第五节生物膜
环境生物化学基础生物膜课件
05
生物膜的研究展望
生物膜的深入研究价值
揭示生物膜的结构和功能
深入了解生物膜的结构和功能，有助于揭示细胞生命活动的本质 和规律。
探索生物膜相关疾病机制
研究生物膜与疾病的关系，有助于发现新的疾病诊断和治疗手段。
生物膜与药物研发
生物膜是药物吸收、分布、代谢和排泄的重要通道，研究生物膜有 助于药物设计和优化。
生物膜通过自身的结构和功能适应环境变化，如 01 温度、湿度、光照等。
生物膜能够影响周围环境的物质循环和能量流动 02 ，如参与水体自净、土壤养分循环等。
生物膜在环境中的存在和活动，可能对生态系统 03 稳定性和生态平衡产生影响。
环境因素对生物膜的影响
环境中的物理、化学和生物因子，如污染物、pH 值、溶解氧等，对生物膜的生长、代谢和分布具 有重要影响。
生物膜的结构与组成
磷脂双分子层
构成生物膜的基本骨架，具有流动性。
膜内在蛋白
镶嵌在磷脂双分子层中，具有酶活性或参 与形成通道、载体等功能。
跨膜蛋白
贯穿磷脂双分子层，具有物质转运和信号 转导的功能。
糖类
与蛋白质或脂质结合，参与细胞识别和信 息传递。
生物膜的功能与作用
物质转运
生物膜通过主动运输 、被动运输等方式， 控制物质进出细胞。
环境因素的变化可能导致生物膜的结构和功能发 生改变，从而影响其在环境中的作用。
生物膜在环境保护中的应用
生物膜可用于环境污染治 理，如水体净化、土壤修 复等。
生物膜能够吸收和降解环 境中的有机污染物，将其 转化为无害或低毒性的物 质。
生物膜在生态工程中也有 广泛应用，如湿地修复、 生态河道建设等。
生物膜的代谢产物，如抗 菌物质、酶等，可用于生 物农药、生物催化剂等领 域。
5.2 生物膜的结构与功能
基础生物化学Basic Biochemistry第5章脂类与生物膜5 脂类与生物膜5.2 生物膜的结构与功能✓生物膜的结构✓生物膜的功能•生物膜将细胞与外界隔离，并实现细胞内部的“区域化”，为生命体的基本单元提供了必需的结构基础。
•生物膜包括：✓细胞膜（质膜）✓内膜系统生物膜的结构✓化学组成：生物膜是由脂质、蛋白质和糖类组成，此外还有微量的核酸、金属离子和水。
✓功能越复杂，蛋白含量相对越多。
膜脂(membrane lipids)•膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇，其中磷脂约占整个膜脂的50％以上。
•无论是磷脂还是糖脂、无论是甘油脂还是鞘脂，具有亲水的头部和疏水的尾部。
微团(micelles)双层(bilayer) 脂质体(liposome)膜蛋白(membrane proteins)✓膜蛋白是赋予生物膜特殊功能的重要成分，不同的膜蛋白赋予生物膜不同的功能，如离子通道蛋白、受体蛋白等。
✓根据膜蛋白与脂质分子的结合方式和分离的难易程度分为外周蛋白和内在蛋白。
•内在蛋白也称整合蛋白或跨膜蛋白。
内在蛋白含有较多的疏水性氨基酸，与膜脂的疏水部分牢固结合。
单螺旋跨膜蛋白血型糖蛋白多螺旋跨膜蛋白细菌视紫红质Beta-卷筒跨膜蛋白外周蛋白•外周蛋白膜外周蛋白位于脂双层的表面，通过离子键与磷脂的极性头部或通过氢键与膜内在蛋白亲水结构域，与膜疏松结合。
•提高离子强度、pH或温度就可将其从质膜上分离下来，而不破坏膜结构。
•有的外周蛋白也通过共价连接的非极性烃链插入脂双层内部而使外周蛋白稳定地结合在膜表面，因此又称为脂锚定蛋白（anchoring protein ）•棕榈酰豆蔻酰法尼基流动镶嵌模型(S.J. Singer, G. Nicholson,1972)流动镶嵌模型的特征：✓脂质双分子层是生物膜的基本骨架。
