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1、4 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。,膜结构,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。,41 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
2、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。,42 生物膜的组成,表81 膜的化学组成(),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210，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。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。,421 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，
3、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。,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510%。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。,421 膜脂及其分子的双亲性,主要类型：磷脂(phospholipid)、糖脂(glycolipid)和固醇(stecol)。,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
4、上。所有动物细胞的膜毫无例外地都含有磷脂。磷酸甘油酯鞘氨醇磷脂,磷酸甘油脂,游离脂肪酸及其分子式,（2）糖脂,（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。,（3）固醇类,（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。,（3）固醇类,胆固醇在哺乳类的质膜中约含总脂质的45（50%）。在高尔基体膜、溶酶体膜中，胆固醇的含量也很高，
5、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。原核细胞的质膜中则不含胆固醇。,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（phosphat
6、idylinositides，PI，包括PI、PIP和PIP2）、心磷脂（cardiolipin，CL）等；糖脂根据糖基的不同分为若干种。其中每一种因所含脂肪酸的不同又分为若干种，如根据脂肪酸链的含双键的情况分为饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸（双键的数目可以为15），脂肪酸链的长度可为1226个碳。如果再考虑构象变化，每一种中都包括若干种。,（4）、膜脂分子的形状及其双亲性,一头是极性，另一头是非极性的,分子电性,（a）电学,磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺在生理条件下是电中性(electroneutral)分子。磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰甘油和二磷脂酰甘油（心磷脂）都属于负电性(anionic)磷脂
