12+生物膜的组成及结构
12 生物膜的组成及结构
2 膜蛋白(membrane proteins)
膜的特定功能由特定的膜蛋白执行，膜脂对维持膜蛋白的构象 有重要作用。根据膜蛋白与脂质分子的结合方式和分离的 难易程度分为外周蛋白和内在蛋白。
膜 蛋 白 与 磷 脂 双 分 子 层 结 合 的 几 种 方 式
①外周蛋白(peripheral or extrinsic proteins) 外周蛋白约占膜蛋白总量的20％~30％，为水 溶性蛋白。 外周蛋白以静电作用或离子键等较弱的键与膜 表面结合。提高离子强度、pH或温度就可将 其从质膜上分离下来，而不破坏膜结构。 外周蛋白常以共价结合的脂酰基(如棕榈酰、豆 蔻酰)、异戊烯基(如牻牛儿基、法尼基)或糖 肌醇磷脂酰基，插入膜脂双层，也称为膜锚 蛋白(membrane anchoring protein)。
鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、(神经)鞘氨醇、 二氢(神经)鞘氨醇及脂肪酸。
鞘氨醇
N－脂酰鞘氨醇 )鞘磷脂
烃基链
极性
类固醇
鞘氨醇是一个有18个碳的氨基 二醇，已发现的鞘氨醇类有 几十种，它们的碳原子和羟 基数目均有变化。
鞘氨醇的氨基与一长链脂肪 酸(C16～C26)的酰基形成具 有两个非极性尾部的化合 物，称为神经酰胺 (ceramide)。
生物膜的组成和性质
生物膜是细胞质膜(cytomembrane)和细胞 内膜系统(endomembrane system)的总称。 生物膜是由极性脂和蛋白质组成的超分子复 合物，是构成细胞结构最基本的组分。生 物膜系统不仅是维持细胞内环境相对稳定 的有高度选择性的半透性屏障，而且直接 参与物质转运、能量转换、信息传递、细 胞识别等重要的生命活动。
不饱和脂肪酸分子中双键由于顺式和反式的互 变，使不饱和脂肪酸易于弯曲或转动，使膜 结构比较松散而不僵硬。 磷脂中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸对维持膜 的稳定性有重要作用，膜脂中不饱和脂肪酸 含量较多，且不饱和脂肪酸中双键数目较多 时，可保持膜在低温下流动性；而饱和脂肪 酸的含量较高时，有利于细胞质膜在高温下 的稳定性。如耐寒性强的植物与抗热性强的 植物膜脂成分不同。
生物膜的结构和功能
生物膜的结构和功能生物膜是一种存在于生物界各类生物体表面或内部的具有特殊结构和功能的薄膜状结构。
它由生物体的细胞膜组成，包括生物大分子和非生物分子。
通过细胞间的相互作用，生物膜维持生物体的完整性，同时参与到许多重要的生物过程中。
本文将从生物膜的结构和功能两个方面进行阐述。
一、生物膜的结构1. 膜脂质层生物膜中最基本的组成部分是膜脂质层。
膜脂质层主要由磷脂、甘油脂和类固醇等有机物组成。
磷脂是膜脂质层中含量最高的成分，它由两个疏水性脂肪酸和一个亲水性磷酸甘油醇通过酯键结合形成。
甘油脂是由甘油和脂肪酸通过酯键结合形成的；而类固醇则存在于膜脂质层内部，起到增强膜的稳定性和流动性的作用。
2. 蛋白质组分生物膜中的其他重要组成部分是蛋白质。
膜脂质层与蛋白质相互作用，两者之间形成了复杂的网络结构。
蛋白质在生物膜中有许多重要的功能，如通道蛋白质负责物质的运输，受体蛋白质用于信号传导，酶蛋白质用于催化反应。
此外，膜蛋白还起到了维持生物膜结构的稳定性和保护功能。
3. 糖类组分糖类是生物膜的另一个重要组成部分。
它们通过与蛋白质和脂质相互作用，形成糖蛋白和糖脂复合物，这些复合物参与了细胞间的相互识别和信号传导。
糖类还能起到保护细胞膜的作用，增强细胞膜的稳定性。
二、生物膜的功能1. 细胞辨识和相互识别生物膜上的特定糖蛋白和糖脂能够识别特定的配体或信号分子，从而实现细胞间的辨识和相互识别。
这种相互作用在细胞信号传导、免疫识别和受精过程中起到重要的作用。
2. 物质运输生物膜中的通道蛋白质可以选择性地允许特定离子或分子通过，从而实现物质的运输。
这种运输过程对细胞内外物质的平衡和代谢活动至关重要。
3. 生物反应的催化和调控生物膜中的酶蛋白质能够催化生物反应的进行，从而参与到细胞代谢和能量转化过程中。
膜蛋白还能够通过信号传导调控细胞内外的生物反应。
4. 细胞结构和稳定性的维持生物膜具有良好的柔韧性和可塑性，可以适应细胞形态的变化。
生物膜的化学组成和分子结构
还含有蛋白质,故提出了片层结
蛋 白
构模型.