✓膜蛋白的多寡决定着膜的功能✓膜的不对称性✓膜脂的分布不对称✓膜蛋白和寡糖的分布不对称✓膜的流动性•膜的流动性主要是脂质分子的侧向运动，同时，膜脂分子还能围绕轴心作自旋运动、尾部摆动以及双层脂分子之间的翻转运动。
生物化学—生物膜课件
质膜与ATP的合成与分解
01
质膜的结构与功能
质膜是细胞膜的另一个重要组成部分，它包围了整个细胞 并与其他细胞器膜相连。质膜主要由磷脂分子和蛋白质组 成，具有选择通透性，能够控制分子和离子的进出细胞。
02 03
ATP在质膜中的合成与分解
质膜中存在着ATP合成酶和ATP水解酶，分别参与ATP的 合成和分解过程。在合成过程中，质子泵通过质膜将质子 泵出或泵入细胞，产生的能量用于合成ATP。在分解过程 中，ATP水解酶利用ATP中的特殊化学能将其分解为ADP 和磷酸根离子。
是细胞表面的一层薄膜，是细胞与外 界环境之间的界面，对细胞起着保护 和调节作用。
生物膜的结构与组成
磷脂双分子层
构成生物膜的基本骨架，具有流动性。
蛋白质
镶嵌或贯穿于磷脂双分子层中，具有多种功 能。
糖类
与蛋白质结合形成糖蛋白，参与细胞识别等 。
生物膜的功能与作用
物质运输
生物膜可控制物质进出细胞，如主动运输、 被动运输等。
显微观察
通过光学显微镜或电子显微镜观察生物膜的超微结构，了解膜的厚度、颗粒大小及排列等特征。
生物膜的提取与纯化技术
提取
采用适当的溶剂或缓冲液将生物膜从细胞或其他生物材料中分离出来。
纯化
通过一系列分离纯化技术，如离心、超滤、凝胶电泳等，去除杂质，获得纯度较高的生 物膜。
生物膜的电生理技术
膜片钳技术
生物膜在能量转换中的作用
生物膜在能量转换中起着至关重要的作用。质膜通过控制 质子的泵入和泵出来调节ATP的合成与分解，确保能量的 高效利用和细胞的正常代谢活动。同时，生物膜还参与了 其他多种细胞活动，如物质的跨膜运输、信号转导和细胞 分化等。
05
生物膜(共37张PPT)
这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发过程。 1 生物膜的化学成分和功能
膜）的特性。 主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、占25%～40%
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磷脂的两性结构
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N + (C H 3)3 CH2 CH2 O O P OO CH2 CH CH2
酸）、花生酸（二十碳酸）等。
不饱和脂肪酸：油酸（18碳一烯酸[9]）、亚油酸（18碳二
烯酸[9，12]）、亚麻酸（18碳三烯酸[9，12，15或6，9， 12]）、花生四烯酸（二十碳四烯酸）、二十碳五烯酸和二十 二碳六烯酸。
必需脂肪酸：维持生长所需的，体内又不能合成的脂肪酸
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磷脂的特点:
• 主动转运过程可以被某些抑制剂抑制。
• 主动转运所需的能量一般由ATP提供。
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3．能量转换
• 氧化磷酸化：通过生物氧化作用，将食物分子中存储的
化学能转变成生物能，即将化学能转换成ATP分子的高能 磷酸键。然后再通过ATP分子磷酸键的分解释放能量，为 生物体提供所需的能量。
➢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。
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外周蛋白（peripheral protein）