7、，在生理条件下，它呈负电性。,（b）水溶特性,生物膜中的磷脂、糖脂、胆固醇均为双亲性分子(amphipathic molecules)或兼性分子（zwitterionic），它们的疏水尾部为脂肪酸、醛、醇、鞘氨醇衍生物或固醇分子的长链脂肪酸，亲水头部为磷脂酰碱基、糖残基或羟基。膜磷脂成分由于其极性头的结构不同，表现了不一样的行为，这种差异对于膜功能有很重要的意义 所谓兼性分子是该分子同时具有疏水(hydrophobic)和亲水(hydrophilic)两部分。）,膜脂分子,从物理结构上有共同的结构：一头是极性，另一头是非极性的。,（c）分子形状,不同构型脂肪酸的物理尺寸,分子形状,磷酸甘油脂肪
8、酸链的双键往往取顺式(cis)构型。顺式构型导致烃链在该处形成约44（30）折角(bend或kink)，而相应反式脂肪酰链则是直线链状。顺式构型的不饱和脂肪酰链比起相同碳原子数的饱和脂肪酰链和反式构型的不饱和脂肪酰链，链短而分子覆盖面积大,磷脂分子的堆积方式,（d）脂双层中磷脂分子的构象(lipid conformation in membranes),（d）脂双层中磷脂分子的构象(lipid conformation in membranes),422 膜蛋白,(1)整合蛋白(intergral protein)或内在蛋白(intrinsic protein)(2)外周蛋白(peripher
9、al protein)或外在蛋白(extrinsic protein)(3)脂锚定蛋白,图82 膜蛋白与膜脂结合的6种方式,(1)整合蛋白,(1)整合蛋白,以不同深度镶嵌在脂质双分子层中，有的还横跨全膜，称为跨膜蛋白(transmembrane protein)。整合蛋白与膜结合牢固。跨膜蛋白的细胞外与细胞质内部分在结构和功能上有着明显不同。,血型糖蛋白,人红细胞膜蛋白分子,细菌视紫红质分子的结构,(2)外周蛋白,大多数为水溶性的，通过与整合蛋白或脂类分子极性头部的相互作用而结合于膜的内、外表面。外周蛋白与膜结合得比较疏松,血影蛋白亦称红细胞膜素,413 膜糖类,生物膜上的糖类几乎总是被定位于
10、膜的非胞浆面(face away from the cytosol)，质膜糖基含量约占膜重量的210，不同物种和细胞类型的膜糖含量不同。膜结构中的糖类主要与膜脂、膜蛋白以共价键结合形成糖脂和糖蛋白，红细胞膜含有约8的糖类，其中约7共价连接于脂分子上，形成糖脂类，93共价连接膜蛋白大多数暴露于细胞表面的蛋白质都带有糖基，通常接多个寡糖链，而脂双层外叶的脂分子连有寡糖链的不到1，而且大多仅连有一条寡糖链。,膜糖类,有9种糖基出现在膜糖链中，中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、岩藻糖、木糖等，氨基糖有乙酰氨基葡萄糖、乙酰氨基半乳糖、氨基糖酸(唾液酸和羟乙酰神经氨酸)，但大多不含糖醛酸。唾液酸通常连接于寡
11、糖链端部。,功能,糖基构建糖链，能够进行多样化的排列组合，在糖蛋白和糖脂分子中形成复杂的，具有巨大信息量的多样化基团结构(三糖链就可以有1 958种结构形式)。质膜外的糖链结构参与信号识别、细胞识别及粘合等过程。膜的不对称性，膜成分的固定等。血型,功能,上皮细胞的膜糖脂总是分布在顶端表面，有助于细胞免受外部低pH和降解酶等严厉条件的损伤。带电荷的膜糖脂如神经节苷脂可能改变跨膜电场和改变膜外表的离子如Ca+的浓度。糖链具有高极性甚至负电性有利于膜蛋白三维结构的稳定和有效正确地定向、定位与抛锚。,43 膜的不均称性,膜的不对称性(asymmetry of the membrane)膜的不均一性,红
12、细胞质膜的脂不对称性,SM，神经鞘磷脂；PC，磷脂酰胆碱；PS，磷脂酰丝氨酸；PE，磷脂酰乙醇胺；P I，磷脂酰肌醇；CL，心磷脂,43 膜的不对称性,膜的不对称性(asymmetry of the membrane)是指膜脂双层的两个片层在结构、组成及功能上的不同、不一致性膜脂、膜糖和膜蛋白不对称地分布在脂双层的两个片层。所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生物膜功能的重要基础。不同的细胞质膜，脂类的不对称分布是不相同的。即使同一质膜的不同部位也可能有不同的脂分布。,43 膜的不对称性,组成结构功能,44 生物膜分子的运动特性,脂双层的流动性(fluidity)；蛋白质分子在膜中的运动；