质
脂 双 分 子
层
“蛋白质---脂类---蛋白质”三夹板结构
（球状） （双分子层）（球状）
（二）单位膜模型
1959年, Robertson 利用电子显微镜观察，发现 所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故而把“两暗
一明”的结构模型称为单位膜模型。
此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈ß折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）
部 （ 亲
脂
磷脂酰丝氨酸
水 性
鞘磷脂
）
非
极
性
尾
鞘
部 （
胺
疏
醇
水
性
）
2、糖脂
糖脂与鞘磷脂相似， 只是头部不同。 常见糖脂：脑苷脂； 神经节苷脂
鞘 胺 醇
半乳糖苷脂
糖脂分子
3、胆固醇
极 性 头 部固
醇
环
结
构
非
极
性
尾
部
（二）膜蛋白
内在膜蛋白（70%～80%） 外在膜蛋白（20% ～30%）
1、内在膜蛋白
※膜功能的承担者； ※双亲性分子，可以不同程度地嵌入脂双分子层：
（1）贯穿脂双层，两端露出膜内外——跨膜蛋白
①单次穿膜
②多次穿膜
（2）一端嵌入膜层内，另一端露出膜外——半嵌入蛋白
内在膜蛋白具有双亲性，其亲水区域暴露在膜的一侧或
两侧表面与水相吸，它们的疏水区域嵌入膜内，与脂类分子疏
水尾部通过疏水键结合，不易分离提纯。
∵ 磷脂酰丝氨酸带有负电荷，∴细胞膜内层负电荷多于外层。
第二：胆固醇
因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。
生物膜的组成及结构
生物膜的组成及结构生物膜，也被称为细胞膜或质膜，是生物体中广泛存在的一种结构，它包围并保护细胞，维持细胞内外的相对稳定的环境。
生物膜的组成及结构是由多种分子组成的复杂系统，在细胞中充当了很多重要的功能。
生物膜的主要组成成分是脂质和蛋白质。
脂质是生物膜最主要的构成分子，其中最常见的是磷脂类。
磷脂是由两个亲水性的羟基酸甘油与一个疏水性的脂肪酸酯通过酯化反应结合而成的。
除了疏水的脂肪酸尾部外，磷脂的羟基酸甘油部分含有一个亲水性较高的磷酸基团，这使得磷脂能够在水中形成亲水性的头部和疏水性的尾部结构，并以双层脂质是使生物膜形成的一种关键结构。
双层磷脂结构中，两层磷脂的疏水性尾部靠近，而亲水性头部面向水相。
这种结构可以形成一个不透水的屏障，使细胞内外的环境得以分隔。
除了脂质，生物膜还包含有大量的蛋白质。
蛋白质在生物膜中有多种功能，包括细胞识别、转运和信号传递等等。
蛋白质可以通过多种方式与生物膜相互作用，其中最常见的是通过与脂质互作用。
许多蛋白质通过其氨基酸序列中疏水性的部分与生物膜中的疏水性尾部相互作用，这使得蛋白质能够嵌入到生物膜中。
其他蛋白质则通过与磷脂头部的电荷相互作用或与其他蛋白质相互作用与生物膜相连。
除了脂质和蛋白质，生物膜还包含有其他成分，如糖脂和胆固醇。
糖脂是磷脂的一种变种，其磷酸基团上附加有糖类分子。
糖脂在细胞信号传导和细胞识别中起到重要的作用。
胆固醇是一种类似于脂肪的分子，它可以插入到生物膜的磷脂双层中，并增加生物膜的稳定性。
胆固醇还可以影响膜中脂质和蛋白质的动态行为，调节细胞中许多重要的生物过程。
生物膜的结构是一个动态的系统，其形状和组成可以根据环境和细胞的需要而改变。
生物膜的双层磷脂结构可以自我修复，并具有流动性。
这种流动性允许生物膜中的分子相互移动和相互作用。
这对于保持细胞内外环境的稳定性非常重要。
生物膜还可以通过脂质的氧化和酶的作用调节细胞内外溶质的通透性。
通过蛋白质通道和蛋白质泵，生物膜能够控制离子和小分子的通量。
生物膜的化学组成和结构
生物膜的化学组成和结构生物膜是一种复杂的结构，由多种生物大分子组成，包括脂质、蛋白质和碳水化合物等。
它在细胞内外表面形成，起着保护细胞、调节物质交换和维持细胞内稳定环境的重要作用。
生物膜的化学组成主要包括脂质、蛋白质和碳水化合物三大类。
脂质是生物膜的主要组成成分，其中磷脂是最常见的一类。
磷脂分子由疏水的脂肪酸烃链和亲水的磷酸基组成，通过疏水相互作用形成双分子层结构。
磷脂的两个脂肪酸链可以是饱和的或不饱和的，而磷酸基则可以与其他分子结合形成不同的磷脂类别。
脂质还包括胆固醇等类固醇化合物，它们在维持生物膜的流动性和稳定性方面起到重要作用。
蛋白质是生物膜的另一个重要组分，它们可以嵌入到脂质双分子层中或与其相互作用。
蛋白质在生物膜中具有多种功能，包括运输物质、传递信号和维持细胞的结构完整性等。
根据其位置和功能的不同，蛋白质可以分为跨膜蛋白质、外周蛋白质和锚定蛋白质等。
跨膜蛋白质穿越整个膜双分子层，它们的氨基酸序列中包含疏水性的氨基酸残基，与疏水性的脂质相互作用。
外周蛋白质则与膜的一侧或两侧相互作用，可以通过离子键、氢键或范德华力等与脂质或其他蛋白质结合。
锚定蛋白质通过共价键与脂质结合，使其与生物膜紧密连接。
碳水化合物是生物膜的第三类重要组分，它们主要以糖链的形式存在于膜的外侧。
糖链可以与蛋白质或脂质结合，形成糖蛋白和糖脂等复合物。
这些糖链在细胞识别、信号传导和免疫应答等过程中起着重要作用。
糖链的长度和结构可以通过调节酶的活性来调控，从而影响细胞与外界环境的相互作用。
生物膜的结构是由这些化学组分相互作用形成的。
脂质双分子层是生物膜的基本结构，它使得细胞内外的环境得以分离。
蛋白质和碳水化合物则与脂质相互作用，使生物膜具有更多的功能和特性。
蛋白质可以通过各种方式与脂质结合，形成不同的结构和功能。
碳水化合物的存在使得生物膜表面带有电荷，从而影响细胞与其他细胞或环境的相互作用。
生物膜的化学组成和结构十分复杂多样，脂质、蛋白质和碳水化合物等多种生物大分子相互作用形成了生物膜的基本单位。
生物膜
总 脂 量 鞘 磷 脂
磷 脂 酰 胆 碱
膜外层
生物膜的内层和外层 具有不同的脂组成。 具有不同的脂组成。
磷 脂 酰 丝 氨 酸
磷 脂 膜内层 酰 乙 醇 胺膜内层（二）膜分子结构的流动性
膜的流动性主要是指膜脂及膜蛋白流动性。 膜的流动性主要是指膜脂及膜蛋白流动性。 膜脂及膜蛋白流动性 合适的流动性对生物膜表现其正常功能十 分重要. 分重要.
