生物膜的组成讲义和结构1
生物化学课件—第二讲义章生物膜
膜 蛋 白 中 的 糖 类
2.2 生物膜的功能
生物膜具有保护、转运、能量转换、信 息传递、运动和免疫等生物功能。
1．保护功能
在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用 是将其内含物质与外界环境分隔开来，使之 成为具有特殊功能的独立个体。
磷脂的结构类型
X= H X= CH2CH2N(CH3)2 X= CH2CH2NH2 X= CH2CH(OH)CHOH X= CH2CH(NH2)COO-
OH OH
O O CH2O C R1 R2 C O CH O
CH2O P O X OH
磷脂酸
磷脂酰胆碱（卵磷脂）
磷脂酰乙醇胺
磷脂酰甘油
X=
Байду номын сангаас
OH
O
OH OH
必需脂肪酸：维持生长所需的，体内又不能合 成的脂肪酸
磷脂的特点
磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲 脂性的脂肪酸链，是优良的两亲性分子。
磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作 用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。
磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双 层脂膜。
磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜 （双层脂膜）的特性。
生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外 界环境因素改变的影响，保持它们原有的形 状和完整结构。
2．转运功能
细胞或细胞器需要 经常与外界进行物 质交换以维持其正 常的功能。
细胞或细胞器通过 生物膜，从膜外选 择性地吸收所需要 的养料，同时也要 排出不需要的物质。
在各种物质跨膜转 运过程中，细胞膜 起着重要的调控作 用。
这类蛋白约占膜蛋白的20－30%，分布 于双层脂膜的外表层，主要通过静电引 力或范德华力与膜结合。
生物膜的化学组成和分子结构
还含有蛋白质,故提出了片层结
蛋 白
构模型.
质
脂 双 分 子
层
“蛋白质---脂类---蛋白质”三夹板结构
（球状） （双分子层）（球状）
（二）单位膜模型
1959年, Robertson 利用电子显微镜观察，发现 所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故而把“两暗
一明”的结构模型称为单位膜模型。
此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈ß折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。
磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）
部 （ 亲
脂
磷脂酰丝氨酸
水 性
鞘磷脂
）
非
极
性
尾
鞘
部 （
胺
疏
醇
水
性
）
2、糖脂
糖脂与鞘磷脂相似， 只是头部不同。 常见糖脂：脑苷脂； 神经节苷脂
鞘 胺 醇
半乳糖苷脂
糖脂分子
3、胆固醇
极 性 头 部固
醇
环
结
构
非
极
性
尾
部
（二）膜蛋白
内在膜蛋白（70%～80%） 外在膜蛋白（20% ～30%）
1、内在膜蛋白
※膜功能的承担者； ※双亲性分子，可以不同程度地嵌入脂双分子层：
（1）贯穿脂双层，两端露出膜内外——跨膜蛋白
①单次穿膜
②多次穿膜
（2）一端嵌入膜层内，另一端露出膜外——半嵌入蛋白
