第十八章第十八章 生物膜的组成与结构生物膜的组成与结构2024/9/17m 生物膜结构是细胞结构的基本形式，它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，从而使各个细胞器和亚细胞结构既各自恒定、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。m生物膜具有多种功能，生物体内许多重要过程，如，物质运送、能量转换、细胞识别、细胞免疫、神经传导和代谢调控以及激素和药物作用、肿瘤发生等等都与生物膜有关。2024/9/17一、生物膜的组成与性质一、生物膜的组成与性质 生生物物膜膜主主要要由由蛋蛋白白质质( (包包括括酶酶) )、脂脂质质( (主主要要是是磷磷脂脂) )、多多糖糖类类组组成成，还还有水、金属离子等。有水、金属离子等。功功能能复复杂杂或或多多样样的的膜膜，蛋白质占的比例较大。蛋白质占的比例较大。2024/9/17（一）膜脂（一）膜脂1.1.脂质的种类脂质的种类（1 1）磷脂）磷脂 磷脂是构成生物膜主要成分是甘油磷酸二酯、即以甘油为骨架，甘油中第1，2位碳原子的两个羟基分别与两个脂肪酸，第3位碳原子的羟基生成酯，最简单的是磷脂酸。它的含量不多但是其他甘油磷酸酯合成的前体。2024/9/17m除了甘油磷脂之外，生物膜中还含有另外一类磷脂，称为鞘磷脂。这种磷脂分子以鞘氨醇代替甘油作为骨架，它的氨基以酰胺键与一个长链脂肪酸相连，而一个羟基则与磷酸胆碱相连。鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine )2024/9/17鞘鞘磷脂磷脂神经酰胺神经酰胺(Ceramide )脂肪酸脂肪酸部分部分鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine )鞘磷脂鞘磷脂(Sphingomyelin )磷磷酸酸胆胆碱碱神经酰胺神经酰胺部分部分2024/9/17m（2 2）糖脂）糖脂 动物细胞的质膜几乎都含有糖脂，其含量约占外层膜脂的5%，这些糖脂大多都是鞘氨醇的衍生物，如半乳糖脑苷脂，他的极性头部含有一个半乳糖残基。 细菌和植物细胞质膜的糖脂几乎都是甘油的衍生物，非极性部分以亚麻酸含量较为丰富，极性部分则是糖残基，可以是一个（如半乳糖）、两个或多个。2024/9/17D-半乳糖半乳糖GM1GM2GM3N-乙酰乙酰-D-半乳糖半乳糖D-半乳糖半乳糖D-葡萄糖葡萄糖N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸硬脂酸硬脂酸鞘氨醇鞘氨醇糖脂中还有一种神经节苷脂，迄今有60余种。它们是带有数目不相等糖残基的神经酰胺。神经节苷脂的结构神经节苷脂的结构2024/9/17（3 3）胆固醇）胆固醇动物细胞胆固醇的含量较植物细胞高，而质膜的胆固醇含量又多余细胞内膜系。胆固醇的两亲性特点可能对生物膜中脂类的物理状态有一定调节作用。在相变温度以上时，胆固醇阻扰脂分子脂酰链的旋转异构化运动，从而降低膜的流动性。在相变温度以下时，胆固醇的存在又会阻止磷脂脂酰链的有序排列，从而防止向凝胶态的转化，保持了膜的流动性，降低其相变温度。2024/9/172.2.膜脂的多态性膜脂的多态性双层微囊双层微囊水水空气空气微团微团单体单体单层单层2024/9/17双层结构双层结构（Bilyer）六角形相六角形相(Hexagonal )H2H1六角形相六角形相(Hexagonal )2024/9/17（二）膜蛋白（二）膜蛋白根据粗略计算，细胞中大约有20%-25%的蛋白质是与膜结构相联系的，膜蛋白根据他们在膜上的定位可分为膜周边蛋白和膜内在蛋白质。2024/9/17血影蛋白血影蛋白(Sectrin)膜脂双层膜脂双层膜脂双层膜脂双层膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式2024/9/17m1.外周蛋白质外周蛋白质约占膜蛋白的20%-30%，分布于膜的脂双层表面，它们通过静电力（如细胞色素c）或是非共价键（如血影蛋白）与其他膜蛋白相互作用连接在膜上。 膜周边蛋白质比较易于分离，通过改变离子强度或加入金属螯合剂即可提取。这类蛋白质都溶于水。2024/9/17 m2.膜内在蛋白质 通常富含疏水氨基酸区域（可在中间段，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。