第四章生物膜

1、l所有的細胞都以一層薄膜將它的內(nèi)含物與外界所有的細胞都以一層薄膜將它的內(nèi)含物與外界環(huán)境分開。環(huán)境分開。l另外，大多數(shù)細胞中還含有許多內(nèi)膜系統(tǒng)，組另外，大多數(shù)細胞中還含有許多內(nèi)膜系統(tǒng)，組成具有各種特定功能的亞細胞結(jié)構(gòu)和細胞器。成具有各種特定功能的亞細胞結(jié)構(gòu)和細胞器。l例如，線粒體、細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和葉例如，線粒體、細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和葉綠體等。細胞膜以及各種細胞器的外膜通稱為綠體等。細胞膜以及各種細胞器的外膜通稱為生物膜。生物膜。l1 1生物膜的組成生物膜的組成l主要由脂質(zhì)（主要是磷脂和膽固醇）、主要由脂質(zhì)（主要是磷脂和膽固醇）、l蛋白質(zhì)（包括酶）和多糖類組成，蛋白質(zhì)（包括酶）和多糖類

2、組成，l水和金屬離子等。水和金屬離子等。l生物膜的組成，因膜的種類不同而有很生物膜的組成，因膜的種類不同而有很大的差別。大的差別。 生物膜是以磷脂、膽固醇和糖脂為主構(gòu)成的雙層脂膜生物膜是以磷脂、膽固醇和糖脂為主構(gòu)成的雙層脂膜l脂質(zhì)是構(gòu)成生物膜最基本的結(jié)脂質(zhì)是構(gòu)成生物膜最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)構(gòu)物質(zhì)l脂質(zhì)包括磷脂、膽固醇和糖脂脂質(zhì)包括磷脂、膽固醇和糖脂等，其中以磷脂為主要成分。等，其中以磷脂為主要成分。3，構(gòu)成生物膜的主要物質(zhì)，構(gòu)成生物膜的主要物質(zhì)l主要是磷酸甘油二脂。甘主要是磷酸甘油二脂。甘油中第油中第1 1，2 2位碳原子與脂位碳原子與脂肪酸酯基（主要是含肪酸酯基（主要是含1616碳碳的軟脂酸和的軟

3、脂酸和1818碳的油酸）碳的油酸）相連，第相連，第3 3位碳原子則與磷位碳原子則與磷酸酯基相連。不同的磷脂，酸酯基相連。不同的磷脂，其磷酸酯基組成也不相同。其磷酸酯基組成也不相同。C CH H2 2O OC CC CH HC CH H2 2O OO OC CR R1 1R R2 2O OO OP PO OO OH HO OX XO OH H2 2C CC CH HC CH H2 2O OO OC CO OC CR R3 3R R4 4O O P PO OO O- -O OP PO O- -O OC CH H2 2C CH HC CH H2 2O OO OH HX X= = H HX X= =

4、C CH H2 2C CH H2 2N N( (C CH H3 3) )2 2X X= = C CH H2 2C CH H2 2N NH H2 2X X= = C CH H2 2C CH H( (O OH H) )C CH HO OH HX X= = C CH H2 2C CH H( (N NH H2 2) )C CO OO O- -X X= =X X= =OHOHOHOHOH磷脂酸磷脂酰膽堿（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺磷脂酰甘油磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇二磷脂酰甘油脂l飽和脂肪酸：硬脂酸（飽和脂肪酸：硬脂酸（1818碳脂肪酸）、軟脂酸碳脂肪酸）、軟脂酸（1616碳脂肪酸）、花生酸（二十碳酸）等。碳脂肪

