認識生物膜
1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，標志生命科學進入分子生物學新階段。當前，分子生物學已經(jīng)發(fā)展成為生命科學的主流。分子生物學包括三大領(lǐng)域，即：蛋白質(zhì)體系(包括酶)；蛋白質(zhì)-核酸體系(中心問題是分子遺傳學)；蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系(即生物膜)。
細胞是生命的基本結(jié)構(gòu)與功能單位。從現(xiàn)代觀點，膜結(jié)構(gòu)是細胞尤其重要的組分之一。實際上，細胞主要是由膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成的統(tǒng)一整體，生物膜是一個物理屏障，它使細胞具有相對獨立和恒定的內(nèi)環(huán)境，正如A．Szent-Gyogyi所指的：“膜是重要的細胞器，它把一切分為內(nèi)外兩部分，無論哪里，只要有兩個界面，即內(nèi)外兩面，就有膜的存在”。細胞中的膜系統(tǒng)形成各種既是獨立又是相互聯(lián)系的“小室”(compartments)，在每一個膜包裹的空間聚集著特定種類的生物大分子，共同完成著某一項特定的生命活動。它們保證細胞內(nèi)部各種代謝過程和復雜的生化反應能彼此不受干擾，有條不紊地進行，使細胞內(nèi)的各種代謝區(qū)域化或房室化（compartmentation）。因此，膜結(jié)構(gòu)既是細胞結(jié)構(gòu)的基本形式，也是生命活動的主要結(jié)構(gòu)基礎。
細胞的外周膜(質(zhì)膜)與細胞內(nèi)的膜系統(tǒng)(如線粒體膜、葉綠體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜、核膜等)統(tǒng)稱為生物膜。
膜的出現(xiàn)，在生命的進化過程中，具有特殊的意義。質(zhì)膜的形成是非細胞生命[如病毒(virus)、噬菌體(phage)]與細胞生物的一個重要分界點，而細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的發(fā)展則是細胞生物從低向高發(fā)展的反映。
生物膜的作用
從功能上看，生物膜對于維持細胞及細胞器的正常通透性、細胞與細胞之間的識別、細胞之間的連接及通訊等起關(guān)鍵作用，還具有物質(zhì)轉(zhuǎn)運、分子識別、信息傳遞和能量交換等多種重要的生物學功能。
細胞膜(質(zhì)膜)是把細胞內(nèi)部與周圍環(huán)境分開的邊界，使細胞與周圍環(huán)境和細胞之間進行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要通道。簡單概括細胞膜的功能有6個：
(ⅰ)細胞膜為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。
(ⅱ)細胞膜介導選擇性的物質(zhì)運輸，包括代謝底物的輸人與代謝產(chǎn)物的排出，其中伴隨能量傳遞。
(ⅲ)細胞膜提供細胞識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞。
(ⅳ)細胞膜為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應有序進行。通過膜面積的增大，供數(shù)量更多的酶、核糖體等附著在上面，為各種化學反應順利進行創(chuàng)造條件。
(ⅴ)細胞膜介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接。
