生物膜与细胞的物理特性
生物物理学在分子生物学领域的应用
生物物理学在分子生物学领域的应用随着科学技术的飞速发展，人们对生命在分子水平上的理解越来越深入。
对于生命机制的研究，分子生物学和生物物理学两个学科有着非常重要的地位。
生物物理学作为交叉学科，融合了物理学和生物学，研究物理学的方法和原理在生物学上的应用。
在分子生物学领域中，生物物理学的应用非常重要，有着不可替代的作用。
本文将介绍生物物理学在分子生物学领域中的应用。
1. 蛋白质结构的研究方法蛋白质是生命活动的基础物质，其结构与功能密切相关。
通过对蛋白质结构的研究，可以揭示其功能机制。
然而，蛋白质的结构研究非常困难，需要精密的实验技术和高超的分析能力。
其中，X射线晶体衍射和核磁共振成为了蛋白质晶体结构研究的两种主要方法。
X射线晶体衍射（X-ray crystallography）是一种通过晶体衍射分析蛋白质三维结构的方法。
其基本原理是通过X射线照射样品所形成的衍射图样（也就是晶体细胞的衍射图形）来解析蛋白质的结构。
这种方法分辨率较高，可对蛋白质的空间结构及其化学键进行精确测定。
核磁共振（NMR）是检测核磁共振现象的一种实验方法。
其基本原理是利用核磁共振现象反映分子内部结构以及空间分布等信息。
在蛋白质结构研究中，NMR可研究柔性或者非晶态的蛋白质，获得它们在溶液中的三维结构和动态变化过程。
2. 生物大分子的力学性质在生命活动中，许多生物大分子扮演着结构支撑和机械作用等重要角色。
比如，细胞骨架的重要组分之一是微丝蛋白，而微丝的形态和功能取决于其力学性质。
了解生物大分子的力学性质，对研究生命机制及其在生物技术中的应用至关重要。
拉伸单分子实验是研究单个蛋白质和核酸分子的力学性质的一种方法。
该实验通过在极微小的尺度上对生物大分子进行牵拉、挤压等力学作用，来测量它们的弹性和变形等性质。
3. 生物膜的物理性质生物膜是细胞的基本组成部分，其内部水平秩序结构和垂直层次结构对于生物过程具有重要作用。
生物膜的物理性质的研究，不仅对于理解细胞膜的功能和作用机理有益，也对于药物的研发和递送有着重要的应用价值。
生物膜的生物化学特性与功能
生物膜的生物化学特性与功能生物膜是由生物体分泌的薄膜，它能够覆盖在生物体的表面，起到保护和调节功能。
生物膜是生命体中的重要组成部分，对于细胞的结构和功能具有重要的影响。
在本文中，我们将探讨生物膜的生物化学特性与功能。
一、生物膜的生物化学特性1. 脂质组分：生物膜的主要成分是脂质，包括磷脂、甘油脂和固醇等。
这些脂质分子以疏水性的脂尾和亲水性的头部结构排列在一起，形成双层结构。
这种结构使得生物膜具有较高的可渗透性和选择性通透性。
2. 蛋白质组分：生物膜中还含有许多蛋白质分子，这些蛋白质主要分为两类：固定蛋白和跨膜蛋白。
固定蛋白负责稳定生物膜的结构和功能，而跨膜蛋白则参与物质的运输和信号传导等过程。
3. 糖类组分：许多生物膜表面覆盖有糖类，形成糖基化膜。
糖基化膜除了具有传统的膜的特点外，还能参与细胞间的相互作用和信号传导。
4. 胺酸组分：生物膜中还含有大量的胺酸，它们是生物膜中的重要组成部分。
胺酸通过成键方式使膜中的分子互相连接形成螺旋、平坦或弯曲的结构。
二、生物膜的功能1. 防护功能：生物膜作为生物体的外界界面，能够起到防护作用，保护生物体免受外界环境的伤害。
生物膜具有较强的物理屏障特性，能够防止有害物质进入细胞内部。
2. 选择性通透性：生物膜具有选择性通透性，它能够选择性地允许某些物质通过，并阻止其他物质的通过。
这种选择性通透性是通过膜上的跨膜蛋白实现的。
3. 信号传导：生物膜中的蛋白质可以通过信号传导途径，将外部信号转化为内部生物学响应。
这种信号传导过程对细胞的生存和发展至关重要。
4. 水平分离：生物膜能够分离细胞内外环境，使得细胞环境得以独立调节。
这种水平分离也使得细胞内各种代谢过程能够有序进行。
5. 稳定性：生物膜能够稳定细胞的内外环境，保持细胞内稳态。
生物膜的双层结构能够稳定膜的结构，防止其受外界环境的影响。
总结：生物膜作为生物体的界面和“保护屏障”，具有复杂而关键的生物化学特性和功能。
脂质、蛋白质、糖类和胺酸是生物膜的主要组成部分，它们通过复杂的相互作用和构型形成生物膜的结构。
生物膜的结构和特性
生物膜的结构和特性生物膜是生物学研究中的一个重要领域。
生物膜是由细胞膜及其所包围的生物体细胞表面，作用于物理化学、生物学等方面。
一、生物膜的结构生物膜是由多种不同类型的分子组成，包括脂质、蛋白质、碳水化合物和核酸。
这些分子被组合成一个复杂的三维结构，并且能够实现其各种功能。
生物膜的基本组成分子是磷脂，质量约占膜的一半。
磷脂分子由一个疏水性的脂肪酸尾部和一个极性的磷酸头部组成。
尾部是由高度亲水的水分子排斥的，因此会自组装成一个双分子层的结构，有向外的磷酸头部则可以与水接触。
生物膜基础组成分子之外，还有其他多种分子组成的结构。
蛋白质和磷脂都可以嵌入到膜中，并且可以互相作用。
磷脂和蛋白质之外，还有更多的分子，例如胆固醇、糖蛋白、酶等，它们参与着各种信号传递并且作为结构支撑。
生物膜乃至整个细胞并不是一个静态过程，在一个生理环境中，细胞和膜上的各种分子会根据需要演化为不同的状态。
所以它们会针对环境的变化而做出相应的调整。