简单扩散（ 简单扩散（Simple diffusion）：没有电荷或水 ） 溶性的小分子 小分子（ 乙醇） 溶性的小分子（水、氧、CO2、乙醇）以自由 扩散的方式从浓度高的膜一侧进入低的一侧 的方式从浓度高的膜一侧进入低的一侧； 扩散的方式从浓度高的膜一侧进入低的一侧； 不需要能量供应，也没有膜蛋白的协助膜。 不需要能量供应，也没有膜蛋白的协助膜。 协助扩散（ 协助扩散（Facilitated diffusion）：与简单扩 ） 散类似，但有膜蛋白的协助， 散类似，但有膜蛋白的协助，特异性较强 离子通道（ ）：通道蛋白 离子通道（Ionic channel）：通道蛋白形成有选择性开 ）：通道蛋白形成有选择性开 关的跨膜通道，这个通道一般与离子的转运有关， 关的跨膜通道，这个通道一般与离子的转运有关，称 离子通道
鞘磷脂
H H O CH3 CH3C-(CH2)12-C C- C- C- CH2-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3 H OH N-H N鞘氨醇 OCH3 O C 胆碱鞘磷脂 R1
鞘氨醇作骨架 分子中有亲水的磷酸化的头部（胆碱或乙醇胺） 分子中有亲水的磷酸化的头部（胆碱或乙醇胺）和 疏水的两个碳氢链，其中一条来自鞘氨醇， 疏水的两个碳氢链，其中一条来自鞘氨醇，另一条 来自脂肪酸。 来自脂肪酸。 脂肪酸以酰胺键连在鞘氨醇上。 脂肪酸以酰胺键连在鞘氨醇上。
生物膜的结构
生物膜的结构生物膜是指由脂质和蛋白质组成的细胞表面的透明薄膜。
它起到了保护细胞，调节细胞及其内外环境之间的定向交换作用，是保护细胞结构和功能的重要组成部分。
生物膜由一系列反应和蛋白质、脂质组成的组成单位组成，构成生物膜的基本结构。
生物膜由三种基本元素，即蛋白质、脂质和糖质组成。
蛋白质占绝大多数，可以分为两大类：外分子性蛋白质和内分子性蛋白质。
外分子性蛋白质包括外糖蛋白、外糖原和细胞外碳水化合物；内分子性蛋白质包括激酶、内糖蛋白、膜特异蛋白、受体蛋白、核酸结合蛋白和其他蛋白质。
脂质包括多糖脂、多肽脂和多芳香脂，其中多糖脂最多，如磷脂，脂多糖，表皮糖等。
糖质是一类生物膜的组成成分，由多种糖类构成，重要的有糖原和肽基糖类等。
生物膜的结构具有多层特性，分为海绵结构和单分子结构两种。
海绵结构是由脂质分子、蛋白质分子和糖质分子层层叠加构成的复合物，其外层由脂质分子和糖质分子组成，由此构成了完整的海绵结构；内层由大量蛋白质分子与脂质或糖质分子在空间位置上互相连接，形成一种独特的大分子网络。
单分子结构是一种重复、多样化的结构，它是由多肽链结合形成的三维结构，有足够的空间可以调控分子的空间结构，以及它们之间的结合力。
生物膜的结构对于细胞的功能具有重要意义。
它可以保护细胞，维持细胞的稳定性；调节细胞和环境之间的物质交换，控制外源物质和营养物质的进入和排出；维持细胞功能，有助于细胞外物质被调控，进而影响细胞内激酶、受体、细胞析蛋白等重要蛋白质的功能。
另外，生物膜结构也可以分析病毒的结构和功能，以及相关的分子活性和信号转导作用。
总的来说，生物膜的结构是细胞结构和功能的重要部分，它可以保护细胞，使细胞能够正常运作，并调节细胞与环境之间的定向交换，影响细胞功能和其他生物学过程。
因此，对生物膜结构的研究具有重要意义，可以为进一步深入理解细胞的结构和功能提供重要结论。
生物膜的结构与功能
06
CATALOGUE
生物膜的应用与展望
生物膜在医学领域的应用
药物传递
生物膜作为药物载体，可以实现药物的定向传递和缓释，提高治 疗效果和降低副作用。
组织工程
生物膜可作为组织工程中的支架材料，为细胞提供生长和分化的 三维环境，促进组织再生和修复。
人工器官
利用生物膜材料可以构建人工器官，如人工血管、人工心脏瓣膜 等，用于替代或辅助病变器官的功能。
03
CATALOGUE
生物膜的功能
物质运输功能
01
选择性吸收
生物膜可以选择性地吸收对细胞 有益的营养物质，如葡萄糖、氨 基酸等。
02
03
排斥有害物质
物质转运
生物膜能够阻止对细胞有害的物 质进入，如毒素、重金属离子等 。
通过膜蛋白的介导，生物膜可以 实现各种离子、小分子和大分子 的跨膜转运。
信息传递功能
细胞壁
位于植物细胞的最外层，对细胞具有支持和保护的作用；细胞壁由纤维素和果 胶构成，使相邻细胞彼此连合，形成统一整体。
细胞核与细胞器膜
细胞核
真核细胞的细胞核包括核膜、核仁和染色质等结构，是遗传信息库，也是细胞代谢和遗传的控制中心 。
细胞器膜
