生物化学 第五章 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。
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
生物化学第五章 生物膜
2.主动运输：是物质从低浓度的一侧跨膜转运 到高浓度的一侧，即逆浓度梯度的转运过程。 主动运输是一个需要能量和依赖于转运蛋白的 过程。
其中包括了Na离子和K离子的运输，以及糖和 氨基酸的运输。
（二）大分子物质的跨膜运输 1.外排作用 2.内吞作用 （1）吞噬作用 （2）胞饮作用 （3）受体介导的内吞作用
二.能量转换 三.信号转导
1.离子通道受体介导的信号转导 2.受体酶介导的信号转导 3.G蛋白偶联受体介导的信号转导 4.核受体介导的信号转导
四.细胞识别
谢谢
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第五章 生物膜
第三节 生物膜的功能
by 黎学友 彭友幸
生物膜的功能：
1.物质运输 2.能量转换 3.信号转导 4.细胞识别
一.物质的运输
（一）小分子物质的跨膜运输
1.被动运输：是物质从高浓度的一侧跨膜转运 到低浓度的一侧，即顺浓度梯度的转运过程。 不需要消耗代谢能的运输方式。
被动运输又可分为简单扩散和协助扩散。其中 简单扩散不用借助载体运输，而协助扩散则需 要特异的膜蛋白。
生物化学课件第五章 脂类与生物膜(化学)
膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式
膜脂双层
膜脂双层
血影蛋白(Sectrin)
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红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列
40
红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图
带3蛋白(Band 3) 糖蛋白 (Ankyrin)
糖链 血型蛋白(Glycophorin)
肌动蛋白 (Actin) 蛋白质4.1 (Protein4.1)
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一、脂类
不溶于水，但能溶于非极性有机溶剂(如氯仿、乙醚、 丙酮、苯等）。
脂肪
可变脂
脂类
磷脂 糖脂
类脂
固醇
基本脂(定脂)
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（一）脂肪（三酰甘油）
脂肪是由3分子脂肪酸与1分子甘油（丙三醇）
通过酯化反应生成的酯。
结构：
R1、R2、R3可以相同，也 可以不同。当R1、R2、R3相 同为单甘油酯，R1、R2、R3 不同为混甘油酯，天然油脂 大多数为混甘油酯。R可以是 饱和的也可以是不饱和的。
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常见的脂肪酸（再参见教材表5-1）
名称
代号
辛酸(caprylic acid) 肉豆蔻酸(myristic acid) 棕榈酸(palmitic acid) 棕榈油酸(palmitoleic acid) 硬脂酸(stearic acid) 油酸(oleic acid) 反油酸(elaidic acid) 亚油酸(1inoleic acid) α-亚麻酸(α-1inolenic acid) γ-亚麻酸(γ-1inolenic acid) 花生酸(arachidic acid) 花生四烯酸(arachidonic acid) 20碳五烯酸(timnodonic acid，EPA ) 22碳五烯酸(clupanodonic acid) 22碳六烯酸(docosahexenoic acid，DHA) 24碳单烯酸(神经酸)(nervonic acid)
