第四章 生物膜.docx

第四章生物膜教学目的：使学生了解生物膜的化学组成，掌握膜的性质，结构及功能教学重点：生物膜的结构与功能教学难点：细胞信号传递教学方式：讲叙、幻灯、多媒体课件教学过程：细胞质膜和细胞内膜系统统称为生物膜细胞生物学重点介绍真核细胞，真核细胞的 生物膜约占细胞干重的70〜80%§4.1生物膜的化学组成通过对各种细胞（动物细胞、红细胞、神经髓质）膜成分分析发现，构成生物膜的物 质有二大类：第一类是脂类约占总量的40%左右，第二大类是蛋白质，约占50〜60%，除此 之还有少量多糖，核酸及无机离子结合水生活状态的膜约有30%的水，70%的基质一、 脂类1、 磷脂类 （甘油磷酸酯或磷脂酸衍生物）磷脂为二极性分子，其磷脂酰碱基部分较短，为头部，具亲水性；脂肪酸部分较长，为 尾部，具疏水性2、 鞘磷脂类（神经酰胺的衍生物）属于二极性分子3、 糖脂（神经酰胺衍生物）4、 胆固醇属固醇类，（四环烃的衍生物）胆固醇属于二极性分子，其羟基为极性头部，固醇类的四环结构和碳氢尾部为非极性部 分胆固醇类具有调节膜流动性，加强膜稳定性有作用二、 蛋白质生物膜的大部分功能主要由组成膜的蛋白质完成膜中的蛋白种类和数量可直接反映膜 的功能。

例如功能复杂的参与能量转换的线粒体内膜和叶绿体片层膜的蛋白质含量高达75% 左右，神经髓鞘主要为神经纤维的绝缘体，含有大量的脂类，蛋白质占25%，一般真核细 胞膜蛋白质含量在50〜60%膜中的蛋白质，根据其与膜脂的作用方式，及其在膜中的位置不同分为二大类：1. 外在蛋白（外周蛋白、表面蛋白、周缘蛋白）膜表面，与膜结合弱，为离子键，具 水溶性，2. 内在蛋白（内周蛋白、嵌入蛋白、跨膜蛋白）嵌入膜，结合紧，共价键离子键，非 水溶性外在蛋白，分布在膜的内外表面，与膜的结合较弱，通过离子键等引力结合，该膜蛋白 具有水溶性，容易分离，一般占膜蛋白的20〜30%红细胞中占50%，红细胞膜表面的血影 蛋白是一种外在蛋白内在蛋白，以不同程度嵌入脂双层内部，有的横跨全膜，故称跨膜蛋白内在蛋白与膜 结合紧密，通过供价键、离子键结合，蛋白的疏水区与脂双层中脂类分子的疏水尾部相互作 用，亲水区暴露在膜的一侧或两侧表面，与脂类的亲水头部相结合，这种蛋白不易分离采 用去垢剂（洗衣粉、洗涤灵、肥皂）处理可分离到内在蛋白离子型去垢剂，如十二烷基磺 酸钠作用剧烈，常引起蛋白质变性，所以纯化蛋白时，一般采用非离子型去垢剂，如Triton -X 100，可获得有生物活性的膜蛋白。

内在蛋白为非水溶性，一般的占膜蛋白的70〜80%， 在功能上，它们是受体、载体酶、运动酶，抗原等物质真核细胞中，人们对人红细胞的膜 蛋白研究最多，红细胞容易大量得到，且成分简单，蛋白种类少，功能单一经聚丙稀酰胺 凝胶电泳检出，人的红细胞膜含有15种蛋白，其中3种蛋白质血影蛋白，血型蛋白和斑带 III含较多，它们约占膜蛋白的60%三、 多糖生物膜中的多糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在它们在质膜和细胞内膜系统中都有 分布，质膜中多糖约占膜总量的2〜10%四、 核酸20世纪70年代有人发现膜上有微量核酸五、 水膜中水占30%，大部分为结合水，结合水的特征是：不易蒸发，不能渗透，不能冻 由于自由水很少，膜中水的粘度很高，较纯水的粘度高30多倍六、金属离子主要有Ca Mg Zn Cu Fe等，它们主要是作为膜蛋白的活性基团或催化活性中 心离子§4.2生物膜的性质一、 分布的不对称性研究表明，膜上脂类、蛋白质及多糖在膜中均呈不均匀分布一般各成分在细胞膜外 表面分布较多，如膜上脂类外膜多于内膜，多糖外膜多于内膜二、 流动性具有流动性是生物膜的基本特征之一，膜是一种动态结构，膜中各成分始终处于流动 状态。

