生物膜的结构与功能

第四章生物膜的结构与功能

生物膜是细胞和各种细胞器表面所包裹的一层极薄的膜系结构，是具有高度选择性的半透性屏障。包括细胞质膜（细胞膜）、线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜及核膜等。在电镜下，各种生物膜结构非常相似。生物膜除起物理屏障外，其主要功能有：物质转运功能；信息分子识别和信息传递；能量转换等。

第一节生物膜的基本结构

一、生物膜的化学组成

包括脂类、蛋白质和少量的糖类，水及金属离子。

（一）脂类

包括磷脂（主）、胆固醇和糖脂。不同生物膜脂类的种类和含量差异较大，各种脂类物质分子结构不同，但有一共同的结构特点即其分子有两部分组成，即亲水的极性基团（头）和疏水的非极性基团（尾），膜脂的这种特性使其在膜中排列具有方向性，对形成膜的特殊结构有重要作用。

（二）蛋白质

细胞内20-25%的蛋白质与膜结构相联系，根据它们在膜上的定位可分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质（图）：

（1）外周蛋白质：分布在膜外表面，不深入膜内部。它们通过静电力或范德华力与膜脂连接。这种结合力弱，容易被分离出来，只要改变介质的PH、离子强度或鏊合计便可将其分离出来。约占膜蛋白的20-30%。

（2）内在蛋白：分布在膜内，有的插入膜中，有的埋在膜内，有的贯穿整个膜，有的一端两端暴露于膜外侧，或两端暴露，称跨膜蛋白。内在蛋白通过疏水键与膜脂比较牢固结合，分离较困难，只有用较剧烈的条件如：去垢剂、有机溶剂、超声波等才能抽提出来，因为它们具有水不溶性，除去萃取剂后又可重新聚合成不溶性物质。占70-80%。

（三）糖

生物膜中的糖以寡糖的形式存在，通过共价键与蛋白形成糖蛋白，少量还可与脂类形成糖脂。糖蛋白中的糖往往是膜抗原的重要部分，如决定血型A、B、O抗原之间的差别，只在于寡糖链末端的糖基不同。糖基在细胞互相识别和接受外界信息方面起重要作用，有人把糖蛋白中的糖基部分比喻为细胞表面的天线。

二、生物膜的结构特点

（一）生物膜的结构模型是脂质双层流动镶嵌模型

1972年提出的流动镶嵌模型受到广泛的支持。这种生物膜结构模型的主要特征是

1、流动性：流动性是生物膜的主要特征。大量研究结果表明，合适的流动性对生物膜表现正常功能具有十分重要的作用。例如能量转换、物质运转、信息传递、细胞分裂、细胞融合、胞吞、胞吐以及激素的作用等都与膜的流动性有关。

生物膜的流动性表现在膜脂分子的不断运动。膜脂间运动可分为侧向运动和翻转运动。如图：

侧向运动是膜脂分子在单层内与临近分子交换位置，是一种经常发生的快运动。翻转运动是膜脂双分子层中的一层翻至另一层的运动，这种运动方式很少发生，对膜的流动性不大。

膜的流动性主要与膜脂中的脂肪酸碳链长短及饱和度有关。膜脂双层结构中的脂类分子，在一定温度范围内，可呈现即具有晶体的规律性排列，又具有液态的可流动性，即液晶态。在生理条件下，生物膜都处于此态，当温度低于某种限度时，液晶态即转化为晶态，此时，膜脂呈凝胶状态，粘度增大，流动性降低，生物膜功能逐渐丧失。

胆固醇是膜流动性的调节剂，它可以抑制温度所引起的相变，防止生物膜中的脂类转向晶态，防止低温时膜流动性急剧降低。生物膜的流动性是膜生物学功能所必需，许多药物的作用可能通过影响膜的流动性实现，如麻醉药的作用可能跟增强膜的流动性有关。

生物膜的流动性使膜上的蛋白质类似船在水上漂游，，但是蛋白质插入膜的深度并不改变。大部分膜脂与蛋白质没有直接作用，只有少部分膜脂与膜蛋白结合成脂蛋白，形成完整的功能复合物。

