第二章生物膜及其物理特性

提示了质膜是由双层脂分子构成的。
2.3.1 单位膜模型
1959年， Robertson用电镜观察了各种 膜后发现，膜呈三层式结构。内外两侧为电 子密度高的暗线,中间为电子密度低的明线。 该模型认为明线部分是膜中间的双层脂类分 子，而暗线部分则为膜两侧的单层蛋白质分 子。这些蛋白质以单层肽链β折叠形式存在, 通过静电作用与磷脂极性端相结合。该模型 提出了各种生物膜在形态结构上的共性，即 生物膜都以“两暗一明”的形式存在，故生 物膜也被称为单位膜。
• 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。 O • 结构为：
CH2OH
NH
C
R
R:脂肪酸
OH OH
O O
CH2 CH CH CH=CH OH 神经鞘氨醇
(CH2)12 CH3
OH
ห้องสมุดไป่ตู้半乳糖
• 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 蛋 白 中 的 糖 类
2.3生物膜的分子模型
1917年， Langmuir设计出了膜平衡技术，其
做法是，把溶有脂类物质的有机溶剂倾倒到盛有水
的浅槽中，脂类分子旋即在水面上铺展开，而溶剂
随即挥发掉。脂类分子的极性基(-COOH)被吸附到 水分子上，而非极性的碳氢链则竖立在水面以上。
这时脂分子的分布比较散乱，然后用一板条在水槽
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。
球形蛋白质的脂类二维排列的液态体，膜中脂双
层构成膜的连续主体，它既具有固体分子排列的 有序性，又具有液体的流动性，呈液晶态。 其主要特点： （1）膜的流动性:蛋白质和膜脂均可侧向运动。
（2）膜蛋白分布的不对称性:有的镶嵌在脂双分
子层表面，有的则全部或部分嵌入其内，有的横 跨整个脂类区。
Singer&Nicolson流体镶嵌模型
旋转
2.32膜蛋白的运动性
• 膜蛋白的运动性： 主要有侧向扩散和旋转扩散两 种运动方式。 膜保持适当的流动性是表现正 常功能的必要条件，如物质的 跨膜运输、细胞识别、细胞免 疫、细胞分化和信号转导等， 均与膜的流动性有关。
2.3.3影响膜流动性的主要因素
影响膜脂分子流动性的因素
(1)脂肪酸链的饱和程度
生物膜是以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜
生物膜的结构
细胞膜
包括细胞质膜在内的细胞中各 种生物膜的电镜形态
A 细胞膜 B 腔膜 C 线粒体膜 D 消化泡（次级溶酶体） E 内质网膜 F 分泌泡
• 1：生物膜的化学成分主要有脂类、蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量
的金属离子。膜中脂类和蛋白质构成了膜的主体，糖类多以复合糖的形式存在，与 膜脂或膜蛋白结合分别形成膜糖脂或膜糖蛋白。
（3）脂
类双层的 游离端有
自相融合
形成封闭 性腔室的 倾向，避 免疏水的
尾部与水
接触。 ◎形成球状的胶团，把尾部包在里面，或者形成双层，把亲水
的尾部夹在亲水头部的中间。
2.2膜蛋白
• 生物膜中含有多种不同的蛋白质，通常 称为膜蛋白。 • 根据它们在膜上的定位情况，可以分为 外周蛋白和内在蛋白。 • 膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜 实施功能的基本场所。
第二章 生物膜及其物理 特性
2.1生物膜的基本概念 2.2生物膜的分子模型 2.3生物膜分子的运动特性 2.4生物膜的功能
2.1生物膜的基本概念
• 1：生物膜是围绕细胞或细胞器的脂双层膜。 由磷脂双层结合有蛋白质和胆固醇、糖脂 构成，起渗透屏障、物质转运和信号转导 的作用。细胞内的膜系统与质膜的统称。 • 2 细胞生物膜系统是指由细胞膜、细胞核膜 以及内质网、高尔基体、线粒体等有膜围 绕而成的细胞器，在结构和功能上是紧密 联系的统一整体，由于细胞膜、核膜以及 内质网、高尔基体、线粒体等由膜围绕而 成的细胞器都涉及到细胞膜或细胞器膜， 所以通常称此系统为生物膜系统。
X= X=
双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol ) 磷脂酰肌醇 (Phosphatidylinositol )
鞘氨醇、神经磷脂和鞘磷脂结构
鞘氨醇(Sphingosine )
磷 酸 胆 碱
神经酰胺
部分 脂肪酸 部分
神经酰胺(Ceramide ) 鞘磷脂(Sphingomyelin )
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。
中向一方推挤，减少水面的面积，使脂分子被挤成 排列紧密的单层。在水面上浮有一灵敏的平衡装置， 可反映出脂分子所占的总面积。
1925 年 荷 兰 的 2 位 科 学 家 Gorter 和 Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞膜的
膜脂成分并测定膜脂单层分子在水面的铺
展面积，发现它为红细胞表面积的二倍，
生物膜膜周边蛋白、膜内在蛋白示意图
a . b . c . —膜周边蛋白
，
d .e .—膜内在蛋白
2.2.1 膜蛋白类型
根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的 结合方式，膜蛋白可分为两大类型：
(1)膜周边蛋白或外在膜蛋白(peripheral
proteins)： 为水溶性蛋白，靠离子键或其它较弱的 键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，因 此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就 可以从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。
◎胆固醇也是双亲
性分子，其非极性的 烃基与极性的羟基头 部间由固醇环相连。
结构式
模型
空间结构
胆固醇结构
胆固醇(Cholesterol )
2.2.4
膜脂的双亲性
（1）膜脂都是兼性分子，其分子结构中含有亲水 和疏水两部分。两条脂肪酸链几乎彼此平行，分子
