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生物膜和运输BiomembraneandTransport生物膜[Biomembrane]任何细胞都以一层薄膜（厚4-7nm）将其内含物与环境分开，这层膜称细胞膜(cellmembrane)。内膜系统--组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器所具有的膜。生物膜--细胞结构的基本形式，对细胞内很多生物大分子的有序反应和整个细胞的区域化都提供了必需的结构基础，使各个细胞器和亚细胞结构既各自具有恒定、动态的内环境，又相互联系相互制约，从而使整个细胞活动有条不紊，协调一致地进行。物质运送、能量转换、激素和药物作用、细胞识别、肿瘤发生、细胞重复等都与生物膜有关。生物膜（Biomembrane）生物膜包括细胞（外）膜(plasmamembrance)及细胞内膜(细胞器膜)。生物膜的形成对于生物体能量的贮存及细胞间的通讯起着中心作用。膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。各类膜的电镜横切面照片细胞体纤毛线粒体消化泡内质网分泌泡生物膜的基本功能(1)生物膜是细胞独立空间的界限，并有选择性阻隔效果；(2)生物膜是特定生物功能反应进行的場所；(3)生物膜可探测传递电子信号及化学信号；(4)生物膜控制物质的运输；(5)生物膜是细胞间联系的媒介。膜的生化特性膜不是被动的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度转运特定的有机物和无机离子；能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量；质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件。膜的分子组成生物膜几乎所有的质量都由蛋白质和极性脂质组成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白质和脂类的相对比例因不同的膜而不同，反映着膜生物学作用的广泛性。如神经元的髓鞘主要由脂类构成，表现为一种被动的电子绝缘体；但细菌细胞膜、线粒体膜、叶绿体膜上有许多酶催化的代谢过程发生，含有的蛋白质比脂类要高。生物膜的基本组成•脂质:主要为三类，磷脂、糖脂及固醇类[或甘油磷脂、鞘脂和固醇]。•蛋白质:主要为三类，貫穿性膜蛋白、附着性膜蛋白、附脂质膜蛋白。•糖类：糖类沒有单独以糖分子存在于生物膜上，而是以共价键结合于蛋白质或脂质分子上，以糖蛋白或糖脂出现于生物膜上。脂肪酸碳链的长短及不饱和程度与膜的流动性有关。磷脂分子结构的两性特征：双分子层排列为脂（质）双分子层。生物膜的磷脂生物膜甘油磷脂的结构生物膜中的胆固醇胆固醇的比例动物体的植物体的、质膜细胞器膜胆固醇对膜流动性的两性特点:a.对膜中脂类的物理状态有调节作用；b.在相变温度以上，阻挠脂分子脂酰链的旋转和异构化运动，降低膜的流动性；c.在相变温度以下，阻止磷脂脂酰链的有序排列，防止向凝胶态的转化，保持了膜的流动性，降低其相变温度。胆固醇和鞘脂与磷脂的作用细菌\甘油衍生物植物/动物：是神经鞘氨醇的衍生物磷脂分子间插入胆固醇及相互作用极性头部受胆固醇影响，流动性降低可流动区域含“寡糖”的极性头部脂双层疏水区膜脂的不对称性及多形性脂质分布不对称膜两层电荷数量，流动性的差异与膜蛋白的定向分布与功能有关系具两性溶解度有限a．磷脂加入水中，疏水部分表面积增大、在水-空气界面形成单分子层[极性-水中-“烃”-空气]；b．多量的磷脂分子以微团和双层存在：1.极性-水接触；2.脂酰键靠近使疏水烃部分完全不与水相接触。磷脂分子在水相介质中的几种形式双层微囊单体水单层微团空气膜双分子层的形成不同组织质膜的主要成分髓鞘草履虫谷甾醇麦角固醇豆甾醇鼠肝细胞膜及细胞器膜的脂质类型磷脂的不对称分布--红细胞质膜膜蛋白依与双层脂质之间立体结构位置，分三类:•貫穿性膜蛋白(integralmembraneprotein)：以-螺旋结构貫穿双层脂质，双层脂质区可含有至个氨基酸；可由氨基酸序列预测此种-螺旋结构，例如钠钾泵。•附着性膜蛋白（外周蛋白）(peripheralmembraneprotein)：蛋白质以非共价附于膜脂或貫穿性膜蛋白上。