生物化学 第五章 生物膜
(2) 嵌 入 蛋 白
这类蛋白被紧密连 在膜上，并且不易溶 于水。主要靠疏水作 用通过某些非极性氨 基酸残基与膜脂疏水 部分相结合。 只有用破坏膜结构 的试剂，如有机溶剂 （氯仿）、超声波、 或去污剂（TritonX100）、SDS才能把它 们从膜中提取出来。
1998,美国MacKinnan 实验室获得链霉菌 倒锥形跨膜K+通道的 晶体。
4个亚单位，每个亚单位 包括两段跨膜螺旋。
K+半径=0.133nm Na+半径=0.093nm
膜锚蛋白
内在蛋白的一 种特殊形式
有些膜内在蛋白本身并没有进入膜内，他们以共价键 与脂质、脂酰链或通过糖分子间接与脂质相结合并通过 他们的疏水部分插入到膜内，这种形式的内在蛋白称为 膜锚蛋白。
3. 糖类
影响膜脂流动性的因素
A.磷脂分子中脂肪酸链的长短及不饱和程度： 链越短,不饱和程度越高,流动性越大. B.胆固醇的含量：胆固醇对膜脂流动性有一定 的调控作用,
在相变温度以上，胆固醇的闭合环状结构干扰了 脂酰链的旋转异构化运动，因此降低膜的流动性， 在相变温度以下，阻止脂酰链的有序排列，降低 相变温度，保持膜的流动性。
鞘磷脂
H H O CH3 H3C-(CH2)12-C C- C- C- CH2-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3 H OH N-H OCH3 鞘氨醇 O C 胆碱鞘磷脂 R1
鞘氨醇作骨架 分子中有亲水的磷酸化的头部（胆碱或乙醇胺）和
疏水的两个碳氢链，其中一条来自鞘氨醇，另一条 来自脂肪酸。脂肪酸以酰胺键连在鞘氨醇上。
双半乳糖甘油二酯
③固 醇
又名甾醇，也是一类 重要的膜脂。 动物膜固醇主要是胆 固醇，植物主要有豆 固醇、谷固醇等，许 多真菌以麦角固醇为 主。
生物膜
生物膜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将其内含物与环境分开。
这层膜称为细胞膜, 有时也叫外周膜。
电镜下呈两暗夹一明的结构。
质膜是细胞壁之内，细胞质外面的一层微膜。
质膜内包裹细胞器的微膜叫内膜，或内膜系统。
从高等动物和人到低等原核生物如支原体都还有细胞膜，且有着相同的基本结构。
生物膜在生物生命过程中起着重要的作用，如在物质输运、能量转换和信息传递等等过程中扮演中重要的角色。
诸如很多生物学中的问题，如神经传导, 能量转换,细胞分化, 细胞免疫, 代谢调控等也与生物膜有关。
目前已经能够用分子运动的观点讨论膜的结构与功能。
而且随着深入的研究，其必对生物学中各个领域的研究起着重要推动作用。
本文依次对其结构功能，研究进展逐步展开介绍。
一，生物膜结构1.生物膜组成成分生物膜的组成成分有三类：（1）膜脂：包括磷脂，类固醇，糖脂等；（2）膜蛋白:包括外周蛋白，内在蛋白和脂锚定蛋白等；（3）膜糖。
（4）此外还有少量的水和无机盐等。
在真核细胞中，膜结构占整个细胞干重的70%～80%。
生物膜由蛋白质、脂类、糖、水和无机离子等组成。
蛋白质约占60%～65%，脂类占25%～40%，糖占5%。
这些组分，尤其是脂类与蛋白质的比例，因不同细胞、细胞器或膜层而相差很大。