13、完整膜或膜片段的膜流(membrane flow)。,生物膜分子运动的意义,生物膜上分子的运动特性可以说是细胞行使各类生理功能的基础。生长，变化，繁殖，,431 膜脂质分子的运动性,脂质分子如果运动性强，则膜的流动性就大；反之亦然,脂质分子的运动,脂质分子内运动,(1)最常发生的脂肪酰链长轴上绕着CC键的旋转(旋转速度为100ps)；(2)烃链的顺式扭结(cis kinks)，约1ns发生一次；(3)脂肪酰链沿长轴向的伸缩或弯曲(bending)。,脂质分子间的运动,(1)整个分子绕着与膜平面垂直的轴转动(rotation)，也称转动扩散(rotation，diffusion)，其转动速度为每
14、10ns转动2角度。(2)侧向扩散，即膜脂分子在膜平面内的扩散。(3)翻转(transmembrane flip-flop)，这是指脂分子从脂双层的一个叶片层完全翻转到另一个叶片层的运动。,脂质分子在三个“维度”的运动方式,“一维运动”，脂质分子自身的运动（即脂酰烃链绕CC键旋转的异构化运动)，磷脂分子以其自身长轴(与膜平面垂直)为轴左右摆动和左右旋转；“二维运动”，脂质分子在膜内沿膜平面做侧向扩散和侧向移动“三维运动”，磷脂分子的翻转运动。脂质分子难发生垂直膜面的直线运动,442 膜内在蛋白的运动,442 膜内在蛋白的运动,膜蛋白也同脂类分子一样处在一种运动的平衡之中。膜内在蛋白的主要运动形
15、式包括侧向扩散运动、旋转扩散(rotational diffusion)、构象变化以及蛋白多聚复合物的聚合和解聚等无翻转膜蛋白运动的特殊性是其扩散运动、和无翻转运动。其分子内部运动（包括构象变化、聚合与解离等参见蛋白质质分子运动）,膜蛋白侧向扩散运动的类型,在膜平面内发生随机的布朗运动(Brownian movement)（局部移动，整个膜上运动，基本不动锚定，蛋白质密度，定向运动）,膜蛋白侧向扩散运动的控制,膜蛋白的运动首先由脂双层的微粘度和自身大小所决定。,膜蛋白侧向扩散运动的控制,被膜骨架蛋白构成的“藩篱”所限制。有些蛋白可以在整个膜平面中无规则地移动，但是它们的运动速率低，如果膜内在蛋
16、白含量多，分布拥挤，相邻蛋白的随机运动也将受到限制。在不同的生物膜中，膜蛋白的运动速度差异很大。不同细胞上、内膜系统不同的细胞器膜上膜蛋白以及处在不同功能状态的细胞，其质膜和内膜系统上的膜蛋白的运动速率是明显不同的。细胞中特殊功能的质膜糖蛋白不动，有的蛋白被“锚定”在膜骨架上而无法作扩散运动。其他方面的蛋白间相互作用也限制或控制着膜蛋白的运动。一些情况下，某些特异的蛋白的运动有高度的方向性，似乎在膜的胞浆面有马达蛋白(motor protern)驱动其运动。,443 生物膜中脂与蛋白质的相互作用,电磁相互作用 亲水的极性头部 疏水部分两者都发生着相互适应和契合的构象变化。,作用,脂分子与蛋白的
17、相互作用可以调整膜中膜蛋白的聚集状态，进而调整膜蛋白的功能。蛋白质掺入膜时，膜的通透性会增加，膜磷脂分子的跨膜运动(transmembrane movement，或flip-flop)速率也提高有些膜脂的存在对于某些酶的激活是必需的。,脂双层可能形成两种“结构域”,固液相间,在膜蛋白存在下，脂双层似乎被诱导形成两个脂的“结构域”(domains)其运动受到明显的限制。不能参与高度协调的相变。结合磷脂或结合脂(bound phospholipids)与非界面脂的交换要慢得多，能够以与膜蛋白相似的特征速率在膜中旋转。,4 4 4 生物膜的液晶特性,4441液晶的一般概念,液晶态是指介于晶体和液体间
18、的一种物质状态,液晶态,它既不像液体那样具有强流动性，又不像固体那样完全保持一定的形态，外形上流动性差，有一定粘性；内部结构上，分子间的相对位置既不像晶体那样相对不变，又不像液体那样完全“无规则”运动，其有序程度介于晶体与液体之间，光学性质上表现出各向异性的双折射现象(立方相和部分六角相除外)，不同类型的液晶，其分子有序程度不同。晶体从外部形态上看有一定形状，从内部结构上看分子间距离相对不变，光学上表现出各向异性的双折射现象(立方相和部分六角相除外)。液体从外部形态上看无定型，从内部结构上看分子间的距离不定，分子运动不定，光学上表现出各向同性。,44 4 2 生物膜主要是脂双层相,液晶状态,膜