•附脂性膜蛋白（抛锚蛋白）(lipid-anchoredproteins):蛋白质以共价键连于膜脂质的fattyacid或prenylgroup上。外周蛋白和内在蛋白外周蛋白质脂双层表面：静电力、范德华引力或氢键结合易分离，溶于水内在蛋白质靠疏水效应与膜脂结合蛋白质分子上非极性基团的AA侧链与脂双层的疏水部分的疏水相互作用--这些非极性基团之间存在一种相互趋近的作用。分布：埋于脂双层疏水区（水不溶性）、部分嵌在脂双层中、横跨全膜。不同功能的膜含有不同的蛋白质•不同来源膜的蛋白质组成比其脂质组成的变化更大，反映在膜功能的特化上。如视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白—视紫红质；特化较低的红细胞质膜约含20种显著的蛋白质及十几种较少的蛋白质，多数的蛋白质为运输载体，每一种蛋白质运输一种跨膜的溶质。•有些膜蛋白还与一个或多个脂共价结合，后者可能形成一种疏水的稳定体系以保证蛋白质存在于膜上。糖残基细胞质-螺旋细胞外细胞膜血型糖蛋白跨膜嗜盐菌视紫质蛋白：光能→化学能，Mr=26000，235个AA组成，每个跨膜分布的视紫质分子含有7条平行的柱形多肽α-螺旋,垂直于膜平面。血型糖蛋白：跨膜蛋白，131个AA残基，N-C-端较长的亲水片段，N-100个糖残基。糖类与膜蛋白或膜脂结合，分布不对称。糖脂和糖蛋白的寡糖分布在非细胞质的一侧，在内膜上的糖侧向膜系内腔。分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖--蛋白质复合物（又称：细胞外壳）生物膜组成中常见的单糖：半乳糖、甘露糖、岩藻糖（葡萄糖，唾液酸）、半乳糖胺。功能：不清楚，推测与细胞表面行为有关。多糖--细胞表面的天线，在接受外界信息以及细胞间相互识别方面有重要作用。细胞外壳（糖萼）示意图细胞质吸附糖蛋白跨膜糖蛋白双层脂细胞外壳（糖萼）糖残基糖脂膜的超分子结构所有生物膜拥有共同的基本特征：对多数极性分子或带电分子不通透，允许非极性分子通透；约5-8nm厚，横切电镜照片近似三层结构。生物膜分子间作用力的类型•静电力：存在于一切极性的和带电荷基团之间的吸引或排斥。•疏水力：维持膜结构的主要作用力.•范德华引力：使膜中分子尽可能彼此靠近与疏水力相互补充。生物膜分子结构的模型Danielli与Davson三夹板模型，在脂双层的基础上提出，解释蛋白质定位的问题。①两层磷脂分子的脂肪酸烃链伸向膜中心，极性端面向膜两侧水相。②蛋白质分子以单层覆盖两侧，形成蛋白质--脂质--蛋白质的“三明治”或三夹板的结构。DaniellDanielli-Davson模型球蛋白磷脂脂流动镶嵌模型[FluidMosaicModel]生物膜中兼性的膜脂形成一个脂质双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中，球状蛋白以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白则伸出（突出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨越整个膜。蛋白质在脂双分子层中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。流动镶嵌模型[FluidMosaicModel]脂双分子层是基本的结构•脂类与水相共存时会迅速形成一种脂双分子层结构而避开水的作用，生物膜的厚度（电镜测定为5-8nm）是由3nm的脂双分子层和蛋白的厚度决定的，所有证据都支持生物膜由脂双分子层构成。•膜脂对于脂双分子层两面是不对称的，但尽管不对称，也不象蛋白质，膜脂的不对称不是相对的。两性脂在水中形成的聚集体(AmphipathicLipidAggregates)膜脂在不断地流动•脂双层结构的本身是稳定的，但磷脂和固醇分子可在脂质平面内运动，它们的横向运动很快，几秒内可环绕红细胞的一周。双分子层的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋转不断地运动。另外一种运动就是跨双分子层运动，即flip-flop。•膜流动的程度依赖于膜脂的组成及温度，低温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态[类晶体、半晶体]排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。