生物膜

生物膜生物的基本结构和功能单位是细胞。

任何细胞都以一层薄膜将其内含物与环境分开。

这层膜称为细胞膜, 有时也叫外周膜。

电镜下呈两暗夹一明的结构。

质膜是细胞壁之内，细胞质外面的一层微膜。

质膜内包裹细胞器的微膜叫内膜，或内膜系统。

从高等动物和人到低等原核生物如支原体都还有细胞膜，且有着相同的基本结构。

生物膜在生物生命过程中起着重要的作用，如在物质输运、能量转换和信息传递等等过程中扮演中重要的角色。

诸如很多生物学中的问题，如神经传导, 能量转换,细胞分化, 细胞免疫, 代谢调控等也与生物膜有关。

目前已经能够用分子运动的观点讨论膜的结构与功能。

而且随着深入的研究，其必对生物学中各个领域的研究起着重要推动作用。

本文依次对其结构功能，研究进展逐步展开介绍。

一，生物膜结构1.生物膜组成成分生物膜的组成成分有三类：（1）膜脂：包括磷脂，类固醇，糖脂等；（2）膜蛋白:包括外周蛋白，内在蛋白和脂锚定蛋白等；（3）膜糖。

（4）此外还有少量的水和无机盐等。

在真核细胞中，膜结构占整个细胞干重的70%～80%。

生物膜由蛋白质、脂类、糖、水和无机离子等组成。

蛋白质约占60%～65%，脂类占25%～40%，糖占5%。

这些组分，尤其是脂类与蛋白质的比例，因不同细胞、细胞器或膜层而相差很大。

功能复杂的膜，其蛋白质含量可达80%，而有的只占20%左右。

需说明的是，由于脂类分子的体积比蛋白质分子的小得多，因此生物膜中的脂类分子的数目总是远多于蛋白质分子的数目。

如在一个含50%蛋白质的膜中，大概脂类分子与蛋白质分子的比为50∶1。

这一比例关系反映到生物膜结构上，就是脂类以双分子层构成生物膜的基本结构，而蛋白质分子则“镶嵌”于其中。

图1，细胞膜的构造1.1膜脂在植物细胞中，构成生物膜的脂类主要是复合脂类(complex lipids)，包括磷脂、糖脂、胆固醇等。

磷脂(phospholipid) 是含磷酸基的复合脂。

在植物细胞膜中重要的磷脂属甘油磷脂，它们是磷脂酰胆碱(又可称作卵磷脂)和磷脂酰乙醇胺(又可称作脑磷脂)。

另外，还有磷脂酰丝氨酸，磷脂酰甘油，磷脂酰肌醇等。

其中磷脂分子结构既有疏水基团，又有亲水基团。

图2，磷脂双分子层结构磷脂分子中有一个极性的“头部”和两个疏水的“尾部”。

磷脂的这种特性使之在生物膜形成中起着独特的作用。

磷脂有磷酸甘油脂和神经鞘磷脂二种。

磷醋酸是以甘油为骨架, 在甘油分子上的三个羟基中, 1位和2位羟基各与一条脂肪酸链相连成酯，3位羟基与磷酸生成酯。

磷醋酸的磷酸基团可以和其他羟基化合物生成酯。

例如卵磷脂, 脑磷脂和丝氨酸磷脂等。

糖脂是指甘油脂中甘油分子上有一个羟基以糖苷键与一分子六碳糖相结合的产物。

它的结构和神经鞘磷脂相似, 也是神经鞘氨醇的衍生物。

例如脑苷脂, 是神经酰氨分子上的羟基和一个单糖残基（多为葡萄糖或半乳糖）相连而成。

神经节苷脂则是一种比较复杂的糖脂, 在神经酰胺分子上的羟基和一个低聚糖相连而成。

目前已知结构的神经节苷脂有12种, 它们通常是一类膜上受体, 许多能作用于细胞膜的活性物质, 如干扰素, 促甲状腺激素等等都是以神经节普脂为受体的, 所以它是一类很重要的膜脂。