的两端，形成所谓极性的头部和非极性的尾部，头
部具有亲水性而尾部具有疏水性。 （2）在水溶液中会自动形成双分子层结构，即亲 水的头部朝向膜的两表面，疏水端朝向膜的中央。
该膜型的不足之处：
（1）单位膜为一种静态单一的结构，无法 说明膜的动态结构的变化； （2）各种膜的功能不一样，而单位膜模型 显示不出来； （3）各种不同细胞和同一细胞中的不同部 分膜的厚度实际上并不都是7.5nm。
2.3.2 流动镶嵌模型
1972年Singer等对单位膜提出了修正，提出了流 动镶嵌模型。该模型主要是把生物膜看成是嵌有
相变温度高低和流动性大小决定于分子排列的紧
密程度，饱和的脂肪酸链呈直线性，故可排列紧密。 不饱和脂肪酸链在双键处发生折屈，分子链呈弯曲状
彼此排列的较疏松。脂双分子层中含不饱和脂肪酸越
多，则相变温度越低，当温度下降后仍可保持较大的
流动性。
(2)脂肪酸链的长度 脂肪酸链的长度对相变温度也有一定影响，链短 的相变温度低，流动性大。
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 )
◎翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转至另一层
的运动，对维持膜的不对称性很重要。很少发生，两周内 不多于一次。
◎旋转运动：膜分子不断地绕着与平面垂直的纵轴进
行快速的旋转运动。
◎弯曲运动：膜脂分子的烃链还可作弯曲运动，分子
的尾端摆动幅度大, 而靠近极性头部区域摆动幅度小。
侧向扩散 伸缩
翻转运动
弯曲 弯曲
磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式
空气
单层
微团
水
单体
双层微囊
◎磷脂是由磷脂酰胆碱基和脂肪酸通过甘油
(或鞘氨醇)结合在一起而形成的，其分子头部
为磷酸和碱基组成磷脂酰碱基，极性很强，为
亲水性。
◎ 磷脂分子尾部是二条长短不一的碳氢链
(烃链)，为疏水性质，一般含1424个碳原子， 其中一条烃链可含一个或数个双键(为不饱和
膜糖脂分类 甘油糖脂 中性糖鞘脂 神经酰胺糖基化产物 酸性糖鞘脂 二酰甘油糖基化产物
乙酰氨基半乳糖
半乳糖 葡萄糖 葡萄 糖
半乳糖脑苷脂
神经节苷脂
唾液酸（负电荷）
甘油糖脂
糖鞘脂
中性糖鞘脂：半乳糖脑苷脂 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
酸性糖鞘脂：神经节苷脂 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%
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
流动镶嵌模型
该模型强调了膜的流动性，蛋白质和膜脂均可侧向运动，膜蛋白分布的 不对称性。有的镶嵌在脂双分子层表面，有的则全部或部分嵌入其内， 有的横跨整个脂类区。
2.3生物膜分子的运动特性
2.3.1 膜脂分子的运动 ◎膜脂双分子层具有液晶态的结构，在这种
状态下，其组分既为有序排列，又可以流动， 这是生物膜的极为重要的特征。
(3) 影响膜流动性的另一个因素是胆固醇:
◎真核细胞的质膜含有大量的胆固醇，因此胆固醇对调节
膜的流动性有一定作用。
◎在相变温度以上，它可使磷脂分子脂肪烃链末端的运动
2.2.2膜糖类
• 质膜含糖约占膜重2-10%，多为糖蛋白，少数为糖脂。（红细胞 质膜中，糖蛋白为93%，糖脂为7%） 构成生物膜寡糖 的单糖主要有9种： 半乳糖、甘露糖、 岩藻糖、葡萄糖、 木糖、葡萄糖胺、 N-乙酰葡萄糖胺、 N-乙酰半乳糖胺 和唾液酸。 生物膜上的糖类 几乎都定位于膜 的非胞浆面，在 质膜外侧形成细 胞外被或糖萼。
2.2.3 类固醇（steroids）
胆固醇
谷固醇
麦角固醇
胆固醇 Sterols
胆固醇是一种类脂化合物, 在 生物膜中含量较多。
胆固醇以中性脂的形式 分布在双层脂膜内，对 生物膜中脂类的物理状 态有一定的调节作用， 有利于保持膜的流动性 和降低相变温度。
胆固醇 ◎胆固醇是中性脂
类，存在于真核细胞 膜上，含量不超过膜 脂的1/3。
• 这类蛋白约占膜蛋白的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。 • 外周蛋白与膜的结合比较疏松，容易从 膜上分离出来。 • 外周蛋白能溶解于水。
内在蛋白 integral protein
• 内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或 全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 • 这类蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水键与 膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。 • 内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没 有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大 增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形 式存在，其中又以-螺旋更普遍。
◎在一定温度下膜可以从流动的液晶态转变
为晶态；晶态也可转变为液晶态。这种状态的 相互转化称为相变，引起相变的温度称为相变 温度。
◎侧向扩散：在同一单分子层内的脂类分子极易与邻
近分子交换位置。107/秒 一个脂类分子2微米/秒。
◎脂肪酸链的伸缩运动：膜脂脂肪酸链沿着双分子
层平面垂直的轴进行伸缩运动，速度约为10-9/秒。
2.2生物膜的组成
2.1 膜脂 (Lipid)
◎膜脂种类：膜脂是生物膜的基本组成成分，
每个动物细胞质膜上约有109个脂分子，即每平 方微米的质膜上约有5×106 脂分子。构成膜的 主要脂类有磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 2.1.1 磷脂 在膜中含量最高，真核细胞膜中的磷脂主 要有卵磷脂（磷脂酰胆碱）、脑磷脂（磷脂酰