論述生物膜的結(jié)構(gòu)與功能?

【專家解說】：一、生物膜的化學(xué)組成包括脂類、蛋白質(zhì)和少量的糖類，水及金屬離子。（一）脂類包括磷脂（主）、膽固醇和糖脂。不同生物膜脂類的種類和含量差異較大，各種脂類物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同，但有一共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)即其分子有兩部分組成，即親水的極性基團(tuán)（頭）和疏水的非極性基團(tuán)（尾），膜脂的這種特性使其在膜中排列具有方向性，對形成膜的特殊結(jié)構(gòu)有重要作用。（二）蛋白質(zhì)細(xì)胞內(nèi)20-25%的蛋白質(zhì)與膜結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，根據(jù)它們在膜上的定位可分為膜周邊蛋白質(zhì)和膜內(nèi)在蛋白質(zhì)（圖）：（1）外周蛋白質(zhì)：分布在膜外表面，不深入膜內(nèi)部。它們通過靜電力或范德華力與膜脂連接。這種結(jié)合力弱，容易被分離出來，只要改變介質(zhì)的PH、離子強(qiáng)度或鏊合計(jì)便可將其分離出來。約占膜蛋白的20-30%。（2）內(nèi)在蛋白：分布在膜內(nèi)，有的插入膜中，有的埋在膜內(nèi)，有的貫穿整個(gè)膜，有的一端兩端暴露于膜外側(cè)，或兩端暴露，稱跨膜蛋白。內(nèi)在蛋白通過疏水鍵與膜脂比較牢固結(jié)合，分離較困難，只有用較劇烈的條件如：去垢劑、有機(jī)溶劑、超聲波等才能抽提出來，因?yàn)樗鼈兙哂兴蝗苄?，除去萃取劑后又可重新聚合成不溶性物質(zhì)。占70-80%。（三）糖生物膜中的糖以寡糖的形式存在，通過共價(jià)鍵與蛋白形成糖蛋白，少量還可與脂類形成糖脂。糖蛋白中的糖往往是膜抗原的重要部分，如決定血型A、B、O抗原之間的差別，只在于寡糖鏈末端的糖基不同。糖基在細(xì)胞互相識別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為細(xì)胞表面的天線。二、生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）生物膜的結(jié)構(gòu)模型是脂質(zhì)雙層流動(dòng)鑲嵌模型1972年提出的流動(dòng)鑲嵌模型受到廣泛的支持。這種生物膜結(jié)構(gòu)模型的主要特征是1、流動(dòng)性：流動(dòng)性是生物膜的主要特征。大量研究結(jié)果表明，合適的流動(dòng)性對生物膜表現(xiàn)正常功能具有十分重要的作用。例如能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)、信息傳遞、細(xì)胞分裂、細(xì)胞融合、胞吞、胞吐以及激素的作用等都與膜的流動(dòng)性有關(guān)。生物膜的流動(dòng)性表現(xiàn)在膜脂分子的不斷運(yùn)動(dòng)。膜脂間運(yùn)動(dòng)可分為側(cè)向運(yùn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖：側(cè)向運(yùn)動(dòng)是膜脂分子在單層內(nèi)與臨近分子交換位置，是一種經(jīng)常發(fā)生的快運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是膜脂雙分子層中的一層翻至另一層的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式很少發(fā)生，對膜的流動(dòng)性不大。膜的流動(dòng)性主要與膜脂中的脂肪酸碳鏈長短及飽和度有關(guān)。膜脂雙層結(jié)構(gòu)中的脂類分子，在一定溫度范圍內(nèi)，可呈現(xiàn)即具有晶體的規(guī)律性排列，又具有液態(tài)的可流動(dòng)性，即液晶態(tài)。在生理?xiàng)l件下，生物膜都處于此態(tài)，當(dāng)溫度低于某種限度時(shí)，液晶態(tài)即轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，此時(shí)，膜脂呈凝膠狀態(tài)，粘度增大，流動(dòng)性降低，生物膜功能逐漸喪失。膽固醇是膜流動(dòng)性的調(diào)節(jié)劑，它可以抑制溫度所引起的相變，防止生物膜中的脂類轉(zhuǎn)向晶態(tài)，防止低溫時(shí)膜流動(dòng)性急劇降低。生物膜的流動(dòng)性是膜生物學(xué)功能所必需，許多藥物的作用可能通過影響膜的流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)，如麻醉藥的作用可能跟增強(qiáng)膜的流動(dòng)性有關(guān)。