1、生物膜及其物理特性,生物膜的组成 生物膜的分子模型 生物膜分子的运动特性 脂质分之的液晶性质及膜脂多型结构 物质的跨膜运输,细胞质膜：围绕在细胞最外层的膜外周膜内膜系统 生物膜内膜系统：真核细胞内部细胞器的膜,返回,一：细胞膜的基本概念 概念：构成细胞的活物质总称原生质。细胞的外围存在一层由脂双层分子和蛋白质构成的薄膜称为质膜，亦称为细胞膜。为了把这层膜与其他膜有所区别，现在一般均把细胞外围的这层膜特称为质膜。各种细胞器的膜称为细胞内膜，相对于内膜，细胞膜也称为外周膜，二者统称生物膜。, 基本结构生物膜有着共同的形态特征，在透射电镜下呈现为“两暗夹一明”的三层结构，总厚度约为6-10nm，基本
2、结构是脂质双分子层，蛋白质嵌合在脂质双分子层中，生物膜是动态的流动结构，膜脂和膜蛋白两类分子围绕着膜的平面做各种运动。,基本功能：生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础，能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有着密切的关系。其最基本作用包括： 维持细胞内微环境的相对稳定。 与外界环境不断进行物质交换。 除物质交换外，还进行能量和信息的交换,细胞膜常常与膜下结构相互联系，协同作用，形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。这些特化结构包括膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等。,二、生物膜的组成所有的生物膜主要是由脂类和蛋白质组成。脂类是膜的骨架，蛋白质是膜功
3、能的主要体现者。此外还有少量的糖类，无机盐，水和金属离子等。大体上生物膜的脂类约占总量50，蛋白质占40，糖类占210。 脂与蛋白非共价结合，组成膜的基本结构 糖与蛋白共价结合，组成糖蛋白，与识别和免疫有关,脂类和蛋白质的比例在不同生物膜中相差较大。一般功能越复杂的膜，蛋白质所占比例越大，种类和含量也越多。线粒体内膜，复杂的呼吸作用，76；蛋白少，膜功能简单: 神经髓鞘，只起绝缘作用，蛋白质3种，18。,1）膜脂脂类是构成生物膜总体结构的主要成分。每个动物细胞质膜上约有109个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5106脂分子。大多是极性脂类。以磷脂为主，其次是糖脂和胆固醇。膜脂分子的双亲性：生物
4、膜中磷脂、糖脂、胆固醇均为双亲性分子，疏水尾部为脂肪酸、醇、醛、鞘氨醇衍生物或固醇分子的长链脂肪酸，亲水头部为磷脂酰胆碱基、糖残基或羟基。,磷脂在膜中含量最高，真核细胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂酰胆碱）、脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）、磷脂酰丝氨酸和鞘磷酸，还有磷脂酰肌醇，数量虽少，但其功能也很重要。磷脂是由磷脂酰胆碱基和脂肪酸通过甘油(或鞘氨醇)结合在一起而形成的，磷脂其分子头部为磷酸和碱基组成磷脂酰碱基，极性很强，为亲水性。,磷脂分子尾部是二条长短不一的碳氢链(烃链)，为疏水性质，一般含1424个碳原子，其中一条烃链可含一个或数个双键(为不饱和链)，另一条烃链不含双键(为饱和链)。烃链的长短及饱
5、和状态不同，可影响膜的流动性。,磷脂分子的主要特征:（1）具有1个极性头和 2个极性尾；（2）常含有不饱和脂肪酸，多为顺 式结构。磷脂分子对膜的流动性有很大影响。因它需要能量来在高温时使其移动。而其转变点与其饱和度有关。,生物膜磷脂的作用：1）为生物膜的骨架；2）是极性化合物的通透屏障；3）可激活某些膜蛋白。,磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。,糖脂广泛分布于动物、植物和微生物细胞的膜系统中，也是双亲性分子，含糖残基的部分是亲水的极性头部，含脂肪酸和/或鞘氨醇的部分为疏水的尾部。由甘油二酯与己糖结合而成。糖脂分为甘油酯和糖鞘脂两类，糖鞘脂又分为中性糖鞘脂和酸