二、生物膜的特性生物膜有许多重要特性和功能，在生物体的细胞和器官内起着至关重要的作用，如控制物质的传递和细胞内外成分的分离，传达信号等。
下面进行具体讨论：1.半透性：生物膜是半透性的，可以过滤一些物质进入或流出，这是由它的双分子层结构所决定的。
生物膜能够限制较大分子的渗透，这也是以后病毒防治和药物控释的最基本的理论基石。
2.信号接收：生物膜支持许多不同类型的分子和大分子间的相互作用，可以帮助细胞识别和响应外部刺激。
许多感受器分子，如神经递质释放和接收分子、荷尔蒙和免疫系统分子都在生物膜上起作用。
3.结构支持：细胞内的蛋白质可以通过生物膜的嵌入和定向聚集，来实现生成细胞内基质的定位和组织，而在界面上不同生物膜的嵌套则是形成各种内网膜系统结构的基础。
4.抗药性：细菌等微生物常常在生物膜内形成群体，即生物膜群落。
这些生物膜群落会表现出高度的抗生素抗药性，这也是治疗常见疾病的一个重要挑战。
生物膜是生物科技、生物医学、环境生态等学科的研究热点之一，这一领域的研究已经进展到在之前我们无法想象的深度，由此产生的疾病、能源、污染等问题引起了世界范围内的密切关注。
生物膜的物理化学特性及其生物学意义
生物膜的物理化学特性及其生物学意义生物膜是指由生物体内部或外部分泌物质等形成的具有一定厚度和稳定性的薄层结构。
它是生命体在进化、适应和存活中的一个重要组成部分，不仅在保护细胞和组织、维持生理功能等方面发挥着重要作用，还在生物过程中扮演着关键的角色。
生物膜的基本物理化学特性生物膜具有独特的物理化学特性，包括表面张力、接触角、渗透性、选择性渗透、离子选择性等等。
这些特性形成了生物膜独特的生理学和生物学特征。
表面张力是指生物膜表面由于分子间引力而产生的一种紧密的分子结构，它决定了生物膜物质和能量的传递速度和途径。
表面张力的大小取决于膜中的各种分子和它们之间的相互作用，如静电作用、范德华力等。
接触角是指液滴在生物膜表面的接触角度，它也是衡量表面润湿性的一个重要指标。
接触角的大小决定了生物体和环境之间的物质交换速度和性质，如营养物质的吸收和代谢产物的排泄等。
渗透性是指生物膜对溶质和水分的渗透作用。
由于膜中存在的孔洞大小和分子间距等因素，生物膜的渗透性不同。
这种特性不仅决定了生物体代谢所需的物质和水分的进入速度和途径，还对体内外环境的溶解度、压力等参数产生了影响。
选择性渗透是指生物膜对溶液中各种分子的选择性渗透。
由于生物膜中的孔洞大小和分子间距不同，不同分子的渗透速度也就不同。
这种特性使生物体能够对外界环境中的溶质进行选择性吸收和排泄，维持体内外溶液的水平差异，达到生理平衡。
离子选择性是指生物膜对离子的选择性渗透和排泄。
这种选择性决定了生物体内的离子浓度和分布方式，为细胞代谢和城市化学提供了必要的物质条件。
生物膜对离子的选择性与电荷分布、孔洞大小等特征有关。
生物膜的生物学意义生物膜不仅是生命体进化的重要产物，还具有许多独特的生物学意义。
首先，生物膜为生命体提供了一个平衡内外环境的界面，保证了生物体内外的物质交换和代谢平衡。
生物膜能够选择性地渗透分子，过滤和排除有毒物质，维持体内外溶液的水平差异。
它还能感受并响应环境中各种刺激和信号，如温度、pH 值、压力等，从而调节体内机能和行为。
生物膜的物理化学性质及其在生物学中的作用
生物膜的物理化学性质及其在生物学中的作用生物膜是包围着细胞和器官的一层薄膜，是生命体的重要组成部分。
它主要由脂质、蛋白质和糖类等生物大分子构成，具有独特的物理化学性质。
生物膜不仅可以保护细胞和器官，还在细胞信号传导、固定化酶、药物递送等方面发挥着重要作用。
一、生物膜的物理化学性质1.脂双层结构生物膜的基本结构是由两个互相平行的脂层组成的脂质双层，中间夹杂着一些膜蛋白。
这两层脂质分子都含有一种亲水性头部和一种疏水性尾部，尾部向内聚集形成一个油脂质区域，亲水头部则朝向水相，形成一个水性区域。
由于生物膜的脂双层具有不易穿透性的特点，能够有效地维持细胞内部环境的稳定。
2.选择性通透性生物膜的脂双层是由疏水性脂质组成的，这些脂质会对不同的物质表现出不同的通透性。
通透性是由囊泡蛋白和通道蛋白所调控的，这些蛋白质可以选择性地将一些物质进出细胞，并禁止其他物质的通过，这保证了细胞内部环境的稳定。
3.流动性生物膜的脂质分子可以在膜面上自由扩散和旋转，这种流动性保证了膜内物质分子和信号分子的运动和结合。
流动性还有助于镜像膜扭曲和形成，使得细胞膜能够对外部刺激做出响应。
二、生物膜在生物学中的作用1.物质输送生物膜在细胞内外之间运送物质，是一个重要的传输通道。
通道蛋白通过选择性通透性调控着物质的进出，一些药物的通过需要选择性的流量调节蛋白。
细胞膜与外界的交流也需要借助物质输送。
生物膜的带电性也在传输信号物质时扮演重要的角色。
2.细胞间传导信号紧密贴附在膜上的邻近细胞之间，通过膜联系和分泌物交流实现信息共享和传播。
在人体生理过程中，细胞之间的传递通过跨膜受体，通常是蛋白质作为信号分子之间的传递。
对于能够通过细胞壁透过来的物质能够在细胞间传递信号。
3.固定化酶生物膜是一种完美的固定化酶系统，许多生物膜上的酶具有比游离酶更高的催化效率。
这种催化作用不仅限于细胞膜的一侧，有些蛋白酶也在膜的内部，成为一种重要的固定化交配作用。
在工业上也运用固定化酶进行化学反应。