2、生物膜结构的两侧不对称性

（1）膜脂两侧分布不对称性这种不对称分布会导致膜两侧的

电荷数量、流动性等的差异。这种不对称分布与膜蛋白的定向分布及功能有关。

（2）膜糖基两侧分布不对称性质膜上的糖基分布在细胞表面，而细胞器膜上的糖基则分布全部朝向内腔。这种分布特点与细胞互相

识别和接受外界信息有关。

（3）膜蛋白两侧分布不对称性膜蛋白是膜功能的主要承担者。不同的生物膜，由于所含的蛋白质不同而所表现出来的功能也不同。同一种生物膜，其膜内、外两侧的蛋白质分布不同，膜两侧功能也不同。膜两侧的蛋白分布不对称是绝对的，没有一种蛋白质同时存在于膜两侧。

生物膜结构上的两侧不对称性，保证了膜功能具有方向性，这是膜发挥作用所必须的。例如，物质和一些离子传递具有方向性，膜结构的不对称性保证了这一方向性能顺利进行。

第二节生物膜与物质转运

生物膜的主要功能包括能量转换、物质运输、信息识别与传递。这里我们将重点介绍生物膜与物质运输的关系。

生物膜的通透性具有高度选择性，细胞能主动的从环境中摄取所需的营养物质，同时排除代谢产物和废物，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，大量证据表明，生物界许多生命过程都直接或间接与物质的跨膜运输密切相关。如神经冲动传播、细胞行为，细胞分化等重要生命活动。

根据运输物质的分子大小，物质运输可分为小分子物质转运和大分子物质转运两类。小分子物质转运可通过被动转运和主动转运方式通过生物膜。被动转运是指物质分子流动从高浓度向低浓度，不消耗能量。主动转运是指物质可逆浓度梯度方向进行，需耗能。大分子物质转运是生物膜结构发生改变的膜动转运。

一、小分子物质的转运

由于生物膜的脂双层结构含有疏水区，它对运输物质具有高度的选择通透性。

1、小分子物质的直接通透

生物膜上的膜脂分子是连续排布的，这样在脂分子间不存在裂口。但是膜脂分子是处于流动状态，在疏水去会出现暂时性间隙，间隙孔径0.8nm，可使一些小分子（如水分子0.3 nm）通过。但这种小分子物质的通过速度各不一样，通过速度取决于分子大小及其在生物膜上中的相对溶解度，一般来说，分子越小切且疏水性或非极性越强，通过膜较易。不带电荷的极性小分子有时也可通过，但速度慢，带电荷的小分子则不能直接通透。

2、通道蛋白运输

又称简单扩散。通道蛋白是一种膜运输蛋白，它在膜上形成液体通道，使分子大小和电荷适当的物质，借助扩散作用通过膜脂双分子层。如图：通道蛋白运输特点是：1）从高浓度到浓度；2）通道蛋白不与运输的物质发生结合反应，只起通道作用。

传输蛋白通道有的持续开放，有的间断开放。间断开放的通道受“闸门”控制。“闸门”通道根据其开启的特定条件可分为三类：1）配体-闸门通道，细胞外的特定配体与膜表面特异受体结合时，通道开放；2）电势-闸门通道，只有膜电位发生改变时，通道开放；3）离子闸门通道，只有某种离子浓度达到一定浓度时，闸门开放。

3、载体蛋白被动运输

又称易化扩散或促进扩散。载体蛋白是一种膜转运蛋白，被转运的物质可与膜上的载体蛋白结合，使载体构象发生改变，从而将物质转运到低浓度的一侧。此运输特点：1）从高浓度到浓度；2）被转运的物质与载体发生可逆结合反应；3）运输过程不需能量。有些阴离子的运输如红细胞膜上存在着一种载体蛋白（带3蛋白），可参与HCO3、Cl-的运输。

4、载体蛋白主动运输

主动运输是被转运的物质与载体蛋白发生可逆的特异结合，使物质在膜两侧进行转运。特点：1）可逆浓度梯度进行；2）消耗能量，常见的是ATP提供能量。以Na+、K+-泵为例：Na+、K+-泵就是Na+、K+-ATP 酶，它是一种跨膜的载体蛋白，它对维持细胞内外Na+、K+浓度十分重要。此酶有两种构象，即亲钠构象和亲钾构象。亲钠构象的酶以脱磷酸形式存在，亲钾构象的酶以磷酸化形式存在，两种构象相互转化，便将Na+从细胞内泵到细胞外，同时又将K+从细胞外泵到细胞内。进行Na+、K+交换时，分解ATP，以供逆浓度梯度转运是所需的能量。