功能复杂的膜，其蛋白质含量可达80%，而有的只占20%左右。
需说明的是，由于脂类分子的体积比蛋白质分子的小得多，因此生物膜中的脂类分子的数目总是远多于蛋白质分子的数目。
如在一个含50%蛋白质的膜中，大概脂类分子与蛋白质分子的比为50∶1。
这一比例关系反映到生物膜结构上，就是脂类以双分子层构成生物膜的基本结构，而蛋白质分子则“镶嵌”于其中。
图1，细胞膜的构造1.1膜脂在植物细胞中，构成生物膜的脂类主要是复合脂类(complex lipids)，包括磷脂、糖脂、胆固醇等。
磷脂(phospholipid) 是含磷酸基的复合脂。
在植物细胞膜中重要的磷脂属甘油磷脂，它们是磷脂酰胆碱(又可称作卵磷脂)和磷脂酰乙醇胺(又可称作脑磷脂)。
生物膜的结构与功能
生物膜的结构与功能生物膜是一种由生物分子组成的薄膜，在生物学中起着至关重要的作用。
它们存在于各种生物体内，包括细菌、植物和动物。
生物膜具有多种结构和功能，对于维持生命的正常运作起着重要作用。
一、生物膜的结构生物膜的基本结构由磷脂双分子层组成，其中磷脂分子的疏水部分相互靠近，而疏水性较低的亲水部分暴露在膜表面。
这一结构通常被称为磷脂双层结构。
在磷脂双层中，蛋白质、糖类和胆固醇等可嵌入其中，并与磷脂分子相互作用。
这些嵌入物与磷脂分子一起形成了复杂的生物膜结构。
蛋白质在生物膜中起着支持和调节功能，而糖类则发挥着识别和粘附的作用。
胆固醇则是增加生物膜的稳定性。
二、生物膜的功能1. 细胞保护与界限生物膜作为细胞的外部边界，具有选择性渗透性，能够控制物质的进出。
它能够允许某些分子跨越膜，而对其他分子则形成障碍。
这种选择性渗透性使得细胞能够保持内部环境的稳定，并排除有害物质的侵入。
2. 细胞信号传导生物膜上嵌入的蛋白质能够与外界信号分子相互作用，并将信号传递到细胞内部。
这种信号传导机制在调节细胞生长、分化和应激反应等方面起重要作用。
通过改变蛋白质的构象和导致相关的细胞反应，生物膜能够将不同类型的信号转化为细胞内的生物化学信号。
3. 细胞黏附与聚集生物膜表面的糖类分子能够与其他细胞或病原体的分子结合，从而促进细胞的附着和聚集。
这对于细胞间相互沟通以及形成组织和器官结构至关重要。
此外，生物膜上的蛋白质与胆固醇也能够相互作用，参与细胞间的黏附和聚集过程。
4. 跨膜运输与分子转运生物膜允许物质在细胞内外之间进行跨膜运输。
通过蛋白质通道或转运蛋白，生物膜能够控制离子、小分子以及其他生化物质的通量。
这种跨膜运输保证了细胞内外环境的化学平衡，并参与细胞代谢过程。
三、生物膜的重要性生物膜是维持细胞生存和功能的关键，对于细胞内外环境之间的互动起到了至关重要的作用。
通过选择性渗透性和信号传导功能，生物膜能够实现细胞内外环境的动态平衡，并响应外界刺激。
生物化学教案：生物膜的结构与功能
生物化学教案：生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能引言：生物膜是细胞的基本组成部分之一，它在维持细胞内外环境稳定、物质运输和信号传导等方面起着重要作用。
本文将重点介绍生物膜的结构和功能，并深入探讨其在细胞生物化学中的关键作用。
一、生物膜的结构1.1 磷脂双分子层生物膜主要由磷脂双分子层构成，其特点是两层磷脂分子以疏水性脂肪酸基团相向排列，亲水性磷头基团相对外露。
这种特殊的排列方式可以形成一个可渗透的屏障，有效隔离了细胞内外环境。
1.2 弱相互作用力磷脂双分子层中的疏水性脂肪酸基团之间是通过弱相互作用力维持在一起的。
这种弱相互作用力包括范德华力、静电作用力和氢键等，能够使磷脂双分子层保持结构的稳定性和柔韧性。