包括内质网膜、高尔基体膜、线粒体膜、叶绿体膜等，这些生物膜将细胞内各种细胞器分隔开，使得 细胞内能够同时进行多种化学反应，而不会相互干扰，保证了细胞生命活动高效、有序地进行。
生物膜在生物工程领域的应用
生物分离
生物膜具有选择性透过 性，可用于生物分离过 程，如血液透析、超滤 等，实现生物大分子和 细胞的分离纯化。
酶固定化
将酶固定在生物膜上， 可以提高酶的稳定性、 重复利用性和催化效率 ，广泛应用于生物工程 中的催化反应。
生物膜的结构与功能
生物膜的结构与功能生物膜是生物体内普遍存在的一种特殊结构，它在细胞内外表面形成一层包裹，并承担着多种重要的生物功能。
生物膜的结构与功能对于生命体的正常运作和生物学过程的发生起着至关重要的作用，下面将对生物膜的结构与功能进行探讨。
一、生物膜的结构生物膜的结构主要由脂质双层、蛋白质以及其他生物大分子组成。
1. 脂质双层脂质分子是构成生物膜的基本成分之一。
生物膜的脂质双层由两层疏水性的脂质分子排列形成，脂质分子的亲水性头部朝向胞浆的内部和外部环境，而疏水性烃尾则面对面相互靠拢，形成稳定的屏障状结构。
2. 蛋白质蛋白质是生物膜的另一个重要组成部分。
它们通过嵌入在脂质双层中或者与脂质双层的头部相连接，参与了许多生物膜的关键功能。
蛋白质在生物膜中扮演着多种角色，如通道蛋白、受体蛋白、酶等，通过这些功能性蛋白质，生物膜能够实现信号传导和物质运输等重要功能。
3. 其他生物大分子除了脂质和蛋白质外，生物膜还含有其他生物大分子，如碳水化合物和核酸。
这些分子通过与脂质双层和蛋白质的相互作用，共同参与了生物膜的结构和功能。
二、生物膜的功能生物膜具有多种重要的生物学功能，下面将着重介绍其中的几个关键功能。
1. 分隔与保护作为生物体内外表面的屏障，生物膜具有分隔细胞内外环境的作用。
它能够控制物质和能量的交换，起到一定程度上的保护作用，维护细胞内环境的稳定性。
2. 选择性通透性生物膜具有选择性通透性，可以选择性地允许物质的通过，实现细胞内外物质交换和调节。
这是通过脂质双层和蛋白质通道等结构的协同作用实现的。
3. 信号传导生物膜上的蛋白质和其他生物大分子参与了众多信号传导的过程。
它们能够感知外界刺激，并将信号传递到细胞内部，触发相应的生物学反应。
4. 细胞黏附和识别生物膜上的蛋白质和碳水化合物参与了细胞间的黏附和识别。
这对于细胞结构的建立、细胞间相互的识别以及组织器官的形成和功能的实现起着重要作用。
5. 膜转运生物膜通过蛋白质通道和膜转运蛋白等结构，实现物质的跨膜转运。
生物膜的组成与结构
第二节 生物膜结构的特点
生物膜中分子间的作用力 静电力、疏水作用、范德华引力 生物膜结构的主要特征 膜组分的不对称分布 膜脂和膜蛋白的流动性 生物膜分子结构模型 “流体镶嵌”模型
占总量的百分比
50
25
50
25
外层
内层
膜脂总量
鞘磷脂
磷脂酰胆碱
磷脂酰丝氨酸
磷脂酰乙醇胺
蛋白质的分布也是不对称的。不对称导致膜两侧的电荷和流动性等的差异。
人红细胞膜主要磷脂在脂双层的两侧分布
生物膜的流动性
侧向扩散
翻转扩散
摆动 、扭动
（2）膜脂分子运动的几种方式
发红光碱性蕊香红标记的人细胞膜蛋白抗体
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通过细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图
单击此处添加小标题
发绿光荧光素标记的小鼠细胞膜蛋白抗体
单击此处添加小标题
侧向运动
单击此处添加小标题
化学组成
膜脂(lipid) 所有生物膜主要由蛋白质、脂质和糖类组成，还含有少量的金属离子和水。 磷脂、少量糖脂和胆固醇的总称，其中以磷脂为主要成分。
磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂的脂肪酸链，是优良的两亲性分子
非极性端
极性端
甘油磷酯（主要形式）
以甘油为骨架，甘油中第1，2位碳原子的两个羟基分别与两个脂肪酸生成酯，第3位碳原子的羟基则与磷酸生成酯。
脂质结构的测定
膜周边蛋白质（peripheral protein）
这类蛋白质约占膜蛋白的20－30%，分布于双层脂膜的外表层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。 膜周边蛋白质与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来（改变离子强度、加入金属螯合剂）。 膜周边蛋白质能溶解于水。
生物膜的结构与功能解析
