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)是細胞結(jié)構(gòu)的基本形式，它對細胞內(nèi)很多生物大分子的有序反應和整個細胞的區(qū)域化都提供了必需的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而使各個細胞器和亞細胞結(jié)構(gòu)既各自恒定、動態(tài)的內(nèi)環(huán)境，又相互聯(lián)系，相互制約，從而使整個細胞活動有條不紊、協(xié)調(diào)一致地進行。 生物膜具有多種功能，生物體內(nèi)許多重要過程，如，物質(zhì)運送、能量轉(zhuǎn)換、細胞識別、細胞免疫、神經(jīng)傳導和代謝調(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) )、多糖類組成

2、，還、多糖類組成，還有水、金屬離子等。有水、金屬離子等。功能復雜或多樣的膜，功能復雜或多樣的膜，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)的種類脂質(zhì)的種類（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位碳原子的兩個羥基分別與兩個脂肪酸，第3位碳原子的羥基生成酯，最簡單的是磷脂酸。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磷脂，稱為鞘磷脂。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長鏈脂肪酸相連，而一個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 動物細胞的質(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半乳糖殘基。 細菌和植物細胞質(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（如半乳糖）、兩個或多個。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）膽固醇動物細胞膽固醇的含量較植物細胞高，而質(zhì)膜的膽固醇含量又多余細胞內(nèi)膜系。膽固醇的兩親性特點可能對生物膜中脂類的物理狀態(tài)有一定調(diào)節(jié)作用。在相變溫度以上時，膽固醇阻擾脂分子脂酰鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動，從而降低膜的流動性。在相變溫度以下時，膽固醇的存在又會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微團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)粗略計算，細胞中大約有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)他們在膜上的定位可分為膜周邊蛋白和膜內(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，它們通過靜電力（如細胞色素c）或是非共價鍵（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，通過改變離子強度或

6、加入金屬螯合劑即可提取。這類蛋白質(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），有些可有多個疏水序列，如-螺旋，可橫貫整個膜脂雙分子層。與膜結(jié)合緊密，由膜上釋放時要用特別的試劑（去污劑、有機溶劑、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：以單一螺旋跨膜；以多段螺旋跨膜；以蛋白質(zhì)分子末端片段插膜；a) 通過共價鍵結(jié)合的脂插膜。紅細胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列紅細胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列肌動蛋白肌動蛋白 (Actin)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)4.1 (Protein4

7、.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)糖鏈糖鏈紅細胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接示意圖紅細胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接示意圖 （三）糖類（三）糖類 生物膜中含有一定量的糖類，在真核細胞中，無論質(zhì)膜還是細胞內(nèi)膜系都有糖類分布，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為蛋白質(zhì)復合物或細胞外殼。糖蛋白可能與大多數(shù)細胞表面的行為有關(guān)，細胞與周圍環(huán)境的相互作用都涉及到糖蛋白，因此有人將細胞膜的糖類部分比喻為細胞表面的天線，在接受外界信息以及細胞

8、間相互識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)的親水極性基團通過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烈的靜電力。2.2.疏水作用疏水作用疏水作用對維持膜結(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，它們在膜結(jié)構(gòu)中也是十分重要的能與疏水作用相

9、互補充。（二）生物膜結(jié)構(gòu)的幾個主要特征（二）生物膜結(jié)構(gòu)的幾個主要特征1.1.膜組分的不對稱分布膜組分的不對稱分布人紅細胞膜主要磷脂在膜人紅細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.生物膜的流動性生物膜的流動性膜脂的相變膜脂的相變膜脂的相變膜脂的相變(1)膜脂的流動性發(fā)紅光堿性蕊香發(fā)紅光堿性蕊香紅標記的人細胞紅標記的人細胞膜蛋白抗體膜蛋白抗體發(fā)綠光熒光素發(fā)綠光熒光素標記的小鼠細標記的小鼠細胞膜蛋白抗體胞膜蛋白抗體（2）膜蛋白的運動性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