生物膜的结构与功能

磷脂的电荷特性： 极性头由带负电荷的磷酸基与带电或不带电的极性基团组 成，决定整个磷脂的电荷特性。
磷酸基带负电，胆碱季铵盐带正电，.使磷脂酰胆碱在生理pH下呈电中性。 22
生理状态下，磷脂在膜内外分布的不均衡使膜内侧带有额外的负电荷。
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一些磷脂还具有重要的生物学活性
磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸 二酰基甘油
硕士研究生《》
生物膜的结构与功能
2015.10
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生物膜（biomembrane）包括质膜和细胞 内膜，是极性脂与蛋白质组成的片状超分 子复合物，具有独特的结构与功能，是细 胞结构的重要组成部分。
生物膜与生命科学中许多基本 理论问题以及一些亟待解决的 实际问题相关，如细胞起源、 形态发生、细胞分裂、分化、 细胞识别、免疫、物质运输、 信息传递、代谢调控、能量转 换、肿瘤磷脂（sphingophospholipids）：
神经酰胺 ceramide
鞘氨醇 sphingosine
胆碱 Choline
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鞘氨醇-1-磷酸是一种重要的信号脂类分子。
磷脂酰胆碱
鞘磷脂
甘油磷脂和鞘磷脂的脂肪链长度不同， 导致以鞘磷脂为主的双层膜较厚，或 鞘磷脂的疏水长链深入膜脂双分子层 的两个半叶之间，从而显著地增强膜 的刚性和稳定性。
of OSER (adopted from Snapp et al., 2003). (a) The original TEM micrograph (Snapp et al., 2003 Fig. 2 c) matches perfectly to the
天然膜中PC+Sph为常数，年轻组织 . 中PC/Sph>1，老化组织中PC/Sph17<1.
磷脂中的脂肪酰链：
酯酰基含12-26个碳原子； 包含0-5个双键； 双键多为 顺式构型 。
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顺式构型的不饱和脂肪酸导致分子覆盖面积增大
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只有一条酯酰基烃链的溶血磷脂（Lyso-PL）呈圆锥体，可能形成非脂双分子层构 象，进而调节膜的通透性和流动性。
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Glycobiology (2004) 14 (11): 53R-62R.
2 生物膜的化学组成与性质
所有生物膜都具有双亲性，即两侧亲水表面中间 夹着疏水的核心。生物膜的所有组分有规则地排 列以维持这种双亲结构。
生物膜的三种基本组分是：脂类、蛋白质和糖 （以糖脂或糖蛋白的形式存在）。
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的大分子降解为可以利用的小
分子等等。
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事实上，除了生物膜的区隔化之 外，细胞中还有其他的机制使生 理途径在空间上隔离开来。
Spatial distribution of RNA polymerase (RNAP) in Esc.herichia coli. (A) Under fast growth, distinct foci of GFP- 7 labeled RNAP can be seen. (B) Upon rifampicin treatment, RNAP distribution becomes more homogenous. Trends Genet. 2014 Jul;30(7):287-97
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膜系统占细胞干重70-80%
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本章内容
1. 生物膜功能概述 2. 生物膜的化学组成与性质 3. 生物膜的结构 4. 物质跨膜运输 5. 生物膜在能量转换中的功能
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1 生物膜功能概述
1. 区隔化或房室化（compartmentalization） 2. 物质的跨膜运输（transport） 3. 能量转换（energy conversion） 4. 细胞识别（cell recognition）
二酰甘油糖基化产物
神经酰胺糖基化产物
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甘油糖脂
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糖鞘脂
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甘油糖脂
(A) MGDG (monogalactosyl diacylglycerol, 单半乳糖二酰基甘油).
(B) DGDG (digalactosyl diacylglycerol, 双半乳糖二酰基甘油).
(C) SQDG (sulfoquinovosyl diacylglycerol, 6-磺基-D-异鼠李糖二 酰基甘油). 叶绿体被膜和类囊体膜中含量较高。
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1. 区隔化或房室化（compartmentalization）
内膜结构将细胞分隔成若干独 立空间。在每一个膜包裹的空 间聚集着特定种类的生物大分 子，共同完成着某一项特定的 生命活动。
如细胞核主要进行DNA的复
制和转录等；而线粒体主要进
行呼吸作用，提供能量；溶酶
体则负责将一些吸收的或损伤
Fig. 1. Phospholipid hydrolysis by phospholipase A2 (PLA2) into lyso-phospholipids (Lyso-PL) and free fatty acids (FFA). X stands for: choline (phosphatidylcholine, PC); ethanolamine (phosphatidylethanolamine, PE); serine (phosphatidylserine, PS); inositol (phosphatidylinositol, PI), hydrogen (phosphatidic acid, PA). Lyso-PL is precursor of platelet activating factor (PAF).