5、酸）、花生酸（二十碳酸）等。l不飽和脂肪酸：油酸（不飽和脂肪酸：油酸（1818碳一烯酸碳一烯酸99）、）、亞亞油酸（油酸（1818碳二烯酸碳二烯酸99，1212）、亞麻酸（）、亞麻酸（1818碳碳三烯酸三烯酸99，1212，1515或或6 6，9 9，1212）、花生四烯）、花生四烯酸（二十碳四烯酸）、二十碳五烯酸和二十二酸（二十碳四烯酸）、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸。碳六烯酸。l必需脂肪酸：維持生長所需的，體內(nèi)又不能合必需脂肪酸：維持生長所需的，體內(nèi)又不能合成的脂肪酸成的脂肪酸COOHCOOHl磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂性的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親

6、性分子。脂性的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親性分子。l磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能夠形成雙層脂膜結(jié)構(gòu)或微團結(jié)構(gòu)。用，能夠形成雙層脂膜結(jié)構(gòu)或微團結(jié)構(gòu)。l磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成雙磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成雙層脂膜。層脂膜。l磷脂的這種性質(zhì)，使它具有形成生物膜磷脂的這種性質(zhì)，使它具有形成生物膜（雙層脂膜）的特性。（雙層脂膜）的特性。l磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂的脂肪酸鏈，磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親性分子是優(yōu)良的兩親性分子(CH3)3N+CH2CH2OPO-OOCH2CHCH2OOCCOOR1R2極性端非

7、極性端l膽固醇是一種類膽固醇是一種類脂化合物脂化合物, , 在生在生物膜中含量較多。物膜中含量較多。膽固醇以中性脂的形式分布在膽固醇以中性脂的形式分布在雙層脂膜內(nèi)，對生物膜中脂類的雙層脂膜內(nèi)，對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定的調(diào)節(jié)作用，物理狀態(tài)有一定的調(diào)節(jié)作用，有有利于保持膜的流動性和降低相變利于保持膜的流動性和降低相變溫度溫度。l糖脂也是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。糖脂也是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。l糖脂主要分布在細胞膜外側(cè)的單分子層中。糖脂主要分布在細胞膜外側(cè)的單分子層中。l動物細胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。動物細胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。l 結(jié)構(gòu)為：結(jié)構(gòu)為：CH2CHNHCHCH=CHOH(C

8、H2)12CH3神經(jīng)鞘氨醇OOHCH2OHOOHOHR:脂肪酸COR半乳糖l生物膜中含有多種不同的蛋白質(zhì)，通常生物膜中含有多種不同的蛋白質(zhì)，通常稱為膜蛋白。稱為膜蛋白。l根據(jù)它們在膜上的定位情況，可以分為根據(jù)它們在膜上的定位情況，可以分為外周蛋白和內(nèi)在蛋白。外周蛋白和內(nèi)在蛋白。l膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜實施功能的基本場所。實施功能的基本場所。l這類蛋白約占膜蛋白的這類蛋白約占膜蛋白的202030%30%，分布于，分布于雙層脂膜的外表層，主要通過靜電引力雙層脂膜的外表層，主要通過靜電引力或范德華力與膜結(jié)合。或范德華力與膜結(jié)合。l外周蛋白與膜的結(jié)合比較疏

9、松，容易從外周蛋白與膜的結(jié)合比較疏松，容易從膜上分離出來。膜上分離出來。l外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。l內(nèi)在蛋白約占膜蛋白的內(nèi)在蛋白約占膜蛋白的70-80%70-80%，蛋白的部分或，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。l這類蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水鍵與這類蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水鍵與膜脂相結(jié)合，而且不容易從膜中分離出來。膜脂相結(jié)合，而且不容易從膜中分離出來。l內(nèi)在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分，由于沒內(nèi)在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分，由于沒有水分子的影響，多肽鏈內(nèi)形成氫鍵趨向大大有水分子的影響，多肽鏈內(nèi)形成氫鍵趨向大大增加，因此，它們

10、主要以增加，因此，它們主要以 - -螺旋和螺旋和 - -折疊形式折疊形式存在，其中又以存在，其中又以 - -螺旋更普遍。螺旋更普遍。l生物膜中含有一定的寡糖類物質(zhì)。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。l糖類在膜上的分布是不對稱的，全部都處于細胞膜的外側(cè)。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。l生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識別方面具有重要作用。l生物膜具有保護、轉(zhuǎn)運、能量轉(zhuǎn)換、信生物膜具有保護、轉(zhuǎn)運、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、運動和免疫等生物功能。息傳遞、運動和免疫等生物功能。l在細胞或細胞器中，生物膜第一個重要在細胞或細胞器中，生物膜第一個重要作用是將其

