第四章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0.3nm）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。1、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（Gs）和抑制型（Gi）两类，位于细胞膜中，当激素（H）与受体（Gs激活型或抑制型Gi）结合后，引起Gs及Gi与GTP结合，分别为Gs-GTP或Gi-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，Gs及Gi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Gi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IP3、DGA的产生。其作用在激素章介绍。