Biochimie
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Volume 90, Issue 6, June 2008, Pages 947–29756
中性糖鞘脂：半乳糖脑苷脂(galactocerebroside)
脑苷脂是动植物细胞膜重主要的. 鞘脂，一般定为于脂双层的外叶
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酸性糖鞘脂：神经节苷脂(gangliosides, GM) 神经节苷脂是最复杂的膜糖脂，.约占神经细胞质膜总脂的5-10%。 29 一些神经节苷脂还是某些毒素蛋白（破伤风杆菌和霍乱弧菌的外毒素）的受体。
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小结：据估计生物膜中的脂类至少有100种，在不同类型细胞的质膜和细胞内膜 体系中，各种膜脂的组成和含量各不相同。
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2.1.4 膜脂组织的多态性
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液晶相 凝胶相
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温度的变化使脂双层在凝胶态和液晶态之间转换
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六角形相 立方体相 ……
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Identification of cubic membrane morphologies in TEM micrographs. Two examples of the DTC method, applied to TEM images
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European Journal of Pharmacology
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Volume 691, Issues 1–3, 15 September 2012, Pages 1–8
PLA2
Snake presynaptic neurotoxins with phospholipase A2 activity block nerve terminals in an unknown way. Here, we propose that they enter the lumen of synaptic vesicles following endocytosis and hydrolyse phospholipids of the inner leaflet of the membrane. The transmembrane pH gradient drives the translocation of fatty acids to the cytosolic monolayer, leaving lysophospholipids on the lumenal layer. Such vesicles are highly fusogenic and release neurotransmitter upon fusion with the presynaptic membrane, but cannot be retrieved be. cause of the high local concentration of fatt2y1 acids and lysophospholipids, which prevents vesicle neck closure. Trends Biochem Sci. 2000 Jun;25(6):266-
谷固醇(sitosterol)
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麦角固醇(ergosterol)
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类固醇是动植物细胞膜的重要组分，对膜的特性产生显著 影响。一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链 固有的运动型又能增加膜的局部微区的无序性，使膜的流 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（30-40℃）内行使功能。
2.1 膜脂
构成生物膜的脂类有磷脂(phospholipids)、糖脂 (glycolipids)、类固醇(steroids)等。
其中磷脂为主要组分，分布广泛。
磷脂主要是 甘油磷脂和 鞘氨醇磷脂。
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2.1.1 磷脂（phospholipids, PL）
甘油磷脂（phosphoglycerides）：
细胞通过其表面的 特殊受体与胞外信 号物质分子或配体 选择性地相互作用， 触发细胞内一系列 生理生化变化，最 终导致细胞的总体 生物学效应相应改 变，这样的过程称 为细胞识别。
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Fig. 2. Cell surface lectin–carbohydrate interactions. Lectins serve as means of attachment of different kinds of cell as well as viruses to other cells via the surface carbohydrates of the latter. In some cases, cell-surface lectins bind particular glycoproteins (e.g., asialoglycoproteins), whereas in other cases the carbohydrates of cell surface glycoproteins or glycolipids serve as sites of attachment for biologically active molecules that themselves are lectins (e.g. carbohydrate-specific bacterial and plant toxins, or galectins). Based on an original diagram from BioCarbAB (Lund, Sweden).
肉毒杆菌毒素B与双受体结合的结构
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Nat Commun. 2013;4:2058. doi: 10.1038/ncomms3058.
糖鞘脂决定了人的血型
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2.1.3 类固醇（steroids）
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胆固醇(cholesterol) 在动物细胞中占总脂可达50%
带短链的环戊烷多氢菲构成扁平的疏水部分
2. 物质的跨膜运输（transport）
生物膜既要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，又 要维持各区间物质有控制地交流。
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3. 能量转换（energy conversion）
a. 线粒体 c.“能势膜”
b. 叶绿体
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c.“能势膜” 示例
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4. 细胞识别（cell recognition）
C激酶作用途径
可见磷脂酰肌醇 的磷酸化产物在 其中扮演的重要 角色
肌醇-1,4,5-三磷酸
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2.1.2 糖脂（glycolipids）
糖脂与磷脂有几乎完全相同的结构形式，也是二 酰甘油或N-酰基鞘氨醇衍生产物，所不同的是亲 水部分是由一系列单糖残基构成。
膜糖脂分类
甘油糖脂 中性糖鞘脂 酸性糖鞘脂