内在膜蛋白具有双亲性，其亲水区域暴露在膜的一侧或
两侧表面与水相吸，它们的疏水区域嵌入膜内，与脂类分子疏
水尾部通过疏水键结合，不易分离提纯。
∵ 磷脂酰丝氨酸带有负电荷，∴细胞膜内层负电荷多于外层。
第二：胆固醇
因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。
构成生物膜系统的结构
构成生物膜系统的结构
生物膜系统的主要结构如下：
1. 生物膜骨架：一种生物薄膜结构，它是一种以复杂的结构，具有在
水中微观体系中稳定悬浮的能力，可以吸附大量物质，为活力壳质离
子交换层提供支撑。
2. 胞质：胞质是胞外多糖骨架的保护膜，里面储存着免疫学活性物质
和细胞因子，可用作生物膜功能的重要调节因子，并可以实现生物分
子的结合和逆转吸附作业。
3. 膜元件：这是一种能够溶解无机物质和结合有机物质的多孔膜，其
单层膜拥有非常强的纳米结构，可以有效地对大批量的物质进行筛分
＆集约化加工，从而实现环境除污，水处理和污染反应器等重要功能。
4. 功能基因：它是实现生物膜系统功能的关键基础，包括细胞形态变
化因子、膜系统表现因子、能量使用因子、弹性膜骨架稳定因子等多
种基因群，其中表现因子位于富含活性基因的协同点位置，可以控制
生物膜系统的构型特点，以调节其特殊性功能。
5. 活性壳质：它是一种包含多种离子及免疫学活性物质（如铁离子，
碱土金属离子，有机酸，糖等）的复合材料，用作连接生物膜本身与
其周围环境的活性耦合层，可以有效地实现细胞间及内部物质的传输，以满足细胞的生长和代谢需求。
6. 吸附材料：它的作用是结合外界的有机离子，有效防止外界污染介
质渗入，从而实现生物膜的抗污染功能。
目前，吸附材料的种类较多，例如纳米粒子、改性珐琅吸附剂等，可以根据实际需要来设计生物膜
的抗污染性能。
生物膜的组成及结构
生物膜的组成及结构生物膜，也被称为细胞膜或质膜，是生物体中广泛存在的一种结构，它包围并保护细胞，维持细胞内外的相对稳定的环境。
生物膜的组成及结构是由多种分子组成的复杂系统，在细胞中充当了很多重要的功能。
生物膜的主要组成成分是脂质和蛋白质。
脂质是生物膜最主要的构成分子，其中最常见的是磷脂类。
磷脂是由两个亲水性的羟基酸甘油与一个疏水性的脂肪酸酯通过酯化反应结合而成的。
除了疏水的脂肪酸尾部外，磷脂的羟基酸甘油部分含有一个亲水性较高的磷酸基团，这使得磷脂能够在水中形成亲水性的头部和疏水性的尾部结构，并以双层脂质是使生物膜形成的一种关键结构。
双层磷脂结构中，两层磷脂的疏水性尾部靠近，而亲水性头部面向水相。
这种结构可以形成一个不透水的屏障，使细胞内外的环境得以分隔。
除了脂质，生物膜还包含有大量的蛋白质。
蛋白质在生物膜中有多种功能，包括细胞识别、转运和信号传递等等。
蛋白质可以通过多种方式与生物膜相互作用，其中最常见的是通过与脂质互作用。
许多蛋白质通过其氨基酸序列中疏水性的部分与生物膜中的疏水性尾部相互作用，这使得蛋白质能够嵌入到生物膜中。
其他蛋白质则通过与磷脂头部的电荷相互作用或与其他蛋白质相互作用与生物膜相连。
除了脂质和蛋白质，生物膜还包含有其他成分，如糖脂和胆固醇。
糖脂是磷脂的一种变种，其磷酸基团上附加有糖类分子。
糖脂在细胞信号传导和细胞识别中起到重要的作用。
胆固醇是一种类似于脂肪的分子，它可以插入到生物膜的磷脂双层中，并增加生物膜的稳定性。
胆固醇还可以影响膜中脂质和蛋白质的动态行为，调节细胞中许多重要的生物过程。
生物膜的结构是一个动态的系统，其形状和组成可以根据环境和细胞的需要而改变。
生物膜的双层磷脂结构可以自我修复，并具有流动性。
这种流动性允许生物膜中的分子相互移动和相互作用。
这对于保持细胞内外环境的稳定性非常重要。
生物膜还可以通过脂质的氧化和酶的作用调节细胞内外溶质的通透性。