生物膜的流動(dòng)性使膜上的蛋白質(zhì)類似船在水上漂游，，但是蛋白質(zhì)插入膜的深度并不改變。大部分膜脂與蛋白質(zhì)沒有直接作用，只有少部分膜脂與膜蛋白結(jié)合成脂蛋白，形成完整的功能復(fù)合物。2、生物膜結(jié)構(gòu)的兩側(cè)不對稱性（1）            膜脂兩側(cè)分布不對稱性  這種不對稱分布會(huì)導(dǎo)致膜兩側(cè)的電荷數(shù)量、流動(dòng)性等的差異。這種不對稱分布與膜蛋白的定向分布及功能有關(guān)。（2）膜糖基兩側(cè)分布不對稱性  質(zhì)膜上的糖基分布在細(xì)胞表面，而細(xì)胞器膜上的糖基則分布全部朝向內(nèi)腔。這種分布特點(diǎn)與細(xì)胞互相識別和接受外界信息有關(guān)。（3）膜蛋白兩側(cè)分布不對稱性  膜蛋白是膜功能的主要承擔(dān)者。不同的生物膜，由于所含的蛋白質(zhì)不同而所表現(xiàn)出來的功能也不同。同一種生物膜，其膜內(nèi)、外兩側(cè)的蛋白質(zhì)分布不同，膜兩側(cè)功能也不同。膜兩側(cè)的蛋白分布不對稱是絕對的，沒有一種蛋白質(zhì)同時(shí)存在于膜兩側(cè)。生物膜結(jié)構(gòu)上的兩側(cè)不對稱性，保證了膜功能具有方向性，這是膜發(fā)揮作用所必須的。例如，物質(zhì)和一些離子傳遞具有方向性，膜結(jié)構(gòu)的不對稱性保證了這一方向性能順利進(jìn)行。第二節(jié)生物膜與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)生物膜的主要功能包括能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運(yùn)輸、信息識別與傳遞。這里我們將重點(diǎn)介紹生物膜與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系。生物膜的通透性具有高度選擇性，細(xì)胞能主動(dòng)的從環(huán)境中攝取所需的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)排除代謝產(chǎn)物和廢物，使細(xì)胞保持動(dòng)態(tài)的恒定，這對維持細(xì)胞的生命活動(dòng)是極為重要，大量證據(jù)表明，生物界許多生命過程都直接或間接與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸密切相關(guān)。如神經(jīng)沖動(dòng)傳播、細(xì)胞行為，細(xì)胞分化等重要生命活動(dòng)。根據(jù)運(yùn)輸物質(zhì)的分子大小，物質(zhì)運(yùn)輸可分為小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)兩類。小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)可通過被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式通過生物膜。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是指物質(zhì)分子流動(dòng)從高濃度向低濃度，不消耗能量。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是指物質(zhì)可逆濃度梯度方向進(jìn)行，需耗能。大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。一、小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)由于生物膜的脂雙層結(jié)構(gòu)含有疏水區(qū)，它對運(yùn)輸物質(zhì)具有高度的選擇通透性。1、         小分子物質(zhì)的直接通透  生物膜上的膜脂分子是連續(xù)排布的，這樣在脂分子間不存在裂口。但是膜脂分子是處于流動(dòng)狀態(tài)，在疏水去會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性間隙，間隙孔徑0.8nm，可使一些小分子（如水分子0.3 nm）通過。 但這種小分子物質(zhì)的通過速度各不一樣，通過速度取決于分子大小及其在生物膜上中的相對溶解度，一般來說，分子越小切且疏水性或非極性越強(qiáng)，通過膜較易。不帶電荷的極性小分子有時(shí)也可通過，但速度慢，帶電荷的小分子則不能直接通透。2、通道蛋白運(yùn)輸又稱簡單擴(kuò)散。通道蛋白是一種膜運(yùn)輸?shù)鞍?