2膜生物物理学.ppt

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1、河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1生生 物物 物物 理理 学学河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 222 2 膜生物物理学膜生物物理学l2.1 2.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史l2.2 2.2 生物膜的组成生物膜的组成l2.3 2.3 生物膜的分类及特性生物膜的分类及特性l2.4 2.4 生物膜上的蛋白质分子生物膜上的蛋白质分子离子通道离子通道河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 33质膜（质膜（plasma membraneplasma membrane）包在细胞外面，所以又称细胞膜（）包在细胞外面，所以又称细胞膜（cell cell

2、 membranemembrane），它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞与），它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞与外界进行物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内外界进行物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（膜（biomembranebiomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递

3、、细胞运动等活动都与膜的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。的作用有密切的关系。2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 44膜主要是由脂类(lipid)和蛋白质以非共价键相互作用结合而成的二维流动体系。脂类分子呈连续的双分子层(bilayer)排列。膜具有双亲性(amphipathic nature)。蛋白质相对于脂双层的不同镶嵌方式。生物膜中各种组分的分布是高度不对称的。2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 55l

4、把细胞分割成一个个把细胞分割成一个个“小室小室”(compartment)compartment)的物理屏障。的物理屏障。l具有选择通透性。具有选择通透性。l是细胞间传递化学信息和能量的介面。是细胞间传递化学信息和能量的介面。l为蛋白质的合成、加工、修饰、分选、定位提供了工作平台和输运载体。为蛋白质的合成、加工、修饰、分选、定位提供了工作平台和输运载体。生物膜的主要功能生物膜的主要功能2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 66http:/www.nips.ac.jp/pamph/1999/04.html细胞膜上的生物大分子细胞

5、膜上的生物大分子2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 77纵观生物界，无论动物、植纵观生物界，无论动物、植物和微生物，都是由细胞组物和微生物，都是由细胞组成的，细胞是生物体的结构成的，细胞是生物体的结构和功能的基本单位。早在和功能的基本单位。早在16651665尔英国医生虎克用一架尔英国医生虎克用一架很简单的显微镜观察软木薄很简单的显微镜观察软木薄片，发现木片上布满了许多片，发现木片上布满了许多蜂窝状的小格子。他把这些蜂窝状的小格子。他把这些小格子命名为细胞。其实，小格子命名为细胞。其实，他所看到的只不过是植物细他所看到的只不

6、过是植物细胞的空架子胞的空架子细胞壁。尽细胞壁。尽管如此他毕竟看到了细胞与管如此他毕竟看到了细胞与细胞之间的界限。细胞之间的界限。虎克用的显微镜和他看到的植物细胞壁虎克用的显微镜和他看到的植物细胞壁2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 88l1765年年,Benjamin Franklin将橄榄油倒入池塘中，发现由风所吹起的水面微波被平息了。将橄榄油倒入池塘中，发现由风所吹起的水面微波被平息了。注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。FranklinFranklin还计算到（根据油量

7、和面积）油层的厚度是还计算到（根据油量和面积）油层的厚度是2525，而且，而且“它它不可能扩展得更薄了。事实证明，用现代方法测定的橄榄油的单分不可能扩展得更薄了。事实证明，用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与子层的厚度几乎与FranklinFranklin当时估算的一样！当时估算的一样！2.1 2.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 99l1902年，年，E.Overton发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速度增加；基于脂溶性物质容易透过质膜，Overton提出质膜是由一层薄的类脂所组

8、成。-Vjschr.Naturforsch Ges.Zurich 44(1899)88-98.2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 10l1917年，年，Langmuir 发现脂肪酸放在水和空气界面上发现脂肪酸放在水和空气界面上形成单分子膜形成单分子膜 -Langmuir film.Langmuir film.2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 11l1925年，E.Gorter and F.Grendel 从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测出被抽提出的磷脂

9、铺成单层膜时所占有面积大约是红细胞表面积的2倍。提出双分子类脂层是细胞膜的基本结构。-J.Exp.Med.41(1925)439-443.2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 12l1935年，J.F.Danielli and H.Davson胎鱼卵的脂滴实验：卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大大提高；纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低；提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构（the unit membrane model）.2.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物

