生物化学 第五章 生物膜

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。
外周蛋白比较容易分离，经过温和的处理， 如改变介质的离子强度或pH值，或加入金
属螯合剂等即可把外周蛋白分离下来。从
膜上分离下来的外周蛋白呈水溶性。此类
蛋白质约占膜蛋白的20%30%。
图5-11膜蛋白在生物膜中的分布和种类
2．内在蛋白 内在蛋白质通过非极性氨基酸残基侧链与 膜脂分子的疏水部分以疏水相互作用牢固 结合，不同程度地插入或横跨脂双层（图 5-11）。这类蛋白不易从膜上分离，只有 使用比较剧烈的条件，如加入表面活性剂、 有机溶剂，或使用超声波才能将其从膜上 溶解下来。它们的特征是水不溶性，分离 下来之后，一旦去掉表面活性剂或有机溶 剂，又能聚合成水不溶性。
3、膜流动性的生理意义 膜脂合适的流动性是膜蛋白表现正常功能 的必要条件。这是因为膜脂的流动性对膜 内在蛋白嵌入脂质双分子层的深度有一定 影响。当膜脂流动性降低时，嵌入的膜蛋 白暴露于水相的部分就会增加；相反，如 果膜脂流动性增加，嵌入的膜蛋白则更多 地深入脂质双分子层中。因此，膜脂流动 性的变化会影响膜蛋白的构象与功能。
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。
1．外周蛋白 外周蛋白分布于膜的外表面，它们通过极性 氨基酸残基侧链以静电引力、氢键等次级键 与膜脂的极性头部，或与某些膜蛋白的亲水 部分相结合（图5-11），如结合在线粒体内 膜上的细胞色素c、已糖磷酸激酶等，均属 于此类。
甘油磷脂是两性分子，即由亲水和疏水两部 分组成。其中磷酸基团及其连接的胆碱、 乙醇胺、丝氨酸等构成该分子的亲水头部， 而两条较长的脂酰链为其疏水的尾部。这 一特征决定了它们在生物膜中的双分子排 列（脂双层结构）。 生物膜的骨架对膜起支撑作用，在信号转导 过程中还起重要作用。
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。
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。
胆固醇的结构及其酯化
环戊烷 多氢菲 21 18 20 17 13 22 23 24 25 26 27
12
19 11 1 2 3 9
16
C
14 8 7
D
15
A
4
10
5
B
6
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。
分子间排列的有序性，从而削弱了相邻脂
质的相互作用。
胆固醇在调节膜脂的流动性方面具有重要的作
用。
在相变温度以上时，胆固醇由于能抑制磷脂分
子的脂肪酸链的旋转异构化运动，因而降低
膜的流动性；
在相变温度以下，胆固醇又可阻止脂肪酸链的
有序排列，因而增加膜的流动性，防止其向
凝胶态转化。
2、膜蛋白的流动性 • 膜蛋白可以快速在脂质双分子层内扩散。 • 膜蛋白还可以围绕与膜平面垂直的轴进行 旋转运动。这种运动方式比侧向扩散的速 度要慢，不同的膜内在蛋白由于本身及微 环境的差别，它们的旋转扩散也有很大的 差异。
动自由，它们的横向运动很快，几秒之内
单个脂分子就可环绕红细胞的一周。双分
子的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可
通过碳碳旋转而不断地运动。
• 膜流动的程度与脂的组成及温度有关，低 温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈 晶态（类晶体、半晶体）排列；温度升到 一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态 转变。
影响膜脂流动性的因素：
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。
1、膜脂的流动性
在生理条件下，膜脂大多数表现为流动的 液晶态，当温度降至相变温度时即从液晶 态转变为类似晶体的凝胶状态，凝胶态也 可以熔解为液晶态。将液晶态和凝胶态的 相互转变称之为相变（图5-13）。不同的 膜脂相变温度也各不相同。
• 虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个
的磷脂和固醇可在脂质平面内有很大的运
内在蛋白质约占膜蛋白的70%80%左右， 往往担负着重要的功能，如受体、通道、载 体和膜酶等都是内在蛋白。内在蛋白质与脂
双层疏水区相接触的部分中，由于水分子的
排除，多肽分子本身形成氢键的趋向大大增
加，因此它们往往以α-螺旋或β-折叠形式存
在，尤其以前者更为普遍（图5-12）。
膜锚蛋白 有些膜内在蛋白本身并没有进入膜内，而 是以共价连接到膜脂上，如碱性磷酸酯酶， 它与糖基磷脂酰肌醇共价连接。有时也把 它们称为膜锚蛋白。
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。
（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）。
在生物体内，可以通过细胞代谢、pH、金 属离子（Mg2+、Ca2+等）等因素使膜具有 合适的流动性从而表现正常功能。如果超 出调节范围，生物膜就会发生病变。 此外，植物的抗冷性也与生物膜的流动性 相关。
（四）生物膜的不对称性 1、膜脂在脂双分子层两面是不对称的。 例如，人红细胞膜的外层含磷脂酰胆碱和 鞘磷脂较多，内层则含磷脂酰丝氨酸和磷 脂酰乙醇胺较多。这种不对称分布会导致 膜内外两层电荷数量、流动性等的差异。 膜脂的不对称分布与膜蛋白的定向分布及 其功能也有着密切的关系。
包括脂烃链的链长和不饱和程度，胆固醇、 鞘磷脂的含量，膜蛋白以及温度、pH、离 子强度、金属离子等等。
脂肪酸烃链越长，其间相互作用也越强，脂 质双分子层的流动性将会降低。
脂肪酸烃链不饱和程度越高，流动性越强。
因为不饱和脂肪酸的顺式双键会产生烃链
的扭曲，并且会促进双键两侧烃链的旋转
运动，分子间的距离也增大，降低了脂质
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.
⑴ 简单扩散 简单扩散是物质依赖于膜两侧的浓度差， 从高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散的过 程，不需要能量，也不需要载体。扩散的 速度与膜两侧分子的浓度差成正比。由于 膜的基本结构是脂质双分子层，只有非极 性的小分子及不带电荷的极性小分子以简 单扩散的方式过膜，如O2、N2、CO2、 H2O、尿素、乙醇等。
（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
第三节 生物膜的功能 一、物质的跨膜运输 细胞能主动地从环境中摄取所需的营养物质 如糖、氨基酸和无机盐，同时排出代谢废物 和产物，使细胞保持动态的恒定，这对维持 细胞的生命活动是极为重要的。小分子物质 的跨膜运输主要依靠浓度梯度、电势差或同 时依靠二者进行。另外大多数小分子物质的 运输还需要通过膜上的转运蛋白质来介导。 而大分子的运输主要是通过膜泡运输的方式 进行。
（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。