王鏡巖 第18章 生物膜的組成與結(jié)構(gòu)

1、第十八章第十八章 生物膜的組成與結(jié)構(gòu)生物膜的組成與結(jié)構(gòu) 生物膜結(jié)構(gòu)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基本形式，它對(duì)細(xì)胞內(nèi)很多生物大分子的有序反應(yīng)和整個(gè)細(xì)胞的區(qū)域化都提供了必需的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而使各個(gè)細(xì)胞器和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)既各自恒定、動(dòng)態(tài)的內(nèi)環(huán)境，又相互聯(lián)系，相互制約，從而使整個(gè)細(xì)胞活動(dòng)有條不紊、協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行。 生物膜具有多種功能，生物體內(nèi)許多重要過(guò)程，如，物質(zhì)運(yùn)送、能量轉(zhuǎn)換、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、神經(jīng)傳導(dǎo)和代謝調(diào)控以及激素和藥物作用、腫瘤發(fā)生等等都與生物膜有關(guān)。一、生物膜的組成與性質(zhì)一、生物膜的組成與性質(zhì) 生物膜主要由蛋白質(zhì)生物膜主要由蛋白質(zhì)( (包括酶包括酶) )、脂質(zhì)、脂質(zhì)( (主要是主要是磷脂磷脂) )、多糖類(lèi)組成

2、，還、多糖類(lèi)組成，還有水、金屬離子等。有水、金屬離子等。功能復(fù)雜或多樣的膜，功能復(fù)雜或多樣的膜，蛋白質(zhì)占的比例較大。蛋白質(zhì)占的比例較大。（一）膜脂（一）膜脂1.1.脂質(zhì)的種類(lèi)脂質(zhì)的種類(lèi)（1 1）磷脂）磷脂 磷脂是構(gòu)成生物膜主要成分是甘油磷酸二酯、即以甘油為骨架，甘油中第1，2位碳原子的兩個(gè)羥基分別與兩個(gè)脂肪酸，第3位碳原子的羥基生成酯，最簡(jiǎn)單的是磷脂酸。它的含量不多但是其他甘油磷酸酯合成的前體。 除了甘油磷脂之外，生物膜中還含有另外一類(lèi)磷脂，稱(chēng)為鞘磷脂。這種磷脂分子以鞘氨醇代替甘油作為骨架，它的氨基以酰胺鍵與一個(gè)長(zhǎng)鏈脂肪酸相連，而一個(gè)羥基則與磷酸膽堿相連。鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine

3、)鞘鞘磷脂磷脂神經(jīng)酰胺神經(jīng)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 )磷磷酸酸膽膽堿堿神經(jīng)酰胺神經(jīng)酰胺部分部分 （2 2）糖脂）糖脂 動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜幾乎都含有糖脂，其含量約占外層膜脂的5%，這些糖脂大多都是鞘氨醇的衍生物，如半乳糖腦苷脂，他的極性頭部含有一個(gè)半乳糖殘基。 細(xì)菌和植物細(xì)胞質(zhì)膜的糖脂幾乎都是甘油的衍生物，非極性部分以亞麻酸含量較為豐富，極性部分則是糖殘基，可以是一個(gè)（如半乳糖）、兩個(gè)或多個(gè)。D-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-乙酰神經(jīng)

4、氨酸乙酰神經(jīng)氨酸硬脂酸硬脂酸鞘氨醇鞘氨醇糖脂中還有一種神經(jīng)節(jié)苷脂，迄今有60余種。它們是帶有數(shù)目不相等糖殘基的神經(jīng)酰胺。神經(jīng)節(jié)苷脂的結(jié)構(gòu)神經(jīng)節(jié)苷脂的結(jié)構(gòu)（3 3）膽固醇）膽固醇動(dòng)物細(xì)胞膽固醇的含量較植物細(xì)胞高，而質(zhì)膜的膽固醇含量又多余細(xì)胞內(nèi)膜系。膽固醇的兩親性特點(diǎn)可能對(duì)生物膜中脂類(lèi)的物理狀態(tài)有一定調(diào)節(jié)作用。在相變溫度以上時(shí)，膽固醇阻擾脂分子脂酰鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)，從而降低膜的流動(dòng)性。在相變溫度以下時(shí)，膽固醇的存在又會(huì)阻止磷脂脂酰鏈的有序排列，從而防止向凝膠態(tài)的轉(zhuǎn)化，保持了膜的流動(dòng)性，降低其相變溫度。2.2.膜脂的多態(tài)性膜脂的多態(tài)性雙層微囊雙層微囊水水空氣空氣微團(tuán)微團(tuán)單體單體單層單層雙層結(jié)構(gòu)雙層