10、物理学生物物理学 13l1972年，S.J.Singer and G.Nicholson，提出液体镶嵌模型（the fluid mosaic model）：强调膜结构的流动性强调膜组分的不对称性膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合 -Science 175(1972)720-731.2.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 142.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1515 1977 1977年，年，M.K.Jain and H.B.White，提出，提出板块模型板块模型：l在

11、流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序结构板块）。因此，的彼此独立移动的类脂板块（有序结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块组成。组成。l膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。-Adv.Lipid Res.15(1977)1-60.-Adv.Lipid Res.15(1977)1-60.2.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学

12、 16162.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1717l1997年，K.Simons，细胞膜中的功能化筏(Functional rafts in cell manbrane):细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，4 4o oC C不溶于非离子型去污不溶于非离子型去污剂剂TritonTritonX100X100。这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台（筏）

13、。一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白（筏）。一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。质则排挤出筏。功能：膜的分选与运输；信号传导等功能：膜的分选与运输；信号传导等。-Simons&Ikonen,Nature 387(1997)569-5722.12.1 生物膜的概念及研究历史生物膜的概念及研究历史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1818l2.2.1.1 2.2.1.1 膜脂膜脂 2.1.1.1 2.1.1.1 磷脂磷脂 2.1.1.2 2.1.1.2 糖脂糖脂 2.1.1.3 2.1.1.3 胆固醇胆固醇 2.1.1.4 2.1.1.4 脂质体（人工膜）脂质

14、体（人工膜）l2.2.1.2 2.2.1.2 膜蛋白膜蛋白 2.2.1 2.2.1 质膜的化学组成质膜的化学组成河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1919磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的5050以上。主要有：以上。主要有：甘油磷脂和鞘磷脂。磷脂分子的主要特征：甘油磷脂和鞘磷脂。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链，图具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链，图1 1）。）。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由1616，1818或或2020个碳原子组成。常含有个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸

15、（如油酸）。不饱和脂肪酸（如油酸）。磷脂磷脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2020图图1.磷脂的结构磷脂的结构磷脂磷脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2121以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上(图3)。主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inosi

16、tol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。甘油磷脂甘油磷脂磷脂磷脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2222图图3.不同类型的甘油磷脂不同类型的甘油磷脂 PE磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺PS磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸PC磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱PI 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇磷脂磷脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2323鞘磷脂（鞘磷脂（sphingomyelinsphingomyelin，SMSM，图，图4 4）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoinesphingoin

17、e）为骨架，与一条脂肪酸链）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。鞘磷脂。图图4.鞘磷脂鞘磷脂 磷脂磷脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2424l 糖脂糖脂(图图5 5、6)6)是含糖而不含磷酸基团的脂类，普遍存在于原核和真核细是含糖而不含磷酸基团的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5 5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占高，约占5-105-10。糖脂也是两性分子。其结构与

18、鞘磷脂（。糖脂也是两性分子。其结构与鞘磷脂（SMSM）很相似，只）很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。l 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的

19、家族性白痴病（特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsTay-sachs disease disease）就是因为）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 GM2 加工成为加工成为GM3GM3，结果，结果大量的大量的GM2GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和绒毛膜促性腺激素和5-5-羟色胺等

20、的受体就是不同的神经节苷脂。羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。糖脂糖脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2525图图5.葡糖脑苷脂葡糖脑苷脂糖脂糖脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2626图图6.糖脂的结构糖脂的结构 1.半乳糖脑苷脂，半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，神经节苷脂，3.唾液酸唾液酸糖脂糖脂河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 27胆固醇胆固醇(图图7)7)仅存在真核细仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜胞膜上，含量一般不超过膜脂的脂的1/31/3，植物细胞膜中含，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双量较少，其功能是提高脂双层的力学稳

21、定性，调节脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自醇的突变细胞株很快发生自溶。溶。图图7.胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2828脂质体（脂质体（liposomeliposome）是一种）是一种人工膜。在水中磷脂分子亲人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径脂分子的球形脂质体，直径510005100

