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1、第二十章 生物膜 第一节 脂双层一个典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核细胞中）。膜含有的脂有一共同的特点，它们都是两性分子，含有极性成分和非极性成分。磷脂和糖鞘脂在一定的条件下可以象肥皂那样形成单层膜或微团，然而在体内这些脂倾向于组装成一个脂双层。由于磷脂和糖鞘脂含有两条烃链的尾巴，不能很好地包装成微团，却可以精巧地组装成脂双层（下图）。但并不是所有的两性脂都可以形成脂双层，如胆固醇，其分子中的极性基团OH相对于疏水的稠环系统太小了。在生物膜中，不能形成脂双层的胆固醇和其它脂（大约占整个膜脂的30）可以稳定地排列在其余70脂组成的脂双层中。脂双层内脂分子的疏水尾巴指向双层内部，而
2、它们的亲水头部与每一面的水相接触，磷脂中带正电荷和负电荷的头部基团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性的。脂双层倾向于闭合形成球形结构，这一特性可以减少脂双层的疏水边界与水相之间的不利的接触。在实验室里可以合成由脂双层构成的小泡，小泡内是一个水相空间，这样的脂双层结构称为脂质体（liposomes），它相当稳定，并且对许多物质是不通透的。可以包裹药物分子，将药物带到体内特定组织。第二节 流动镶嵌模型脂双层形成了所有生物膜的基础，而蛋白质是生物膜的必要成分。不含蛋白质的脂双层的厚度大约是56nm，而典型的生物膜的厚度大约是610nm，这是由于存在着镶嵌在膜中或与膜结合的蛋白质的缘故
3、。1972年，S.Jonathan Singer和Garth L.Nicolson就生物膜的结构提出了流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。根据这一模型的描述，膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”飘浮在高度流动的脂双层“海”中（下图）。内在膜蛋白（integral membrane proteins）插入或跨越脂双层，与疏水内部接触。外周膜蛋白（peripheral membrane proteins）与膜表面松散连接。生物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白质和脂可以快速地在双层中的每一层内侧向扩散。尽管现在对原来的流动镶嵌模型中的某些方面作了一些修正和补充，但该模型时至今日仍然是基本正
4、确的。第三节 膜的流动性流动镶嵌模型最有力的证据之一是L.D.Frye和Michael A进行的小鼠细胞和人细胞的融合实验（右图），该实验证明了某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向扩散。他们将小鼠细胞和人的细胞融合形成一个异核体（杂化细胞）。在融合之前利用可以特异结合在人细胞质膜中某个蛋白的红色荧光标记的抗体标记人细胞，而用可以特异结合在小鼠细胞质膜中某个蛋白的绿色荧光标记的抗体标记小鼠细胞。这样一来可以通过免疫荧光显微镜观察两种标记的细胞融合后，细胞膜上内在膜蛋白的变化。大约在融合后40分钟，就观察到细胞表面抗原相互混合的情形。这一实验表明，至少某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向自由扩散。第四节
5、物质运输与生物膜生物膜是从物理角度将活细胞与它周围的环境分开所必要的，而其另一个作用也非常重要，那就是生物膜使细胞生长所需要的水、氧和所有其它营养物质进入细胞内，而将细胞生成的产物（例如激素、某些降解酶和毒素等）输出，以及使一些废物（例如二氧化碳和尿素等）排泄掉。疏水的、小的、不带电荷的分子可以自由地扩散通过细胞膜，这种不依赖其他蛋白帮助的转运方式称为非介导转运（Nonmediated transport）。但对大多数带电物质来说，脂双层是一个几乎不可通透的壁垒，需要通过转运蛋白转运，这种转运方式称为介导转运（Nonmediated transport）。小分子和离子跨膜运输借助于三种类型的内