因此，Na+、K+-ATP酶的作用是主动向膜外泵出Na+，向膜内泵入K+，从而维持细胞膜内外离子浓度差，这种离子浓度差，对膜电位的维持十分重要，是神经兴奋、肌肉细胞活动的基础。

一些糖或氨基酸的主动运输不是靠直接水解ATP提供能量，而是依赖离子梯度形式储存的能量，形成这种离子梯度最常见的是Na+，由于膜外Na+浓度高，Na+顺电化学梯度流向膜内，葡萄糖便利用Na+梯度提供的能量，通过Na+推动的葡萄糖载体蛋白将葡萄糖转运入细

胞，进入细胞内的Na+又可通过Na+、K+-ATP酶的作用，转运到细胞外。这样Na+梯度越大，葡萄糖越易进入。

二、大分子物质的转运

大分子物质的转运涉及膜结构的变化，又称膜动转运。膜动转运主要包括胞吐作用和胞吞作用。

1、胞吐作用

胞吐作用是细胞排放大分子物质的一种方式，被排放的大分子物质被包装成分泌小泡，分泌小泡与膜融合，融合的外侧面产生一个裂口，将排放物释放出去。如核糖体上合成的蛋白质，由内质网运输到高尔基体，经过加工改造，形成分泌小泡，以胞吐方式输送到细胞外。

2、胞吞作用

过程与胞吐作用相反。细胞将被摄取的物质，由质膜逐渐包裹，然后囊口封闭成细胞内小泡。一些多肽激素、低密度脂蛋白、转铁蛋白、上皮细胞增殖因子及毒素等都可经胞吞进入细胞内。

第三节生物膜信息传递

生物膜对信息分子具有选择性，大部分信息分子难于通过生物膜。细胞外的信息分子要传如细胞，并予表达，主要依赖细胞膜上的专一性受体来完成。细胞膜上的受体首先与胞外的信息分子（第一信使）专一性结合，并使受体活化，活化的受体通过偶联蛋白（G蛋白）或直接使效应酶活化，在效应酶的催化下，细胞内产生相应的新的信息分子（称第二信使），在第二信使作用下，细胞内进行相应的生化级联反应，最终细胞作出相应的功能应答。可见细胞外的信息分子是通过

细胞膜上的特殊信号转导系统，把信息传入细胞，使靶细胞作出应答反应。如图：

一、受体

（一）受体及其类型

1、受体受体是一类能够识别有生物活性的化学信号物质，并特异地与之结合，从而引起细胞一系列生化反应，最终导致细胞产生特定的生物学效应的生物大分子。目前已分离的受体的化学本质均为蛋白质，主要是糖蛋白和脂蛋白。如胰岛素的受体是糖蛋白。与受体特异性识别并结合的生物活性物质称配体。配体与受体结合后引起细胞某一特定结构产生生物学效应，这种特定的结构称效应器。

2、受体类型根据受体存在的部位不同，把受体分为细胞膜受体和细胞内受体。细胞膜受体镶嵌在质膜中，肽链的疏水区插入双层质膜中，而亲水部分露在质膜外侧。

（1）质膜受体按其机制可分为通道性受体、催化性受体、G 蛋白偶联受体等

通道受体是受神经递质调节的离子通道，受体本身是一种通道蛋白，当神经递质如乙酰胆碱与受体结合，通道打开或关闭，控制离子的进出。

催化性受体，其本身是一种跨膜结构的酶蛋白，胞外部分与配体结合后被激活，胞浆部分在激活后具有酪氨酸激酶的活性。如胰岛素及一些生长因子与细胞膜上的受体作用后，受体形成二聚体，同时使受体胞浆结构域的多个酪氨酸残基磷酸化。受体的胞浆部分具有酪氨