一）证明膜蛋白流动性的实验一一荧光抗体免疫标记实验1970年David等做了著名的人鼠细胞融合实验，该实验首次证明膜蛋白具有流动性 通过电子自旋标记也证明了膜脂分子在膜中的运动性二）膜流动性的原因：1、 脂类分子运动1） 侧向扩散，在膜平面脂类分子很容易与同一层的邻近分子交换位置2） 旋转 脂类分子围绕与膜平面垂直的轴进行旋转3） 翻转，脂类分子可以从膜的外层翻转到内层，内层转到外层2、 烃链运动 膜脂的脂肪酸链可延烃链运动、摆动、振荡3、 蛋白质运动蛋白质可以沿着脂分子双层平面侧向扩散，沿其垂线旋转4、 膜液晶状态及与温度与自身相变温度的影响5、 胆固醇调节胆固醇的主要作用是抑制温度引起的相变，作用的总趋势是降低膜的流动性6、 膜成分的更新膜中脂类、蛋白质等成分处在一种不断地更新置换状态7、 代谢水平代谢活跃、生长旺盛的细胞膜流动性较大8、 骨架跨膜控制（膜与骨架的关系）一些膜蛋白与膜下细胞骨架结构相结合，限制了膜蛋白的运动三、液晶状态在正常生理状态下，生物膜是液晶状态，这种状态实际上是处于一种有序与无序的非 晶非液状态在这种状态下，生物膜具有流动性，可以行使各种生理功能§4.3生物膜的模型自19世纪末直到现在很多学者提出了许多模型。

1895年奥顿（Overton）最早提出细 胞膜是由一层脂膜组成，极性分子不能通过一、 三夹板模型1935年戴尼里（Danielli）等提出了 “蛋白质一脂类一蛋白质，的三夹板模型，这是人 类第一次以分子术语描述膜的结构，虽然有很多不足，但对以后的研究给了极大地启示二、 单位膜模型1959年诺博森（Tobertson）用电镜超薄切片研究细胞膜，获得了清晰的膜的“暗一亮一 暗”三层结构，由此提出了单位膜模型他认为脂双分子层厚约3.5nm，其内外表面的蛋白 质是单层伸展的B 一片状结构，各为2nm，整个膜厚度为7.5nm诺博森的单位膜设想澄清 了关于膜厚度资料的混乱和分歧其不足在于把膜结构描绘成静止的、不变的，这样共同的 单位膜结构很难与膜的多样性和特殊性一致起来20世纪60年代，人们对单位膜的异议逐渐增多，同时由于应用了一些新技术如红外光 谱，旋光色散等证明膜蛋白主要不是B 一折叠片层结构，而是a 一螺旋球形结构，冰冻蚀刻 电镜技术也证明在脂双分子层中有蛋白颗粒分布三、流动镶嵌模型1972年辛格（Singer）和尼克来森（Nicolson）提出了流动镶嵌模型该模型一提出 立即受到了广泛的支持和接受。

流动镶嵌模型的主要特点是：（1）强调了膜的流动性，认为 膜结构成分不是静止的，而是动态的脂类双分子层是像轻油般的流体，具有流动性，能够 相当迅速地在膜平面侧向运动，使膜蛋白彼此相互作用或与脂类相互作用2）蛋白质镶嵌 在脂类中表现出分布的不对称性脂类双分子层是膜的“构架”蛋白质分子有的嵌在双分子 层的表面，有的部分成全部嵌入其内，有的则横跨整个脂类层此后还有人还提出了 “板块镶嵌模型”、“液晶态模型”、“脂筏模型”等等，一般认 为是对流动镶嵌模型的补充§4.4生物膜的功能一、物质运输：物质的跨膜运输主要包括三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用一）被动运输1、 简单扩散：（自由扩散）简单扩散的特点是：（1）不耗能，速度较慢；（2）扩散动力是浓度梯度，扩散方向由高 浓度区向低浓度区研究表明，分子通过人工无蛋白的脂双层膜时是按浓度梯度进行扩散， 其扩散速度基本上取决于分子的大小及其在油中的相对溶解度一般较小的非极性分子能很 快地扩散通过膜，不带电的小极性分子也能快速通过，大的不带电的极性分子及离子不易透 过2、 促进扩散（协助扩散）促进扩散的特点是：（1）不耗能，速度较快；（2）动力是浓度梯度；（3）有运输蛋白参 加，对扩散的物质具有选择性。