，它在膜上形成液體通道，使分子大小和電荷適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，借助擴(kuò)散作用通過膜脂雙分子層。如圖：  通道蛋白運(yùn)輸特點(diǎn)是：1）從高濃度到濃度；2）通道蛋白不與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，只起通道作用。 傳輸?shù)鞍淄ǖ烙械某掷m(xù)開放，有的間斷開放。間斷開放的通道受“閘門”控制?！伴l門”通道根據(jù)其開啟的特定條件可分為三類：1）配體-閘門通道，細(xì)胞外的特定配體與膜表面特異受體結(jié)合時(shí)，通道開放；2）電勢-閘門通道，只有膜電位發(fā)生改變時(shí)，通道開放；3）離子閘門通道，只有某種離子濃度達(dá)到一定濃度時(shí)，閘門開放。3、載體蛋白被動(dòng)運(yùn)輸又稱易化擴(kuò)散或促進(jìn)擴(kuò)散。載體蛋白是一種膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)可與膜上的載體蛋白結(jié)合，使載體構(gòu)象發(fā)生改變，從而將物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到低濃度的一側(cè)。此運(yùn)輸特點(diǎn)：1）從高濃度到濃度；2）被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)與載體發(fā)生可逆結(jié)合反應(yīng)；3）運(yùn)輸過程不需能量。有些陰離子的運(yùn)輸如紅細(xì)胞膜上存在著一種載體蛋白（帶3蛋白），可參與HCO3、Cl-的運(yùn)輸。4、載體蛋白主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸是被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)與載體蛋白發(fā)生可逆的特異結(jié)合，使物質(zhì)在膜兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。特點(diǎn)：1）可逆濃度梯度進(jìn)行；2）消耗能量，常見的是ATP提供能量。以Na+、K+-泵為例：Na+、K+-泵就是Na+、K+-ATP酶，它是一種跨膜的載體蛋白，它對維持細(xì)胞內(nèi)外Na+、K+濃度十分重要。此酶有兩種構(gòu)象，即親鈉構(gòu)象和親鉀構(gòu)象。親鈉構(gòu)象的酶以脫磷酸形式存在，親鉀構(gòu)象的酶以磷酸化形式存在，兩種構(gòu)象相互轉(zhuǎn)化，便將Na+從細(xì)胞內(nèi)泵到細(xì)胞外，同時(shí)又將K+從細(xì)胞外泵到細(xì)胞內(nèi)。進(jìn)行Na+、K+交換時(shí)，分解ATP，以供逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)是所需的能量。因此，Na+、K+-ATP酶的作用是主動(dòng)向膜外泵出Na+，向膜內(nèi)泵入K+，從而維持細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度差，這種離子濃度差，對膜電位的維持十分重要，是神經(jīng)興奮、肌肉細(xì)胞活動(dòng)的基礎(chǔ)。    一些糖或氨基酸的主動(dòng)運(yùn)輸不是靠直接水解ATP提供能量，而是依賴離子梯度形式儲(chǔ)存的能量，形成這種離子梯度最常見的是Na+，由于膜外Na+濃度高，Na+順電化學(xué)梯度流向膜內(nèi)，葡萄糖便利用Na+梯度提供的能量，通過Na+推動(dòng)的葡萄糖載體蛋白將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Na+又可通過Na+、K+-ATP酶的作用，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。這樣Na+梯度越大，葡萄糖越易進(jìn)入。二、大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及膜結(jié)構(gòu)的變化，又稱膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主要包括胞吐作用和胞吞作用。    1、胞吐作用胞吐作用是細(xì)胞排放大分子物質(zhì)的一種方式，被排放的大分子物質(zhì)被包裝成分泌小泡，分泌小泡與膜融合，融合的外側(cè)面產(chǎn)生一個(gè)裂口，將排放物釋放出去。