生物膜的结构与功能解析生物膜是生物体内最基本的结构之一。
它不仅包覆了细胞，保护细胞内部结构和功能，而且在细胞间信号传递和分子交换等过程中也扮演着重要角色。
生物膜不是简单的膜片结构，而是一个由众多不同类型膜蛋白、磷脂、糖蛋白、胆固醇、脂肪酸等成分组成的复杂体系。
本文将从结构和功能两个方面对生物膜进行详细解析。
一、生物膜的结构1.膜蛋白膜蛋白是生物膜中最主要的组成部分，它是贯穿整个膜的大分子蛋白质，可以分为外周蛋白和内在蛋白。
其中，外周蛋白处于膜表面，可以与其他细胞或者膜内的其他蛋白质结合，内在蛋白则是与细胞膜的骨架以及其他细胞器相连，起到支撑细胞膜的作用。
2.磷脂磷脂是生物膜的主要组成成分之一，可分为磷酰胆碱、磷酰肌酸、磷酰丝氨酸等类型。
在细胞膜中，磷脂分子常呈现为双层排列，通过磷脂间的静电相互作用与范德华力进行吸引。
磷脂不仅可以维护膜的稳定性，还在细胞信号传递和交换物质的过程中起到关键作用。
3.糖蛋白糖蛋白是一种膜上的糖酵素分子，它的结构包括糖基、蛋白质骨架、脂肪酸等成分。
糖基在糖蛋白分子上是不断变化的，这种变化被称为糖基异构化，对于细胞识别和免疫反应等方面都有着重要作用。
4.胆固醇胆固醇在生物膜中是一个重要的结构组分，它可以与磷脂形成相互作用，强化生物膜的稳定性和可渗透性。
胆固醇还可以作为细胞信号分子，调节许多细胞功能的进行。
二、生物膜的功能1.细胞保护生物膜的结构和组分保护着细胞的内部结构和功能，保持细胞与环境之间的稳态平衡。
生物膜在细胞的移动、生殖和发育等过程中也发挥着重要作用。
2.交换物质生物膜不仅能防止有害的物质和微生物通过，还能保护一些有益物质的通过。
生物膜通过各种不同的细胞膜通道和运输蛋白，将必需物质如氧气、营养物质等传递到细胞内，同时将废物排除。
3.信号传递细胞膜上有许多不同的受体蛋白，通过与紧贴的细胞外信号分子结合，激活内在的信号传递通路，调节细胞的基因表达和生理功能。
这种通过多种受体体系控制细胞功能的过程被称为信号网络。
生物膜的组成和功能
生物膜的组成和功能是生物学领域中的一个研究热点。
生物膜是细胞表面的一层特殊结构，由脂质、蛋白质等分子组成，具有多种功能，如维持细胞结构、允许分子通过、参与信号传导和细胞间相互作用等。
本文将介绍。
一、生物膜的组成1、磷脂双层磷脂双层是生物膜最主要的组成成分之一，由两层磷脂分子排列而成。
每层磷脂分子由磷酸基团和两个亲水性（亲水的）的头部和两个疏水性（疏水的）的尾部组成。
在水中，磷脂分子的头部被水包围，而尾部则互相聚集在一起，形成一个双层结构。
磷脂双层可以形成一个隔绝内外环境的屏障，使细胞内的分子保持在一定的浓度和环境中。
2、膜蛋白膜蛋白是与磷脂分子在膜上相互作用的另一种分子组成成分。
膜蛋白可以穿过磷脂双层，有些称为跨膜蛋白，有些只与磷脂双层的表面结合。
膜蛋白包括许多种类，如通道蛋白、载体蛋白、酶等，负责让分子通过、传递信息和维持细胞生命活动等多种功能。
其中，跨膜离子通道蛋白可以调节细胞内外的离子平衡，是许多药物作用的目标蛋白。
3、糖脂质糖脂质是指糖基和脂质基结合而成的分子，广泛存在于生物膜上。
糖脂质的存在可使细胞识别相邻细胞和对细胞进行信号传递。
此外，某些糖脂质还可以通过调节膜物理性质和参与细胞黏附、肿瘤转移等生理生化反应。
二、生物膜的功能1、物质传输生物膜作为细胞内外环境的隔离层，起到控制物质穿过膜的作用。
磷脂双层上的膜蛋白可以使分子穿过膜，如通道蛋白和运载体蛋白，或作为膜上酶参与物质的传输。
例如，葡萄糖运载体蛋白负责将葡萄糖转移入细胞，ATP酶则参与细胞内外ATP的转移。
2、信号转导生物膜上的膜蛋白可以用以传递信号。
当外界存在刺激时，如激素、荷尔蒙、神经递质等物质结合膜蛋白，改变了蛋白质的结构，引起细胞内相关信号通路的激活。
这一过程促进细胞内或细胞间的信息交流，协同调节不同细胞的功能。
3、细胞黏附和移动生物膜上的糖脂质和膜蛋白可以调节细胞间的相互作用和细胞与外界物质的接触，使细胞间形成黏着物质如基底膜和间质。
生物膜结构和功能
生物膜结构和功能
生物膜是由微生物细胞、细胞外基质和附着在基质上的其他微生物组成的复杂结构。
它通常存在于各种水体和土壤中，如水体中的生物膜可以在水表面形成一层薄膜，也可以附着在水下物体表面形成一层薄膜。
生物膜的形成是微生物生长、繁殖和代谢的结果。
生物膜的结构包括三个层次：
1.外层：是由微生物细胞、细胞外基质和附着在基质上的其他微生物组成的。
2.中层：是由细胞外基质、基质蛋白和基质糖组成的。
3.内层：是由基质、基质蛋白和基质糖组成的。