11、內(nèi)含物質(zhì)與外界環(huán)境分隔開作用是將其內(nèi)含物質(zhì)與外界環(huán)境分隔開來，使之成為具有特殊功能的獨立體。來，使之成為具有特殊功能的獨立體。l生物膜能夠保護細胞或細胞器不受或少生物膜能夠保護細胞或細胞器不受或少受外界環(huán)境因素改變的影響，保持它們受外界環(huán)境因素改變的影響，保持它們原有的形狀和完整結(jié)構(gòu)原有的形狀和完整結(jié)構(gòu)。l細胞或細胞器需要細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物經(jīng)常與外界進行物質(zhì)交換以維持其正質(zhì)交換以維持其正常的功能。常的功能。l細胞或細胞器通過細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時也要的養(yǎng)料，同時也要排出不需要的物質(zhì)。排出不需要的物質(zhì)。l在各種物

12、質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)在各種物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程中，細胞膜運過程中，細胞膜起著重要的調(diào)控作起著重要的調(diào)控作用。用。l物質(zhì)從高濃度的一側(cè)，通物質(zhì)從高濃度的一側(cè)，通過膜轉(zhuǎn)運到低濃度的另一過膜轉(zhuǎn)運到低濃度的另一側(cè)，即沿著濃度梯度（膜側(cè)，即沿著濃度梯度（膜兩邊的濃度差）的方向跨兩邊的濃度差）的方向跨膜轉(zhuǎn)運的過程。膜轉(zhuǎn)運的過程。l這類轉(zhuǎn)運是通過被轉(zhuǎn)運物這類轉(zhuǎn)運是通過被轉(zhuǎn)運物質(zhì)本身的擴散作用進行的，質(zhì)本身的擴散作用進行的，是一個不需要外加能量的是一個不需要外加能量的自發(fā)過程。自發(fā)過程。l許多物質(zhì)的被動轉(zhuǎn)運過程許多物質(zhì)的被動轉(zhuǎn)運過程需要特殊的蛋白載體幫助。需要特殊的蛋白載體幫助。l主動轉(zhuǎn)運是在外加主動轉(zhuǎn)運是在外加能量驅(qū)動下進

13、行的能量驅(qū)動下進行的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程。物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程。l主動轉(zhuǎn)運的物質(zhì)，主動轉(zhuǎn)運的物質(zhì)，可以是離子、小分可以是離子、小分子化合物，也可以子化合物，也可以是復雜的大分子物是復雜的大分子物質(zhì)，如某些蛋白或質(zhì)，如某些蛋白或酶等。酶等。l這一過程一般都與這一過程一般都與ATPATP的釋能反應相的釋能反應相偶聯(lián)。偶聯(lián)。l 膜的專一性：膜對于主動轉(zhuǎn)運的物質(zhì)有專一性。膜的專一性：膜對于主動轉(zhuǎn)運的物質(zhì)有專一性。l 載體蛋白：物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運需要載體蛋白的參載體蛋白：物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運需要載體蛋白的參與。載體蛋白具有專一性，一種載體蛋白一般只與。載體蛋白具有專一性，一種載體蛋白一般只能轉(zhuǎn)運一種或一類物質(zhì)。能轉(zhuǎn)運一種

