第18章 生物膜的組成與結(jié)構(gòu)

1、第十八章 生物膜的組成與結(jié)構(gòu)第一節(jié) 生物膜的作用生物膜的形成對于生物的物質(zhì)貯存及細(xì)胞間的通訊起著關(guān)鍵作用。膜的生物活性來自于膜自身顯著的特性：膜連接緊密但有彈性；膜自我封閉，對極性分子有選擇性通透；膜的彈性允許膜在細(xì)胞生長和運(yùn)動(dòng)中改變形狀；暫時(shí)破裂且可自封閉的能力可保證兩個(gè)細(xì)胞或兩個(gè)膜狀包裹物的融合。膜不僅僅是被動(dòng)的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白質(zhì)啟動(dòng)或催化一定的分子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度移動(dòng)（運(yùn)送）特定的有機(jī)物和無機(jī)離子；能量轉(zhuǎn)化器可以把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量；質(zhì)膜上的受體能夠感受胞外信號，并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的分子事件。第二節(jié) 膜的分子組成生物膜由蛋白質(zhì)和極性脂質(zhì)組成，少量的

2、碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白質(zhì)和脂類的相對比例因不同的膜而不同，反映著膜生物作用的廣泛性。神經(jīng)元的髓鞘主要由脂類構(gòu)成，為一種電子絕緣體。但細(xì)菌、線粒體、葉綠體的膜上由許多酶催化的代謝過程發(fā)生，含有的蛋白比脂類要多。特化的脊椎動(dòng)物視網(wǎng)膜桿狀細(xì)胞90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白視紫紅質(zhì)。特化較低的紅細(xì)胞質(zhì)膜約含20種含量較高的蛋白及十幾種較少的蛋白，其中多數(shù)的蛋白為運(yùn)輸載體。有些膜蛋白還與一個(gè)或多個(gè)膜脂分子共價(jià)結(jié)合，后者可能形成一種疏水的穩(wěn)定體系以保證蛋白質(zhì)存在于膜中。膜脂組成因不同的物種、不同的細(xì)胞和不同的細(xì)胞器而不同。鼠肝細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜的脂質(zhì)類型紅細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外單層膜磷脂的不對稱分布

3、兩性脂在水中形成的聚集體所有生物膜擁有共同的基本特征：對多數(shù)極性分子或帶電分子不通透，允許非極性分子通透；約5-8 nm厚，橫切電鏡照片近似三層結(jié)構(gòu)。脂類與水相共存時(shí)會(huì)迅速形成一種脂雙分子層結(jié)構(gòu)而避開水的作用，生物膜的厚度（電鏡測定為5-8 nm）是由3 nm 的脂雙分子層和蛋白的厚度決定的，所有證據(jù)都支持生物膜由脂雙分子層構(gòu)成。膜脂的運(yùn)動(dòng)雖然脂雙層結(jié)構(gòu)的本身是穩(wěn)定的，但單個(gè)的磷脂和固醇可在脂質(zhì)平面內(nèi)有很大的運(yùn)動(dòng)自由，它們的橫向運(yùn)動(dòng)很快，幾秒之內(nèi)單個(gè)脂分子就可環(huán)繞紅細(xì)胞的一周。雙分子的內(nèi)部也是流動(dòng)的，脂肪酸的碳?xì)滏溈赏ㄟ^碳碳旋轉(zhuǎn)而不斷地運(yùn)動(dòng)。另外一種運(yùn)動(dòng)就是跨雙分子層運(yùn)動(dòng)，即flip-flop

4、。膜流動(dòng)的程度依賴于脂的組成及溫度，低溫下的運(yùn)動(dòng)相對較少，脂雙分子層幾乎呈晶態(tài)（類晶體、半晶體）排列；溫度升到一定高度時(shí)，運(yùn)動(dòng)增加，膜由晶態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變。溫度引起側(cè)鏈熱運(yùn)動(dòng)脂雙層平面內(nèi)的擴(kuò)散跨膜擴(kuò)散：“翻跟頭”紅細(xì)胞上血型糖蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)生物膜的冰凍蝕刻電鏡觀察到的一個(gè)蛋白或多蛋白復(fù)合體分布情況顯示，一些蛋白僅存在于膜的一面，另一些則橫跨整個(gè)膜雙分子層，有些穿過膜的另一表面。膜蛋白在脂雙分子層上可側(cè)向運(yùn)動(dòng)。外周蛋白和膜內(nèi)（嵌入）蛋白外周蛋白（peripheral proteins）與膜結(jié)合松散，很容易釋放，是水溶性的；外周蛋白通過與嵌入蛋白的親水區(qū)域或膜脂的極性頭部以靜電作用或氫鍵結(jié)合到膜上，通