➢这类蛋白约占膜蛋白的20－30%，分布于 双层脂膜的外表层，主要通过共价键、
静电引力或范德华力与膜结合。
➢
参见P119图4-5
1，2位碳原子与脂肪酸酯基（ 生物膜的结构（基本结构）
第五章生物膜
② 糖和氨基酸的主动运输 依赖离子或氢离子贮存的能量， 依赖离子或氢离子贮存的能量，这种运输并伴随着离子 的一同运输，叫协同运输。 的一同运输，叫协同运输。
二、膜泡运输
胞内物质被膜包裹 形成小泡 ， 移动到 质膜并融合， 排除。 质膜并融合 ， 排除 。
从外界摄入大分子或 颗粒， 颗粒，被质膜 内陷包 起来，脱落， 起来，脱落，并释放
免疫功能： 免疫功能：
① ② ③ 细胞的免疫性主要是由于细胞膜上有专一性的抗原受体 专一性的抗原受体， 细胞的免疫性主要是由于细胞膜上有专一性的抗原受体，当抗原受 体被抗原激活后，即产生相应的抗体。 体被抗原激活后，即产生相应的抗体。 抗体能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒等） 抗体能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒等）结合并 吞噬消灭。 吞噬消灭。 另外，吞噬细胞和淋巴细胞的免疫功能， 另外，吞噬细胞和淋巴细胞的免疫功能，是由于它们能够识பைடு நூலகம்外源 物质（细菌或其它蛋白质等），并能将这些外源物质吞噬消灭。 ），并能将这些外源物质吞噬消灭 物质（细菌或其它蛋白质等），并能将这些外源物质吞噬消灭。
膜锚蛋白：某些蛋白通过与聚糖链 聚糖链共价结 膜锚蛋白：某些蛋白通过与聚糖链共价结 合直接被链在膜磷脂酰肌醇分子上， 膜磷脂酰肌醇分子上 合直接被链在膜磷脂酰肌醇分子上，将蛋 白锚在细胞膜上，这种形式的外周蛋白叫 白锚在细胞膜上， 膜锚蛋白。 膜锚蛋白。
糖的还原端糖苷键
糖的非还原端磷 酸二酯键
羟基 乙胺
二、生物膜的理化性质 1 生物膜的不对称性
双分子层两侧脂种类和含量不同 膜蛋白在膜的分布不同
2 生物膜的流动性：膜脂的流动性、膜蛋白 生物膜的流动性：膜脂的流动性、
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。
生物膜的结构与功能
生物膜的结构与功能生物膜是生物体内普遍存在的一种特殊结构，它在细胞内外表面形成一层包裹，并承担着多种重要的生物功能。
生物膜的结构与功能对于生命体的正常运作和生物学过程的发生起着至关重要的作用，下面将对生物膜的结构与功能进行探讨。
一、生物膜的结构生物膜的结构主要由脂质双层、蛋白质以及其他生物大分子组成。
1. 脂质双层脂质分子是构成生物膜的基本成分之一。
生物膜的脂质双层由两层疏水性的脂质分子排列形成，脂质分子的亲水性头部朝向胞浆的内部和外部环境，而疏水性烃尾则面对面相互靠拢，形成稳定的屏障状结构。
2. 蛋白质蛋白质是生物膜的另一个重要组成部分。
它们通过嵌入在脂质双层中或者与脂质双层的头部相连接，参与了许多生物膜的关键功能。
蛋白质在生物膜中扮演着多种角色，如通道蛋白、受体蛋白、酶等，通过这些功能性蛋白质，生物膜能够实现信号传导和物质运输等重要功能。
3. 其他生物大分子除了脂质和蛋白质外，生物膜还含有其他生物大分子，如碳水化合物和核酸。
这些分子通过与脂质双层和蛋白质的相互作用，共同参与了生物膜的结构和功能。
二、生物膜的功能生物膜具有多种重要的生物学功能，下面将着重介绍其中的几个关键功能。
1. 分隔与保护作为生物体内外表面的屏障，生物膜具有分隔细胞内外环境的作用。
它能够控制物质和能量的交换，起到一定程度上的保护作用，维护细胞内环境的稳定性。
2. 选择性通透性生物膜具有选择性通透性，可以选择性地允许物质的通过，实现细胞内外物质交换和调节。