生物物理学中的生物膜
生物物理学中的生物膜生物膜是由脂质双层构成的细胞膜，是细胞内外的分界线。
它是细胞的保护层、交通管道、信号传递器和结构支撑物。
生物膜是生命体系中不可或缺的一部分，对于其结构和功能的研究已经成为了生物物理学中的一个重要分支。
一、生物膜的结构生物膜的主要成分是磷脂分子，其中双层磷脂分子是其主要构成。
这种分子由一个羟基化的甘油分子、两个脂肪酸和一个磷酸分子组成。
这些磷脂分子在水中聚集在一起形成一个双层，其中疏水的脂肪酸部分朝内，疏水性较小的磷酸部分朝外。
当这些双层磷脂分子开始形成一个环形的结构时，就形成了生物膜的基本结构。
生物膜通常比较薄，厚度大约只有脂肪酸长度的两倍。
生物膜中还有一些其他的组分，例如蛋白质、胆固醇、糖类和其他生物分子。
这些分子都可以作为生物膜的特征标记并对运输、信号转导和结构组合等方面起到重要作用。
二、生物膜的功能生物膜在细胞中扮演了重要的角色，其主要功能包括:1.细胞膜的保护功能：生物膜可以保护细胞不受外部环境中的有害物质的侵害。
2.交通管道：生物膜是细胞内外交通的主要通道，可以实现细胞内外物质的交换。
3.信号转导：生物膜中存在着多种的受体和信号分子，可以将外部信息传递到细胞内，控制细胞内的生物过程。
4.结构支撑：生物膜具有柔性和弹性，可以在细胞的不同形态和运动中起到必要的支撑作用。
三、生物膜的研究生物膜的研究对于理解细胞的结构和功能具有重要的意义。
生物膜物理学研究的主要方向包括如何从生物学和化学的角度理解生物膜的特性和功能；以及如何从物理学的角度研究生物膜的力学性质和形态结构。
生物膜物理学的研究方法包括模拟技术、非侵入式测量技术和光学显微技术等。
其中，模拟技术可以通过分子动力学以及量子化学计算等方式对生物膜的分子构型和反应过程进行分析；非侵入式测量技术可以对细胞膜中离子通道的活性进行测量，研究其性质和机制；光学显微技术则可以通过观察生物膜变形和运动，分析其力学性质和形态特征。
生物物理学研究的另一个重要方向是开发新型的生物膜模拟材料和方法。
细胞和生物膜
(4)信息传递： 高等动物神经冲动的传导和生物遗传信息的传递都需要通过细胞膜才能完 成。已有实验表明，细胞膜上有接受不同信息的专一性受体，这些受体能 识别和接受各种特殊信息，并将不同信息分别传递给有关靶细胞产生相应 的效应以调节代谢、控制遗传和其它生理活动。 (5)免疫功能：
由于细胞膜上有专一性抗原受体，当抗原受体被抗原激活，激起细胞分裂 产生相应相应的抗体。
Hale Waihona Puke 泡等。没有被膜包围的细胞器 （无核膜、核仁） 有被膜包围的细胞器 （有核膜、核仁）
遗传物质不被核膜包围， 遗传物质被核膜包围并
无组蛋白 与组蛋白相连
思考题：
1. 细胞的基本概念？
2. 细胞可分为哪几类？分类的依据是什么？
3. 试述真核细胞与原核细胞的结构差异。
4. 大肠杆菌为什么成为生物化学和分子生物学
④
核糖核蛋白体：
核糖核蛋白体又称核糖体，由核糖核酸与多种结合蛋白构成。是蛋白质合成的主 要场所。
⑤ 高尔基体：
是真核细胞内一种由网状小管或泡组成的复杂结构，其功能与细胞内物质的转运 和细胞膜更新有关。
⑥ 溶酶体：
是由30~40种水解酶和膜基质组成的一种细胞器。溶酶体主要含有RNA水解酶、 DNA水解酶、蛋白酶、酸性糖苷酶、酸性卵磷脂酶、酯酶和磷脂酶等。是细胞内 代谢物质的分解、清除的主要场所。
⑦ 叶绿体：
一切有光合能力的真核细胞生物体内都含叶绿体。叶绿体主要含有叶绿素，是进 行光合作用的主要场所。
思考题：
• 细胞器是指哪些结构？各种生物的细胞器是 否都相同？为什么说细胞膜和细胞器是细胞 的生化机构？
2.2
• 2.2.1 生物膜的组成和结构
生物膜
• •
生物膜对细胞形态结构与功能的调节
生物膜对细胞形态结构与功能的调节生物膜是一种由脂质和蛋白质等有机物质构成的薄层结构，在细胞内外部分别存在。
在细胞生物学研究中，生物膜被视为细胞的关键组成部分，因为它不仅具有维持细胞的形态结构、保持正常的细胞功能等重要的物理化学特性，同时还具有调节膜蛋白功能、细胞间信号传递、代谢物质转运、免疫应答、细胞增殖和凋亡等多种生物过程的功能。
生物膜的调节对于细胞形态结构的影响主要体现在三个方面：1.细胞膜的流动性和弹性：细胞膜内的脂质分子具有一定程度的流动性和弹性。
这种流动性是由于细胞膜中磷脂双层中的磷脂分子能够在平面内自由移动。
细胞膜的弹性是由于细胞膜中的蛋白质可以相对自由地运动。
当细胞膜流动性增强时，细胞的形态结构会更具灵活性，对细胞运动和变形有利。
而当细胞膜弹性增加时，则会对细胞粘附和排斥、细胞周期和细胞增殖等产生影响。
2.细胞膜的通透性：细胞膜中的膜孔和蛋白质通道对于细胞内外物质的交换起着重要作用。
例如，细胞膜上的转运蛋白可以控制细胞内外各种离子和小分子物质的进出。
由此可知，细胞膜的通透性与细胞对环境和内部信号的感知、反应都密切相关。
3.细胞膜的表面特性：细胞膜上的蛋白质和糖类分子的表面特性对于细胞与环境间的相互作用和相互识别具有重要意义。
例如，细胞膜表面的糖基化修饰对于细胞与细胞之间的黏附和信号传递有重要作用。
生物膜的调节对于细胞功能的影响同样是多方面的：1.信号转导：细胞内外部的信号分子通过与细胞膜上的受体相结合，触发信号转导通路。
