磷脂分子以微团和双层存在：1.极性-水接触；2.脂酰键靠近
6、使疏水烃部分完全不与水相接触。,磷脂分子在水相介质中的几种形式,双层微囊,单体,水,单层,微团,空气,膜双分子层的形成,每种膜都有一个 特征性的脂质组成,各种来源的膜的化学分析显示了一个共同的特征，即膜脂组成因不同的界、不同的种、不同的组织、特定细胞中不同的细胞器而不同。细胞有一种清楚的机制，可以精确控制膜脂合成的种类和数量，以及定位到特定的细胞器上。,不同组织质膜的主要成分,髓鞘,草履虫,谷甾醇,麦角固醇,豆甾醇,鼠肝细胞膜及细胞器膜的脂质类型,磷脂的不对称分布-红细胞质膜内外单层膜,膜 蛋 白,依与双层脂质之间立体结构位置，分三类 : 貫穿性膜蛋白 (integral membrane p
7、rotein)：以-螺旋结构貫穿双层脂质，双层脂质区可含有至 个氨基酸；可由氨基酸序列预测此种-螺旋结构，例如钠钾泵。 附着性膜蛋白（外周蛋白）(peripheral membrane protein)：蛋白质以非共价附于膜脂或貫穿性膜蛋白上。 附脂性膜蛋白（抛锚蛋白）(lipid-anchored proteins): 蛋白质以共价键连于膜脂质的fatty acid 或 prenyl group上。,外周蛋白和内在蛋白,外周蛋白质 脂双层表面：静电力、范德华引力结合 易分离，溶于水 内在蛋白质 靠疏水效应与膜脂结合 蛋白质分子上非极性基团的AA侧链与脂双层的疏水部分与水疏远 疏水相互作用-这
8、些非极性基团之间存在一种相互趋近的作用。 分布：埋与脂双层疏水区（水不溶性）、部分嵌在脂双层中、横跨全膜。,不同功能的膜含有不同的蛋白质,不同来源膜的蛋白质组成比其脂质组成的变化更大，反映在膜功能的特化上。如视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，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种显著的蛋白及十几种较少的蛋白，多数的蛋白为运输载体，每一种蛋白运输一种跨膜的溶质。 有些膜蛋白还与一个或多个脂共价结合，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上。,糖残基,细胞质,-螺旋,细胞外,细胞膜血型糖蛋白跨膜,嗜盐菌视紫质蛋白：光能化学能，M 26000，235个A
9、A组成，每个跨膜分布的视紫质分子含有7条平行的柱形多肽-螺旋垂直于膜平面。,血型糖蛋白：跨膜蛋白，131个AA残基，N- C-端较长的亲水片段，N- 100个糖残基,糖 类,与膜蛋白结合，分布不对称。 糖脂和糖蛋白的寡糖分布在非细胞质的一侧，在内膜上的糖侧向膜系内腔。分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖-蛋白质复合物（又称：细胞外壳） 生物膜组成中常见的单糖：半乳糖、甘露糖、岩藻糖（葡萄糖 ， 唾液酸）、半乳糖胺。 功能：不清楚，推测与细胞表面行为有关。 多糖-细胞表面的天线，在接受外界信息以及细胞间相互识别方面有重要作用。,细胞外壳（糖萼）示意图,细胞质,吸附糖蛋白,跨膜糖蛋白,双层脂,细胞外
10、壳（糖萼）,糖残基,糖脂,膜的超分子结构,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。,生物膜分子间作用力的类型,静电力：存在于一切极性的和带电荷基团之间的吸引或排斥。 疏水力：维持膜结构的主要作用力 范德华引力：使膜中分子尽可能彼此靠近与疏水力相互补充 。,生物膜分子结构的模型,（一） 脂双层模型 （a） 红细胞的全部脂质都分布在膜上； （b） 丙酮将所有的脂质分子都从膜中抽出； （c） 红细胞的平均表面积估标准确 ； （二） Danielli与Davson三夹板模型 ，在脂双层的基础上提出，解释蛋白质定位的问
11、题。 两层磷脂分子的脂肪酸烃链伸向膜中心，极性端面向膜两侧水相。 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”或“三夹板“的结构。,Daniell,Danielli-Davson模型,球蛋白,磷脂,脂,流动镶嵌模型Fluid Mosaic Model,生物膜中兼性的膜脂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。,流动镶嵌模型Flu
12、id Mosaic Model,脂双分子层是基本的结构,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。 膜脂对于脂双分子层两面是不对称的，但尽管不对称，也不象蛋白质，膜脂的不对称不是绝对的。,两性脂在水中形成的聚集体 (Amphipathic Lipid Aggregates),膜脂在不断地流动,虽然脂双层结构的本身是稳定的，但磷脂和固醇分子可在脂质平面内运动，它们的横向运动很快，几秒之内就可环绕红细胞的一周。双分子层的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋
13、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膜脂的组成及温度，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。,膜的运动性：膜脂、膜蛋白。 磷脂:液晶态类晶态的凝胶状态液晶态（生理条件）相变温度 “溶解”。 1.磷脂烃链围绕C-C键旋转而导致异构化运动； 2.磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴左右摆动, 极性部分-快；甘油骨架-慢 脂肪酸烃链-较快 3磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴作旋转运动； 4磷脂分子在膜内作侧向扩散或侧向移动 5.磷脂分子在脂双层中作翻转（flip-flop）运动.,
14、膜脂的相变,磷脂分子运动的几种形式,全反式(trans)gauche构型示意 A:全反式,B和C:A旋转120。的构型。 g+，顺时针旋转，g-逆时针旋转,膜脂的运动,温度引起侧 链热运动,脂双层平 面的扩散,跨膜扩散：“翻跟头”,膜蛋白透过或跨过脂双分子层,生物膜通过冰冻蚀刻技术处理，电镜下可以观察到一个蛋白或多蛋白复合体的分布情况，一些蛋白质仅存在于膜的一面，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。,红细胞上血型 糖蛋白的跨膜,O-连接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAc,N-连接,-螺旋,冰冻蚀刻(freeze-etching)技术,在冰
15、冻断裂技术基础上发展起来的复型技术，将冰冻断裂样品的温度稍微升高，让样品中的冰在真空中升华，而在表面上浮雕出细胞膜的超微结构。当大量的冰升华之后，对浮雕表面进行铂-碳复型，并在腐蚀性溶液中除去生物材料， 复型经重蒸水多次清洗后，置于载网上进行电镜观察。,冰冻蚀刻（Freeze-fracture) 撕开膜双层,冰冻断裂复型(freeze-fracture replication)技术,先将生物样品在液氮中快速冷冻，以防形成冰晶。再将冷冻的样品迅速转移到冷冻装置中迅速抽成真空。在真空条件下，用冰刀横切冰冻样品，使样品内层分开露出两个表面。冰刀切开的两个面分别称为P面(protoplasmic)和E
16、面(exoplasmic)。可清楚地观察到镶嵌蛋白。,膜内嵌入蛋白不溶于水,膜蛋白可分为两类，外周蛋白peripheral proteins和膜内嵌入蛋白（integral proteins），前者与膜结合松散，可逆，很容易释放，是水溶性的；后者与膜结合紧密，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。,外周蛋白和膜内 嵌入蛋白,外周蛋白,嵌入（膜 内）蛋白,去污剂,糖蛋白,pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白,外周蛋白与膜的连接可逆,许多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、或一些膜蛋白的流动性。,膜内（嵌入）蛋白与膜脂 通过疏水