(ⅵ)質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的粗糙型的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與蛋白質(zhì)合成及運輸有關(guān)；平滑型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)則與脂肪和膽固醇的代謝、糖元的分解、脂溶性毒物的解毒有關(guān)。高爾基體的主要功能是為細胞提供一個內(nèi)部的運輸系統(tǒng)，它把由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成并轉(zhuǎn)運來的分泌蛋白質(zhì)濃縮加工，通過高爾基液泡或以酶元顆粒的形式運出細胞。溶酶體是細胞內(nèi)溶解大分子物質(zhì)的一種細胞器，它與細胞內(nèi)消化、細胞自溶、消除分解異物有關(guān)。過氧化物酶體含有分解對細胞有害的H2O2的酶系，故對細胞有重要保護作用。環(huán)層片層是一個功能尚不確定的細胞器。據(jù)推測，它在細胞生長、發(fā)育和分化中起一定的作用，與某些特定的蛋白質(zhì)合成有密切聯(lián)系。
還有，線粒體是一種非常重要的細胞器。其主要功能是利用三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacid cycle)把糖、脂肪和氨基酸氧化所產(chǎn)生的能量通過呼吸鏈與三磷酸腺苷(ATP)的生成偶聯(lián)起來[即氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)]，所以它素有細胞動力站之稱。葉綠體的主要功能是進行光合作用(photosynthesis)即吸收光能，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，同時利用二氧化碳和水制造有機物并釋放氧的過程。
核膜作為細胞質(zhì)-細胞核之間的一個重要的界膜。對穩(wěn)定核的形態(tài)和化學成分起著十分重要的作用。
因此，膜結(jié)構(gòu)與生命體系中的物質(zhì)流、能量流、信息流三大物質(zhì)體系的運輸、轉(zhuǎn)換、傳遞密切相關(guān)。可以說，與細胞基本生命活動有關(guān)的代謝活動都可以與膜結(jié)構(gòu)及功能聯(lián)系在一起。
生物膜的組成
生物膜種類繁多，它們有一個共同的特征，即經(jīng)鋨酸固定后，在電鏡下呈現(xiàn)出黑-白-黑(電子密度高-低-高)的三層結(jié)構(gòu)，厚度在8nm左右，組成成分主要是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及糖類。這些組分的有機排列及相互作用形成了生物膜的結(jié)構(gòu)，并且賦于各種生物膜的特定功能。
其中含量更多的是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，準確的相對含量隨各種膜而異。一般的規(guī)律是，代謝旺盛的膜含有較多的蛋白質(zhì)。例如，神經(jīng)纖維的髓鞘含75%干重的脂質(zhì)，而線粒體內(nèi)膜中脂質(zhì)則為25%，二者剩下的主要是蛋白質(zhì)。這種量上的差異亦表明了脂質(zhì)主要是給其上的蛋白質(zhì)提供結(jié)構(gòu)上的骨架。
此外，不到10％干重的是糖類，生物膜中糖類都是以糖脂或糖蛋白的形式存在。
同生物膜相結(jié)合的水約占總量的20%，還有不少整合著的鈣及鎂離子。
(一)膜脂
膜脂以磷脂(phospholipid)和膽固醇(cholesmerol)為主，并含糖脂(glocolipid)。構(gòu)成膜脂的磷脂主要有磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine，PC)，亦稱卵磷脂；磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)又稱腦磷脂；磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine，PS)及神經(jīng)鞘磷脂(sphingomyelin，SM)。膽固醇為中性脂，分布于真核細胞膜。質(zhì)膜上的膽固醇與磷脂的碳氫鏈相互作用，保持質(zhì)膜的流動性和使質(zhì)膜加固。膜上各種脂質(zhì)分子具有共同的結(jié)構(gòu)特點，親水的極性頭部排列在細胞膜內(nèi)外界面上，疏水的非極性尾部則列于細胞膜中央部分而形成兼性分子。質(zhì)膜的這種結(jié)構(gòu)特點使其在水溶液中可自動形成雙分子層結(jié)構(gòu)，而且這些脂類雙層可自相融合形成封閉式結(jié)構(gòu)，即不存在游離的邊緣，避免疏水的尾部與水接觸。脂質(zhì)雙層除具有自我裝配和自我封閉的特點外，尚具有流動性，膜的流動性對于細胞所具有的許多功能是至關(guān)重要的。