运动性：膜脂、膜蛋白。磷脂:液晶态→类晶态的凝胶状态→液晶态（生理条件）相变温度“溶解”。1.磷脂烃链围绕C-C键旋转而导致异构化运动；2.磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴左右摆动,极性部分--快；甘油骨架--慢脂肪酸烃链--较快3．磷脂分子围绕与膜平面相垂直的轴作旋转运动；4．磷脂分子在膜内作侧向扩散或侧向移动5.磷脂分子在脂双层中作翻转（flip-flop）运动.膜脂的相变磷脂分子运动的几种形式全反式(trans)gauche构型示意A:全反式,B和C:A旋转120。的构型。g+，顺时针旋转，g-逆时针旋转膜脂的运动温度引起侧链热运动脂双层平面的扩散跨膜扩散：“翻跟头”膜蛋白透过或跨过脂双分子层生物膜通过冰冻蚀刻技术处理，电镜下可以观察到一个蛋白或多蛋白复合体的分布情况，一些蛋白质仅存在于膜的一面，另一些则横跨整个膜双分子层，有些穿过膜的另一表面。膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动。红细胞膜上血型糖蛋白的跨膜O-连接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAcN-连接-螺旋膜内[嵌入]蛋白不溶于水膜蛋白可分为两类，外周蛋白[peripheralproteins]和膜内[嵌入]蛋白（integralproteins），前者与膜结合松散，可逆，很容易释放，是水溶性的；后者与膜结合紧密，由膜上释放时要用特别的试剂[去污剂、有机溶剂、变性剂等]，即使嵌入蛋白由膜上释放出来，一旦去除变性剂或去污剂会立即引起蛋白质沉淀（不溶聚积物）析出。外周蛋白和膜内[嵌入]蛋白外周蛋白嵌入（膜内）蛋白去污剂糖蛋白pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白外周蛋白与膜的连接可逆•许多外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲水区域或膜脂的极性头部以静电作用或氢键结合到膜上，通过温度改变、破坏静电、破坏氢键作用[如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH]可被释放出来。•这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物、或控制一些膜蛋白的流动性。膜内（嵌入）蛋白与膜脂通过疏水作用维系在膜中嵌入蛋白通常富含疏水氨基酸区域（可在中间段，也可在氨基端或羧基端），有些可有多个疏水序列，如-螺旋，可横贯整个膜脂双分子层。膜内[嵌入]蛋白（IntegralMembraneProteins)有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。脂连接的膜蛋白磷脂酰肌醇鞘糖脂膜蛋白是不对称的糖蛋白分布的不对称性反映了功能的不对称；许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向，很少发生翻转的情况，即使有，flip-flop也非常慢。蛋白质分布的不对称往往还与组成膜上的泵相关。膜蛋白的运动性膜蛋白的侧向扩散;膜蛋白的旋转扩散,膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白旋转扩散慢于侧向扩散。膜蛋白的侧向扩散又显著慢于膜脂的侧向扩散。膜脂合适的流动性是膜蛋白正常功能表现的必要条件。膜蛋白的扩散运动红细胞膜上氯-碳酸氢盐交换体锚定在膜内结构上阻止在膜上的自由扩散血影（幽灵）蛋白粘连素（蛋白）氯-碳酸氢盐交换蛋白连接复合物(肌动蛋白)嵌入蛋白介导细胞与细胞的相互作用和黏附细胞质膜上的几个嵌入蛋白家族为细胞间以及细胞与间质间的粘连提供了特别位点。整联蛋白以异二聚体的形式锚定在膜上，胞外域提供了胞外蛋白质特别的结合位点，如胶原蛋白和纤连蛋白。至少存在14个不同的亚基和8个不同的亚基，可以产生不同的、结合得到不同的结合位点。细胞与细胞相互作用--四种膜内蛋白质的作用类型配体结合域黏附域免疫球蛋白类结构域凝集素结构域,结合碳水化合物Intrgrin:整联蛋白，Cadherin:钙粘着蛋白，N-CAM:细胞粘着分子，Selectins:选择蛋白。膜融合是许多生物过程的中心事件生物膜一个明显的特征是可以与另一个膜融合而不失去其完