生物膜的功能包括：
1.提供微生物生长和繁殖的环境：生物膜提供了微生物生长和繁殖所需的营养物质和生存空间。
2.保护微生物免受外部环境的影响：生物膜的外层可以防止微生物受到外部环境的影响，如紫外线辐射和氧化剂的伤害。
3.参与微生物的代谢和物质交换：生物膜中的微生物细胞可以通过细胞外基质和基质蛋白进行物质交换，参与微生物的代谢和物质合成。
4.参与污染物的去除：生物膜可以通过吸附、生物降解和生物转化等方式参与污染物的去除和降解。
总之，生物膜是微生物生长和繁殖的复杂结构，具有保护微生物、参与微生物代谢和物质交换以及参与污染物的去除等多种功能。
生物膜的结构与功能
生物膜的结构与功能生物膜是由生物体上的一层细胞膜、细菌膜、红细胞膜等组成的薄膜结构。
生物膜可分为单层和多层两种，具有很多重要的生物学功能，如物质转运、信号识别和能量产生等。
本文将详细介绍生物膜的结构与功能。
一、生物膜的结构1. 生物膜的化学组成生物膜主要由磷脂、蛋白质和碳水化合物等分子组成。
其中，磷脂是生物膜的基础结构，其主要成分为磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇、磷脂酸等。
蛋白质则主要分布在生物膜表面，负责物质的转运、信号转导等生物学过程。
碳水化合物在生物膜中扮演了重要的角色，如细胞黏附、免疫识别等。
2. 生物膜的物理结构生物膜分为内层和外层两个部分。
内层是一层由磷脂组成的双层膜结构，外层则由蛋白质、碳水化合物和其他分子组成的一系列复杂结构构成。
内外两层通过蛋白质和其它分子相互作用而紧密结合在一起。
另外，生物膜中的磷脂分子具有两性，即在水溶液中有亲水和疏水之分。
这种“两性”结构使得磷脂分子在生物膜中能够构成双层排列的结构。
磷脂双层中的疏水分子朝向内层，而亲水分子则与周围的水分子相互作用，紧密地包裹在生物膜的外部。
3. 生物膜的主要类型生物膜的类型根据其化学成分和结构特点可以分为细胞膜、细菌膜、红细胞膜等。
其中，细胞膜是包裹在细胞外表面的一层薄膜结构，具有非常重要的功能，负责细胞内外物质的转运和信号传递等。
细菌膜则是细菌外层的保护层，其结构和功能特点与细胞膜有所不同。
与此类似，红细胞膜不仅起到保护细胞的作用，还承担了运输氧气和二氧化碳的重要任务。
二、生物膜的功能1. 物质转运生物膜通过其疏水和亲水区域分别对不同类型的物质进行筛选和转运。
疏水层可以筛选自带电荷、分子量大、脂溶性等条件的分子，而亲水层则对带正负电的离子、水分子和其他亲水分子进行筛选。
通过这种方式，生物膜能够对物质进行高效、选择性的转运，保证细胞内外环境的平衡和正常代谢的进行。
2. 信号识别生物膜中的多种蛋白质在其表面有特定的生物学信号结构，包括糖苷酶、激酶、酪氨酸和肽酶等。
第四章_生物膜的组成与结构
磷脂（ pholipids） 磷脂（Glycerophos pholipids）是构成生物 膜的基质，为生物膜主要成分。 膜的基质，为生物膜主要成分。包括甘油磷 脂和鞘磷脂，在生物膜中呈双分子排列， 脂和鞘磷脂，在生物膜中呈双分子排列，构 成脂双层。 成脂双层。 甘油磷脂(主要 甘油磷脂 主要) 主要
二、生物膜结构的主要特征
（一）膜组分的不对称分布 构成膜组分的脂质、 构成膜组分的脂质、蛋白质和糖类在膜两侧的分布都是 不对称的。保证膜电荷数量的差异和膜的流动性， 不对称的。保证膜电荷数量的差异和膜的流动性，与膜蛋 白的定向分布及其功能发挥有密切的关系
膜蛋白分布不对称
跨膜 蛋白 膜表面 蛋白
脂质双层 镶嵌蛋白
锚定膜蛋白
内嵌蛋白
糖脂
胆固醇
卵磷脂
三、生物膜的分子结构
一、生物膜中分子间的作用力 静电力 外周蛋白和膜表面之间， 外周蛋白和膜表面之间，蛋白质和蛋白质之间 疏水作用 维持膜结构稳定的主要作用力， 维持膜结构稳定的主要作用力，磷脂分子尾部 相互粘连， 相互粘连，蛋白质疏水残基与脂分子之间 范德华力 由电子分布的瞬间不平衡诱导对方产生不平衡 形成的作用力， 形成的作用力，类似氢键
“两暗一明” 两暗一明” 两暗一明
四、流动镶嵌模型 结构要点： 结构要点： 1、细胞膜由流动的双脂层和蛋白质组成。 细胞膜由流动的双脂层和蛋白质组成。 磷脂分子以疏水性尾部相对， 2、磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成 生物膜骨架； 生物膜骨架； 蛋白质或在双脂层表面，或嵌在其内部， 3、蛋白质或在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个 双脂层，表现出分布的不对称性。 双脂层，表现出分布的不对称性。