促进扩散与简单扩散的不同是有运输蛋白参加，由于蛋白的 作用，使速度加快，而且对运输的物质有选择性运输蛋白是跨膜蛋白分子或是跨膜蛋白分 子复合物，它们以多种形式存在，并发现存在于各种生物膜中1）载体蛋白载体蛋白是一类普遍存在于生物膜上的跨膜蛋白，每种载体蛋白能与其特定的溶质分子 结合，通过一系列构象变化介导溶质分子的跨膜转运载体具有高度的特异性（专一性）， 载体上有结合点，结合点只能与某一种物质进行暂时、可逆的结合或分离，这样一个特定的 载体只运输一类（种）分子或离子，将物质由膜的一侧运输到另一侧，这个过程不需要ATP 供能例如E.coli的编码载体8 一半乳糖苷透性酶，可协助半乳糖和其它的8 一半乳糖苷通 过质膜，而合成透性酶缺陷突变体不能利用培养基中的8 一半乳糖，因为缺乏这种特异的载 体蛋白，不能将半乳糖带入胞内K+载体为一种抗生素一一缬氨霉素，它是一个环状多肽 的聚合体，由12个氨基酸组成，环肽内部有极性，可将K+络合固定在环的内部，进行运 输2）通道蛋白通道蛋白通常是由若干个亚基构成的蛋白复合物，亚基围绕形成跨膜的亲水通道目前 发现的通道蛋白已达100多种，一般通道外极性弱，通道内极性强，这样便于一些分子和离 子通过。

1） 连续通道（永久性通道）这种通道无调控机制，无选择性，如跨膜形成的水的通道，能使适宜大小的分子、带电溶质，通过简单的自由扩散运动，从膜的一侧到另一侧2） 瞬时通道（离子通道）瞬时通道具有调节性和选择性，这种通道几乎都与离子转动有关，又称离子通道离子 通道在装配蛋白亚基时就留有缝隙，通过蛋白质照片可以看到上面的小孔，它是由蛋白质构 型构象变化造成的离子通道的特点：（1）具有选择性，转运速度快，可达104〜106离子/ 秒，比已知的任何一种载体蛋白快1000倍以上2）通道是门控的，可瞬时开关，一般情 况下通道门是关闭的，在受到特定刺激时，门可瞬时开放，故又称瞬时通道瞬时通道可通 过膜电位变化、化学信号或压力刺激来打开或关闭瞬时通道分为：电位门通道、配体门通 道、压力激活通道二）主动运输主动运输是生物膜最重要的运输方式，其运输速度快、效率高，较被动运输快1万至数 万倍主动运输的特点：（1）逆梯度进行，可由低浓底向高浓度运输；（2）需要载体，运输 速度快；（3）消耗能量，主动运输要消耗较多的代谢能量近些年来，主动运输的机制，已 发展了由泵作用的概念动物细胞中主要有以下三种通过“泵”进行的主动运输。

1、Na+-K+ 泵（Na+泵或 Na+-K+-ATPase）目前各方面工资料证明Na+-K+泵，实质上就是Na+-K+-ATPase，它是膜中的内在蛋白， 作用是将细胞内的Na+泵出胞外，同时将胞外的K+泵入胞内Na+-K+泵由a和8大小二个 亚基构成，a为大亚基，分子量约为120KDa，为催化部分，具有ATP酶活性；8为小亚基， 分子量为50KDa在细胞内侧a亚基与Na+结合，激活了 ATP酶的活性使ATP分解，高能磷 酸根与酶结合，发生磷酸化作用，引起a亚基构象变化于是与Na+结合的部位转向膜外侧， 在膜外侧a亚基对Na+的亲和力低，对K+的亲合力高，因而释放Na+，结合K+K+在胞外 与a亚基的另一位点结合，促使酶发生去磷酸化作用，使磷酸根很快解离，结果a基构象又 恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧在膜内侧，酶与K+亲合力低，与Na+亲合力 高，K+在膜内被释放，而又与Na+结合，由此完成一个循环这种磷酸化和去磷酸化引起的 构象变化交替出现，每循环一次，消耗1分子ATP，同时从胞内泵出3个Na+，从胞外泵近 2 个 K+2、 Ca2+泵（Ca2+-ATPase）Ca2+泵对机体的重要性不亚于Na+K+泵，Ca2+泵是由多肽构成的跨膜蛋白，分子量 100KDa。

它的运输机制类似于Na+K+-泵，Ca+泵的工作与ATP水解相偶联，每消耗1分子 ATP,可从胞内转出2个Ca2+，并逆。