通过蛋白质通道和蛋白质泵，生物膜能够控制离子和小分子的通量。
生物膜分子的结构和组成分析
生物膜分子的结构和组成分析生物膜是细胞内最重要的组成部分之一，它是一层非常薄的膜状物质，由许多分子组成。
这些分子具有特殊的结构和功能，并将细胞与外界环境隔开。
生物膜的结构和组成分析对于理解细胞的基本特征和其生命活动过程具有重要意义。
一、生物膜的基本特征细胞膜是由脂质、蛋白质、糖类、核酸等复杂的高分子有机物以及一些无机物构成的。
生物膜分为细胞内膜和细胞外膜。
细胞内膜包裹着细胞内的细胞器，具有贯穿于其中的通道系统，包括内质网、高尔基体、线粒体等。
细胞外膜包裹着整个细胞，作用是与环境隔离，有选择性地对外传输物质。
与酶和蛋白质一样，膜蛋白分子具有亲水性区域和疏水性区域，它们在膜内或膜面结合，协同运动，发挥其生理功能。
膜分子之间的相互作用和排列方式形成了膜的独特结构，这种结构大大影响了膜上的各种生理过程。
二、膜脂质的结构和组成分析细胞膜的主要成分是脂质，其中最重要的是磷脂。
磷脂是生物膜的主要构成单元，其中含有磷酸基，可以与水相互作用。
大多数磷脂由单糖或葡萄糖与一个生物氨基酸磷酸酯或一种较长的脂肪酸脂肪酸酰化而成，脂肪酸含有16至24个碳原子。
通过磷酸和糖类等结构与其他生物分子交互作用，诸如细胞间通讯等进程中实现分子识别。
胆固醇是一种非极性小分子，广泛分布于生物膜中。
胆固醇分子在膜的疏水区域内分散，通过它能增强膜的坚韧度和膜的稳定性，降低了膜背景噪声。
此外，它还扮演着一些重要的生理角色，如参与细胞分化和膜内信号传递通路。
三、膜蛋白的结构和组成分析膜蛋白是细胞膜的另一个基本组成部分。
它包括整合蛋白、通道蛋白、受体蛋白和转运蛋白等多种类型，扮演着维持细胞结构和功能完整的重要角色。
通道蛋白是一种特殊的膜蛋白，可以形成细胞膜通道，可看作是一个可打开和关闭的“隧道”，以实现离子或分子的传输。
这些通道可利用电势梯度或化学梯度主动地将物质一次性传输，可认定为细胞内“快车道”。
另一类膜蛋白是受体蛋白。
它们通过细胞膜上的结合位点和分子缔合成一个复合物，触发一系列的信号传递过程，以实现细胞的生长和分化。
生物膜的成分和结构分析
生物膜的成分和结构分析生物膜是一种薄膜，由生物分子组成，能够保护细胞和组织，并且在生命过程中扮演重要的角色。
生物膜的成分和结构一直是生物学研究的热门话题，本文将从生物膜的形成、组成和结构三个方面来进行分析。
一、生物膜的形成生物膜的形成是一个复杂的过程，通常是通过一个“自组装”的过程完成的。
自组装是指分子之间的相互作用使它们彼此组装起来形成有序的结构。
在生物体内，生物分子在水溶液中自组装成膜结构，这个过程涉及到生物分子之间的相互作用，包括氢键、静电相互作用、范德华力、疏水相互作用等。
二、生物膜的组成生物膜的组成非常复杂，包括脂质、蛋白质、碳水化合物、核酸等多种生物分子。
其中，最重要的成分是脂质，它们在生物膜的构成中占据了主要位置。
生物膜中的脂质主要包括磷脂、胆固醇和类固醇。
磷脂是生物膜的最基本成分，由一个亲水性磷酸基、一个酯化的脂肪酸及一个亲疏水两性的甘油组成，形成两层分子层，即所谓的磷脂双分子层。
胆固醇和类固醇则可调节细胞膜的流动性和渗透性，增强生物膜的稳定性。
生物膜中的其他生物分子包括蛋白质、碳水化合物和核酸等。
蛋白质可能存在于生物膜的两侧，或分布在膜的内侧或外侧。
它们被称为膜蛋白或膜相关蛋白。
碳水化合物主要存在于膜的外侧，它们通常通过磷酸肌醇信号途径作为细胞表面的标志物，起着识别和交流功能。
核酸在生物膜中很少出现，除非是在某些特殊情况下（例如病毒颗粒或细胞壁）。
三、生物膜的结构生物膜的结构是一个弯曲的双层薄膜，由两层磷脂分子所组成，这两层磷脂分子的极性头端朝向水中，而它们的疏水性尾部则相互接触。
由于疏水作用的引力，磷脂分子聚集在一起，形成了膜的双层结构。