胆固醇Sterols 胆固醇Sterols
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人骨髓磷脂鞘，小鼠肝脏，玉米叶片，酵母，草履虫 磷脂，固醇，胆固醇，谷甾醇，麦角固醇，豆固醇
质膜 线粒体内膜 线粒体外膜 溶酶体 细胞核 粗面ER 滑面ER 高尔基体
胆固醇 心磷脂 小脂类 鞘磷脂 卵磷脂 脑磷脂
FIGURE Lipid composition of the plasma membrane and organelle membranes of a rat hepatocyte. （大鼠肝细胞）
X不同，它们可分别形成磷脂酰胆碱、磷脂酰 胆胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇等。
鞘磷脂(sphingomyelins)
•除了甘油磷脂外，生物膜中还含有另外一 类磷脂——鞘磷脂(phosphosphingolipid)
鞘磷脂或神经鞘磷脂是鞘脂类的一种典型复合 脂类，它是高等动物组织中含量最丰富的鞘 脂类。
• 无论是甘油磷脂还是鞘磷脂都是两亲性 分子(amphipathic)，这一特征决定了它 们在生物膜中的双分子层排列（或称脂 双层）
通常
直链 双键
鞘糖脂(glycosphingolipids)
神经酰胺是构成鞘脂类的母体结构。若鞘氨醇 C1上的羟基与一个单糖（葡萄糖或半乳糖） 相连时，则形成鞘糖脂。
非极性尾
H2 H2 H2 H2 H2 H2
H3C C C C C C C
H2
H2
H2
CCCCC H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2
C H2
C H2 C
H
H CH
C OH
H3C C C C C C C C C
C H2
C H2
C H2
C H2
C H2
C H2
C H2
C H2
CH2
胆固醇分子有一极性头部基团羟基而呈现亲水性，分 子的另一端具有烃链及固醇的环状结构而表现为疏 水性。因此，胆固醇与磷脂类化合物相似也属于两 性分子。
• 动物细胞胆固醇的含量较植物细胞高，而质膜的胆 固醇含量多于细胞内膜
• 胆固醇的两亲性特点对生物膜中脂质的物理状态有 一定的调节作用
生物膜的结构
5-8 nm
磷脂是由甘油、脂肪酸、磷酸及含氮碱性化合物等成分组成 的复合脂类，又称磷酸甘油酯。广泛存在于动植物和微生 物中的，自然界磷脂中以甘油磷脂含量最多。
甘油磷脂是细胞膜结构的重要组分之一，在动物的脑、心、 肾、肝、骨髓、卵以及植物的种子和果实中含量较丰富。
（一）甘油磷脂(glycerophospholipid) 基本结构
• 生物膜主要由蛋白质（包括酶）、脂质 （主要是磷脂）和糖类组成，还有水、 金属离子等
• 一般来讲，功能复杂或多样的膜，蛋白 质的比例较大
生物膜的组成
细胞的外周膜和内膜系统称为生物膜（biological membranes）。 生物膜主要由 1. --蛋白质 2. --脂质 3. --糖类 4. --水 5. --金属离子 一般来讲，功能复杂或多样的膜，蛋白质的比例较大
Membrane Dynamics • 溶质的跨膜运输 • Solute Transport across Membranes
生物膜的组成和性质
生物膜是细胞质膜(cytomembrane)和细胞 内膜系统(endomembrane system)的总称。
生物膜是由极性脂和蛋白质组成的超分子复 合物，是构成细胞结构最基本的组分。生 物膜系统不仅是维持细胞内环境相对稳定 的有高度选择性的半透性屏障，而且直接 参与物质转运、能量转换、信息传递、细 胞识别等重要的生命活动。
4.2 生物膜的结构与功能
细胞的外周膜和内膜系统称为生物膜。是由极 性脂和蛋白质组成的超分子复合物，厚约 6~10nm，是构成细胞结构最基本的组分。
生物膜对细胞内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，保 证了细胞器和亚细胞结构内环境的动态恒定。
生物膜在组成和结构上具有共同之处。脂质双 分子层是生物膜的基本骨架，膜的内外不对 称地镶有各种蛋白质，且处于流动状态，这 是生物膜的基本特征和细胞进行生命活动的 必要条件。
carbohydrates, present as part of glycoproteins and glycolipids.
