1、,第三章,生物膜的结构与功能,3.1生物膜功能概述 (1)区隔化或房室化(compartmentalization)：生物膜是连续、环闭的薄壳体，质膜把整个细胞包裹起来，内膜系统以及核膜、线粒体膜和叶绿体膜等，把细胞分隔成相对独立的房室。在这些分隔开的区间内，各自进行着不同的生命活动。内膜实际上成为细胞向内延伸着的网络支架，把参与反应的多个元件有序地定位安置，使细胞内各种生命活动能在正确的时间和位点有组织地高效进行，把不同生化活性彼此间的干扰减少到最低。重要的酶级联反应机构大多与某种膜结构联系在一起。各类细胞的不同细胞器都具有与其功能相适应的结构、形状和机械强度，这些在很大程度上也依赖于相应膜
2、系统的组成和结构。,(2) 物质的跨膜运输(transport)：作为通透性屏障，生物膜一方面防止细胞与环境之间以及细胞内各房室之间的物质自由混合，否则，结果将是灾难性的；另一方面又要维持各区间物质有控制地交流。质膜和各种内膜上都有物质运输装置，调节物质的跨膜运输也就成了这些膜系统最基本的功能之一。,(3) 能量转换(energy conversion)：为了推动各种生命活动的进行和维持自身的结构，生物必须保证有足够的能量供应。在细胞的能量转换中，生物膜起着关键性作用。植物的叶绿体类囊体膜结合的色素可吸收太阳光，把光能转换为光合电子传递链上的电子流动，最后形成同化力(NADPH和ATP)，再经
3、光合碳素途径转换成以糖类形式储存的化学能。线粒体内膜则把能源物质氧化时释放的能量转换成可以作功的能量形式ATP中的化学能。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质跨膜的浓度差时，能量就储存于它的跨膜电化学梯度中。这样的膜称为“能势膜”(energized membranes)，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多重要活性。,3.2. 生物膜的化学组成与性质 生物膜是类脂与蛋白质(包括酶)通过非共价键组装成的薄片状超分子聚合体。大多数膜还含有某些糖类物质，膜上有结合态的结构水，以及某些膜蛋白结合的金属离子。膜的组成尤其是膜脂与蛋白质的比例，因膜的种类不同而有很大差别(表3.1)。通常膜中蛋白质含量越多
4、，其功能越复杂多样，如线粒体内膜蛋白质含量超过75%。同样，功能越简单的膜蛋白质含量越少，如神经髓鞘主要作用就是绝缘，只有3种蛋白，仅占膜重量的18%。,表3.1 生物膜的化学组成(%),3.2.1 膜脂 大多数动物细胞质膜约含50%的脂类，据估算一个小的动物细胞的质膜约有109个类脂分子。构成生物膜的脂类有磷脂、糖脂、胆固醇等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。,3.2.1.1 磷脂(phospholipids,PL) 生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂： (1)甘油磷脂(phosphoglycerides)： 生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂： (1)甘油磷脂(pho
5、sphoglycerides)：甘油骨架中sn-1,2位羟基分别与两个脂肪酸酯化，sn-3位羟基与磷酸生成酯，就成了最简单的甘油磷脂磷脂酸(phosphatidic acid,PA)；磷脂酸的磷酸基再连接其它极性基团就形成各种甘油磷脂，如磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol, PG)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)和双磷脂酰甘油(diphosphati
6、dylglycerol, DPG)或心磷脂(cardiolipin, CL)。,(2)鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)：由鞘氨醇的氨基连接长链脂肪酰链构成神经酰胺，它的羟基再与磷酸基和亲水基团相连，就形成鞘氨醇磷脂，如神经酰胺与磷酸胆碱组成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph) (3)磷脂中的脂肪酰链：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂都是两亲性分子，既有亲水的头部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的脂肪酰链都是长的不分枝的疏水性烃链。这些脂酰基的碳基子数从12到26，双链数从0到5。sn-2位通常是一个多烯脂酰基，sn-1位则多为饱和脂酰基。天然脂酰链中的双键多为cis构型，在烃链
7、中形成的约44的折角，因而比相同碳原子数的饱和脂肪酸和trans构型的不饱和脂肪酸的烃链较短而分子覆盖面积大。脂酰基烃链的长度和分子面积对生物膜的特性有重要影响。,(4) 磷脂的电荷特性：极性头由带负电荷的磷酸基与带电荷或不带电荷的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PC头部的磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理pH下呈电中性，是兼性离子(zwitterionic)。PE和Sph与PC电荷特性相似。PS头部磷酸基和丝氨酸的羧基各带一个负电荷，质子化的氨基带一个正电荷，在生理条件下呈负电荷。PG、PI、DPG(CL)头部磷酸基带一个负电荷，极性基团不带电，因而也呈负电荷。各种磷脂
8、的组成和极性头的结构不同，这些差异对生物膜的功能有重要意义。磷脂实际的电荷状况取决于环境pH与其pI值之差。,3.2.1.2 糖脂(glycolipids) 膜糖脂又分成三类：甘油糖脂（glyceroglycolipids），二酰基甘油糖基化的产物；中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。甘油糖脂分子中甘油sn-1和sn-2位均被酯化，sn-3位连接亲水的糖基，如单半乳糖二酰甘油(monogalactose diacylglycerol,MGDG)，头部为不带电荷的糖基。如果糖基被硫酸化，在生理pH下会带负电荷，例如叶绿体类囊体膜中的6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油(SQDG)。中