14、或一類物質(zhì)。l 方向性：物質(zhì)可以逆濃度梯度或電化學梯度進方向性：物質(zhì)可以逆濃度梯度或電化學梯度進行轉(zhuǎn)運。如細胞為了保持膜內(nèi)、外的行轉(zhuǎn)運。如細胞為了保持膜內(nèi)、外的K K+ +和和NaNa+ +離子離子的濃度梯度以維持正常的生理活動需要，細胞通的濃度梯度以維持正常的生理活動需要，細胞通過主動轉(zhuǎn)運方式，向內(nèi)泵入過主動轉(zhuǎn)運方式，向內(nèi)泵入K K+ +，而向外泵出，而向外泵出 NaNa+ +。l 主動轉(zhuǎn)運過程可以被某些抑制劑抑制。主動轉(zhuǎn)運過程可以被某些抑制劑抑制。l 主動轉(zhuǎn)運所需的能量一般由主動轉(zhuǎn)運所需的能量一般由ATPATP提供。提供。l離子泵： 是一種轉(zhuǎn)運載體蛋白，本身起ATP酶作用，又稱ATP酶。分

15、五種類型。1）P型 定位于質(zhì)膜中的陽離子泵。2）F型 由多亞基的F1和F0兩大部分組成。3）V型 與F型 泵相似。4）A型 是細菌質(zhì)膜中一種特異的含氧陰離子泵。5）ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族 由4個結(jié)構(gòu)域組成，其中兩個結(jié)構(gòu)域疏水性很強， 每個含有6個跨膜-螺旋組成，形成跨膜運送的途徑。另兩個結(jié)合ATP。l協(xié)同轉(zhuǎn)運系統(tǒng)轉(zhuǎn)運的分子 應用的離子梯度 組織或器官 葡萄糖 Na+ 動物腸、腎 氨基酸 Na+ 鼠腫瘤細胞 甘氨酸 Na+ 鴿子紅細胞 丙氨酸 Na+ 鼠腸道 乳糖 H + 大腸桿菌 間接利用ATPl修飾轉(zhuǎn)運系統(tǒng)大分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運l氧化磷酸化氧化磷酸化：通過生物氧化作用，將食物分子中存儲：通過生物氧

16、化作用，將食物分子中存儲的化學能轉(zhuǎn)變成生物能，即將化學能轉(zhuǎn)換成的化學能轉(zhuǎn)變成生物能，即將化學能轉(zhuǎn)換成ATPATP分子分子的高能磷酸鍵。然后再通過的高能磷酸鍵。然后再通過ATPATP分子磷酸鍵的分解釋分子磷酸鍵的分解釋放能量，為生物體提供所需的能量。放能量，為生物體提供所需的能量。l光合磷酸化光合磷酸化：通過光合作用，將光能（主要是太陽能）：通過光合作用，將光能（主要是太陽能）轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成ATPATP的高能磷酸鍵。再利用的高能磷酸鍵。再利用ATPATP的能量合成糖類的能量合成糖類物質(zhì)。物質(zhì)。l真核細胞的氧化磷酸化主要在真核細胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜線粒體膜上進行。上進行。l原核細胞的氧化磷酸

17、化則是在原核細胞的氧化磷酸化則是在細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜上進行。上進行。l光合磷酸化主要在葉綠體膜上進行光合磷酸化主要在葉綠體膜上進行。l生物體內(nèi)的信息傳遞，例如激素的刺激、生物體內(nèi)的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導和遺傳信息的傳遞等，主要是神經(jīng)傳導和遺傳信息的傳遞等，主要是在細胞膜上進行的。在細胞膜上進行的。l細胞膜上有接受不同信息的專一性受體，細胞膜上有接受不同信息的專一性受體，這些受體能識別和接受各種特殊信息，這些受體能識別和接受各種特殊信息，然后將不同的信息分別傳遞給有關(guān)的靶然后將不同的信息分別傳遞給有關(guān)的靶細胞并產(chǎn)生相應的效應以調(diào)節(jié)代謝、控細胞并產(chǎn)生相應的效應以調(diào)節(jié)代謝、控制遺傳和其它生