6、性糖鞘脂,植物细胞中的糖脂主要以半乳糖基二油酰二酯形式存在，动物细胞中以糖鞘脂形式存在。半乳糖脑苷脂是最简单的糖鞘脂。 细胞膜中的糖脂只存在于脂双层的外层表面，糖残基暴露于细胞表面。只有一条糖链。,半乳糖脑苷脂 神经节苷脂 唾液酸（负电荷）,决定人红细胞ABO血型物质均为糖脂，A型血糖脂的寡糖链上较O型多了一个N-乙酰半乳糖胺残基，B型仅多了一个半乳糖残基。,N-乙酰半乳糖胺,人A、B、O血型抗原寡糖链结构比较,固醇类 又称甾醇，是环戊烷多氢菲的衍生物。 胆固醇是最重要的一种动物固醇，其分子包括三部分：羟基团-极性头部、非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。 胆固醇对调节膜的流动性、加强
7、膜的稳定性有作用。 植物细胞质膜中常见的固醇是和谷固醇，麦角固醇是真核微生物细胞膜中的主要固醇。,（2）膜蛋白生物膜的许多功能主要由膜蛋白来完成。根据在膜中的定位情况，可分为外周蛋白和内在蛋白。1）外周蛋白（peripheral protein）：约占膜蛋白的2030%，分布于双层脂膜的外表层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。它与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。外周蛋白能溶解于水。,2）内在蛋白（integral protein）：约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。它与双层脂膜疏水区接触部分，多肽链内常形成氢键，主要以-螺旋和-折叠形式存在。内在蛋白不
8、溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，紧密连在膜上，不易从膜中分离出来。,外周蛋白,分布于膜的脂双层内外表面，通过极性aa残基以离子键、氢键、范德华力等次级键与膜脂极性头部或与内在蛋白的亲水部分结合。 比较易于分离，大都能溶于水，可在不破坏膜结构的情况下，通过温和方法（高离子强度、高pH）分离提取。,有的全部埋于脂双层的疏水区，有的部分嵌在脂双层中，有的横跨全膜，主要靠疏水作用通过某些非极性氨基酸残基与膜脂疏水部分相结合。这类蛋白被紧密连在膜上，且不易溶于水。只有用破坏膜结构的试剂如有机溶剂（氯仿）或去污剂（TritonX-100）才能把它们从膜中提取出来。,内在蛋白,膜锚蛋白,有些膜内在蛋白本身
9、并没有进入膜内，他们以共价键与脂质、脂酰链、异戊烯基团相结合并通过它们的疏水部分插入到膜内，这种形式的内在蛋白称为膜锚蛋白。,（3）膜糖类生物膜中含有一定的寡糖类物质，大多与膜蛋白结合，形成糖蛋白（信息识别）；少数与膜脂结合，形成糖脂。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。,生物膜的结构,返回,2生物膜的分子模型,双层脂分子构成（E. Gorter, F.Grendel, 1925)三明治式结构模型 (H.Davson, J.F.Danielli,
10、1935)单位膜模型 (J.D.Robertson, 1959)液态/流动镶嵌模型 (S.J.Singer, G.Nicolson, 1972)认为生物膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的脂质双分子层结构，其中蛋白质犹如一座座冰山漂移在流动脂质的海洋中。 与过去模型的主要差别：突出膜的流动性；显示膜蛋白分布的不对称性。,单位膜模型将膜设计成三层式静态单一结构，无法说明膜运动过程中的结构变化及各种膜的机能、特性的多样性等等问题。,流动镶嵌模型的基本内容：,1、磷脂双分子层构成膜的基本支架。 2、蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿整个磷脂双分子层。（体现了
11、膜结构内外的不对称性） 3、磷脂分子是可以运动的，具有流动性 4、大多数的蛋白质分子也是可以运动的。（也体现了膜的流动性）,5、细胞膜外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被。（糖被与细胞识别、胞间信息交流等有密切联系）流动镶嵌模型特点：1，强调了膜结构的流动性；2，生物膜中的各种化学组分是高度不对称的 细胞膜是由流动的脂双分层中镶嵌着的球蛋白按二维排列二组成的，膜脂和膜蛋白能够在二维平面上作较为迅速的侧向运动,流动镶嵌模型的基本内容,1、磷脂双分子层构成膜的基本支架。（其中磷脂分子 的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部朝向内侧）,2、蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，