22、0nmnm不等。脂质体可用不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞合的特点，将药物送入细胞内部。内部。图图8.8.脂质体脂质体 （根据（根据Gerald Karp Gerald Karp 2002 2002 修改）修改）脂质体脂质体河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2929膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%30%左右的为膜蛋左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（白。根据膜蛋白与脂

23、分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral proteinintegral protein）、）、脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid-anchored proteinlipid-anchored protein）和外周蛋白（）和外周蛋白（peripheral proteinperipheral protein）。图图11.11.蛋白与膜的结合方式蛋白与膜的结合方式、整合蛋白；整合蛋白；、脂锚定蛋白；脂锚定蛋白；、外周蛋白外周蛋白膜蛋白膜蛋白河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3030l整合蛋白可能全为跨膜蛋白（整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembranetansmemb

24、rane proteins proteins），为两性分子，疏水部分位于脂），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂（密，只有用去垢剂（detergentdetergent）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDSSDS，非离子型去，非离子型去垢剂垢剂Triton-X100Triton-X100。l整合蛋白的跨膜结构域可以是整合蛋白的跨膜结构域可以是1 1至多个疏水的至多个疏水的螺旋，形成亲水通道的整

25、合蛋白跨膜区域螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性有两种组成形式，一是由多个两性螺旋组成亲水通道；二是由两性螺旋组成亲水通道；二是由两性折叠组成亲水通道。折叠组成亲水通道。l外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则和外周蛋白

26、，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。结合在膜的外部。l脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid-anchored proteinlipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositolglycophosphatidylinositol，GPIGPI)连接的蛋白，连接的蛋白，GPIGPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细（能识别含肌醇的磷脂）处

27、理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPCPrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体长碳氢链结合，如三聚体GTPGTP结合调节蛋白（结合调节蛋白（trimerictrimeric GTP-binding regulatory GTP-binding regulatory proteinprotein）的）的 和和亚基。亚基。膜蛋白膜蛋白河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3131钾钾离离子子通通道道的的三三维维结结构构（KcsA

28、）膜蛋白膜蛋白河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3232l2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类 l2.3.2 2.3.2 质膜的流动镶嵌模型质膜的流动镶嵌模型l2.3.3 2.3.3 脂筏脂筏l2.3.4 2.3.4 细胞膜的功能细胞膜的功能2.32.3生物膜的结构及分子模型生物膜的结构及分子模型河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3333l细胞质膜细胞质膜l细胞内膜系统细胞内膜系统l膜与细胞骨架膜与细胞骨架2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3434 细胞质膜细胞质膜 所有细胞的表面都包围着一层

29、膜，在动物细胞中，我们通常将其称为质所有细胞的表面都包围着一层膜，在动物细胞中，我们通常将其称为质膜膜(plasma membraneplasma membrane)。而对于其它生物体，则根据其细胞种类分别称为细。而对于其它生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜胞质膜(cytoplasmiccytoplasmic membrane membrane)、表面膜、表面膜(surface membranesurface membrane)、原生质膜、原生质膜(plasmalemmaplasmalemma)等。等。这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞对所有的胞外刺激这层质膜构成了细胞质与外

30、环境的反应界面，是细胞对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养物质都要经过它进入细胞；所有排泄、产生最初反应的地方。所有的营养物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也要通过它排出细胞。分泌的分子也要通过它排出细胞。2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3535细胞膜对大多数物质不具有通透性细胞膜对大多数物质不具有通透性物质的跨膜转运需要离子通道的参与物质的跨膜转运需要离子通道的参与B.Alberts,et al.,Molecular Biology of the Cell,4th ed.2002,Published by G

31、arland Science河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3636细胞质膜细胞质膜l一些非离子小分子如水、尿素、一些非离子小分子如水、尿素、O O2 2、COCO2 2、甘油等，及许多脂溶、甘油等，及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。性分子可以自由通过细胞的质膜。l而葡萄糖而葡萄糖(glucoseglucose)和氨基酸和氨基酸(amino acidamino acid)等分子的跨膜运输则等分子的跨膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。l离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如，离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如，NaNa+-K