如核糖體上合成的蛋白質(zhì)，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)礁郀柣w，經(jīng)過加工改造，形成分泌小泡，以胞吐方式輸送到細(xì)胞外。2、         胞吞作用    過程與胞吐作用相反。細(xì)胞將被攝取的物質(zhì)，由質(zhì)膜逐漸包裹，然后囊口封閉成細(xì)胞內(nèi)小泡。一些多肽激素、低密度脂蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、上皮細(xì)胞增殖因子及毒素等都可經(jīng)胞吞進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。 第三節(jié) 生物膜信息傳遞生物膜對信息分子具有選擇性，大部分信息分子難于通過生物膜。細(xì)胞外的信息分子要傳如細(xì)胞，并予表達(dá)，主要依賴細(xì)胞膜上的專一性受體來完成。細(xì)胞膜上的受體首先與胞外的信息分子（第一信使）專一性結(jié)合，并使受體活化，活化的受體通過偶聯(lián)蛋白（G蛋白）或直接使效應(yīng)酶活化，在效應(yīng)酶的催化下，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的新的信息分子（稱第二信使），在第二信使作用下，細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的生化級聯(lián)反應(yīng)，最終細(xì)胞作出相應(yīng)的功能應(yīng)答?？梢娂?xì)胞外的信息分子是通過細(xì)胞膜上的特殊信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，把信息傳入細(xì)胞，使靶細(xì)胞作出應(yīng)答反應(yīng)。如圖： 一、    受體（一）受體及其類型1、受體  受體是一類能夠識別有生物活性的化學(xué)信號物質(zhì)，并特異地與之結(jié)合，從而引起細(xì)胞一系列生化反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生特定的生物學(xué)效應(yīng)的生物大分子。目前已分離的受體的化學(xué)本質(zhì)均為蛋白質(zhì)，主要是糖蛋白和脂蛋白。如胰島素的受體是糖蛋白。與受體特異性識別并結(jié)合的生物活性物質(zhì)稱配體。配體與受體結(jié)合后引起細(xì)胞某一特定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，這種特定的結(jié)構(gòu)稱效應(yīng)器。2、受體類型  根據(jù)受體存在的部位不同，把受體分為細(xì)胞膜受體和細(xì)胞內(nèi)受體。細(xì)胞膜受體鑲嵌在質(zhì)膜中，肽鏈的疏水區(qū)插入雙層質(zhì)膜中，而親水部分露在質(zhì)膜外側(cè)。（1）質(zhì)膜受體  按其機(jī)制可分為通道性受體、催化性受體、G蛋白偶聯(lián)受體等通道受體是受神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的離子通道，受體本身是一種通道蛋白，當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)如乙酰膽堿與受體結(jié)合，通道打開或關(guān)閉，控制離子的進(jìn)出。催化性受體，其本身是一種跨膜結(jié)構(gòu)的酶蛋白，胞外部分與配體結(jié)合后被激活，胞漿部分在激活后具有酪氨酸激酶的活性。如胰島素及一些生長因子與細(xì)胞膜上的受體作用后，受體形成二聚體，同時(shí)使受體胞漿結(jié)構(gòu)域的多個(gè)酪氨酸殘基磷酸化。受體的胞漿部分具有酪氨酸激酶的活性，使受體形成二聚體相互磷酸化，因此激活從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核的信息通路，最終活化轉(zhuǎn)入因子而啟動(dòng)細(xì)胞某些特異蛋白質(zhì)的生物合成。G蛋白偶聯(lián)受體由三部分組成：受體（R）在膜外側(cè)，G蛋白與效應(yīng)酶（腺苷酸環(huán)化酶C）在膜內(nèi)側(cè)，分別在膜上流動(dòng)，當(dāng)激素在膜外側(cè)與相應(yīng)受體結(jié)合，通過G蛋白的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，即可改變腺苷酸環(huán)化酶的活性，從而調(diào)節(jié)cAMP的生成。腺苷酸環(huán)化酶的活性G蛋白的調(diào)節(jié)，而G蛋白又受GTP調(diào)節(jié)。