胆固醇存在于某些生物膜中, 是一类环戍烷多氢菲的衍生物, 它能够调节生物膜中脂类的物理状态。

还有包括一些硫脂，其糖脂分子中的六碳糖上又带一个硫酸根基团。

糖脂和硫脂也具有极性的“头部”和疏水的“尾部”，这两种脂类在叶绿体膜中特别多，其含量甚至超过了磷脂。

而且膜上的脂类几乎都是两性分子，在水相中可自发地形成脂双层，即脂类分子呈两层排列，亲水的头部处于水相，疏水的尾部朝向中央。

这种自发的排列过程称作脂类的自我装配。

脂双层一旦有破损也能自我闭合。

实验表明：脂双层是流动的，脂类分子能在各自的单分子层内迅速地移动，即横向扩散，而一般不容易“翻转”，即不易从一个单分子层颠转到另一单分子层。

脂双层的自我装配、自我闭合以及具有流动性的三大特点决定了它能成为生物膜理想的基本结构。

膜脂上的脂肪酸有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸之分，不饱和脂肪酸分子有双键，其顺式和反式的互变使不饱和脂肪酸易于弯曲或转动，从而使得膜结构比较松散，具有相对的流动特性。

据科学研究发现，膜脂上的不饱和脂肪酸与植物的抗逆性有很大关系，通常耐寒性强的植物，其膜脂中不饱和脂肪酸含量较高，而且不饱和程度(双键数目越多)也较高，有利于保持膜在低温时的流动性；而抗热性强的植物，其饱和脂肪酸的含量较高，有利于保持膜在高温时的稳定性。

1.2 膜蛋白生物膜中的蛋白质它们或是单纯的蛋白质,或是与糖、脂结合形成的结合蛋白。

根据它们与膜脂相互作用的方式及其在膜中的排列部位，可以大体地将膜蛋白分为两类：外在蛋白与内在蛋白(上图1)。

外在蛋白为水溶性球状蛋白质，通过静电作用及离子键等非共价键与膜脂相连，分布在膜的内外表面。

内在蛋白又叫嵌入蛋白或整合蛋白，其主要特征是水不溶性，分布在脂质双分子层中，有的横跨全膜也称跨膜蛋白,有的全部埋入疏水区，有的与外在蛋白结合以多酶复合体形式与膜脂结合。

最近，又在生物中发现一类新的膜蛋白，叫膜脂蛋白，它们的蛋白部分不直接嵌入膜，而依赖所含的脂肪酸插入脂质双分子层中。

与脂类结合的又称之为脂蛋白，与糖类结合的称之为糖蛋白。

膜蛋白执行着生物膜的主要功能。

不同生物膜所具有的不同生物学功能主要是由于所含膜蛋白的种类和数量的不同。

随着研究工作的不断深入和技术上的进步, 人们发现膜蛋白不是声折盈式构型, 而是β一螺旋的球形结构, 而且在膜的脂双层中心部分也有蛋白质颗拉分布。

还发现这些膜蛋白与生物膜的功能有密切的关系。

近年来, 生物化学研究证明, 各种生物膜所含蛋白质种类和数目是不同的。

一般功能复杂的膜, 其蛋白质含量高, 种类也多。

如参与能量转换的线粒体和叶绿体内膜蛋白质含量较为丰富, 可达75%左右。

大多数细胞膜含有多种酶和受体, 蛋白质含量在50%左右。

而神经细胞膜仅含三种蛋白质, 含量为18%。

据已发现的蛋白质都是球蛋白, 在生理下条件, 大多不溶于水。

在它们的氨基酸排列顺序上表现出一段“非常疏水区域”, 这一区域有的是在蛋白质的N端, 使这段连在膜脂的基质中, 而蛋白质的亲水性一端, 突出在膜的表面。

有的膜蛋白, 它的N端和C端极性较大, 而中间一段却有较多的疏水侧链。

因此, 它的二端突出在膜的表面, 而中间牢固地与膜脂相连，贯穿在膜中。

膜蛋白除了简单蛋白外还有结合蛋自, 如糖蛋白, 糖基通常和蛋白质中的丝氨酸, 苏氨酸或天冬酞胺残基的侧链相连。

在质膜中糖基链突出在膜的外表面,外来的各种刺激首先和糖基接触，然后再传递到膜内。

1.3膜糖生物膜中的糖类主要分布于质膜的外单分子层。

这些糖是不超过15个单糖残基所连接成的具分支的低聚糖链(寡糖链)，它们大多数与膜蛋白共价结合，少部分与膜脂结合，分别形成糖蛋白和糖脂(上图1)。

由于单糖彼此间结合方式、排列顺序、种类、数量以及有无分支等差别，其组合是千变万化的，所形成的寡糖链种类非常多，形成了多种细胞表面特异的图像，细胞之间借此进行互相识别和交换信息。

