‘壹’ 生物膜是怎么制成的
生物膜的化学成分主要有脂类、蛋白质和糖类，此外还含水、无机盐和少量的金属离子。膜中脂类和蛋白质构成了膜的主体，糖类多以复合糖的形式存在，与膜脂或膜蛋白结合分别形成膜糖脂或膜糖蛋白。 1．膜脂 构成膜的脂类有磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂为最多。这三种脂类都是双亲媒性分子，即它们都是由一个亲水的极性头部和一个疏水的非极性尾部组成。由于膜脂的这一结构特点，它们在水溶液中能自动聚拢形成脂双分子层，其游离端往往有自动闭合的趋势，形成一种自我封闭而稳定的中空结构，称脂质体。 磷脂 真核细胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂酰胆碱）、脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）、磷脂酰丝氨酸、鞘磷脂合磷脂酰肌醇。 胆固醇 是细胞膜内的中性脂类。真核细胞膜中胆固醇含量较高，有的膜内胆固醇与磷脂之比可达1∶1。胆固醇也是双亲媒性分子，包括三部分：极性的羟基团头部、非极性的固醇环和非极性的脂肪酸链尾部。在膜中，胆固醇分子散布在磷脂分子之间，其极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，将固醇环固定在近磷脂头部的碳氢链上，其余部分分离。这种排列方式对膜的稳定性十分重要。 糖脂 是含一个或几个糖基的脂类，也是双亲媒性分子，存在于所有的动物细胞膜中，约占膜外层脂类分子的50％。动物细胞膜中的糖脂主要是鞘氨醇的衍生物，结构与鞘磷脂相似，只是其头部以糖基替代了磷脂酰碱基。脑苷脂是最简单的糖脂，只含一个糖基（半乳糖或葡萄糖）。在所有细胞中，糖脂均位于膜的非胞质面单层，并将糖基暴露在细胞表面，其作用可能是作为某些大分子的受体，与细胞识别及信息传导有关。 2．膜蛋白 生物膜所含的蛋白叫膜蛋白，是生物膜功能的主要承担者。根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋白基本可分为两大类：外在膜蛋白和内在膜蛋白。外在膜蛋白约占膜蛋白的20％～30％，分布在膜的内外表面，主要在内表面，为水溶性蛋白，它通过离子键、；氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过与内在蛋白的相互作用，间接与膜结合；内在蛋白约占膜蛋白的70％～80％，是双亲媒性分子，可不同程度的嵌入脂双层分子中。有的贯穿整个脂双层，两端暴露于膜的内外表面，这种类型的膜蛋白又称跨膜蛋白。内在膜蛋白露出膜外的部分含较多的极性氨基酸，属亲水性，与磷脂分子的亲水头部邻近；嵌入脂双层内部的膜蛋白由一些非极性的氨基酸组成，与脂质分子的疏水尾部相互结合，因此与膜结合非常紧密 三、生物膜的两大特性 生物膜具有两个明显的特性，即膜的流动性和膜的不对称性。 1．膜的流动性 生物膜的流动性是膜脂与膜蛋白处于不断的运动状态，它是保证正常膜功能的重要条件。在生理状态下，生物膜既不是晶态，也不是液态，而是液晶态，即介于晶态与液态之间的过渡状态。在这种状态下，其既具有液态分子的流动性，又具有固态分子的有序排列。当温度下降至某一点时，液晶态转变为晶态；若温度上升，则晶态又可溶解为液晶态。这种状态的相互转化称为相变，引起相变的温度称相变温度。在相变温度以上，液晶态的膜脂总是处于可流动状态。膜脂分子有以下几种运动方式：①侧向移动；②旋转运动；③左右摆动；④翻转运动。膜蛋白分子的运动形式有侧向运动和旋转运动二种。 2．膜的不对称性 以脂双层分子的疏水端为界，生物膜可分为近胞质面和非胞质面内外两层，生物膜内外二层的结构和功能有很大差异，这种差异称为生物膜的不对称性。 膜脂分布的不对称主要体现在膜内外两层脂质成分明显不同。如磷脂中的磷脂酰胆碱和鞘磷脂多分布在膜的外层，而磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层，其中磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸的头部基团均带负电，致使生物膜内侧的负电荷大于外侧。膜蛋白分布的不对称主要体现在三个方面：①即使是膜内在蛋白都贯穿膜全层，但其亲水端的长度和氨基酸的种类与顺序也不同；②外在蛋白分布在膜的内外表面的定位也是不对称的，如具有酶活性的膜蛋白Mg2＋-ATP酶、5'核苷酸酶、磷酸二酯酶等均分布在膜的外表面，而腺苷酸环化酶分布在膜的内表面；③含低聚糖的糖蛋白，其糖基部分布在非胞质面。 四、生物膜的分子结构模型 生物膜的主要化学成分是脂类和蛋白质，还有少量糖类。关于这些组分在膜中是如何排列和组织的、以及它们之间是如何相互作用的等问题，许多学者进行了多方面的研究，先后提出了数十种不同的生物膜分子结构模型，下面介绍公认的流动镶嵌模型。 这一模型是Singer和Nicolson在1972年提出的。流动镶嵌模型保留了夹层学说和单位膜模型中磷脂双层的排列方式，即流动的脂双层分子构成膜的连续主体，蛋白质分子以不同程度镶嵌于脂质双层中。它的主要特点是：①强调了膜的流动性，膜中脂类分子既有固体分子排列的有序性，又有液体的流动性，即流动的脂类分子层构成膜的连续整体；②强调了膜的不对称性和脂类与蛋白质分子的镶嵌关系。膜中球形蛋白质分子不同程度地镶嵌在脂类双分子层中，蛋白质分子的非极性部分嵌入脂类双分子层的疏水尾部去，极性部分露于膜的表面，似一群岛屿一样，无规则地分散在脂类的海洋中。这二模型的不足之处在于它忽视了蛋白质分子对脂类分子流动性的控制作用，忽视了膜的各个部分流动性的不均匀性等等。 五、小分子物质的跨膜运输 每一个活细胞要维持其正常的生命活动，必须通过细胞膜从外界及时地吸取营养物质，同时要不断地排出其代谢产物。这些营养物质和代谢产物进出生物膜的方式，根据是否需要膜蛋白的介导分为单纯扩散和膜蛋白介导的跨膜运输两种。根据运输过程中是甭消耗代谢能又把后者分为被动运输和主动运输两种方式。 1．膜的选择性通透和单纯扩散 一些物质不需要膜蛋白的帮助，能顺浓度梯度自由扩散，通过膜的脂双层，这种跨膜运输的形式，称为单纯扩散，又称为被动扩散，它不需要消耗能量，是物质跨膜运输中最简单的一种形式。一般来说分子量小、脂溶性强的非极性的分子能迅速地通过脂双层膜，不带电荷的小分子也较易通透，如CO2、O2、乙醇和尿素可迅速扩散通过脂双层。H2O因为分子小，不带电荷，且本身具有双极结构，也很容易通过膜。一些带电分子如Na＋、K＋、Cl－等尽管分子很小，往往因其周围形成的水化层而难以通过脂双层的疏水区而完全不能通透。不带电的葡萄糖，因分子太大，也几乎不能自由扩散过膜。 2．膜蛋白介导的跨膜运输 对一些相对较大的极性或带电的分子，如葡萄糖、氨基酸及离子等物质均不能自由通过膜。这些物质的运输均需要有膜蛋白的介导，这些蛋白称膜运输蛋白。根据膜蛋白介导物质运输的形式，又可分为载体蛋白介导和通道蛋白介导两大类型