18、理活動。制遺傳和其它生理活動。lcAMP信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)配體 ATP 受體 G蛋白 腺苷酸環(huán)化酶 （AC） cAMP 效應 PKA（依賴cAMP蛋白激酶） （ cAMP dependent protein kinase） PKA全酶分子為兩類不同亞基構(gòu)成的四聚體：兩個調(diào)節(jié)亞基（R亞基）和兩個催化亞基（C亞基）。R2C2全酶并無活性，只有當cAMP結(jié)合至R亞基時，導致R 與C解離，才形成有蛋白激酶活性的C亞基。lcGMP信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)ANP：（A型利鈉肽）BNP：（B型利鈉肽）CNP：（C型利鈉肽）PDE：（環(huán)核苷酸磷酸二酯酶）l肌醇磷脂信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)配體膜受體 磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）

19、水解 肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3） 二酰甘油（DG）引起細胞內(nèi)貯存的Ca2+釋放，胞漿Ca2+上升?；罨鞍准っ窩lCa2+信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng) 胞漿Ca2+濃度增高后，促使Ca2+與其結(jié)合蛋白（受體蛋白）結(jié)合，如鈣調(diào)素（CaM）等，CaM與Ca2+結(jié)合后被激活，再通過Ca2+ -CaM依賴性的蛋白激酶而產(chǎn)生生物學效應。l與酪氨酸蛋白激酶直接相連的信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng) 1980年Hunter等人第一次鑒定出一種對酪氨酸專一的蛋白激酶（TPK）。 近年來研究發(fā)現(xiàn)與TPK直接相連的細胞膜表面受體可分為二類： 第一類為與細胞分裂、分化、生長有關(guān)的生長因子的膜受體，本身就具有TPK的活性，這類受體稱受體酪氨酸蛋

20、白激酶（RTK）家族。 第二類為受體本身不具TPK活性，但受體一旦與配體結(jié)合，即可激活胞漿內(nèi)與受體相連的非受體型TPK的活性。l 許多原生動物及許多原生動物及單細胞動物主要單細胞動物主要是通過其細胞膜是通過其細胞膜表面的纖毛或鞭表面的纖毛或鞭毛的擺動而移動。毛的擺動而移動。l淋巴細胞的吞噬淋巴細胞的吞噬作用和某些細胞作用和某些細胞利用質(zhì)膜內(nèi)折疊利用質(zhì)膜內(nèi)折疊將外源物質(zhì)包圍將外源物質(zhì)包圍入細胞的作用等入細胞的作用等都是靠細胞膜的都是靠細胞膜的運動實現(xiàn)的。運動實現(xiàn)的。l細胞的免疫性主要是由于細胞膜上有專一性的抗原受細胞的免疫性主要是由于細胞膜上有專一性的抗原受體，當抗原受體被抗原激活后，即產(chǎn)生相應

21、的抗體。體，當抗原受體被抗原激活后，即產(chǎn)生相應的抗體。l抗體能夠識別及特異性地與外源性抗原（如細菌、病抗體能夠識別及特異性地與外源性抗原（如細菌、病毒等）結(jié)合并吞噬消滅。毒等）結(jié)合并吞噬消滅。l另外，吞噬細胞和淋巴細胞的免疫功能，是由于它們另外，吞噬細胞和淋巴細胞的免疫功能，是由于它們能夠識別外源物質(zhì)（細菌或其它蛋白質(zhì)等），并能將能夠識別外源物質(zhì)（細菌或其它蛋白質(zhì)等），并能將這些外源物質(zhì)吞噬消滅。這些外源物質(zhì)吞噬消滅。l是指由雙親性分子高度有序排列是指由雙親性分子高度有序排列形成的體系形成的體系. .是指由雙親性分子是指由雙親性分子高度有序排列形成的體系，如膠高度有序排列形成的體系，如膠束、微團、單分子層膜、雙分子束、微團、單分子層膜、雙分子層膜和脂質(zhì)體等。層膜和脂質(zhì)體等。 l人工膜具有生物膜的基本結(jié)構(gòu)特人工膜具有生物膜的基本結(jié)構(gòu)特點和某些理化性質(zhì)，是研究生物點和某些理化性質(zhì)，是研究生物膜結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基本