12、有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿整个磷脂双分子层。（体现了膜结构内外的不对称性）,嵌入,镶,贯穿,3、磷脂分子是可以运动的，具有流动性 4、大多数的蛋白质分子也是可以运动的。（也体现了膜的流动性） 5、细胞膜外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被。（糖被与细胞识别、胞间信息交流等有密切联系）,返回,3生物膜分子的运动性,生物膜上分子的运动特性是细胞形式各种生理功能的基础，细胞膜上各种蛋白质的功能活性是受细胞脂分子骨架的影响。 膜脂质分子的运动性 生物膜的运动性一般认为与脂质分子的运动性正相关。膜脂质分子的运动性与功能相适应，处于不断变化的动态平衡状态中。,利用
13、电子自旋共振（ESR)对脂质分子进行测量。测量结果显示：脂质分子可看做在三个水平上进行。一：自身“一维运动”，即脂酰烃链绕C-C键旋转的异构化，磷脂分子以自身长轴为轴左右摆动和左右旋转；二：脂质分子在膜内沿膜平面作侧向扩散和侧向移动的“二维运动”;三：磷脂分子在脂双层的两个脂分子单层间的翻转运动。这种三围运动在不同膜上的运动速度不同，通常比较慢。,实验证明，在相变温度以上膜脂分子有以下几种运动方式：,侧向扩散：在同一单分子层内的脂类分子极易与邻近分子交换位置。107/秒 一个脂类分子2微米/秒。 脂肪酸链的伸缩运动：膜脂脂肪酸链沿着双分子层平面垂直的轴进行伸缩运动，速度约为10-9/秒。,翻转
14、运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转至另一层的运动，对维持膜的不对称性很重要。很少发生，两周内不多于一次。旋转运动：膜分子不断地绕着与平面垂直的纵轴进行快速的旋转运动。弯曲运动：膜脂分子的烃链还可作弯曲运动，分子的尾端摆动幅度大, 而靠近极性头部区域摆动幅度小。,侧向扩散,层间翻转,摆动,C-C摆动,旋转,膜蛋白的运动性,融合 培养 小鼠细胞 异核体 扩散人细胞 人细胞和小鼠细胞融合培养实验极力证明了膜蛋白的运动性,影响膜流动性的因素,1：磷脂分子的性质两条疏水脂酰链的饱和度也就是双链数影响流动性的主要原因。双链数多，磷脂分子运动性就强，膜流动性就增大磷脂分子脂酰链的长度也影响膜处的液晶状态的温域
15、，鞘磷脂的含量影响膜的流动性。 2：膜中胆固醇含量影响膜的流动性 3：膜自身组成成分,影响膜脂分子流动性的因素,(1)脂肪酸链的饱和程度相变温度高低和流动性大小决定于分子排列的紧密程度，饱和的脂肪酸链呈直线性，故可排列紧密。不饱和脂肪酸链在双键处发生折屈，分子链呈弯曲状彼此排列的较疏松。脂双分子层中含不饱和脂肪酸越多，则相变温度越低，当温度下降后仍可保持较大的流动性。(2)脂肪酸链的长度脂肪酸链的长度对相变温度也有一定影响，链短的相变温度低，流动性大。,带有顺式双键的不饱和 饱和的碳氢直链 的碳氢键 （流动的） （粘滞的）,(3) 影响膜流动性的另一个因素是胆固醇:,真核细胞的质膜含有大量的胆
16、固醇，因此胆固醇对调节膜的流动性有一定作用。在相变温度以上，它可使磷脂分子脂肪烃链末端的运动减小，限制膜的流动。在相变温度以下，可增加磷脂分子脂肪酸烃链的运动，增强膜的流动性，诱发脂肪酸链扭曲现象，阻止凝胶态形成，使膜处于中间状态流动。所以胆固醇对膜的流动性具有双重作用。寒冷条件下胆固醇合成增多，防止凝胶相过多出现，对膜脂流动性有一定的调节作用。真核细胞膜含有较多的胆固醇，防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态。另外胆固醇也被认为可加强脂双层的稳定性。,(4) 其它影响膜脂流动的因数,卵磷脂与鞘磷脂的比值也对膜脂流动有一定的影响。哺乳动物细胞，卵磷脂与鞘磷脂的含量占膜脂的50%。卵磷脂：