这个过程对于细胞的定向和调控细胞过程的发生有着重要意义。
2.代谢物质转运：许多细胞器都依赖于细胞膜内部的物质转运过程，如蛋白质运输、氨基酸和脂质代谢、碳水化合物吸收等。
3.免疫应答：免疫细胞在进攻外来病原体时，主要利用细胞膜上的受体和抗原结合，启动免疫应答的过程。
4.凋亡和增殖：细胞膜和胞外基质的交互作用对于细胞凋亡和增殖过程起着重要的调节作用。
细胞膜表面特性的变化可能导致细胞凋亡的发生。
生物物理 第五章2
膜脂分子（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相 Nankai 结构： University 脂双层构象（Bilayers configuration） a. 液晶或流体相（Liquid-crystalline or fluid phase）（L-α） b. 固相或凝胶相（solid or gel phase）（L-β） 非脂双层构象（non-bilayers configuration） a. 六角形 HI (Hexagonal)相 (Hexagonal) b. 倒六角形HII（inverted Hexagonal）相 c. 立方体（II）相 d. 倒立方体（III）相 混合相（mixed phases） 例如在一些膜中，某 些区域可能是L- α脂双层构象，而另外的相结构可 能分散其间。
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(1) 脂双层的不对称性
外层：glycolipids, phosphatidylcholine (PC) cholesterol 内层：phosphatidylserine (PS) phosphatidyl-ethanolamine (PE) phosphatidylinositol (PI) 糖脂仅存在于脂膜外侧小叶中。 这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。 。
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§5.4 生物膜的特性
膜的不对称性 膜的运动性 膜的相结构和相变 膜的通透性
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生物膜——精选推荐
生物膜【定义】生物膜（bioligical membrane）：镶嵌有蛋白质和糖类（统称糖蛋白）的磷脂双分子层，起着划分和分隔细胞和细胞器作用生物膜也是与许多能量转化和细胞内通讯有关的重要部位，同时，生物膜上还有大量的酶结合位点。
细胞、细胞器和其环境接界的所有膜结构的总称。
生物中除某些病毒外，都具有生物膜。
真核细胞除质膜(又称细胞膜)外，还有分隔各种细胞器的内膜系统，包括核膜、线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜、高尔基器膜、叶绿体膜、过氧化酶体膜等。
生物膜形态上都呈双分子层的片层结构，厚度约5～10纳米。
其组成成分主要是脂质和蛋白质，另有少量糖类通过共价键结合在脂质或蛋白质上。
不同的生物膜有不同的功能。
生物膜法处理有机废水的时候，生物膜还可以指代那些附着在某些固体表面的好氧微生物。
【结构】流体镶嵌模型（fluid mosaic model）：针对生物膜的结构提出的一种模型。
在这个模型中，生物膜被描述成镶嵌有蛋白质的流体脂双层，脂双层在结构和功能上都表现出不对称性。
有的蛋白质“镶“在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整个膜。
另外脂和膜蛋白可以进行横向扩散。
【膜蛋白】内在膜蛋白（integral membrane protein）：插入脂双层的疏水核和完全跨越脂双层的膜蛋白。
外周膜蛋白（peripheral membrane protein）：通过与膜脂的极性头部或内在的膜蛋白的离子相互作用和形成氢键与膜的内或外表面弱结合的膜蛋白。
通道蛋白（channel protein）：是带有中央水相通道的内在膜蛋白，它可以使大小适合的离子或分子从膜的任一方向穿过膜。
（膜）孔蛋白（pore protein）：其含意与膜通道蛋白类似，只是该术语常用于细菌。
【膜的运输功能】通透系数（permeability coefficient）：是离子或小分子扩散过脂双层膜能力的一种量度。
通透系数大小与这些离子或分子在非极性溶液中的溶解度成比例。
生物膜的物理性质研究
生物膜的物理性质研究生物膜是指细胞壁、细胞膜、细胞外基质等生物体内外各种结构的组成。
生物膜在生物体中的作用非常重要，它不仅有保护细胞内部结构的作用，还能承载细胞的生物学功能。
因此，生物膜的研究和探究对于生命科学的发展非常关键。
在物理学中，膜是有一定的厚度的、平面的物质结构。
而对于生物膜来说，它也具有三维的结构，不仅有形状和厚度，还有自组织的分子和物质交互作用。
因此，对于生物膜的物理性质进行研究，能够帮助我们更好地理解生物膜的构成和功能。
一、生物膜的物理特性生物膜是一种由多种不同分子构成的结构。
其中最主要的成分是脂质，也包括蛋白质、糖类等。