G蛋白有激活型（Gs）和抑制型（Gi）兩類，位于細(xì)胞膜中，當(dāng)激素（H）與受體（Gs激活型或抑制型Gi）結(jié)合后，引起Gs及Gi與GTP結(jié)合，分別為Gs-GTP或Gi-GTP，前者能激腺苷酸環(huán)化酶，增加cAMP的生成，后者抑制激腺苷酸環(huán)化酶的活性，降低cAMP的生成。G蛋白由α、β、γ亞基組成，Gs及Gi中的β、γ亞基結(jié)構(gòu)相同，α亞基有激活型（αs）與抑制型（αi）兩種結(jié)構(gòu)，β、γ亞基能抑制α亞基的活性。cAMP的生理作用主要是通過cAMP依賴性蛋白激酶來實(shí)現(xiàn)。這種蛋白激酶由兩種亞基組成的四聚體。一種是催化亞基具有催化蛋白質(zhì)磷酸化作用 ，另一種是調(diào)節(jié)亞基，是調(diào)節(jié)亞基的抑制劑。當(dāng)調(diào)節(jié)亞基與催化亞基結(jié)合時(shí)，酶呈抑制狀態(tài)。cAMP存在時(shí)，可與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合使調(diào)節(jié)亞基變構(gòu)而脫落，與催化亞基分開，從而催化亞基發(fā)揮作用使蛋白激酶活化。蛋白激酶的作用：1）酶的磷酸化：酶蛋白經(jīng)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將無活性的磷酸化酶B磷酸化，成為有活性的磷酸化酶A，從而促進(jìn)糖原分解。2）其它功能蛋白質(zhì)的磷酸化：已發(fā)現(xiàn)許多蛋白質(zhì)在cAMP-蛋白激酶作用下磷酸化而改變功能。如抗利尿激素可以通過cAMP激活腎小管細(xì)胞膜上的蛋白激酶，促進(jìn)某種膜蛋白磷酸化，使細(xì)胞通透性改變，從而加速對水的重吸收。3）cAMP使蛋白質(zhì)磷酸化后可促進(jìn)活化的轉(zhuǎn)入因子的形成，控制特異基因轉(zhuǎn)入，合成特異蛋白質(zhì)，產(chǎn)生特異的細(xì)胞效應(yīng)。（2）細(xì)胞內(nèi)受體  可分為胞漿受體和核內(nèi)受體。親脂性信息分子可透過質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞，并與胞漿或核內(nèi)受體結(jié)合形成復(fù)合物，此復(fù)合物可與DNA的特定的調(diào)空區(qū)結(jié)合，改變基因表達(dá)，調(diào)節(jié)其它功能性蛋白合成。細(xì)胞中受體的數(shù)量與結(jié)構(gòu)的異常，影響信息傳遞。（二）受體與信息分子結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)受體與信息分子結(jié)合的結(jié)合類似與底物與酶的結(jié)合，其結(jié)合反應(yīng)依賴與信息分子和受體的空間構(gòu)象。結(jié)合特點(diǎn)：1、特異性  指受體對信息分子具有嚴(yán)格的選擇性。不同的受體只能選擇相應(yīng)的信息分子結(jié)合。一般情況下，一種受體只能與其相對應(yīng)的信息分子結(jié)合。傳遞特定的信息。2、可飽和性  一個(gè)細(xì)胞上特定受體的數(shù)目是有限的，因此配體與受體的結(jié)合具有飽和性。但在特殊的生理?xiàng)l件下或病理情況下，受體的數(shù)目會(huì)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)受體數(shù)目的主要原因是配體本身，配體濃度或配體長時(shí)間與靶細(xì)胞作用可引起受體數(shù)目下降。3、結(jié)合反應(yīng)可逆性  信息分子與受體之間是非共價(jià)結(jié)合，復(fù)合物解離后的產(chǎn)物不是代謝產(chǎn)物而是配體本身?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)與信息分子相類似的化合物也能與信息分子的受體結(jié)合。二、效應(yīng)酶其作用是將細(xì)胞外第一信使的信息轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的第二信使（cAMP、Ca2+ 、cGMP、IP3、DGA等），通過第二信使調(diào)節(jié)各種生理效應(yīng)。常見的效應(yīng)酶有：1、腺苷酸環(huán)化酶  可催化ATP分解產(chǎn)生cAMP。如乙酰膽堿、α-腎上腺素等與特異的受體結(jié)合后，通過Gi蛋白的介導(dǎo)，抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，從而降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量而實(shí)現(xiàn)生理效應(yīng)。2、磷脂酶C  可催化IP3、DGA的產(chǎn)生。其作用在激素章介紹。