膜脂
生物膜内的脂质有：
--磷脂 --胆固醇 --糖脂 磷脂为主要成分。
磷脂（phospholipid）
磷脂
甘油磷脂 鞘脂类
鞘磷脂 鞘糖脂
• 构成生物膜主要成份的磷脂是甘油磷酸二酯。
鞘氨醇的氨基与一长链脂肪 酸(C16～C26)的酰基形成具 有两个非极性尾部的化合
物，称为神经酰胺 (ceramide)。
在神经酰胺分子中，鞘氨醇第一个碳原子上的 羟基进一步与磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺形 成磷酸二酯，这种磷脂化合物称为(神经)鞘 磷脂。
鞘磷脂有二条长的碳氢链，一条是由鞘氨醇组 成的有14～18碳的碳氢链；另一条为连接在 氨基上的脂肪酸，如棕榈酸、掬焦油酸和神 经烯酸等。因此它们在结构上类似于磷酸甘 油脂。
因这些鞘糖脂存在于脑和神经组织中，故统称 为脑苷脂和神经节苷脂。
若在半乳糖脑苷脂中半乳糖的C3位上与硫酸分子以硫 酯键相连，则形成脑硫脂。
鞘糖脂中有一类称为神经节苷脂，从神经节细胞分离 的一种鞘糖脂。其脂质部分是神经酰胺，除通过糖 苷键相连的糖基(多为单糖)外，它的极性头部还含 有一个或多个分子N-乙酰神经氨酸(Nacetylneuraminic acid)，即唾液酸(sialicacid),属 酸性鞘糖脂的一种，另一种是硫酸鞘糖脂(硫苷脂)。 主要存在于神经组织、脾脏与胸腺中。
Chapter 12
生物膜的组成及结构
Composition and structure of membrane
生命学院张林生
生物膜与物质运输
BIOLOGICAL MEMBRANES AND TRANSPORT
• 生物膜的组成和结构 • The Composition and Architecture of Membranes • 膜的动力学
1 膜脂(membrane lipids)
膜脂是生物膜的基本组分，膜脂主要包括磷脂、 糖脂和胆固醇，其中磷脂约占整个膜脂的50 ％以上。
①磷脂
磷脂可分为甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括 磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰肌醇、磷脂酸、磷脂酰甘油和心磷脂。
组成生物膜的磷脂分子的主要特征：具有亲水 的头部和疏水的尾部；脂肪酸碳链为偶数 （多为16、18或20C）；有饱和脂肪酸和不 饱和脂肪酸。
外周蛋白常以共价结合的脂酰基(如棕榈酰、豆 蔻酰)、异戊烯基(如牻牛儿基、法尼基)或糖 肌醇磷脂酰基，插入膜脂双层，也称为膜锚 蛋白(membrane anchoring protein)。
②内在蛋白(integral or intrinsic proteins)
内在蛋白占膜蛋白的70％～Байду номын сангаас0％。这类蛋白多数为 跨膜蛋白(trans-membrane proteins)，或插入、 整合在脂质双分子层中。
X 极性醇
极性，易溶于水 称极性头
非极性，不易溶于水 称非极性尾
R1通常为饱和脂酰基，R2为不饱和脂酰基，X 为胆碱、胆胺(乙醇胺)、丝氨酸、肌醇等。
甘油磷脂的结构中，甘油分子中两个碳原子上
羟基被脂肪酸基酯化，成为疏水性的非极性 尾(nonpolar tail) ；第三个碳原子上羟基被 磷酸酯化，并带有一个亲水性的胆碱或胆胺 等基团，因此成为亲水性的极性头(polar head) ，这种分子称为亲水脂类 (amphipathic lipids)或称极性脂类(polar lipids)。这种两性脂类分子在构成生物膜结 构中具有重要的作用。
胆固醇(cholesterol) 胆固醇是甾醇族(sterols)中最主要的一类固醇
类化合物，存在于动物细胞膜及少数微生物 中。结合而以胆固醇酯的形式存在。胆固醇 与长链脂肪酸形成的胆固醇酯是血浆蛋白及 细胞外膜的重要组分。
胆固醇在神经组织、血液、胆汁、肝、肾及皮肤组织中含量较多。 胆固醇以游离或与脂肪酸
②糖脂
糖脂约占膜脂总量的5％以上，在神经细胞质 膜上糖脂约占5％~10％。
目前已发现40余种糖脂，不同的细胞中所含糖 脂的种类不同，以脑苷脂为主。 植物细胞膜 的脂质多为糖脂。
③胆固醇
真核细胞膜含有胆固醇，动物细胞膜比植物含有较多 的固醇。高等植物细胞膜的固醇主要是谷甾醇和豆 甾醇。动物细胞膜中最多的固醇为胆固醇。细菌质 膜中不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油 糖脂。
鞘磷脂是神经酰胺与磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇 胺形成磷酸二酯。
鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、(神经)鞘氨醇、 二氢(神经)鞘氨醇及脂肪酸。
鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、(神经)鞘氨醇、 二氢(神经)鞘氨醇及脂肪酸。
鞘氨醇
N－脂酰鞘氨醇 )鞘磷脂
极性
烃基链 类固醇
鞘氨醇是一个有18个碳的氨基 二醇，已发现的鞘氨醇类有 几十种，它们的碳原子和羟 基数目均有变化。
C
H2N CH
糖 脂
单糖及单糖 聚合物
O
极
CH2 O O
性
CH2OH
鞘磷脂
磷酸胆碱（或 磷酸胆胺）
头
这部分神经节苷脂类在pH=7时带负电荷。
人的神经节苷脂类中有丰富的唾液酸。脑灰质 含有丰富的神经节苷脂类，构成全部脂类的 6％，非神经组织如红细胞、脾、肝和肾等 组织中也含有少量的神经节苷脂类。
• 最简单的是磷脂酸(phosphatidic acid),它是其他甘油磷酸 酯合成的前体，如 磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)， 磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine), 磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine), 磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol), 二磷脂酰甘油(心磷脂 diphosphatidylglycerol, cardiolipin)