脂质是主要构成生物膜的结构分子，它由亲水头部和疏水烃尾部组成。
脂质层的性质是决定生物膜性质的关键。
相同的分子可以组成不同类型的膜，比如细胞膜和内器官膜。
生物膜的厚度是非常小的，约为5到10纳米，这是由于其上的分子数量非常少所致。
生物膜的厚度对其物理性质和生物学特性有很大的影响。
细胞壁的厚度往往比细胞膜要厚，且内部的分子组成也不尽相同。
一般来说，细胞壁和细胞膜的组成都与某些特定的机能有着密切的关系。
生物膜具有一定的结构和形状。
其结构是由其分子组成确定的。
在左右和上下方向，分子之间的作用力一般较小，因此生物膜在这两个方向上的弹性变形相对较小。
但是，在面对平面的力或者液压力后，生物膜会比较容易变形。
除此之外，生物膜还可以根据其分子组成和形态作用发挥一些独有的水性特性。
二、生物膜的力学性质生物膜在物理上表现出很多独特的力学性质。
其中一项关键性质是其柔韧性。
生物膜可以适应复杂的形态，包括曲率较小的弧线、平面和曲率较大的球形等。
而且，它还可以自行复原，即使在受到机械刺激或者拉伸时，也能很快地恢复正常。
此外，生物膜还表现出很好的延展性能。
在分子分布均匀的情况下，生物膜可以很好地伸展和收缩，最终回到初始状态。
正是因为这个性质，生物膜才能够在生物体内部的各个部位发挥其作用。
其次，生物膜还表现出很好的坚韧性。
生物膜的物理性质与生物功能
生物膜的物理性质与生物功能生物膜是一种由生物分子组成的薄膜结构，是生命体系中至关重要的组成部分。
生物膜主要由磷脂分子、蛋白质和糖类组成，其特殊的结构与物理性质决定了其在生物功能中的重要作用。
一、生物膜的结构生物膜主要由磷脂分子组成，磷脂分子包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酸等，它们具有极性头和非极性尾的结构。
生物膜中的磷脂分子排列有序，形成双分子层结构，磷脂分子的疏水性使得生物膜具有针对物质的选择性透过性。
生物膜还含有许多蛋白质，这些蛋白质分布在生物膜的表面和内部，参与了生物膜的识别、传递和转运等重要过程。
生物膜的结构还受到其所在环境的影响，例如细胞膜受到细胞外环境和细胞内环境的调控，而菌膜在微生物团体中的分布和厚度也与环境有关。
二、生物膜的物理性质生物膜的物理性质对生物功能的发挥起到了重要作用。
1. 双分子层结构使得生物膜具有一定的弹性和液态性。
生物膜的磷脂分子排列成双层，每层相互对称，相对滑动。
这种结构使得生物膜具有一定的弹性，可以适应外力作用。
例如，当细胞在受到压力作用时，细胞膜会产生变形，这种形变有利于细胞膜在稳定状态下维持细胞内外的物质交换。
此外，生物膜还具有液态性，这使得生物分子能够自由发生磷脂双分子层内的扩散运动。
2. 生物膜的表面电荷对其生物功能具有重要影响。
生物膜由物理和化学因素组成，其表面电荷的变化会影响物体在其表面的吸附和扩散等现象。
例如，由于电荷相互作用，细胞表面的带电物质（如细胞膜上的糖蛋白）对白细胞的识别和附着具有重要的作用。
3. 生物膜纳米结构使其表面具有类似复杂高分子的特性。
生物膜与其他高分子材料相似，具有许多类似的物理特性（例如表面张力、吸附和流变性质）。
由于其固有的结构和功能，生物膜的表面具有复杂的水汽吸附、亲疏水性等特性，这些特性对于生物膜的功能和生物学效应至关重要。
三、生物膜的生物功能生物膜的生物功能包括许多方面，有细胞膜的物质传递和信号传递、细菌膜的适应生存和对环境的响应等。
第二章 生物膜
1972年，桑格和 尼克森，提出：流动镶嵌模型
糖蛋白 保护和润滑；细胞识别； 信息传递有关。
磷脂双 分子层
磷脂双分子层 蛋白质分子
•磷脂双分子为基本支架；
•蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或 全部嵌入磷脂双分子层，有的横跨整个磷脂双分子层； •磷脂双分子层与大多数蛋白质分子都可以运动，具有流 动性。
O
CH2OH OH OH O O
NH
C
R
R:脂肪酸
CH2 CH CH CH=CH OH 神经鞘氨醇
(CH2)12 CH3
OH
半乳糖
糖脂
是糖通过半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接而 成的化合物。糖脂也是构成双层脂膜的结构 物质。
糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。 动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。
细胞质外围的质膜和细胞器的内膜系统。
二、生物膜的组成
生物膜的组成
脂质 膜蛋白 糖类 无机盐 金属离子 水 生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。
（1）脂质 Lipid
分类：磷脂、糖脂、胆固醇等
脂质生理功能：
构成生物膜最基本的结构物质
机体的储存燃料
活性剂物质的溶剂
形状与大小各异的 细胞是生物进化的 结果.大多数细胞的 直径在10-100um,较 小的细胞和相对多 的细胞具有相对较 大的表面积.有利于
人神经细胞
1m
植物纤维 100mm
10mm
鸡卵
1mm
人卵和精子
接受外界信息以 及与外界进行物 质交换.
