20第二十章 生物膜

第二十章生物膜
第一节脂双层
一个典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核细胞中）。

膜含有的脂有一共同的特点，它们都是两性分子，含有极性成分和非极性成分。

磷脂和糖鞘脂在一定的条件下可以象肥皂那样形成单层膜或微团，然而在体内这些脂倾向于组装成一个脂双层。

由于磷脂和糖鞘脂含有两条烃链的尾巴，不能很好地包装成微团，却可以精巧地组装成脂双层（下图）。

但并不是所有的两性脂都可以形成脂双层，如胆固醇，其分子中的极性基团－OH 相对于疏水的稠环系统太小了。

在生物膜中，不能形成脂双层的胆固醇和其它脂（大约占整个膜脂的30％）可以稳定地排列在其余70％脂组成的脂双层中。

脂双层内脂分子的疏水尾巴指向双层内部，而它们的亲水头部与每一面的水相接触，磷脂中带正电荷和负电荷的头部基团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性的。

脂双层倾向于闭合形成球形结构，这一特性可以减少脂双层的疏水边界与水相之间的不利的接触。

在实验室里可以合成由脂双层构成的小泡，小泡内是一个水相空间，这样的脂双层结构称为脂质体（liposomes），它相当稳定，并且对许多物质是不通透的。

可以包裹药物分子，将药物带到体内特定组织。

第二节流动镶嵌模型
脂双层形成了所有生物膜的基础，而蛋白质是生物膜的必要成分。

不含蛋白质的脂双层的厚度大约是5～6nm，而典型的生物膜的厚度大约是6～10nm，这是由于存在着镶嵌在膜中或与膜结合的蛋白质的缘故。

1972年，S.Jonathan Singer和Garth L.Nicolson就生物膜的结构提出了流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。

根据这一模型的描述，膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”飘浮在高度流动的脂双层“海”中（下图）。

内在膜蛋白（integral membrane proteins）插入或跨越脂双层，与疏水内部接触。

外周膜蛋白（peripheral membrane proteins）与膜表面松散连接。

生物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白质和脂可以快速地在双层中的每一层内侧向扩散。

尽管现在对原来的流动镶嵌模型中的某些方面作了一些修正和补充，但该模型时至今日仍然是基本正确的。

第三节膜的流动性
流动镶嵌模型最有力的证据之一是L.D.Frye 和Michael A进行的小鼠细胞和人细胞的融合实验（右图），该实验证明了某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向扩散。

他们将小鼠细胞和人的细胞融合形成一个异核体（杂化细胞）。

在融合之前利用可以特异结合在人细胞质膜中某个蛋白的红色荧光标记的抗体标记人细胞，而用可以特异结合在小鼠细胞质膜中某个蛋白的绿色荧光标记的抗体标记小鼠细胞。

这样一来可以通过免疫荧光显微镜观察两种标记的细胞融合后，细胞膜上内在膜蛋白的变化。

大约在融合后40分钟，就观察到细胞表面抗原相互混合的情形。

这一实验表明，至少某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向自由扩散。

第四节物质运输与生物膜
生物膜是从物理角度将活细胞与它周围的环境分开所必要的，而其另一个作用也非常重要，那就是生物膜使细胞生长所需要的水、氧和所有其它营养物质进入细胞内，而将细胞生成的产物（例如激素、某些降解酶和毒素等）输出，以及使一些废物（例如二氧化碳和尿素等）排泄掉。

疏水的、小的、不带电荷的分子可以自由地扩散通过细胞膜，这种不依赖其他蛋白帮助的转运方式称为非介导转运（Nonmediated transport）。

但对大多数带电物质来说，脂双层是一个几乎不可通透的壁垒，需要通过转运蛋白转运，这种转运方式称为介导转运（Nonmediated transport）。

小分子和离子跨膜运输借助于三种类型的内在膜蛋白：通道（channels）蛋白和（膜）孔（pores）蛋白、被动转运蛋白（passive transporters）和主动转运蛋白（active transporters）
孔蛋白和通道蛋白非常象离子载体，为小分子和离子提供一个沿着浓度梯度迁移的途径，该迁移过程不需要能量，是通过这些蛋白而不是通过脂双层扩散
被动转运不需要能量驱动，被动转运也称为易化扩散（facilitated diffusion）。

转运蛋白的作用是加快反应的平衡，如果没有转运蛋白，单靠扩散达到平衡非常慢。

红细胞主要依赖于葡萄糖作为能源。

D-葡萄糖从血液（葡萄糖浓度大约为5mM）通过被动转运，经葡萄糖转运蛋白沿着葡萄糖浓度梯度降低方向进入红细胞内。

葡萄糖首先与转运蛋白的面向外构象结合，然后当转运蛋白构象改变时，葡萄糖跨过
脂双层。

在面向细胞质一侧，葡萄糖脱离转运蛋白，进入细胞质，而转运蛋白又改变为起始的构象。

被动和主动转运蛋白与通道蛋白和孔蛋白不同，转运蛋白通常能特异地结合某些分子或结构上类似的分子的基团并进行跨膜转运。

最简单的一类转运蛋白执行单向转运（uniport），即它们只携带一种类型的溶质跨膜转运。

而许多转运蛋白可进行两种溶质的同一方向的同向转运（symport）或协同转运（cotransport）。

被动转运是溶质沿着浓度梯度降低方向转运，不需要能量；与被动转运相反，主动转运可以逆浓度梯度转运，但需要能量。

主动转运可以利用不同形式的能源。

常用的是ATP，离子转运ATP酶（ion-transporting ATPase）是一大类ATP驱动离子转运蛋白，几乎存在于所有细胞器官。

其中包括Na+-K+ ATP酶和Ca2+ ATP 酶，它们在制造和维持跨质膜和细胞内器官的离子浓度梯度中起着必要的作用。

光是某些主动转运的能源，例如细菌视紫红质将光能转化为化学能的过程。

原发主动转运直接由ATP、光或电子传递驱动的，而第二级主动转运是靠离子浓度驱动的。

在大多数情况下，原发主动转运常用来在第二个溶质中制造一个梯度。

例如在ATP的驱动下将第一种溶质逆浓度梯度转运，结果形成的第一种溶质浓度梯度贮存的能量又能驱动第二种溶质的逆浓度梯度转运
第五节胞吞与胞吐
原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。

在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。

原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。

在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。

胞吞和胞吐都涉及到一种特殊的脂囊泡的形成。

蛋白质和某些其它的大的物质被质膜吞入并带入细胞内（以脂囊泡形式）。

受体介导的胞吞开始是大分子与细胞的质膜上的受体蛋白结合，然后膜凹陷，形成一个含有要输入的大分子的脂囊泡，也称为内吞囊泡，出现在细胞内。

出现在胞内的囊泡。