酸激酶的活性，使受体形成二聚体相互磷酸化，因此激活从细胞膜传递到细胞核的信息通路，最终活化转入因子而启动细胞某些特异蛋白质的生物合成。

G蛋白偶联受体由三部分组成：受体（R）在膜外侧，G蛋白与效应酶（腺苷酸环化酶C）在膜内侧，分别在膜上流动，当激素在膜外侧与相应受体结合，通过G蛋白的转导作用，即可改变腺苷酸环化酶的活性，从而调节cAMP的生成。

腺苷酸环化酶的活性G蛋白的调节，而G蛋白又受GTP调节。G 蛋白有激活型（G s）和抑制型（G i）两类，位于细胞膜中，当激素（H）与受体（G s激活型或抑制型G i）结合后，引起G s及G i与GTP结合，分别为G s-GTP或G i-GTP，前者能激腺苷酸环化酶，增加cAMP的生成，后者抑制激腺苷酸环化酶的活性，降低cAMP的生成。

G蛋白由α、β、γ亚基组成，G s及G i中的β、γ亚基结构相同，α亚基有激活型（αs）与抑制型（αi）两种结构，β、γ亚基能抑制α亚基的活性。

cAMP的生理作用主要是通过cAMP依赖性蛋白激酶来实现。这种蛋白激酶由两种亚基组成的四聚体。一种是催化亚基具有催化蛋白质磷酸化作用，另一种是调节亚基，是调节亚基的抑制剂。当调节亚基与催化亚基结合时，酶呈抑制状态。cAMP存在时，可与调节亚基结合使调节亚基变构而脱落，与催化亚基分开，从而催化亚基发挥作用使蛋白激酶活化。

蛋白激酶的作用：

1）酶的磷酸化：酶蛋白经磷酸化后，其活性可受到激活或抑制，如磷酸化酶B受蛋白激酶激活后，可利用ATP将无活性的磷酸化酶B 磷酸化，成为有活性的磷酸化酶A，从而促进糖原分解。

2）其它功能蛋白质的磷酸化：已发现许多蛋白质在cAMP-蛋白激酶作用下磷酸化而改变功能。如抗利尿激素可以通过cAMP激活肾小管细胞膜上的蛋白激酶，促进某种膜蛋白磷酸化，使细胞通透性改变，从而加速对水的重吸收。

3）cAMP使蛋白质磷酸化后可促进活化的转入因子的形成，控制特异基因转入，合成特异蛋白质，产生特异的细胞效应。

（2）细胞内受体可分为胞浆受体和核内受体。亲脂性信息分子可透过质膜进入细胞，并与胞浆或核内受体结合形成复合物，此复合物可与DNA的特定的调空区结合，改变基因表达，调节其它功能性蛋白合成。细胞中受体的数量与结构的异常，影响信息传递。

（二）受体与信息分子结合反应特点

受体与信息分子结合的结合类似与底物与酶的结合，其结合反应依赖与信息分子和受体的空间构象。结合特点：

1、特异性指受体对信息分子具有严格的选择性。不同的受体只能选择相应的信息分子结合。一般情况下，一种受体只能与其相对应的信息分子结合。传递特定的信息。

2、可饱和性一个细胞上特定受体的数目是有限的，因此配体与受体的结合具有饱和性。但在特殊的生理条件下或病理情况下，受体的数目会发生变化，调节受体数目的主要原因是配体本身，配体浓度或

配体长时间与靶细胞作用可引起受体数目下降。

3、结合反应可逆性信息分子与受体之间是非共价结合，复合物解离后的产物不是代谢产物而是配体本身。化学结构与信息分子相类似的化合物也能与信息分子的受体结合。

二、效应酶

其作用是将细胞外第一信使的信息转化为细胞内的第二信使（cAMP、Ca2+、cGMP、IP3、DGA等），通过第二信使调节各种生理效应。

常见的效应酶有：

1、腺苷酸环化酶可催化ATP分解产生cAMP。

如乙酰胆碱、α-肾上腺素等与特异的受体结合后，通过G i蛋白的介导，抑制腺苷酸环化酶的活性，从而降低细胞内cAMP的含量而实现生理效应。

2、磷脂酶C 可催化IP

3、DGA的产生。其作用在激素章介绍。