变形虫
1um
血细胞 支原体
生物化学视角
生物膜作用及其生物物理学
生物膜作用及其生物物理学生物膜是指一层由生物分子组成的薄膜，包括细胞膜、血管内皮细胞膜、神经元膜、胆汁酸膜等等。
生物膜既是生命体系的保障，也是生命体系的重要组成部分。
生物膜作用作为生物学研究的重要方向之一，它是生命体系的基础，其功能和性质对于生物的功能和特性有着重要的影响。
生物膜虽然看起来很简单，但其内部结构非常复杂，由许多有机分子以不同的方式交互组成。
如脂质双层，其中两个互相平行的疏水脂肪酸茎支连结在一起，像是一辆车的车轮一样旋转在中央的水的疏水环境中。
这种复杂的结构，使得生物膜具有了很多不可思议的特性和作用。
首先，生物膜对细胞的生存和功能具有保护作用。
生物膜将细胞内部与外部分离开来，保护细胞免受损伤和外界环境的影响。
此外，生物膜限制了细胞内物质的流动，实现不同化学反应的隔离，保证细胞各部分功能互相配合，整合为一个完整的生命体系统。
同时，生物膜还是细胞内外传递物质的关键接口。
生物膜上的各种分子，如机械受体、通道、载体和酶等，都能够识别、捕获和转运分子，实现细胞与外界环境的物质交流。
在这个过程中，物种的大小和电荷等性质将对通过生物膜的速率产生影响，从而实现细胞内外物质的动态平衡和稳态维持。
此外，生物膜还具有信号识别和转导功能。
瞄准生物膜上的受体和信号物质，可以实现化学信息的传递和转换。
借助信号转导的机制，生物膜能够沟通细胞内外的环境，感应外界刺激并调节细胞活动，实现生物体对环境的适应性调整。
在研究生物膜作用时，生物物理学是重要的方法之一。
它探究的是物理学在生命系统中的应用，其中生物膜作用是一个重要的研究方向。
生物物理学基于大量的实验数据和理论分析，深入研究生物膜的物理特性和功能机制，为生命科学和医药学提供了众多的理论基础和技术支持。
因此，在进行生物膜作用的研究时，需要涉及到多学科的知识和技能，如物理学、化学、生物学和医学等。
生物膜作用的研究，不仅展示了生命科学的深刻奥秘，还为人类生命科学的发展提供了深刻的理论基础和实践支持。
第二章生物膜及其物理特性
乙醇胺）、磷脂酰丝氨酸和鞘磷酸，还有磷脂
酰肌醇，数量虽少，但其功能也很重要。
磷脂 Glycerophospholipids
• 主要是磷酸甘油二脂。 甘油中第1，2位碳原 子与脂肪酸酯基（主 要是含16碳的软脂酸 和18碳的油酸）相连， 第3位碳原子则与磷 酸酯基相连。不同的 磷脂，其磷酸酯基组 成也不相同。
内在蛋白
影响膜蛋白运动的因素 膜蛋白的运动受到很多因素的控制，如温 度；在极性细胞中还被某些特殊的结构（如紧 密连接）限定在细胞表面的某个区域。此外， 一种蛋白的移动可影响其他蛋白也跟着移动， 这是因为在质膜表面和细胞质中的细胞骨架相 联系，这些微管和微丝的活动对质膜以及膜中 蛋白的移动有一定影响。例如红细胞膜下血红 蛋白等膜骨架影响带Ⅲ蛋白、血型糖蛋白等膜 蛋白的流动，如果用高离子强度处理血影，血 影蛋白消失，带Ⅲ蛋白流动增强。
链)，另一条烃链不含双键(为饱和链)。烃链的
长短及饱和状态不同，可影响膜的流动性。
甘油磷脂结构
X=
磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine )
-X
X=
磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine )
X=
磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol )
X=
磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine )
卵磷脂的结构
磷脂的特点
• 磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的 脂肪酸链，是优良的两亲性分子 • 磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能 够形成双层脂膜结构或微团结构 • 磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双层脂膜。 • 磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层 脂膜）的特性。
2.2.2 糖脂 Glycosphingolipids
生物膜(biologicalmembrane)中学生物理百科知识
生物膜（biologicalmembrane）中学生物理百科
知识
当今社会是一个高速进展的信息社会。
生活在信息社会，就要不断地接触或猎取信息。
如何猎取信息呢?阅读便是其中一个重要的途径。
据有人不完全统计，当今社会需要的各种信息约有80%以上直截了当或间接地来自于图书文献。
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生物膜(biologicalmembrane)
生物膜又称细胞膜，它是一种膜系，它不仅是细胞外的一层界膜，而且在细胞内广泛延伸，包围着和构成了各种细胞器，把细胞内分隔成许多微小的部分。
许多生化反应都在膜上或膜内进行。
细胞膜能够看作为细胞内两个部分之间或细胞与外环境之间的细微分隔物。
