第三節(jié)　生物膜的結(jié)構(gòu)及功能

一、膜的結(jié)構(gòu)

1.膜的物質(zhì)組成

包括脂類、蛋白質(zhì)、少量的糖類、水及金屬離子。

(1)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)特點即其分子由兩部分組成，親水的極性基團(頭)和疏水的非極性基團(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)具有重要作用。

(2)蛋白質(zhì)

細胞內(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)。

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、離子強度或鏊合劑便可將其分離出來，約占膜蛋白的20%～30%。

內(nèi)在蛋白:分布在膜內(nèi)，有的插入膜中，有的埋在膜內(nèi)，有的一端暴露于膜外側(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地結(jié)合，分離較困難，只有用較劇烈的條件如去垢劑、有機溶劑、超聲波等才能抽提出來，因為它們具有水不溶性，除去萃取劑后又可重新聚合成不溶性物質(zhì)。其含量約占膜蛋白70%～80%。

(3)糖

生物膜中的糖以寡糖的形式存在，通過共價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胞表面的天線。

2.膜的“流動鑲嵌模型”

1972年提出的流動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)流動性

流動性是生物膜的主要特征，大量研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)牧鲃有詫ι锬け憩F(xiàn)正常功能具有十分重要的作用。例如能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運轉(zhuǎn)、信息傳遞、細胞分裂、細胞融合、胞吞、胞吐以及激素的作用等都與膜的流動性有關(guān)。生物膜的流動性表現(xiàn)在膜脂分子的不斷運動。膜脂間運動可分為側(cè)向運動和翻轉(zhuǎn)運動。側(cè)向運動是膜脂分子在層內(nèi)與臨近分子交換位置，是一種經(jīng)常發(fā)生的快運動。翻轉(zhuǎn)運動是膜脂雙分子層中的一層翻至另一層的運動，這種運動方式很少發(fā)生，對膜的流動性影響不大。

膜的流動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)既具有晶體的規(guī)律性排列，又具有液態(tài)的可流動性，即液晶態(tài)。在生理條件下，生物膜都處于此態(tài)，當(dāng)溫度低于某種限度時，液晶態(tài)即轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，此時，膜脂呈凝膠狀態(tài)，黏度增大，流動性降低，生物膜功能逐漸喪失。膽固醇是膜流動性的調(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)，防止低溫時膜流動性急劇降低。

生物膜的流動性是膜生物學(xué)功能所必需的，許多藥物的作用可能通過影響膜的流動性實現(xiàn)，如麻醉藥的作用可能跟增強膜的流動性有關(guān)。

(2)兩側(cè)不對稱性

膜脂兩側(cè)具有不對稱性，這種不對稱性會導(dǎo)致膜兩側(cè)的電荷數(shù)量、流動性等的差異。這種不對稱性與膜蛋白的定向分布及功能有關(guān)。

膜糖基兩側(cè)分布不對稱性，質(zhì)膜上的糖基分布在細胞表面，而細胞器膜上的糖基分布則全部朝向內(nèi)腔。這種分布特點與細胞互相識別和接受外界信息有關(guān)。

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)揮作用所必需的。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行(圖3－11)。

圖3－11　流動鑲嵌模型結(jié)構(gòu)示意圖

(a)立體模式(b)剖面圖、外表面有糖鏈與膜脂和膜蛋白結(jié)合

二、跨膜運輸

生物膜的主要功能包括能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運輸、信息識別與傳遞，這里我們將重點介紹生物膜與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系。生物膜的通透性具有高度選擇性，細胞能主動地從環(huán)境中攝取所需的營養(yǎng)物質(zhì)，同時排除代謝產(chǎn)物和廢物，使細胞保持動態(tài)的恒定，這對維持細胞的生命活動極為重要。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)的跨膜運輸密切相關(guān)。如神經(jīng)沖動傳播、細胞行為、細胞分化等重要生命活動。

根據(jù)運輸物質(zhì)的分子大小，物質(zhì)運輸可分為小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運和大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運兩類。小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運可通過被動轉(zhuǎn)運和主動轉(zhuǎn)運方式通過生物膜。被動轉(zhuǎn)運是指物質(zhì)分子流動從高濃度向低濃度，不消耗能量;主動轉(zhuǎn)運是指物質(zhì)可逆濃度梯度方向進行，需耗能。大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運是生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的膜動轉(zhuǎn)運。

1.小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運

由于生物膜的脂雙層結(jié)構(gòu)含有疏水區(qū)，它對運輸物質(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。但是膜脂分子處于流動狀態(tài)，在疏水區(qū)會出現(xiàn)暫時性間隙，間隙孔徑0.8nm，可使一些小分子(如水分子0.3nm)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，分子越小且疏水性或非極性越強，通過膜較易。不帶電荷的極性小分子有時也可通過，但速度慢，帶電荷的小分子則不能直接通透。