17、含脂肪酸链不饱和程度高，相变温度低。鞘磷脂：含脂肪酸链饱和程度高，鞘磷脂比卵磷脂黏度大6倍，鞘磷脂含量大，流动性降低。膜蛋白、温度、离子和pH值等都会对膜脂的流动性产生影响。如，蛋白质嵌入膜脂的疏水区后，具有与胆固醇相似的作用，使膜的黏度增加，嵌入的蛋白质越多，脂质层的流动性越小。如，环境温度高，脂质层流动性越大，在相变温度范围内，每下降10度，膜的黏度增加3倍，流动性降低。,（5）膜脂分布的不对称性：,分析膜内外层的化学组成表明，脂类分子的分布是不对称性。以红细胞为例，含胆碱的磷脂多分布于内层，胆固醇集中于外层，糖脂只存在于外层。脂质双层不对称性的生理意义目前还不大清楚，但它可以使膜的两层流
18、动性有所不同，有助于维持膜蛋白的极向。保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能。,返回,液晶的一般概念 所谓液晶是指介于晶体和液体之间的一种物质状态。 液晶外形上流动性差，内部分子有序程度介于晶体和液体之间，光学性质上表现各向异性的双直射现象。热致性液晶态：晶 体 液晶（第一熔点）液态（第二熔点） 液晶溶致性液晶态：溶剂分子渗入,加热,加热,生物膜上绝大多数分子为双亲性分子，生物体内 广泛存在的DOPC等磷脂类分子，单间磷酸集团的头部在外，两条油酸碳氢链在内形成双层，层层叠加堆积，层层间为水分子。在活细胞生活温度范围内，CH链的摆动是磷脂分子层内运动的原因。DOPC加足量的水，堆积的层片形
19、成小囊，即原始细胞。细胞膜的液晶性质允许细胞分裂成两个细胞而不解体，嵌于膜上得大分子可在脂双层中移动，保证两细胞上都有蛋白组分。,立方相：脂双层复杂结合，其外表面形成单一的连续表面，其中有“联管梦魇”和“双砖石相”两种结构，有两个连续的完全分离的水通道，由脂双分子层弯曲分隔而成。六角相结构：亲水头向内，疏水尾部CH链向外，想成水通道。非片层相在调节细胞膜的活性及稳定性上有重要意义。酰链交叉双层结构：长度不一的酯酰链在脂双层结构中绝非整齐排列，而是交叉双层排列，此结构在生物膜中得出现会改变膜脂双层的疏水性质、表面静电性质、脂双层的厚度及弹性等，从而影响生物膜的结构以致功能,返回,2. 物质运输,
20、细胞或细胞器需要通过生物膜，主动地从膜外选择性地吸收所需要的营养物质，同时排出不需要的代谢产物和废物，使细胞维持动态的恒定，维持其正常功能。这对于维持细胞生命活动极为重要。在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。小分子物质的运输（穿膜运输）被动运输、主动运输（能量驱动、离子梯度驱动）生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）,离子梯度驱动的主动运输,不靠ATP水解释放能量推动，靠离子或H+梯度形式贮存的能量。 在动物中，形成这种梯度的离子通常是Na+，如葡萄糖被转运到小肠上皮细胞： 膜外Na+高，内Na+低，本身有从外到内的趋势，贮存了能量；Na+顺浓度梯度流向膜内，葡萄糖利用Na+梯度提供
21、的能量，通过专一的运送载体，伴随Na+一起进入细胞；再由Na+、K+ 泵将Na+泵出以保持膜两侧的Na+梯度。 在细菌中，很多情况下是由质子梯度推动。,质膜对大分子化合物或颗粒不能通透，他们在细胞内运转时都由膜包围，形成细胞质小泡，故称膜泡运输。1. 胞吐2. 胞吞,（2） 生物大分子的跨膜运输（膜泡运输）,吞噬作用 胞饮作用 受体介导的内吞作用,吞噬作用：凡以大的囊泡形式内吞较大的固体颗粒、直径达几微米的复合物、微生物及细胞碎片等的过程。如高等动物的免疫系统的巨噬细胞内吞内侵的细菌。胞饮作用：以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体（直径1微米）吞入细胞内的过程。受体介导的内吞作用：内吞物（配体，是蛋白质或小分子）与细胞表面的专一受体结合，并随即引发细胞膜的内陷，形成的囊泡将配体裹入并输入细胞内的过程。,胞 吞,物质跨膜运输的特点：,1.水分子可以顺浓度梯度自由通过； 2.细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过 3.其他的离子、小分子和大分子不能通过。 结论：细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜,