它们制造并坚持一个一定的物理组成区域，该区域内外环境十分不同，膜不断通过选择性的被动扩散和主动输运(能量耗散)来坚持这种状态。
细胞膜在细胞内部形成的复杂而庞大的膜系。
生物膜不仅是细胞的细微分隔物、细胞的屏障与支架，而且与机体内许多要紧功能紧密相关，如物质输运、信息交换、能量传输、吸取分泌、兴奋传导都要通过生物膜结构完成;生物电现象，心肌细胞节律性同步搏动，胚胎发育、神经体液调剂、药物作用等都依靠于膜结构的完整性;膜结构与机能的专门也与疾病相关联。
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生物膜结构特点
生物膜结构特点
生物膜结构特点是它具有很高的分子选择性，即可以选择性地阻
止某些化学物质通过。
它是一种多层软膜结构，主要由脂质及脂质合
成物所组成，类似于一个完整的细胞膜。
生物膜可从物理，化学等角
度进行考察，表面活性剂，酶和微量物质如离子可以完全混合而不影
响其功能，将活性成分固定在其表面上，可以形成膜结构作用。
生物膜可以保护细胞免受外界环境的伤害，有效保护细胞内部的
环境，减少环境变化对细胞的影响。
其次，生物膜可以抵抗自身的破
坏作用，例如，乙醇、热、聚合物等可以导致膜结构的破坏。
还可以
有效调控细胞之间的作用，或者参与集体传感作用，以抑制不良作用，或者调节细胞功能，促进其生长繁殖等。
总而言之，生物膜结构有可靠的物理稳定性，可以均匀的覆盖细
胞表面，阻隔气体、有机溶剂等对细胞的不良影响，而且生物膜可以
自身进行重组，而且具有很好的分子选择性，有效调节细胞之间的作用，并有具体的生物功能，如促进细胞的生长繁殖等。
生物膜的物理化学性质及其生物学意义研究
生物膜的物理化学性质及其生物学意义研究在自然界中，许多生物体都形成了具有特定生物学功能的生物膜。
这些生物膜包括生物细胞膜、细胞器膜、酵母菌等单细胞生物的细胞壁、叶绿体膜及外泌体等，均具有重要的生物学功能。
因此生物膜的研究不仅具有深远的学术意义，而且有潜在的应用价值。
生物膜物理化学性质的研究生物膜在体内外受到各种物理、化学和生物学因素的影响，其物理化学性质受到控制和调控，因此，对于生物膜的物理化学性质了解，就可以更好地理解生物膜在生命过程中扮演的角色。
生物膜的物理化学性质包括表面性质、内部结构及其动态行为三个方面。
表面性质方面：生物膜的表面性质是指表面的物理性质、化学性质和生物活性等等。
其中物理性质主要包括表面张力、表面能以及表面压缩模量等。
化学性质包括表面电位、表面化学成分、离子通道和受体分布情况等因素的影响。
生物活性的体现在生物膜上的分子仪器和生物反应器。
内部结构方面：生物膜在空间结构、分子组成和各种成分之间相互作用等方面都具有独特性。
其内部结构在组成、排列、厚度、融合等方面均会发生变化，导致生物膜的形态、粘附能力、运动性质等不同。
动态行为方面：生物膜是生命体可塑、动态可变的重要组成部分，其动态性质是演化和调控的结果。
生物膜的动态行为是指膜的扭曲、伸缩、变形、氧化、还原、构象变换等现象，以及沉淀、融合、裂变和新生等过程，涉及多种分子、多种方式和多种调控机制。
生物膜的生物学意义研究生命活动中的任何生物过程都与生物膜的相关性密切，可见生物膜的生物学意义之重。
生物膜的研究涉及很多问题，如我们可以研究生物膜的物理化学性质、形态、结构、组分，来对细胞膜进行功能的解释和调控机制的研究；同时通过研究细胞膜的动态变化，也可以为细胞分化、细胞周期、细胞死亡、信号转导等生命过程的认知提供重要支持和参考。
生物膜对生物学意义的重点贡献如下：1. 渗透调节：生物膜可以对有机物的渗透起到调节作用，而调节策略和技术则令细胞内外具有不同的浓度差。
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（2）．糖脂
生物膜与细胞的物理特性
（2）．糖脂
❖ 约占膜脂总量的5%。与磷脂相似，糖脂也 可分为两类：糖基甘油酯和糖鞘脂 (glycosphingolipids)，糖鞘脂又分为中性 糖鞘脂和酸性糖鞘脂。
❖ 糖脂广泛分布于动物、植物和微生物细胞 的膜系统中，
❖ 生物膜中的糖脂只存在于脂双层的外层表 面，其中的糖残基暴露于细胞表面。
❖ 一般古细菌膜不含脂类，而含醚类，甘油 与脂肪醇以醚键相连。
生物膜与细胞的物理特性
4．2．1 膜脂及其分子的双亲性
❖ 生物膜中的脂类，大多是极性脂类 ❖ 均为双亲性分子 ❖ 根据疏水部分结构，可以分为3大类，固醇、
甘油脂、鞘脂和鞘磷脂。 ❖ 也可分为磷脂(phospholipid)、糖脂
(glycolipid)和固醇。
4 生物膜与细胞的物理特性
生物膜与细胞的物理特性
生物膜(biomembrane)
❖ 是对细胞膜(cell membrane)及细胞内膜系 统(endomembrane system)的统称。
❖ 为厚度约7.5nm的3层式膜（各约2.5nm） 结构。
生物膜与细胞的物理特性
膜结构
生物膜与细胞的物理特性
不饱和脂肪酸
棕榈油酸
Palmitoleic
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
油酸
Oleic
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
亚油酸