9、性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羟基氧与不带电荷的糖基通过糖苷键相连，如半乳糖脑苷脂(galactocerebroside)。脑苷脂是动、植物细胞质膜中主要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。,3.2.1.3 类固醇(steroids) 胆固醇(cholesterol, Ch)是最常见的类固醇，某些动物细胞质膜中胆固醇的含量约占总脂的50%。胆固醇分子量相对较小，结构也不同于其它膜脂，它没有长的烃链，羟基构成它的亲水头，带有短的烃链的环戊烷多氢菲环核构成它扁平的疏水部分。大多数植物和细菌的质膜中不含胆固醇，但植物细胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。,类固醇是动、植物细胞膜的重要组分，对膜的特性产生显著的影响
10、。质膜中胆固醇含量大大高于内膜系统。胆固醇的头部仅一个羟基，亲水性明显较弱。在膜中，胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列，它的18、19位两个-CH3嵌入磷脂分子不饱和脂酰基顺式双键形成的立体化学上的沟槽中。胆固醇一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链固有的运动性又能增加膜的局部微区的无序性，使膜流动性增加。类固醇对膜的这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽的温度范围(3040)内行使功能。类固醇还通过与一些膜蛋白的相互作用调节其功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。,表3.2 几种膜的脂质组成,3.2.1.4 膜脂组织的
11、多态性生物膜3种主要脂类磷脂、糖脂和类固醇的分子结构相差甚远，但都是两亲性分子，即同时具有亲水的头部和疏水的尾巴两部分。以磷脂为例，当把磷脂加入水中，如图3.2所示，只有极少数分子以单体形式游离存在；在水空气界面上的磷脂倾向于形成单分子层，极性头与水接触，疏水的尾巴伸向空气；如果加入的磷脂较多，水空气界面已经达到饱和，其余的磷脂就以微团或双分子层形式存在。在疏水作用的驱动和Van der Waals引力作用下，磷脂分子的极性头与水相接触，疏水尾巴彼此靠近，将水从附近排除。磷脂在水中形成脂双层结构是个自组装过程，并进一步自我封合为双层微囊(脂质体，liposome)。,图3.2 磷脂分子在水溶液
12、中存在的几种结构形式,图3.3 可能存在的几种相结构,3.2.2 膜蛋白 生物膜的功能主要由膜蛋白承担。膜蛋白与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。通常，细胞质膜中的蛋白质主要与涉及胞外环境的细胞活力有关，而细胞内膜系统的蛋白质则主要与代谢活动有关。有的膜蛋白发挥酶的作用，有的膜蛋白行使信息传递或能量转换功能，有的构成细胞膜的骨架，有的则参与细胞识别。应当强调指出，膜蛋白的功能不仅取决于自身固有的结构，生物膜构成的特殊环境对膜蛋白形成并保持正确的构象起着,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式 大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白
13、，有一些具共价结合的脂肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B. Alberts等，1994）,3.2.2.1 整合蛋白(integral proteins)或内在蛋白(intrinsic proteins) 整合蛋白一般约占膜蛋白的7080%。这些膜蛋白嵌入脂双层，与脂双层疏水核紧密结合，整合于脂双层结构之中，只有用氯仿等有机溶剂或SDS、胆酸盐、Triton X-100等去垢剂破坏脂双层结构后
14、才能将其分离出来。多数整合蛋白都是跨膜蛋白(transmembrane proteins)，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有极少数整合蛋白以部分肽链插入脂双层疏水核，并不穿透脂双层，仅在膜一侧暴露(如内质网膜上的细胞色素b5)，称为锚定蛋白(anchored或monotopic proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体(图3.5)。,3.2.2.2 外周蛋白(peripheral proteins)或外在蛋白(extrinsic proteins ) 这类蛋白质定位于脂双层的内侧或外侧，即质膜的胞浆面或细胞表面，它们通过离子键、氢键等非共价键不太紧密地与暴露在膜外的膜脂分子极
15、性头或整合蛋白的亲水部分相联系，容易用离子强度较高或pH较高的溶液将它们从膜上分离出来。,图3.7 红细胞膜骨架各组分与质膜连接的示意图,3.2.2.3 脂锚定蛋白(lipid-anchored proteins) 这类蛋白与外周蛋白相似，都有亲水的表面；不同的是它们通过共价连接的脂质分子疏水链插入脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧(图3.4)。按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几类：,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式 大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白，有一些具共价结合的脂肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到
16、脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B. Alberts等，1994）,图3.8 肽链通过GPI与膜结合虚线箭头所指为转肽酶作用点,3.2.3 膜糖 真核细胞质膜和内膜系统都有糖类分布，不同物种和不同类型的细胞膜糖含量不同。质膜含糖约占膜重的210%，这些糖大多数与蛋白质共价结合构成糖蛋白，少数结合在脂类分子上构成糖脂。例如红细胞质膜含有8%的糖类，其中约93%与蛋白质结合，大多数暴露于细胞表面的蛋白质都共价连接1个或多个寡糖链；其余约7%与类脂分子结合，脂双层外叶不到1%的膜脂分子连有寡糖，而且大多仅1条寡糖链。构成生物膜寡糖的单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。生物膜上的糖类几乎都定位于膜的非胞浆面，即细胞质膜的外侧和细胞器膜的腔内一侧，在质膜外侧形成细胞外被或糖萼(glycocalyx)(图3.9)。,图3.9 细胞外壳（糖萼）示意图,