膜内在蛋白的与膜结合的主要形式有：a)以单一螺旋跨膜；b)以多段螺旋跨膜；c)以蛋白质分子末端片段插膜；d)通过共价键结合的脂插膜。2024/9/17红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列2024/9/17肌动蛋白肌动蛋白 (Actin)蛋白质蛋白质4.1 (Protein4.1)血影蛋白血影蛋白(Sectrin)带带3蛋白蛋白(Band 3)糖蛋白糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白血型蛋白(Glycophorin)糖链糖链红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图2024/9/17m（三）糖（三）糖类 生物膜中含有一定量的糖类，在真核细胞中，无论质膜还是细胞内膜系都有糖类分布，前者约占质膜重量的2%-10%。它们大多与膜蛋白结合，少量与膜脂结合。分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖称为蛋白质复合物或细胞外壳。糖蛋白可能与大多数细胞表面的行为有关，细胞与周围环境的相互作用都涉及到糖蛋白，因此有人将细胞膜的糖类部分比喻为细胞表面的天线，在接受外界信息以及细胞间相互识别方面都具有重要作用。脂脂双双层层糖糖被被糖残基糖残基唾液酸唾液酸糖脂糖脂膜脂（磷脂、糖脂、膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）胆固醇）2024/9/17二、生物膜的分子结构二、生物膜的分子结构（一）生物膜中分子间作用力（一）生物膜中分子间作用力1.1.静电力静电力在膜两侧的脂质与蛋白质的亲水极性基团通过静电力相互吸引可形成很稳定的结构。静电力在膜蛋白之间的相互作用也很重要。膜中疏水区的介电常数较低，它可以使蛋白质分子的极性部分之间形成强烈的静电力。2.2.疏水作用疏水作用疏水作用对维持膜结构起主要作用。3.3.范德华引力范德华引力范德华力倾向于分子尽可能彼此靠近，所以，它们在膜结构中也是十分重要的能与疏水作用相互补充。2024/9/17占占占占总总总总量量量量的的的的百百百百分分分分比比比比5050252550502525外层外层外层外层内层内层内层内层膜脂总量膜脂总量膜脂总量膜脂总量鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺（二）生物膜结构的几个主要特征（二）生物膜结构的几个主要特征1.1.膜组分的不对称分布膜组分的不对称分布人人红红细细胞胞膜膜主主要要磷磷脂脂在在膜膜内、外两层的分布内、外两层的分布2024/9/172.2.生物膜的流动性生物膜的流动性膜脂的相变变相温度（变相温度（变相温度（变相温度（TcTc）凝胶态凝胶态凝胶态凝胶态液晶态液晶态液晶态液晶态TTcTTcTTc膜脂的相变膜脂的相变(1)膜脂的流动性2024/9/172024/9/17发红光碱性蕊香发红光碱性蕊香红标记的人细胞红标记的人细胞膜蛋白抗体膜蛋白抗体发绿光荧光素发绿光荧光素标记的小鼠细标记的小鼠细胞膜蛋白抗体胞膜蛋白抗体（2）膜蛋白的运动性2024/9/17Na+-K+- ATPase的体外重建NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊脂脂脂脂- -去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊增溶的膜蛋白增溶的膜蛋白增溶的膜蛋白增溶的膜蛋白去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊外加的磷脂外加的磷脂外加的磷脂外加的磷脂透析透析透析透析纯化的膜蛋白纯化的膜蛋白纯化的膜蛋白纯化的膜蛋白NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase在脂质体上重建在脂质体上重建在脂质体上重建在脂质体上重建纯化纯化纯化纯化2024/9/17（三）生物膜分子结构的模型（三）生物膜分子结构的模型Singer & NicolsonSinger & Nicolson流体镶嵌模型流体镶嵌模型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。2024/9/17m（四）膜蛋白的三维结构大肠杆菌麦芽糖膜孔蛋白中肽链的排列2024/9/17