正因为这种双层结构，才使得生物膜成为一个半透膜，能够选择性地物质的进出。
另外，一些蛋白质也嵌入到生物膜中，它们可以帮助细胞传递信号或者作为膜通道。
总的来说，生物膜的成分和结构是一个非常复杂的话题，需要涉及化学、物理和生物学等多个领域，仅凭一篇文章很难对其做出全面的阐述。
生物膜的结构与功能课件
内生长和繁殖。
05
生物膜的研究进展
生物膜的结构研究
生物膜的组成
生物膜主要由脂质分子和蛋白质分子组成，这些分子通过相互作 用形成有序的结构。
生物膜的厚度
生物膜的厚度一般在5-10纳米之间，不同部位的膜厚度略有差 异。
生物膜的流动性
生物膜具有一定的流动性，脂质分子和蛋白质分子可以在膜中移 动。
生物膜的功能研究
生物膜的结构与功能 课件
xx年xx月xx日
• 生物膜的概述 • 生物膜的结构 • 生物膜的功能 • 生物膜与疾病 • 生物膜的研究进展
目录
01
生物膜的概述
生物膜的定义
生物膜
是指细胞膜和细胞内各个由膜围绕而 成的细胞器，包括线粒体、高尔基体 、内质网、溶酶体、叶绿体、过氧化 物酶体等。
细胞膜
细胞器膜
磷脂双分子层构成了生物膜的 基本骨架，为膜蛋白提供锚定 点和活动空间。
膜蛋白
膜蛋白是生物膜的主要成分之一，具有多种功能，如运输、信号转导和能量转换等 。
膜蛋白分为嵌入型、跨膜型和附着型三种类型，它们以不同的方式插入到磷脂双分 子层中。
膜蛋白的分布和数量对生物膜的功能具有重要影响，不同的膜蛋白可以分布在细胞 膜的不同区域。
心力衰竭
心脏瓣膜上的生物膜感染可能导致心脏瓣膜功能 失调，引发心力衰竭。
血栓形成
生物膜可促进血栓的形成，增加心血管事件的风 险。
生物膜与肿瘤
肿瘤转移
01
肿瘤细胞可形成生物膜，促进肿瘤的转移和扩散。
耐药性
02
肿瘤细胞形成的生物膜可增强其耐药性，降低化疗和放疗等治
疗的疗效。
免疫逃逸
03
生物膜能够保护肿瘤细胞免受免疫系统的攻击，使其得以在体
第十八章 生物膜的组成与结构
第十八章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。
（一）膜脂：有磷脂、胆固醇和糖脂。
（1）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。
（2）糖脂：大多为鞘氨醇衍生物，如半乳糖脑苷脂和神经节苷脂。
（3）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。
（二）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。
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磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）
CH2
X= –CH2 ¯CH–COOH
PX
NH2
_
磷脂酰丝氨酸
▪ 甘油磷脂是两性分子，分子中既有亲水部分又有疏水 部分。磷酸化的头部呈亲水性，两条较长的碳氢脂酰链 为尾部，呈疏水性。
鞘磷脂
HH
O
CH3
H3C-(CH2)12-C C- C- C- CH2-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3
膜脂的流动性的大小与磷脂分子中脂肪酸链的 长短及不饱和程度密切相关.链越短,不饱和程 度越高,流动性越大.
哺乳动物中胆固醇对膜脂流动性也有一定的调 控作用,在生理条件下增加胆固醇的含量会降低 膜的流动性，因为胆固醇的闭合环状结构干扰 了脂肪酸的侧向运动。
膜脂的流动性是不均匀的,在一定温度下,有的 膜脂处于凝胶态,有的则呈液晶态,处于液晶态 的各膜脂的流动性也不完全相同.