Linoleic
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
亚麻酸 花生四烯酸
Linolenic Arachidonic
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH 生物膜CH与3细(C胞H的2物)4理(C特H性=CHCH2)3CH=CH(CH2)3COOH
生物膜与细胞的物理特性
4．2．1 膜脂及其分子的双亲性
❖ 主要类型：磷脂(phospholipid)、糖脂 (glycolipid)和固醇(stecol)。
生物膜与细胞的物理特性
主 要 的 膜 脂
（1）、磷脂
❖ 磷脂是生物膜中最重要、含量又最丰富的 脂类，约占膜脂总量的50%以上。所有动 物细胞的膜毫无例外地都含有磷脂。
膜结构
❖ 生物膜是由两层脂类分子以疏水端相对排 列成双分子层骨架，其中结合了或多或少 的蛋白质和糖类等分子。
生物膜与细胞的物理特性
4．1 生物膜的功能
❖ 区域化（compartmentalization)、物质通 透和输运(transport)的调节、能量转换 (energy conversion) 、外界信号的识别与 传递、细胞间相互作用 (intercellular interaction) 、生化活性的定位(locus for biochemical activities)、细胞的发育和分 化以及神经传导、激素作用等等都与生物 膜有密切关系。
生物膜与细胞的物理特性
4．2 生物膜的组成
生物膜与细胞的物理特性
表8—1 膜的化学组成(％)
膜的类别
蛋白质
髓鞘
18
人红细胞质膜 49
小鼠肝细胞质膜 44
变形虫质膜
54
盐杆菌紫膜
75
内质网膜
67
线粒体内膜
76
菠菜叶绿体片层生膜物膜与细7胞0的物理特性
脂类 79 43 52 42 25 33 24 30
❖ 原核细胞的质膜中则不含胆固醇。
生物膜与细胞的物理特性
膜脂分子
❖ 糖脂、磷脂和固醇。磷脂根据磷酸基连接基团的不同分 为 磷 脂 酰 胆 碱 （ phosphatidylcholine ， PC ； 卵 磷 脂 ， lecithin）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethannamine， PE ； 脑 磷 脂 ， cephalin ） 、 磷 脂 酰 丝 氨 酸 （ phosphatidylserine ， PS ） 、 磷 脂 酰 肌 醇 （phosphatidylinositides，PI，包括PI、PIP和PIP2）、 心磷脂（cardiolipin，CL）等；
❖ 在高尔基体膜、溶酶体膜中，胆固醇的含量也很 高，但在内质网膜及线粒体膜中含量很低，
❖ 植物细胞质膜中常见的是豆固醇(sitgmasteol)和 谷固醇(sitosetrol)，二者分别存在于大豆、麦芽 中。
❖ 麦角固醇(ecgosterol)则是真核微生物膜中的主 要固醇，主要存在于酵母菌、霉菌中。
生物膜与细胞的物理特性
鞘脂
❖ 鞘 脂 又 可 分 为 ， 脑 苷 脂 （ cerebroside ， CER）、神经节苷脂（ganglisoides，GM） 和鞘磷脂。前两者是糖脂，神经节苷脂在 神经细胞质膜中含量最丰富，约占总脂的 5~10%。多数细胞质膜中也含有少量的神 经节苷脂，已经鉴定出40多种神经节苷脂。
棕榈酸 Palmitic n-Hexadecanoic CH3(CH2)14COOH
硬脂酸 Stearic n-Octadecanoic
CH3(CH2)16COOH
花生酸 Arachidic n-Eicosanoic
CH3(CH2)l8COOH
木蜡酸 Lignoceric n-Tetracosanoic CH3(CH2)22COOH
糖类 3 8 4 4 0
0(1~2) 0
生物膜的组成
❖ 大体上说，生物膜中的脂类约占总量的50 ％，蛋白质占40％，糖类占2～10％，膜 上含有结合状态的结构水，并存在与某些 膜蛋白结合的金属离子。
❖ 脂类和蛋白质的比例在不同的生物膜中相 差很大。功能越复杂，其蛋白质所占的比 例越大，反之，功能越简单，其蛋白质的 含量和种类越少。
❖ 磷酸甘油酯 ❖ 鞘氨醇磷脂
生物膜与细胞的物理特性
磷酸甘油脂
生物膜与细胞的物理特性
游离脂肪酸及其分子式
常用名 系统名
分子式
饱和脂肪酸
月桂酸 Lauric n-Dodecanoic
CH3(CH2)10COOH
肉豆蔻酸 Myristic n-Tetradecanoic CH3(CH2)12COOH
生物膜与细胞的物理特性
生物膜与细胞的物理特性
Байду номын сангаас
HO
（3）．固醇类
CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
生物膜与细胞的物理特性
（3）．固醇类
❖ 固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。 ❖ 胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定
性有作用。
生物膜与细胞的物理特性
（3）．固醇类
❖ 胆固醇在哺乳类的质膜中约含总脂质的45％ （50%）。