6、在膜蛋白：通道（channels）蛋白和（膜）孔（pores）蛋白、被动转运蛋白（passive transporters）和主动转运蛋白（active transporters）孔蛋白和通道蛋白非常象离子载体，为小分子和离子提供一个沿着浓度梯度迁移的途径，该迁移过程不需要能量，是通过这些蛋白而不是通过脂双层扩散被动转运不需要能量驱动，被动转运也称为易化扩散（facilitated diffusion）。转运蛋白的作用是加快反应的平衡，如果没有转运蛋白，单靠扩散达到平衡非常慢。红细胞主要依赖于葡萄糖作为能源。D-葡萄糖从血液（葡萄糖浓度大约为5mM）通过被动转运，经葡萄糖转运蛋白沿着葡萄糖浓度
7、梯度降低方向进入红细胞内。葡萄糖首先与转运蛋白的面向外构象结合，然后当转运蛋白构象改变时，葡萄糖跨过脂双层。在面向细胞质一侧，葡萄糖脱离转运蛋白，进入细胞质，而转运蛋白又改变为起始的构象。被动和主动转运蛋白与通道蛋白和孔蛋白不同，转运蛋白通常能特异地结合某些分子或结构上类似的分子的基团并进行跨膜转运。最简单的一类转运蛋白执行单向转运（uniport），即它们只携带一种类型的溶质跨膜转运。而许多转运蛋白可进行两种溶质的同一方向的同向转运（symport）或协同转运（cotransport）。被动转运是溶质沿着浓度梯度降低方向转运，不需要能量；与被动转运相反，主动转运可以逆浓度梯度转运，但需要能量
8、。主动转运可以利用不同形式的能源。常用的是ATP，离子转运ATP酶（ion-transporting ATPase）是一大类ATP驱动离子转运蛋白，几乎存在于所有细胞器官。其中包括Na+-K+ ATP酶和Ca2+ ATP酶，它们在制造和维持跨质膜和细胞内器官的离子浓度梯度中起着必要的作用。光是某些主动转运的能源，例如细菌视紫红质将光能转化为化学能的过程。原发主动转运直接由ATP、光或电子传递驱动的，而第二级主动转运是靠离子浓度驱动的。在大多数情况下，原发主动转运常用来在第二个溶质中制造一个梯度。例如在ATP的驱动下将第一种溶质逆浓度梯度转运，结果形成的第一种溶质浓度梯度贮存的能量又能驱动第二种
9、溶质的逆浓度梯度转运第五节 胞吞与胞吐原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。在真核细胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。胞吞和胞吐都涉及到一种特殊的脂囊泡的形成。蛋白质和某些其它的大的物质被质膜吞入并带入细胞内（以脂囊泡形式）。受体介导的胞吞开始是大分子与细胞的质膜上的受体蛋白结合，然后膜凹陷，形成一个含有要输入的大分子的脂囊泡
10、，也称为内吞囊泡，出现在细胞内。出现在胞内的囊泡与胞内体融合，然后再与溶酶体融合，胞吞的物质被降解。胞吐除了转运方向相反外，其过程类似于胞吞。在胞吐中，确定要从细胞分泌出的蛋白质被包裹在囊泡内，然后与质膜融合，最后将囊泡内的包容物释放到细胞外介质中。降解酶的酶原就是通过这种方式从胰腺细胞转运出去的。 本章重点总结 脂是一类用非极性溶剂从生物样品中提取的不溶于水的有机化合物。脂无论从结构上还是从功能上都是多种多样的。脂肪酸是长链单羧酸。自然界存在的主要的脂肪酸含有一个偶数碳的烃链，碳数的范围从12到20。不含碳碳双键的脂肪酸称之饱和脂肪酸；含有一个双键的脂肪酸称之单不饱和脂肪酸；而含有一个以上双
11、键的脂肪酸称之多不饱和脂肪酸。存在于不饱和脂肪酸中的双键大多数是cis构型。饱和和不饱和脂肪酸是很多脂的组成成分。脂肪酸一般都是以称之三脂酰甘油（脂肪和油）的复合脂形式贮存的。三脂酰甘油是中性和非极性脂。蜡也是中性和非极性脂，它是由长链的脂肪醇和脂肪酸形成的酯。前列腺素是生理上重要的二十碳脂肪酸（例如花生四烯酸）的衍生物。甘油磷脂是生物膜中的主要的两性脂成分。主要有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。这些磷脂的极性头部包括一个阴离子的磷酸二酯基团，这个基团连接甘油骨架的C-3和另一个水溶性的成分。而磷脂的非极性尾巴是由与甘油的C-1和C-2形成酯的脂酰基组成的。其它的主要脂包括