1.3 胆固醇的作用胆固醇是生物膜中重要的组分之一，它能够插入磷脂双分子层中，增强膜的稳定性和流动性。
胆固醇还可以调节膜的流动性，使其适应细胞内外环境的变化。
二、生物膜的功能2.1 分隔和保护细胞生物膜可以将细胞内外环境分隔开来，保护细胞免受外界有害物质的侵害。
它还能够控制物质进出细胞，选择性地运输离子、营养物质和代谢产物等。
2.2 细胞信号传导生物膜是细胞信号传导的重要平台，通过膜上的受体和信号分子相互作用，触发一系列的信号转导通路。
这些信号转导通路能够调控细胞的生长、分化和凋亡等重要生理过程。
2.3 质子泵和电导通生物膜上存在着多种质子泵和离子通道，它们能够主动地转运溶质和离子，维持细胞内外溶液的浓度差和电位差。
这种浓度差和电位差是维持细胞生存和功能发挥的基础。
2.4 参与细胞黏附和运动生物膜具有黏附的能力，可以使细胞牢固地附着在基质上。
此外，生物膜还能够通过细胞骨架和细胞运动蛋白的相互作用，参与细胞的运动和迁移过程。
三、生物膜在药物输送中的应用生物膜作为细胞的外包装，其独特的结构和功能使得它成为药物输送领域的重要研究对象。
研究人员通过修改生物膜的构成和性质，设计出了各种各样的纳米载体，用于将药物准确地送达目标细胞或组织。
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2、鞘磷脂 组成：基本骨架是鞘氨醇：十八碳二元醇 鞘脂与甘油磷脂在结构上均含有一个亲水的 头部和两个疏水的尾部（见图5-2），但鞘 脂中含有鞘氨醇而不含甘油。 作用：信号分子，而且鞘脂还参与膜的运输、 离子通道的调节等很多重要过程。
二、目前对生物膜结构的认识 （一）脂质双分子层是生物膜的基本结构 实验发现当两性的脂质与水混合时，其亲水 的头部与水相接触，疏水的尾部则尽可能相 互靠近，而将水从其邻近部位排除，从而自 动形成3种不同类型的脂质聚合体，即微团、 双分子层结构及脂质体（图5-10）。
1、微团
微团是疏水部位在内而亲水部位朝向外侧
图5-10 两性脂质在水中的聚集
（二）膜蛋白在脂质双分子层中的分布
细胞中大约有2025%左右的蛋白质是与 膜结构相联系的。根据膜蛋白与膜脂的相 互作用方式及其在膜中排列部位的不同， 可以将其分为两大类： 外周蛋白、内在蛋白。
第一节 生物膜的化学组成 主要由蛋白质和脂质两大类物质组成，此外 还有糖、水和金属离子等。 每一种生物膜都具有其特征的蛋白质和脂质， 不同种类的生物膜其蛋白质和脂质的组成比 例不同，一般来说，功能越复杂的膜，蛋白 质所占的比例越大，且种类越多；而功能越 简单特化的膜，蛋白质的含量和种类越少。
一、膜脂 生物膜中的脂质主要分三类： 磷脂、 糖脂、 固醇。
三、糖类 生物膜中的糖类大多数与膜蛋白结合，少数 与膜脂结合。这些糖蛋白和糖脂复合物在质 膜上很丰富，而且其中的糖类均暴露在细胞 外表面。糖蛋白复合物中寡糖链伸向膜的外 表面，由于单糖间结合方式、排列顺序、种 类、数量及分支不同，形成了各种细胞表面 的特异天线，细胞之间可借此互相识别并交 换信息，还可以接受外来的化学信号（图55）。但这些复合物很少存在于内膜系统如 线粒体膜、叶绿体膜等。
第五章 生物膜
第一节 生物膜的化学组成 第二节 生物膜的结构 第三节 生物膜的功能
生物体的基本结构与功能单位是细胞，生物 膜是细胞的质膜和内膜系统（如线粒体膜、 叶绿体膜、内质网膜、高尔基体膜和核膜等） 的统称。质膜是细胞与外界的屏障，而内膜 系统将细胞内的空间分割成具有相互独立的 结构和功能的小室。细胞的物质运输、能量 转换、细胞识别及信息传递等生命活动都与 生物膜密切相关。生物膜是由脂质、蛋白质 及糖类等组成的超分子体系，其中脂质是生 物膜的骨架，膜蛋白是生物膜功能的主要体 现者。