这是通过脂质双层和蛋白质通道等结构的协同作用实现的。
3. 信号传导生物膜上的蛋白质和其他生物大分子参与了众多信号传导的过程。
它们能够感知外界刺激，并将信号传递到细胞内部，触发相应的生物学反应。
4. 细胞黏附和识别生物膜上的蛋白质和碳水化合物参与了细胞间的黏附和识别。
这对于细胞结构的建立、细胞间相互的识别以及组织器官的形成和功能的实现起着重要作用。
5. 膜转运生物膜通过蛋白质通道和膜转运蛋白等结构，实现物质的跨膜转运。
生物膜《普通生物学》
生物膜——流动镶嵌模型1．生物膜概述（1）定义生物膜是细胞器膜、核膜、质膜的统称。
（2）生物膜特点①厚度一般不到10 nm；②具有选择透性，即只有一些物质容易通过它而大部分物质不能通过；③细胞中含量最多的是内质网膜，占细胞总面积的一半。
（3）生物膜的功能①为细胞生命活动提供相对稳定的内环境；②选择性的物质运输和能量传递；③提供细胞识别位点，完成信息跨膜传递；④提供多种酶的结合位点，使酶促反应高效有序进行；⑤介导细胞与细胞、细胞与基质间的连接；⑥质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。
（4）生物膜的组成①生物膜的主要成分是脂质（主要是磷脂）和蛋白质，也有糖类；②膜脂主要包括磷脂（甘油磷脂和鞘磷脂）、糖脂和胆固醇三类，其中磷脂双分子层构成生物膜的骨架，脂双层表面是磷脂的亲水端，内部是磷脂的疏水性脂肪酸链；③蛋白质以不同方式镶嵌，执行膜的许多重要功能；④质膜表面有少量糖类分子——糖脂和糖蛋白。
2．流动镶嵌模型（1）膜是流动的①膜的流动性包括膜脂的流动性和膜蛋白的流动性，两者可以在膜中侧向移动；②影响膜流动性的因素与膜本身组分、遗传因子和环境因子有关：a．温度温度降低，膜的流动性减小，使膜固化。
b．胆固醇胆固醇含量增加，膜流动性减小。
c．脂肪酸链的饱和度脂肪酸链所含双键越多越不饱和，膜流动性增加。
d．脂肪酸链的链长长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
e．卵磷脂/鞘磷脂比例高则膜流动性增加，因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
f．其他因素膜蛋白和膜脂的结合方式、酸碱度、离子强度等。
（2）膜是镶嵌的膜中有许多蛋白质浸埋在液态的脂双层中，蛋白质决定着膜的大多数特定的功能。
①膜蛋白分类a．膜内在蛋白膜内在蛋白穿过脂双层的疏水核心，甚至整个穿过膜。
膜内在蛋白的疏水区是由一连串或数连串非极性氨基酸组成的，通常是α螺旋；亲水区域则暴露在膜外侧两边的水溶液中。
b．膜周边蛋白。
膜周边蛋白完全不埋在脂双层中，它们与膜内在蛋白发生疏松的结合，常常贴附在膜内在蛋白的暴露在膜外的部分上。
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不同类型的质膜和细胞内膜体系中，各种 膜脂的组分和含量是不同的，他们具有共 同的特征：
具两亲性；在水溶液中的溶解度很有限，形 成微团或双层微囊
不对称性；
流动性。
2、膜蛋白 （Membrane proteins）
（1）根据膜蛋白在膜上 的定位可分为：
膜内在蛋白：
与脂双层的疏水核心紧 密相连；跨膜或不跨膜； 在膜内不对称分布。
3、生物膜分子结构的模型
•脂双层分子模型（E. Gorter, F.Grendel, 1925) •三明治式结构模型(H.Davson, J.F.Danielli, 1935) •单位膜模型(J.D.Robertson, 1959) •流体镶嵌模型(S.J.Singer, G.Nicolson, 1972)
内在蛋白只能作旋转和 侧向运动。
（2）膜蛋白与膜脂结合的方式