12、鞘脂，胆固醇和脂溶性的维生素。长链的鞘氨醇是鞘脂的骨架。鞘磷脂，脑苷脂和神经神经节苷脂是三种主要的鞘脂。脂溶性维生素是聚异戊二烯化合物。胆固醇是生物膜的一个重要成分，可以作为胆固醇类激素的前体。生物膜确定了细胞和细胞内的各个分立区域的外部边界。一个典型的生物膜是由脂和蛋白质组成的，同时在糖鞘脂和糖蛋白上带有少量的糖。生物膜是一个蛋白质镶嵌在脂双层基质中的流动镶嵌膜。两性脂，例如甘油磷脂和鞘脂自然地组装在双层膜中。脂在双层膜中的侧向扩散很快，但从一层向另一层的横向扩散（分子翻转）却非常慢。特殊脂在生物膜的里层和外层的分布是不对称的。在低温状态下，脂双层是以有序的凝胶态存在的，这种状态下的脂酰链是
13、伸展的。当升温时，脂双层经历一个相变，呈现出一种液晶态，脂酰链呈弯曲状态。Cis双键在脂酰链中制造出一个纽结，因此可以降低相变温度，增加膜的流动性。胆固醇通过破坏凝胶相脂和限制液晶相脂的运动调节膜的流动性。大多数内在蛋白质横跨双层膜的疏水内部。而外周膜蛋白只是很松散地与膜表面相连。几乎所有的内在膜蛋白都含有跨越脂双层的-螺旋片段。受体蛋白通常只具有单个-螺旋区，而转运蛋白总是具有多个跨膜片段，片段中的氨基酸残基大多数是疏水的，也含有极性氨基酸。许多膜蛋白可以在膜中自由地侧向扩散。脂双层是个有选择的通透性壁垒，大多数带电荷的分子都不能通透，但水和疏水性分子能自由地扩散通过。离子扩散过膜的速度可以
14、被某些离子载体极大地增强。特殊的转运蛋白、通道蛋白和膜孔蛋白参与离子和极性分子的跨膜转运。通道蛋白使得大量的特殊离子或小分子顺着浓度通道经中央孔快速地扩散。转运蛋白通过面向外和面向内构象之间的转换结合底物并把它转运过膜。被动转运是顺着浓度通道转运分子，不需要能量。主动转运是逆浓度梯度转运底物，需要供给能量。在原发主动转运中，能量是由ATP水解、光或电子传递直接提供的。第二级主动转运是被离子梯度驱动的；底物的上坡转运常和离子的下坡转运耦联。大的蛋白质分子转入或转运出细胞是分别通过胞吞或胞吐实现的，该过程涉及到脂囊泡的形成和融合。 本 章 名 词 解 释 主动转运（active transport
15、）:一种转运方式，通过该方式溶质特异结合于一个转运蛋白，然后被转运过膜，但与被动转运方式相反转运是逆着浓度梯度方向进行的，所以主动转运需要能量来驱动。在原发主动转运过程中，能源可以是光、ATP或电子传递。而第二级主动转运是在离子浓度梯度驱动下进行的。协同运送(cotransport)：两种不同溶质跨膜的耦联转运。可以通过一个转运蛋白进行同一方向（同向转运）或反方向（反向转运）转运。胞吞（作用）（endocytosis）：物质被质膜吞入并以膜衍生出的脂囊泡形式（物质在囊泡内）并被带入到细胞内的过程。胞吐（作用）（exocytosis）：确定要分泌的物质被包裹在脂囊泡内，该囊泡与质膜融合，然后将物
16、质释放到细胞外空间的过程。被动转运（passive transport）：也称之易化扩散（facilitated diffusion）。是一种转运方式，通过该方式溶质特异结合于一个转运蛋白，然后被转运过膜，但转运是沿着浓度梯度下降方向进行，所以被动转运不需要能量支持。通道蛋白（channel proteins）:是一种带有中央水相通道的内在膜蛋白，它可以使大小合适的离子和分子从膜的任一方向穿过膜。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。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
17、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。另外脂和膜蛋白都可以进行横向扩散。外周膜蛋白（peripheral membrane proteins）：通过与膜脂的极性头部或内在膜蛋白的离子相互作用和形成氢键与膜的内、外表面弱结合的膜蛋白。膜蛋白一旦从膜上释放出来，通常都是水溶性的。内在膜蛋白（integral membrane proteins）：插入脂双层的疏水核和完全跨越脂双层的膜蛋白。生物膜（bioligical membrane）:镶嵌有蛋白质的脂双层，起着划分和分隔细胞和细胞器的作用。生物膜也是许多与能量转化和细胞内通讯有关的重要部位。祝大家07年生物考研取得好成绩！ 学 子 272646652 110