(2)通道蛋白運輸

又稱簡單擴散。通道蛋白是一種膜運輸?shù)鞍祝谀ど闲纬梢后w通道，使分子大小和電荷適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，借助擴散作用通過膜脂雙分子層。通道蛋白運輸特點是:①從高濃度到低濃度;②通道蛋白不與運輸?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，細胞外的特定配體與膜表面特異受體結(jié)合時，通道開放;②電勢－閘門通道，只有膜電位發(fā)生改變時，通道開放;③離子閘門通道，只有某種離子濃度達到一定濃度時，閘門開放。

(3)載體蛋白被動運輸

又稱易化擴散或促進擴散。載體蛋白是一種膜轉(zhuǎn)運蛋白，被轉(zhuǎn)運的物質(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)運到低濃度的一側(cè)。此運輸特點:①從高濃度到低濃度;②被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)與載體發(fā)生可逆結(jié)合反應(yīng);③運輸過程不需能量。如紅細胞膜上存在著一種載體蛋白，可參與的運輸。

(4)載體蛋白主動運輸

主動運輸是被轉(zhuǎn)運的物質(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)進行轉(zhuǎn)運。特點:①可逆濃度梯度進行;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，對維持細胞內(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⁺從細胞內(nèi)泵到細胞外，同時又將K⁺從細胞外泵到細胞內(nèi)。進行Na⁺、K⁺交換時，分解ATP，以供逆濃度梯度轉(zhuǎn)運所需的能量。

因此，Na⁺、K⁺－ATP酶的作用是主動向膜外泵出Na⁺，向膜內(nèi)泵入K⁺，從而維持細胞膜內(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、肌肉細胞活動的基礎(chǔ)(圖3－12)。

圖3－12　鈉鉀泵

一些糖或氨基酸的主動運輸不是靠直接水解ATP提供能量，而是依賴離子梯度形式儲存的能量，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⁺推動的葡萄糖載體蛋白將葡萄糖轉(zhuǎn)運入細胞，進入細胞內(nèi)的Na⁺又可通過Na⁺、K⁺－ATP酶的作用，轉(zhuǎn)運到細胞外。這樣Na⁺梯度越大，葡萄糖越易進入。

鈣離子泵對于細胞是非常重要的，因為鈣離子通常與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，鈣離子濃度的變化會引起細胞內(nèi)信號途徑的反應(yīng)，導(dǎo)致一系列的生理變化。通常細胞內(nèi)鈣離子濃度顯著低于細胞外鈣離子濃度，主要是因為質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上存在鈣離子轉(zhuǎn)運體系，細胞內(nèi)鈣離子泵有兩類:其一是P型離子泵，其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca²⁺。另一類叫做鈉鈣交換器(Na⁺－Ca²⁺ exchanger)，屬于反向協(xié)同運輸體系(antiporter)，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運鈣離子。位于肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum)上的鈣離子泵是了解最多的一類P型離子泵，占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。肌質(zhì)網(wǎng)是一類特化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，形成網(wǎng)管狀結(jié)構(gòu)位于細胞質(zhì)中，具有貯存鈣離子的功能。肌細胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進入細胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。

質(zhì)子泵有三類(圖3－13):P－type、V－type、F－type。

P－type:載體蛋白利用ATP使自身磷酸化(phosphorylation)，發(fā)生構(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子或其他離子，如植物細胞膜上的H⁺泵，動物細胞的Na⁺、K⁺泵，Ca²⁺泵，H⁺－K⁺ ATP酶(位于胃表皮細胞，分泌胃酸)。

V－type:位于小泡(vacuole)的膜上，由許多亞基構(gòu)成，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、動物細胞的內(nèi)吞體、高爾基體的囊泡膜、植物液泡膜上。

F－type:是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，H⁺沿濃度梯度運動，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)起來，所以也叫ATP合酶(ATP synthase)，F(xiàn)是氧化磷酸化或光合磷酸化耦聯(lián)因子(factor)的縮寫。F型質(zhì)子泵位于細菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上。F型質(zhì)子泵不僅可以利用質(zhì)子動力勢將ADP轉(zhuǎn)化成ATP，也可以利用水解ATP釋放的能量轉(zhuǎn)移質(zhì)子。

圖3－13　三種ATP驅(qū)動的離子泵

2.大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運

大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運涉及膜結(jié)構(gòu)的變化，又稱膜動轉(zhuǎn)運。膜動轉(zhuǎn)運主要包括胞吐作用和胞吞作用。

(1)胞吐作用

胞吐作用是細胞排放大分子物質(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胞外(圖3－14)。

圖3－14　胞吐作用

(2)胞吞作用

細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用(phagocytosis)。吞噬現(xiàn)象是原生動物獲取營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，在后生動物中亦存在吞噬現(xiàn)象。如:在哺乳動物中，中性顆粒白細胞和巨噬細胞具有極強的吞噬能力，以保護機體免受異物侵害(圖3－15)。

圖3－15　吞噬作用

細胞吞入的物質(zhì)為液體或極小的顆粒物質(zhì)，這種內(nèi)吞作用稱為胞飲作用(pinocytosis)。胞飲作用存在于白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、肝巨噬細胞和植物細胞。