5、結(jié)構(gòu)（Bilyer）六角形相六角形相(Hexagonal )H2H1六角形相六角形相(Hexagonal )（二）膜蛋白（二）膜蛋白根據(jù)粗略計(jì)算，細(xì)胞中大約有20%-25%的蛋白質(zhì)是與膜結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的，膜蛋白根據(jù)他們?cè)谀ど系亩ㄎ豢煞譃槟ぶ苓叺鞍缀湍?nèi)在蛋白質(zhì)。血影蛋白血影蛋白(Sectrin)膜脂雙層膜脂雙層膜脂雙層膜脂雙層膜蛋白與膜脂雙脂層結(jié)合的主要形式膜蛋白與膜脂雙脂層結(jié)合的主要形式 1.外周蛋白質(zhì) 外周蛋白質(zhì)約占膜蛋白的20%-30%，分布于膜的脂雙層表面，它們通過(guò)靜電力（如細(xì)胞色素c）或是非共價(jià)鍵（如血影蛋白）與其他膜蛋白相互作用連接在膜上。 膜周邊蛋白質(zhì)比較易于分離，通過(guò)改變離子強(qiáng)度或

6、加入金屬螯合劑即可提取。這類(lèi)蛋白質(zhì)都溶于水。 2.膜內(nèi)在蛋白質(zhì) 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-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(lái)，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。膜內(nèi)在蛋白的與膜結(jié)合的主要形式有：a) 以單一螺旋跨膜；b) 以多段螺旋跨膜；c) 以蛋白質(zhì)分子末端片段插膜；d) 通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的脂插膜。紅細(xì)胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列紅細(xì)胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列肌動(dòng)蛋白肌動(dòng)蛋白 (Actin)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)4.1

7、(Protein4.1)血影蛋白血影蛋白(Sectrin)帶帶3蛋白蛋白(Band 3)糖蛋白糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白血型蛋白(Glycophorin)糖鏈糖鏈紅細(xì)胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接示意圖紅細(xì)胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接示意圖 （三）糖類(lèi)（三）糖類(lèi) 生物膜中含有一定量的糖類(lèi)，在真核細(xì)胞中，無(wú)論質(zhì)膜還是細(xì)胞內(nèi)膜系都有糖類(lèi)分布，前者約占質(zhì)膜重量的2%-10%。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少量與膜脂結(jié)合。分布于質(zhì)膜表面的糖殘基形成一層多糖稱(chēng)為蛋白質(zhì)復(fù)合物或細(xì)胞外殼。糖蛋白可能與大多數(shù)細(xì)胞表面的行為有關(guān)，細(xì)胞與周?chē)h(huán)境的相互作用都涉及到糖蛋白，因此有人將細(xì)胞膜的糖類(lèi)部分比喻為細(xì)胞表面的天線，在接

8、受外界信息以及細(xì)胞間相互識(shí)別方面都具有重要作用。脂脂雙雙層層糖糖被被糖殘基糖殘基唾液酸唾液酸糖脂糖脂膜脂（磷脂、糖脂、膜脂（磷脂、糖脂、膽固醇）膽固醇）二、生物膜的分子結(jié)構(gòu)二、生物膜的分子結(jié)構(gòu)（一）生物膜中分子間作用力（一）生物膜中分子間作用力1.1.靜電力靜電力在膜兩側(cè)的脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的親水極性基團(tuán)通過(guò)靜電力相互吸引可形成很穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。靜電力在膜蛋白之間的相互作用也很重要。膜中疏水區(qū)的介電常數(shù)較低，它可以使蛋白質(zhì)分子的極性部分之間形成強(qiáng)烈的靜電力。2.2.疏水作用疏水作用疏水作用對(duì)維持膜結(jié)構(gòu)起主要作用。3.3.范德華引力范德華引力范德華力傾向于分子盡可能彼此靠近，所以，它們?cè)谀そY(jié)構(gòu)中也是十分重

9、要的能與疏水作用相互補(bǔ)充。（二）生物膜結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要特征（二）生物膜結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要特征1.1.膜組分的不對(duì)稱(chēng)分布膜組分的不對(duì)稱(chēng)分布人紅細(xì)胞膜主要磷脂在膜人紅細(xì)胞膜主要磷脂在膜內(nèi)、外兩層的分布內(nèi)、外兩層的分布2.2.生物膜的流動(dòng)性生物膜的流動(dòng)性膜脂的相變膜脂的相變膜脂的相變膜脂的相變(1)膜脂的流動(dòng)性發(fā)紅光堿性蕊香發(fā)紅光堿性蕊香紅標(biāo)記的人細(xì)胞紅標(biāo)記的人細(xì)胞膜蛋白抗體膜蛋白抗體發(fā)綠光熒光素發(fā)綠光熒光素標(biāo)記的小鼠細(xì)標(biāo)記的小鼠細(xì)胞膜蛋白抗體胞膜蛋白抗體（2）膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性Na+-K+- ATPase的體的體外重建外重建（三）生物膜分子結(jié)構(gòu)的模型（三）生物膜分子結(jié)構(gòu)的模型Singer & NicolsonSinger & Nicolson流體鑲嵌模型流體鑲嵌模型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(duì)構(gòu)成雙分子層的核心，極性