通常这些糖类是以糖脂或者糖蛋白的形式出现。

1.4水和无机盐生物膜还有少量水和无机盐。

膜上水分部分呈结合状态, 其余为自内水。

水份的存在主要与蛋白质分子的极性基团有序排列有关。

膜上的金属离子气一些膜蛋白和膜脂的结合有关, 对维持生物膜结构的完整性起着重要的作用。

2.生物膜结构模型关于生物膜的结构有许多假说与模型，其中影响较大的，认可度较高的一般都是“流动镶嵌模型”及“板块镶嵌模型”，其模型介绍如下：2.1 流动镶嵌模型“流动镶嵌模型”由辛格尔(S.J. Singer)和尼柯尔森(G. Nicolson)在1972年提出，认为液态的脂质双分子层中镶嵌着可移动的蛋白质，上图1可以看出此模型特点。

内在蛋白嵌合在磷脂分子层中，内在蛋白或其聚合体可横穿膜层，两端极性部分伸向水相，中间疏水部分与脂肪酸部分呈疏水结合，外在蛋白与膜两侧的极性部分结合。

这个模型的主要特点是膜的不对称性和流动性。

不对称性主要是由脂类和蛋白质分布的不对称造成的。

虽然同一种磷脂可见于脂双层的任一层，但它们的数量是不等的。

蛋白质在膜中有的半埋于内分子层，有的半埋于外分子层，即使贯穿全膜的蛋白质也是不对称的。

另外，寡糖链的分布也是不对称的，它们大多分布于外分子层。

膜的流动性包含两个方面，其一是脂类分子是液晶态可动的，脂类分子随温度改变经常处于液晶态和液态的动态平衡之中，两相中脂类分子排列不同，流动性大小也不同。

其二是分布于膜脂双分子层的蛋白质也是流动的，它们可以在脂分子层中侧向扩散，但不能翻转扩散。

这说明了少量膜脂与膜蛋白有相对专一的作用，这种作用是膜蛋白行使功能所必须的。

脂双层的流动性保证了膜能经受一定程度的形变而不致破裂，这可使膜中各种成分按需要调整或组合，使之合理分布，有利于表现膜的多种功能。

更重要的是它允许膜互相融合而不失去膜对通透性的控制，确保膜分子在细胞分裂时均等地分配给子代细胞。

如果膜不具有流动性，则很难想象细胞如何存活、生长和繁殖。

流动镶嵌模型虽得到比较广泛的支持，但仍有很多局限性，如忽视了蛋白质对脂类分子流动性的控制作用和膜各部分流动的不均匀性等问题。

“液体镶嵌模型”是目前公认比较合理的模型，此后人们围绕这一模型进行了更深一步的研究，其重点集中在“流动性”和“不均一性”两个方面。

1973 年,Jost 等的研究发现, 膜蛋白周围的脂质的流动性极低, 他称之为“界面脂”。

这一概念得到Vanderkooi(1975)的进一步完善, 即凡因膜蛋白的存在而受到影响的脂均称为界面脂, 其流动性及膜蛋白的运动状态均可因两者的相互作用而发生变化。

与此同时, Wallach(1975)研究了嵌人蛋白质的多少及界面脂和非界面脂的比例对生物膜特性的影响，提出了“晶格镶嵌”模型。

认为界面脂和蛋白质可形成有序的晶格, 而膜中流动的非界面脂则呈小片的点状分布。

1977年,Jain 和White又在“液态镶嵌”模型和“界面脂”等基础上提出了“板块”模型2.2板块镶嵌模型板块镶嵌模型的观点是由于生物膜脂质可以在环境温度或其它化学成分变化的影响下，或是由于膜中同时存在着不同脂质(脂肪链的长短或不同的饱和度)，或者由于蛋白质和蛋白质、蛋白质和脂质间的相互作用，使膜脂的局部经常处于一种“相变”状态，即一部分脂区表现为从液晶态转变为晶态，而另一部分脂区表现为从晶态转变为液晶态。

因此，整个生物膜可以看成是由不同组织结构、不同大小、不同性质、不同流动性的可移动的“板块”所组成，高度流动性的区域和流动性比较小的区域可以同时存在，随着生理状态和环境条件的改变，这些“板块”之间可以彼此转化。

二，生物膜的主要功能生物膜与生命活动息息相关, 它的结构精细, 功能多样, 在生命活动中承担着种种特殊的使命。