32、-K+-ATP-ATP酶是利酶是利用蛋白水解用蛋白水解ATPATP的能量把的能量把NaNa+运出细胞，把运出细胞，把 K K+运进细胞；运进细胞；CaCa2+2+ATPATP酶则是把酶则是把CaCa2+2+泵到胞外。泵到胞外。l胰岛素胰岛素 (insulininsulin)等多肽类激素可以与质膜外表面的受体蛋白等多肽类激素可以与质膜外表面的受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传递到细胞内。结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传递到细胞内。2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3737l细胞内膜系统：细胞内膜系统：与原核细胞不同，

33、真与原核细胞不同，真核细胞具有复杂的内核细胞具有复杂的内膜系统，即细胞质中膜系统，即细胞质中有许多膜性细胞器有许多膜性细胞器(membrane-bound membrane-bound organelleorganelle)。2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3838细胞内膜系统：线粒体细胞内膜系统：线粒体 线粒体线粒体(mitochondriamitochondria)是真核细胞的能量转换系统。线粒体具有高是真核细胞的能量转换系统。线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜度特异化的两层膜结构，即外膜(outer membraneo

34、uter membrane)和内膜和内膜(inner inner membranemembrane)，其直径约，其直径约1 1 m m。线粒体外膜含有大量的孔道蛋白线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porinporin),),它们穿越磷脂双分子层它们穿越磷脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小于形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小于10kd10kd的分子是自由的分子是自由通透的。通透的。线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristaecristae)状结构，以增加总状结构，以增加总的内表面积。的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高，按重量计算，蛋

35、白质约线粒体内膜蛋白质的含量很高，按重量计算，蛋白质约占占7070，脂类约占，脂类约占3030。内膜上的许多蛋白质是与其能量转换功能内膜上的许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地相关的，一组是呼吸链电子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋白传递到另一个载体蛋白；另一组是从一个载体蛋白传递到另一个载体蛋白；另一组是ATPATP合成酶复合体，合成酶复合体，用于催化用于催化ATPATP的合成。的合成。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 3939细胞内膜系统：溶酶体细胞内膜系统：溶酶体溶酶体溶酶体(lysosomelysosom

36、e)是细胞内主要的消化系统，内含大量的酸性水解酶是细胞内主要的消化系统，内含大量的酸性水解酶(包括包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单体。苷酸、糖脂等水解成单体。溶酶体内水解酶的最适溶酶体内水解酶的最适pHpH值为值为5 5，这个低，这个低pHpH值微环境是由溶酶体膜上的质子值微环境是由溶酶体膜上的质子ATPATP酶维持的。酶维持的。待水解的生物大分子通过内吞小泡待水解的生物大分子通过内吞小泡(endocyticendocytic compartentcompartent)进入

37、溶酶体。进入溶酶体。溶酶体酶在粗面内质网中合成，溶酶体在溶酶体酶在粗面内质网中合成，溶酶体在trans Golgitrans Golgi面形成。面形成。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4040细胞内膜系统细胞内膜系统:内质网和高尔基体内质网和高尔基体 内质网和高尔基体内质网和高尔基体(Golgi apparatus)(Golgi apparatus)的膜将细胞质与其围成的膜将细胞质与其围成的腔隔开。的腔隔开。粗面内质网粗面内质网(rough endoplasmic reticulum)(rough endoplasmic reticulum)可能直接与核膜可能直接与核膜相连相连

38、,其细胞质面附着着大量的核糖体，是膜蛋白合成的场所。其细胞质面附着着大量的核糖体，是膜蛋白合成的场所。滑面内质网滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum)(smooth endoplasmic reticulum)则是合成膜脂的则是合成膜脂的场所场所,包括磷脂和胆固醇。滑面内质网与高尔基体的膜上都可以包括磷脂和胆固醇。滑面内质网与高尔基体的膜上都可以进行蛋白和脂的糖基化。进行蛋白和脂的糖基化。高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。高尔基体还参与蛋白聚糖高尔基体还参与蛋白聚糖(proteoglycansproteoglyc