5、過溫度的改變或破壞靜電或破壞氫鍵作用（如加入螯合劑、尿素、碳酸鹽或改變pH）可被釋放出來。這些外周蛋白可作為膜結(jié)合酶的調(diào)節(jié)因子、或作為連接膜內(nèi)蛋白與胞間結(jié)構(gòu)的中介物、或與一些膜蛋白的流動(dòng)性有關(guān)。膜內(nèi)（嵌入）蛋白（integral proteins）通常富含疏水氨基酸區(qū)域（可在中間段，也可在氨基端或羧基端），有些可有多個(gè)疏水序列，如a-螺旋，可橫貫整個(gè)膜脂雙分子層。與膜結(jié)合緊密，由膜上釋放時(shí)要用特別的試劑（去污劑、有機(jī)溶劑、變性劑等），即使嵌入蛋白由膜上釋放出來，一旦去除變性劑或去污劑會(huì)立即引起蛋白沉淀（不溶聚積物）析出。有些外周膜蛋白共價(jià)泊錨在膜脂上有些膜外周蛋白與膜脂有一個(gè)或多個(gè)共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)

6、，如長鏈脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。連接的脂提供了一個(gè)疏水的錨以插入脂雙分子層。細(xì)胞與細(xì)胞相互作用：四種膜內(nèi)蛋白作用類型膜蛋白的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)許多膜蛋白在雙分子層上有一定的取向，很少發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況，即使有，flip-flop 也非常慢。蛋白質(zhì)分布的不對稱往往還與組成膜上的泵相關(guān)。糖蛋白分布的不對稱反映了功能的不對稱。紅細(xì)胞氯-碳酸氫鹽交換體的局限運(yùn)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)鑲嵌模型(Fluid Mosaic Model)生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一個(gè)脂質(zhì)雙分子層，非極性部分相對構(gòu)成雙分子層的核心，極性的頭部朝外；脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)中，球狀蛋白以非正規(guī)間隔埋于其中；另一些蛋白則伸出（突出）膜的一面或另一面；

7、還有一些蛋白跨越整個(gè)膜。蛋白質(zhì)在脂雙分子層中的方向是不對稱的，表現(xiàn)為膜蛋白功能的不對稱。脂質(zhì)與蛋白質(zhì)之間構(gòu)成一個(gè)流動(dòng)的鑲嵌結(jié)構(gòu)。膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)The three-dimensional structure of maltoporin from E.coli （大腸桿菌麥芽糖膜孔蛋白）大腸桿菌麥芽糖膜孔蛋白中肽鏈的排列膜的融合（Membrrane Fusion)生物膜的一個(gè)明顯的特征是可與另一個(gè)膜融合而不失去其完整性。膜雖是穩(wěn)定的，但不是靜止的，內(nèi)膜系統(tǒng)中膜狀結(jié)構(gòu)不斷地從高爾基復(fù)合體上分泌形成；外吞、內(nèi)飲、細(xì)胞分裂、精卵細(xì)胞融合、膜包裹病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞等都涉及膜的重新形成，而它們最基本的行為就是兩個(gè)膜片段的融合而不失去完整性。膜融合過程兩個(gè)膜融合需要：相互識別；相互表面靠近并相對（排除水分子）；雙層結(jié)構(gòu)部分破壞；兩個(gè)雙分子層融合為一個(gè)連續(xù)的脂雙分子層。受體調(diào)節(jié)的內(nèi)吞或控制的分泌還需要融合發(fā)生在合適的時(shí)間或者是對特異信號的反應(yīng)。融合蛋白（嵌入蛋白）（fusion protein）參與以上融合事件，引起特異識別和短暫、局部脂雙層結(jié)構(gòu)變形促使膜融合。融合蛋白可搭起兩個(gè)膜融合的橋，并帶來融合區(qū)域脂雙