外周蛋白：以静电力或非共价键等较弱的键与 其它膜蛋白相互作用连接在膜上。
较容易分离，溶于水，占膜蛋白的20～30％。
内在蛋白：主要靠疏水基相互作用；另外还有 共价键
占膜蛋白的70～80％
3、膜糖类(Membrane Carbohydrates ）：
2、生物膜结构的几个主要特征
（1）膜组分的不 对称性 构成膜组分的脂 质、蛋白、和糖 在生物膜的两侧 分布都是不对称 的。
（2）生物膜的流动性 是生物膜的主要特征 A、膜脂的流动性 主要取决于磷脂 膜脂运动的几种形式：
a、磷脂分子在同一层膜内作侧向扩散或侧向运 动；
b、磷脂分子在脂双层中作翻转运动； c、磷脂烃链围绕C-C键旋转引起异构化运动； d、磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴左右摆动； e、磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动。 影响磷脂流动性的因素包括：磷脂脂酰链的不饱
和程度和链长，胆固醇、鞘磷脂的含量，膜蛋白 及温度、pH、离子强度、金属离子种类等。
B、膜蛋白的运动性
a、膜蛋白的侧向扩散 指膜蛋白在生物膜二维 流体的侧向移动。
测定膜蛋白侧向扩散的方法：光致漂白荧光恢复 法。
b、膜蛋白的旋转扩散 膜蛋白围绕与膜平面向 ＝相垂直的轴进行旋转运动。
一般来说膜蛋白的旋转扩散慢于侧向扩散，膜蛋 白的侧向扩散又显著慢于膜脂的侧向 扩散。
一、膜组成与和性质
——电镜下表现出大体相同的形态、厚度 6~9nm左右的3片层结构。
膜的化学组成
膜脂：主要是磷脂、固醇和鞘脂。当磷脂分 散于水相时，可形成脂质体。 膜蛋白 膜糖类 另外还有水合金属离子内嵌蛋白 糖脂Fra bibliotek锚定膜蛋白
胆固醇
卵磷脂
1、膜脂（Membrane Lipids） 主要由以下成分：
膜的流体镶嵌模型结构要点
（1）膜结构的连续主体是极性的脂质双分子层。 （2）脂质双分子层具有流动性。 （3）内嵌蛋白“溶解”于脂质双分子层的中 心疏水部分
（4）外周蛋白与脂质双分子层的极性头部连接 （5）双分子层中的脂质分子之间或蛋白质组分 与脂质之间无共价结合。
（6）膜蛋白可作横向运动。
❖ 覆盖在膜外表面，约占细胞膜重量的2～10％，有 些可连在脂质上如鞘糖脂，也可连在膜蛋白的多 肽链上。
❖ 功能: 起保护作用； 接受外界的信息和细胞间的识别； 维持膜的不对称。
二、生物膜的分子结构
生物膜是由膜蛋白、脂质和糖类组成的超分子体系
1、生物膜中分子间的作用力 静电力 在膜的两侧脂质和蛋白质的亲水极性 基团通过静电力的相互吸引可形成很稳定的结构。 疏水作用 蛋白质和脂双层的非极性基团之间 存在的相互趋近的力。 范德华力
❖ 磷脂；包括甘油磷酸二酯和鞘磷脂，都是两亲分子， 每一个分子既有亲水部分也有疏水部分，这一特征决 定了它们在生物膜中的双分子层排列。
❖ 糖脂；动物细胞的质膜几乎都含有糖脂，含量约占外 层膜脂的5％，它们大多是鞘胺醇的衍生物。
❖ 胆固醇。动物细胞含量高于植物细胞，胆固醇的两亲 特点对生物膜中脂质的物理状态有一定的调节作用。
第五节 生物膜
（Biological Membranes）
概念：
生物的基本结构和功能单位是细胞，任何 细胞都以一层薄膜（细胞膜或外周膜）将 内含物与外界环境分开；真核细胞内还有 许多内膜系统，组成各种亚细胞结构和细 胞器；细胞的外周膜和内膜系统统称为生 物膜。
膜功能：
1.物质传递作用。 2.保护作用。 3.信息传递作用。 4.细胞识别作用。 5.能量转换作用（线粒体内膜和叶绿体类囊体膜）。 6.蛋白质合成与运输（糙面内质网膜）。 7.内部运输（高尔基体膜）。 8.核质分开（核膜）。 生物膜的研究具有重要的意义