（二）糖脂 一类含有糖基的甘油酯，此类脂质与甘油磷 脂一样均是甘油的衍生物，一般将含有糖 基的脂类即糖脂复合物也称为糖脂。 组成生物膜的糖脂主要为甘油糖脂和鞘氨 醇糖脂。 甘油糖脂由甘油二酯与糖类（半乳糖、甘 露糖和脱氧葡萄糖）组成。植物和细菌的 细胞膜中。 鞘氨醇糖脂由鞘氨醇、脂肪酸和糖类组成， 包括脑苷脂和神经节苷脂 。动物的细胞膜 中。
的球形结构，内部不含水。当脂质分子极
性头部的有效截面积大于其非极性尾部的
酰基侧链截面积时易形成这种结构，如游
离脂肪酸、溶血磷脂等可形成微团。
2、双分子层 双分子层是由两个脂单层形成的一个二维 结构，即每个单层的疏水尾部朝向内侧， 远离水面，相互作用。 3、脂质体 脂质分子亲水的头部与双分子层表面的水 相互作用，由于边缘的疏水部位与水相会 发生短暂的接触，使得此结构相对不稳定， 会进一步自我封合为双层微囊，即形成脂 质体。
胆固醇的结构及其酯化
环戊烷 多氢菲 21 18 20 17 13 14 8 7 5 4 6 22 23 24 25 26 27
12
19 11 1 2 3 9
C
D
16
15
A
10
B
二、膜蛋白 • 生物膜具有物质运输、能量转换等多种功能， 而这些功能主要是由膜蛋白来完成的。例如 有些膜蛋白作为运输载体或“泵”，参与离 子或某些分子的跨膜转运过程，有些作为酶、 电子或质子传递体，参与细胞内能量的转换， 有些作为受体、抗原传递信息。 • 质膜中很多膜蛋白以共价键与寡糖结合形成 糖蛋白复合物，其中丝氨酸、苏氨酸和天冬 氨酸残基是蛋白质中易与糖共价结合的位点。
流动镶嵌模型的要点： 生物膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的 脂质双分子层结构，其中蛋白质就像一座 座冰山漂移在流动的脂质的海洋中。蛋白 质在膜中的分布是不对称的，即具有方向 性，一些蛋白质仅在膜的一侧突出，另一 些蛋白质则暴露于膜的内外两侧。
图5-9 流动镶嵌模型
目前一般认为流动镶嵌模型在基本方面是 正确的，但仍存在局限性。它忽视了蛋白 质、脂质等组分间的相互作用以及这些作 用的不均匀性。随着研究的深入，人们逐 渐认识到生物膜存在着流动性不同的微区。
（一）磷脂 生物膜中的磷脂主要有甘油磷脂和鞘磷脂。 1、甘油磷脂： 组成：磷酸化的头部 +三碳的甘油骨架+ 两条 脂肪酸链 主要包括 磷脂酸、磷脂酰胆碱、 磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、 磷脂酰肌醇等。
甘油磷脂的结构
乙醇胺 胆碱 丝氨酸 甘油
磷脂酸
磷脂酰胆碱
磷脂酰乙醇胺
磷脂酰肌醇
磷脂酰丝氨酸
磷脂酰甘油
（三）固醇 固醇是脂类中不被皂化，在有机溶剂中容易 结晶出来，因常温下呈固态而得此名称。固 醇是环戊烷多氢菲的衍生物。固醇也是一类 重要的膜脂，动植物及微生物细胞生物膜所 含固醇的种类是不同的。动物膜固醇主要是 胆固醇，植物膜固醇中，胆固醇含量很低， 主要是豆固醇和谷固醇。许多真菌如酵母质 膜甾醇以麦角固醇为主（图5-4）。
图5-5糖蛋白与糖脂中的糖链
第二节 生物膜的结构 一、生物膜结构的研究历史 生物膜的组分主要是蛋白质、脂质和糖类等， 这些组分是如何排列和组织起来形成特定的 膜结构？科学家对生物膜的结构进行了大量 的研究，对膜的基本结构的认识不断深入， 曾提出了很多种关于膜结构的理论模型。 目前一般认为流动镶嵌模型在基本方面是正 确的.