6-6 生物膜的组成和性质 上册P589 细胞的外周膜（质膜）和内膜系统统称为生物膜。生物膜结构是细胞结构的基本形式。 生物膜主要由蛋白质（包括酶）、脂质（主要是磷脂）和糖类组成。生物膜的组分因膜的种类不同而不同，如P589（表18-1），一般功能复杂或多样的膜，蛋白质比例较大，蛋白质：脂质比例可从1:4到4:1。 膜脂：有磷脂、胆固醇和糖脂。 磷脂：构成生物膜的基质，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，构成脂双层。 糖脂：大多为鞘氨醇衍生物，如半乳糖脑苷脂和神经节苷脂。 胆固醇：对生物膜中脂质的物理状态，流动性，渗透性有一定调节作用，是脊椎动物膜流动性的关键调节剂。 膜分子的相变温度TC为膜的凝胶相和液晶相的相互转变温度。磷脂分子成膜后头基排列整齐，在TC以下时，尾链全部取反式构象（全交叉），排列整齐，为凝胶相；而在TC以上时，尾链成邻位交叉，形成“结”而变成流动态，为液晶相。见P597 图18-15。 胆固醇的作用是：当t>TC，胆固醇阻扰磷脂尾链中碳碳键旋转的分子异构化运动，阻止向液晶态转化，使相变温度提高；而当t<TC时，胆固醇又阻止磷脂尾链的有序排列，阻止向凝胶态转化，降低相变温度。胆固醇总的作用是使相变温度变宽，保持膜的流动性。 (4) 膜脂的多态性： 膜脂是两亲分子，具有表面活性剂分子在水中的多态性和性质。 在水-空气界面上形成单分子层。 浓度超过一定数值后，磷脂分子就以微团（micelles）或双层（bilayer）形式存在，脂双层进一步自我组成闭合的脂质体（liposomes），P592 图18-6。另外脂双层还有六角形相排列，P592 图18-7，P593 图18-8。 膜蛋白：承担由膜实现的极大多数膜过程。 由在膜上定位分为： 外周蛋白：分布在膜的脂双层表面。 内在蛋白：全部或部分埋在脂双层疏水区或跨全膜。 外周蛋白一般溶于水，易于分离；内在蛋白不溶于水，难于分离，因此已确定结构的不多。 脂质为膜蛋白提供合适的环境，往往是膜蛋白表现功能所必需的。 糖类：约占质膜重量的2~10%，大多数与膜蛋白结合，少量与膜脂结合，分布于质膜表面的多糖-蛋白复合物中，常称细胞外壳，在接受外界信息及细胞间相互识别方面具有重要作用。 6-7 生物膜的分子结构 生物膜是蛋白质、脂质和糖类组成的超分子体系，彼此之间是有联系有作用的。 生物膜分子间作用力：静电力，疏水力和范德华引力。 生物膜结构的主要特征： （1）膜组分的不对称分布：各组分在膜两侧分布是不对称的，从而导致膜两侧电荷数量、流动性等的差异，与膜蛋白定向分布及功能密切相关。 （2）生物膜的流动性：合适的流动性对生物膜表现其正常功能具有十分重要的作用。生理条件下，磷脂大多呈液晶态，各种膜脂由于组分不同而具有各自的相变温度。 膜的流动性主要取决于： 脂肪酸的链长和不饱和度 链长：磷脂中的脂肪酸长度越长，相互作用越强越易排列，链长要适中。 不饱和度：双键越多，越不易排列。顺式双键在烃链中产生弯曲，出现一个“结”，使TC下降。 细菌中脂肪酸侧链如甲基、环丙基等，作用与双键同。 原核生物通过脂肪酸链的双键、侧链和链长度来调节膜的流动性。 E.coli 420C时，饱和和不饱和脂肪酸之比为1.6:1，而27OC时则为1:1。不饱和比率增加，可防止膜在低温下变得过于刚硬。 胆固醇：为真核生物膜流动的关键调节剂。 其他：膜蛋白、鞘磷脂含量，温度、pH、离子强度，金属离子等都对膜流动性有影响。 许多疾病患者的病变细胞膜流动异常。 膜分子的运动： 脂类和许多膜蛋白分子都不断进行侧向扩散或侧向移动，脂类在膜平面中扩散很快，而膜蛋白只几个μm/min。 在脂双层中从双层一侧转到另一侧的翻转，磷脂分子困难，膜蛋白则不能翻转。 烃链围绕C-C键旋转而导致异构化运动和凝胶相与液晶相互变。 还有围绕膜平面相垂直的轴左右摆动及旋转运动。 生物膜的流体镶嵌模型： 是已获比较广泛支持的生物膜分子结构模型。见P600 图18-21。 6-7 生物膜的物质运送 下册 P46 （一）生物膜的主要功能为： （1）分隔细胞、细胞器，细胞及细胞器功能的专门化与分隔密切相关。 (2) 物质运送：生物膜具有高度选择性的半透性阻障作用，膜上含有专一性的分子泵和门，使物质进行跨膜运送，从而主动从环境摄取所需营养物质，同时排除代谢产物和废物，保持细胞动态恒定。 （3）能量转换：如氧化磷酸化和光合作用均在膜上进行，为有序反应。 （4）信息的识别和传递：在生物通讯中起中心作用，细胞识别、细胞免疫、细胞通讯都是在膜上进行的。 （二）生物膜的主动运送和被动运送： 有些细胞有很高的浓缩功能，如海带收集碘。 根据物质运输自由能变化，可分为被动运输和主动运输。 （1）被动运输：物质从高浓度一侧顺浓度梯度的方向，通过膜运输到低浓度一侧的过程。 （2）主动运输：物质逆电化学梯度的运输过程，它需要外界供给能量方能进行。 主动运输具有专一性、饱和性、方向性、选择性抑制和需提供能量等特点。 小分子物质的运输： 根据运输物质分子的大小，物质运输又分为小分子运输与生物大分子运输。 由于膜脂双层疏水区，疏水小分子、N2、苯等易通过膜，不带电荷的小极性分子，如甘油、脲、CO2也可通过。见P48 图21-2。 Na+，K+，Ca2+，Cl- 等离子跨膜运送大多是通过专一性蛋白运送。 （1）Na+，K+，泵： 细胞内都是高K+低Na+，细胞外为高Na+低K+，这是由称为钠钾泵的蛋白主动运送的结果。 （2）Na+，K+-ATP酶通过水解ATP提供的能量主动向外运输Na+而向内运输K+。 每分解一个ATP分子泵出3个Na+，泵入2个K+，见P49 图21-4。 （3）Na+，K+-ATP酶作用机制──构象变化假说。P50 图 21-6。 Na+与ATP酶结合。 细胞质侧ATP酶被ATP磷酸化，消耗1分子ATP。磷酸基团转移到ATP酶上。 诱导ATP酶构象变化，将Na+运送至细胞膜外侧。 K+结合到细胞表面。 ATP酶去磷酸化。 ATP酶回到原来构象，K+通过膜释放到细胞质侧。 （4）生理意义：不仅维持细胞的膜电位，成为可兴奋细胞，是神经、肌细胞等的活动基础，可调节细胞的体积和驱动某些细胞中糖和氨基酸的运送。 生物大分子的跨膜运输： 多核苷酸或多糖等生物大分子甚至颗粒物的运输主要是通过胞吐作用、胞吞作用，P56 图21-4。 （1）胞吐作用：细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜接触，融合并向外释放被裹入的物质。 （2）胞吞作用：细胞从外界摄入的大分子或颗粒逐渐被质膜的一小部分包围，内陷，然后从质膜上脱落，形成含有摄入物质的细胞内囊泡。 胞吞与胞吐过程相反。 人工模拟膜 用不含蛋白质的磷脂和表面活性剂制备功能胞囊膜，模拟生物膜的多种功能。 （一）模拟生物膜功能： （1）模拟物质的运送和调控，用于分离、提取和浓缩所需物质，如污水处理，海水浓缩所需物质，海水淡化。 （2）靶向给药和可控缓释给药： 用脂质体对药物和疫苗进行包结，在体内可控释放、延长和增强药效。 包结药品的脂质体表面连接上抗体，可实现靶向给药，抗体在体内寻找抗原，结合后药物定点释放。 （3）模拟膜上的化学反应： 利用膜分子排列有序，使反应按一定方向有序进行，膜提供的微环境如有机溶剂，可加速反应进行，为一些酶促反应提供场所。 （4）生物传感器： 模拟叶绿素体膜、类囊体膜，将太阳能转化成电能或化学能，模拟视觉和嗅觉。 （5）制备纳米材料： 用超声法制备单层小泡囊（体积20~50nm）包结制备纳米材料。 （二）表面活性剂分子在水中： 一般一条疏水链的表面活性剂，如硬脂酸纳在水中形成胶束，具有两条疏水链的亲水亲油分子，如磷脂在水中形成双层泡囊──脂质体，人工合成的二烷基四级铵盐（体内不存在的两亲化合物），形成双层泡囊，常用于人工模拟膜的制备。 模型膜的主要类型： （1）LB膜（Langmuir-Blodgett）： 最适宜研究两亲分子的排列和取向和脂质分子微小结构变化。 Langmuir膜（单层膜）：借助膜天平可测表面压──面积等温图，可测膜分子成膜后的截面积，了解两亲分子构造，排列和取向。 LB膜：单分子层膜累积而成的多分子层膜称为LB膜。 由于LB膜具有规则的排列和取向，高度各向异性，超薄（几个nm）均匀，厚度可控制，可在分子水平上任意组装，将功能分子引入可成为分子器件，因此具有广阔应用前景和巨大科学价值。 （2）BLM（双层膜）： 可研究膜电容、厚度和电阻，可用于透过膜的传输过程的研究。 （3）脂质体（Liposomes）: 单层小泡囊 SUV 大小：200~500? 单层大泡囊 LUV 1000~105? 多层大泡囊 MLV 1000~8000? 脂质体与细胞膜相似，适合于大量的生物物理和生物化学研究，如测量膜的渗透性，研究活性膜蛋白的重组。 已用于表面识别反应：药物载体，靶向给药；酸性药物的去除；人工肾（包结脲酶）；物质分离；液膜反应器等。