(二)膜蛋白
膜蛋白是細胞膜功能的主要承擔者，約人細胞總蛋白量的25％。在不同種類的細胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異。對神經(jīng)細胞軸突起絕緣作用的髓鞘中，膜蛋白的含量低于25％，而在擔負能量轉(zhuǎn)換功能的線粒體內(nèi)膜中蛋白含量約占75％，在—般的細胞膜中蛋白含量介于兩者之間，約占50％。小于脂類分子的分子量比蛋白分子小，所以在膜內(nèi)脂類分子數(shù)一般遠比蛋白分子多。在蛋白含量占50％的膜內(nèi)，蛋白分子與脂類分子數(shù)目比例約為1：50，即每有1個蛋白分子就有50個脂類分子。
膜蛋白具有許多重要的功能：轉(zhuǎn)運分子進出細胞；接受周圍環(huán)境中的信號，傳遞至細胞內(nèi)；支撐與連接細胞骨架成分和細胞間質(zhì)成分；在細胞分化和細胞間連接中發(fā)揮作用；結(jié)合于膜上的各種酶催化細胞各部分的化學反應。根據(jù)膜蛋白與膜脂的關(guān)系將其分為膜內(nèi)在蛋白（integtal protein)和外周蛋白(extrinsic protein)兩類。內(nèi)在蛋白又稱鑲嵌蛋白，約占膜蛋白總量的70％以上。膜內(nèi)在蛋白有的部分插入質(zhì)膜內(nèi)，直接與脂質(zhì)雙層的疏水區(qū)域相互作用；許多內(nèi)在蛋白也是兼性分子，它們的疏水區(qū)域深深地嵌入脂質(zhì)中與其疏水部分的碳氫鏈相連接，親水區(qū)域則暴露于脂雙層即細胞膜的內(nèi)外側(cè)面。其中，有些蛋白跨越脂膜全層，兩端暴露于細胞膜的內(nèi)外環(huán)境，稱為跨膜蛋白(transmembrane protein)。紅細胞膜上的血型糖蛋白和蛋白bandⅢ均屬內(nèi)在蛋白。內(nèi)在蛋白只有用去垢劑溶解和純化后才有可能得到。外周蛋白不直接與脂雙層疏水部分相互連接，它們常通過內(nèi)在蛋白間接與膜連接，或直接與脂類分子極性頭部結(jié)合。外周蛋白為水溶性，約占膜蛋白總量的20％～30％。紅細胞胞質(zhì)面的血影蛋白和錨定蛋白均屬外周蛋白。各種膜蛋白在細胞膜中都有特定的位置，在脂雙層呈不對稱分布。跨膜蛋白跨越脂質(zhì)雙層有—定方向性，例如血型糖蛋白鏈的N端在細胞膜的非細胞質(zhì)側(cè)，而蛋白bandⅢ的N端卻在細胞膜的細胞質(zhì)側(cè)，同一種跨膜蛋白定向是一致的。
(三)膜糖類
細胞膜中含有一定比例的糖類，以低聚糖或多聚糖鏈的形式結(jié)合于膜蛋白，形成糖蛋白或蛋白聚糖；或與膜脂共價結(jié)合，形成糖脂。膜糖類約占細胞膜總重量的2％～10%。主要以糖脂和糖蛋白以及蛋白聚糖的形式伸向細胞膜的外表面，構(gòu)成細胞外表面的微環(huán)境，它們與細胞之間的粘著、細胞識別有關(guān)。在自然界中發(fā)現(xiàn)的糖類有100多種，而在膜蛋白和糖蛋白中只發(fā)現(xiàn)9種，其中上要有牛乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸。唾液酸殘基常見于糖鏈的末端，真核細胞表面的凈負電荷主要由它形成。
糖蛋白研究進展之一是從人的紅細胞膜中分離出的血型糖蛋白，是氨基酸序列完全搞清楚的頭一個膜蛋白，由131個氨基酸組成，親水氨基端以及肽鏈的大部分位于膜的外表面，由大約100個糖殘基構(gòu)成16個低聚糖側(cè)鏈共價結(jié)合在肽鏈上，親水的羧基端暴露于細胞質(zhì)中，大約有20個氨基酸殘基構(gòu)成的疏水端以α螺旋狀結(jié)構(gòu)通過脂質(zhì)雙層。