39、ans)的合成的合成,参与这些参与这些反应的酶也主要集中于反应的酶也主要集中于transtrans高尔基体的膜上。高尔基体的膜上。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4141细胞内膜系统细胞内膜系统:膜囊泡膜囊泡细胞内有许许多多的膜囊泡细胞内有许许多多的膜囊泡(membrane vesicle)(membrane vesicle)，它们主要，它们主要参与各种各样的运输过程。这些膜囊泡将蛋白和脂类运向细参与各种各样的运输过程。这些膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞内的特定地点，同时，它们还是胞吐作用胞内的特定地点，同时，它们还是胞吐作用(exocytosisexocytosis)和和胞吞作用

40、胞吞作用(endocytosisendocytosis)的载体。的载体。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4242细胞内膜系统：核膜细胞内膜系统：核膜 真核生物的遗传物质被核膜真核生物的遗传物质被核膜(nuclear membrane)(nuclear membrane)所包围所包围(细胞处于分细胞处于分裂时除外裂时除外)。核膜由内膜与外膜组成。核膜的内外膜是连续的，这一点与线粒体核膜由内膜与外膜组成。核膜的内外膜是连续的，这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接着染色质的内外膜分离是不同的。内核膜上连接着染色质(chromatin)(chromatin)；外核膜；外核膜

41、表面结合着核糖体表面结合着核糖体(ribosome)(ribosome)，而且其某些区域与内质网，而且其某些区域与内质网(endoplasmic(endoplasmic reticulum)reticulum)膜相连。膜相连。核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基质与细胞质之间核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是的运输。蛋白进入核内是ATPATP依赖性过程，而且还需要特定的氨基酸定依赖性过程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约位序列。核孔直径约nmnm，允许直径，允许直径9nm9nm以下的分子自由通过以下的分子自由通过,说明核说明核孔是

42、有一定柔性的。孔是有一定柔性的。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4343l膜与细胞骨架：细胞骨架可以稳定细胞膜膜与细胞骨架：细胞骨架可以稳定细胞膜,维持细胞形状。维持细胞形状。Membrane-attached Membrane-attached cytoskeletalcytoskeletal networks provide networks provide mechanical support to plasma membrane.mechanical support to plasma membrane.是维持红细胞耐性及是维持红细胞耐性及变形性的主要组分。变形性的主要

43、组分。2.3.1 2.3.1 生物膜的分类生物膜的分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4444流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性层，表现出分布的不对称性(图图14)14)。图图14.14.质膜的的结

44、构模型质膜的的结构模型 2.3.2 2.3.2 质膜的流动镶嵌模型质膜的流动镶嵌模型河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 45451 1膜脂分子的运动膜脂分子的运动侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置（图侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置（图1515）。）。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂

45、双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippaseflippase）的催化下完成。的催化下完成。旋转异构：脂肪酸链围绕旋转异构：脂肪酸链围绕C-CC-C键旋转，导致异构化运动。键旋转，导致异构化运动。图图15 膜脂的分子运动膜脂的分子运动 质膜的流动性质膜的流动性质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 46462 2影响膜流动性的因素影响膜流动性的因素影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。影响膜流动的因素主要来

46、自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括：包括：胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，质膜的流动性脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，质膜的流动性越强。越强。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。卵磷脂。其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温

47、度、酸碱度、离子强度等。质膜的流动性质膜的流动性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 47473 3膜蛋白的分子运动膜蛋白的分子运动膜蛋白分子的运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。膜蛋白分子的运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（可用光脱色恢复技术（fluorescence recovery after fluorescence recovery after photobleachingphotobleaching，FRAPFRAP）和细胞融合技术（图）和细胞融合技术（图1616）检测侧向扩散。）检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转

48、运动，膜蛋白的旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B B能促进能促进膜蛋白的侧向运动。膜蛋白的侧向运动。质膜的流动性质膜的流动性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4848图图16 16 利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动19701970年年Larry FryeLarry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂交细胞一半发红色荧光、另一半发绿色后，让两种细胞融合

49、，杂交细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。质膜的流动性质膜的流动性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 49494 4膜流动性的生理意义膜流动性的生理意义l质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。l例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。l当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止

50、，反当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。质膜的流动性质膜的流动性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 50质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有