19、结构的基础是建立在膜脂主要成分磷脂的双亲性(amphipathic)特性上。磷脂兼性分子能够以物理的而非化学的联系自组装(self-assemble)成各种膜样微结构(microstructures)。这些结构，包括微团、膜泡(vesicles)、脂质体(liposomes)、微管状(microtubles)和脂双层(bilayers)等，构成具有油样区(oil-like regions)和较大界面(interfacial areas)的微相(microphases)。,生物膜是脂双层(lipid bilayers)结构,对生物膜而言，脂双层是由膜脂分子(尤其是磷脂)形成的最主要的结构。这个结
20、构一般有两个相，凝胶相和液晶相，生理条件下是以液晶相存在,液晶或流体相,从人工膜测得的数据表明，磷脂在膜中有高的侧向运动自由度，脂质分子能在平行于膜表面的膜平面中相当自由和快速地转位，每秒钟磷脂分子与其临近分子交换位置达106次。并不是真正液态，脂质分子不倾向于在垂直于脂双层平面的方向进行转位或者说不易于从膜向外伸出或滑出。,凝胶或固态相(The gel or solid phases),处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结”几乎完全失去运动自由性，而取硬棒样形状，即全反构象。膜变得更具刚性而失去柔韧性，并且镶嵌于脂双层中的蛋白质不再能够运动。凝胶相的膜对物理性协迫(stress)失去适
21、应性，而易于形成渗漏(leak)，造成膜通透性及其功能的损害。衰老或不完善的生物膜往往表现为典型的凝胶相。,4443 相变和相分离,phase transition&phase separation,凝胶相到液晶相的相变,gel-to-liquid crystalline phase transition相变温度(transition temperature，Tt)，从液晶态到凝胶态开始改变的最低温度高于Tt脂双层处于液晶相，反之处于凝胶相。相变温度是膜流动性的重要特征指标，相变温度高的膜流动性差。高Tt的生物膜比低Tt的生物膜在生理学上对外环境的协迫更为敏感。,相分离(phase separ
22、ation)或者混合相(mixed phase),即在给定的膜内发生或存在相态各不相同的不同微区(domains)。对于两种磷脂组成的人工膜，当温度处于两种磷脂相变温度之间时，即可发生相分离，即一种磷脂处于液晶相，另一种磷脂却处于凝胶相，两相共存。生物膜发生相分离的生理意义是多方面的，如老的细胞膜发生典型的相分离导致膜的泄漏(leak)，预示细胞的死亡。另一方面，有序的不同膜相区域的共存，在某些情况下却是有益的。,(c)片层脂双层相和六角形相之间的相变,lamellar hexagonal phase transition这种相变的发生要慢得多，特别是从六角形相到片层脂双层相的转变。在人工膜的
23、实验中，常常要求相当长的孵育时间(数小时到数天)，而从片层脂双层相到六角形相的相变的发生则很迅速，在数秒或数分钟内即可实现。这种相变之所以较慢，是因为在相变过程中磷脂分子要进行根本性的重排。,4444脂双层流动性的重要性,固液两性的意义,（脂双层流动性的重要性）既不过于刚性(rigid)又不失其有序性(ordering)，既不变成完全的流体(completely fluid)，又表现着适宜的柔性(flexibility)，膜上成分即可以有序组织，又可以运动。固体：膜成分定向有序地组织，形成特殊的结构，具有机械支撑与分隔能力，（韧）。液体：柔，伸缩自如，膜内成分之间相互作用方便，运动灵活，便于各