3、糖蛋白和糖脂中的多糖只 分布在膜的非细胞质一侧
外
线粒体
（二）膜分子结构的流动性
膜的流动性主要是指膜脂及膜蛋白流动性。 合适的流动性对生物膜表现磷脂分子. 在生理条件下,磷脂大多呈流动的液晶态,磷脂
在膜内可作旋转运动,翻转运动,侧向运动等.当 温度降至一定值时,膜脂从流动的液晶态转变为 类似晶体的凝胶态,这个温度称为相变温度.凝 胶状态也可再熔解为液晶态。各种膜脂由于组 分不同而具有各自的相变温度。
2. 膜蛋白
⑴内 在 蛋 白 ⑵外 周 蛋 白
（1）内在蛋白
➢ 有的全部埋于脂双层的疏水区，有的部分嵌在脂双层 中，有的横跨全膜.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。
➢这类蛋白被紧密连在膜上，并且不易溶于水。只有用破 坏膜结构的试剂如有机溶剂（氯仿）或去污剂（TritonX100）才能把它们从膜中提取出来。
精品
生物膜的组成和结构1
二、 化 学 组 成
膜脂 膜蛋白 糖类 无机盐 金属离子 水
1. 膜 脂
➢ 磷 脂（主要） ➢ 糖脂 ➢ 甾醇
⑴ 磷脂
▪甘油磷脂(主要) ▪鞘磷脂
R1 C R2 C
❖甘油为骨架
甘油磷脂
X= –H 磷脂酸
CH2 CH
X= CH2 CH2 N+(CH3) 3
磷脂酰胆碱（卵磷脂）
➢比较易于分离，大都能溶于水，可在不破坏膜结构的 情况下，通过温和方法（高离子强度、高pH、）分离 提取。
3. 糖类
生物膜中的糖类大多与膜蛋白结合 糖蛋 白（信息识别）
少数与膜脂结合 糖脂
糖类在膜上的分布
非对称的，全部分布在膜的非细胞质一 侧。
质膜上的糖
细胞内膜的糖
三 生物膜的分子结构模型
膜锚蛋白
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、异戊烯基团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。
（2） 外 周 蛋 白
➢分布于膜的脂双层内外表面，通过极性氨基酸残基 以离子键、氢键、范德华力等次级键与膜脂极性头部 或与内在蛋白的亲水部分结合。
㈠ 膜分子结构的不对称性
1、膜脂的分布不对称，即膜脂双分子层内外两 侧的脂种类、含量不同，如人红细胞质膜： 内
❖ 膜的外层卵磷脂、鞘磷脂较多
❖ 膜的内层脑磷脂、磷脂酰丝氨酸较多
2、膜蛋白的分布不对称
如线粒体内膜中的NADH电子传递链各组分： ❖ Cyt氧化酶 、琥珀酸脱氢酶在线粒体内膜内侧 ❖ Cytc在线粒体内膜外侧
鞘氨醇
H OH N-H
O-
CH3
OC
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。
由磷脂形成的双层脂膜的示意图
❖在水溶液中两性的磷脂分子为避免疏水部分接 触水分子而定向排列，形成脂双层结构。脂双层 中，磷脂分子的疏水基团在内部而亲水的头部在 表面。
流体镶嵌模型 1972年美国Singer和Nicolson提出，认为生物
膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的脂质双分子 层结构，其中蛋白质犹如一座座冰山漂移在流动 脂质的海洋中。 与过去模型的主要差别 突出了膜的流动性 显示了膜蛋白分布的不对称性
四、 生 物 膜 的 特 性
㈠ 膜分子结构的不对称性 ㈡ 膜分子结构的流动性
（2）糖脂
是糖通过半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接而成 的化合物。
膜脂中糖脂主要有鞘糖脂、甘油糖脂 HH
H3C-(CH2)12-C C- C- C- CH2-O-半乳糖
鞘氨醇
H OH N-H
OC R1
半乳糖脑苷脂 （鞘糖脂）
（3） 甾 醇
▪又名固醇，动物膜甾醇主要是胆固醇，植 物膜甾醇含量较动物少，主要有谷甾醇、豆 甾醇等。
谢
谢
观