24、种功能的发挥。可以自由插入或移除某个分子。细胞运动、细胞生长、细胞分裂、细胞内吞与外排(分泌)等都依赖于膜的流动性。,4445 影响膜流动性及相变温度的主要因素,影响膜流动性的主要因素,磷脂分子脂酰链的长度、脂酰链的饱和度、脂分子极性头部的极性强度、环境的温度、离子强度、金属离子种类、膜脂的脂分子组成、各组分的比例以及膜上蛋白质等,磷脂脂肪烃链的结构,不同磷脂的相变温度是很不相同的，具有不同脂肪酰链的PC形成的脂双层其Tt可以从低于0到高于60。Tt随脂肪烃链的长度增长而升高；脂肪烃链的不饱和度越大，Tt越低；双键在脂肪烃链上的位置也影响Tt，如果双键处于链中部位，Tt则最低，sn-2位脂肪酰
25、链的性质对Tt影响更大。,不饱和脂肪酰链含量越高，流体相越大，不饱和脂肪酰链的cis双键造成链的扭曲(kinks)，增加柔韧性(pliability)。,极性头的性质,在所有常见的磷脂中，PE的Tt最高，依次为PEPSPCPG，与极性头基团的结构及其特性相关的还有其水化程度和介质pH。脱水的磷脂PC比完全水化的磷脂PC，其Tt高24。当介质pH有利于磷脂带有电荷则磷脂的Tt降低。阳离子与膜表面的结合是另一个与磷脂极性头相关的膜现象。钙离子的结合造成磷脂分子脱水，因此提高了磷脂的Tt。,膜的磷脂组成,纯磷脂相变温度范围很窄，混合磷脂的相变温度取决于各磷脂的结构之间的差别，一般来说结构差别大的磷脂
26、组成的混合磷脂相变温度范围要宽。生物膜膜脂组成复杂，通常难以测定到一个确切的相变温度，特别在近于生理温度下。但是，某些生物膜，包括微粒体膜，在非生理温度范围内可能同样可以表现出凝胶态到液晶态间的相变。在生理温度范围内，生物膜则可能存在微区(microscopic domains)的脂质的相变。胆固醇分子平行插入磷脂分子之间，其具刚性的四环核与磷脂的脂肪酰链相互作用改变脂肪酰链之间包裹的紧密程度。胆固醇的掺入，一般倾向于使Tt变宽而增加膜的稳定性。,类固醇,特点:刚性平面，疏水的分支脂肪烃链固有的运动性对膜的作用：提高膜的刚性和微粘度(microviscosity)，增加膜局部微区的无序性(di
27、sorder)，使流动性增加。被认为对膜起着双向调整和稳定的“缓冲剂”作用(hemeostatic and stabilizing buffer effect)，使生物膜能在较宽的温度范围内(3040)行使功能。,鞘脂类,分子中的两条疏水性链大多是高饱和度烃链，而且链较长，尤其是比鞘氨醇烃链更长的脂肪酰链可能伸入膜脂两单分子叶片层之间增加脂双分子层的稳定性，而鞘氨醇氨基与脂肪酸羧基形成的酰胺键(CONH)非常倾向于形成氢键，这又可以稳定膜蛋白起显著的增强生物膜刚性的作用(rigidificating)，这方面的作用仅次于类固醇。,膜蛋白,一方面，跨膜蛋白、内在蛋白或具有一定疏水基团的外在蛋白，
28、可以使膜上位于其四周的脂类分子界面脂，完全脱离脂类其它的分子，而随膜蛋白的运动方式运动。另一方面，散布在膜磷脂分子之中的膜蛋白，由于限制了其邻近脂分子的运动，从而影响了整个膜脂质分子运动及相变的一致性，而使相变温度降低，液晶温域增宽。,膜的流动性调节,植物及原核生物中膜的流动性主要是通过调节脂酰链的双键数和长度来实现的。动物还有胆固醇也是调节膜流动性的关键因素。,4446 膜脂分子相结构,phase structures,相结构,相结构(phase structures),生物膜基本上是脂双层(lipid bilayers)结构，某一膜内有可能同时存在几种相结构。脂双层构象 a液晶或流体相(l
29、iquid-crystalline or fluid phase)(L)b固相或凝胶相(solid or gel phase)(L)非脂双层构象(non-bilayer configuration)a六角形H(hexagonal)相 b倒六角形H(inverted hexagonal)相 c立方体(I)相 d倒立方体(I)相,蛋白质与膜脂的相互作用热力学,自由能变化(G)：由脂分子烃链结合到膜蛋白引起的自由能改变(Gtc)和脂分子头部基团结合到膜蛋白引起的自由能改变(GtH)的加合所决定的。GtC=HtCTStC 略大于0 GtH=HtHTStH 小于0 取决于是否有利于脂分子极性头结合于蛋白合适部位。,
