生物膜結(jié)構(gòu)功能形成機理

1、2013級生物技術(shù)基地一班 劉雨桐我們看到的膜，可能是這我們看到的膜，可能是這樣的樣的 生物膜生物膜可以指鑲嵌有蛋白質(zhì)和糖類（統(tǒng)稱糖蛋白）的磷脂雙分子層，起著劃分和分隔細胞和細胞器作用生物膜，也是與許多能量轉(zhuǎn)化和細胞內(nèi)通訊有關(guān)的重要部位，同時，生物膜上還有大量的酶結(jié)合位點。細胞、細胞器和其環(huán)境接界的所有膜結(jié)構(gòu)的總稱。 概念區(qū)分： 質(zhì)膜質(zhì)膜（plasma membrane）又稱細胞膜。 內(nèi)膜：內(nèi)膜：形成各種細胞器的膜。 生物膜（生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。 膜脂膜脂：主要為磷脂（主要為甘油磷脂，還有鞘磷脂），還包含糖脂、甾醇 膜蛋白膜蛋白：膜內(nèi)在蛋白、脂錨定蛋白、膜周邊蛋

2、白 糖類糖類：多與脂、蛋白質(zhì)復(fù)合 無機鹽無機鹽 金屬離子金屬離子 水水膜脂主要包括磷脂磷脂、糖脂糖脂和膽固醇膽固醇三類。（一）磷脂（一）磷脂約占膜脂的50以上。主要特征主要特征：1.一個極性頭、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）。2.脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個碳原子。3.常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。Phospholipids膠束雙分子層脂質(zhì)體磷脂在膜的分布（二）糖脂（二）糖脂約占5以下，神經(jīng)細胞膜含量高，約占5-10。兩性分子兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結(jié)合。糖脂結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。glycolipids 占核基因組編碼蛋白質(zhì)的3

3、0%。 根據(jù)與脂分子的結(jié)合方式分為： 膜內(nèi)在蛋白（integral protein） 脂錨定蛋白（lipid-anchored protein） 膜周邊蛋白（peripheral protein）1Intergral protein有的全部埋于脂雙層的疏水區(qū)，有的全部埋于脂雙層的疏水區(qū)，有的部分嵌在脂雙層中，有的有的部分嵌在脂雙層中，有的橫跨全膜橫跨全膜.主要靠主要靠疏水作用疏水作用通過通過某些非極性氨基酸殘基與膜脂某些非極性氨基酸殘基與膜脂疏水部分相結(jié)合。疏水部分相結(jié)合。這類蛋白被緊密連在膜上，并這類蛋白被緊密連在膜上，并且不易溶于水。只有用破壞膜且不易溶于水。只有用破壞膜結(jié)構(gòu)的試劑如有機溶

4、劑（氯仿）結(jié)構(gòu)的試劑如有機溶劑（氯仿）或去污劑（或去污劑（TritonX-100）才能把）才能把它們從膜中提取出來。它們從膜中提取出來。2Lipid-anchored proteinn有些膜內(nèi)在蛋白本身并沒有進有些膜內(nèi)在蛋白本身并沒有進入膜內(nèi)，他們以共價鍵與脂質(zhì)、入膜內(nèi)，他們以共價鍵與脂質(zhì)、脂酰鏈、異戊烯基團相結(jié)合并脂酰鏈、異戊烯基團相結(jié)合并通過他們的疏水部分插入到膜通過他們的疏水部分插入到膜內(nèi)，這種形式的內(nèi)在蛋白稱為內(nèi)，這種形式的內(nèi)在蛋白稱為脂錨定蛋白脂錨定蛋白。3Peripheral protein分布于膜的脂雙層內(nèi)外表面，分布于膜的脂雙層內(nèi)外表面，通過極性氨基酸殘基以離子鍵、通過極性氨基

5、酸殘基以離子鍵、氫鍵、范德華力等次級鍵與膜氫鍵、范德華力等次級鍵與膜脂極性頭部或與內(nèi)在蛋白的親脂極性頭部或與內(nèi)在蛋白的親水部分結(jié)合。水部分結(jié)合。比較易于分離，大都能溶于水，比較易于分離，大都能溶于水，可在不破壞膜結(jié)構(gòu)的情況下，可在不破壞膜結(jié)構(gòu)的情況下，通過溫和方法（高離子強度、通過溫和方法（高離子強度、高高pH、）分離提取。、）分離提取。外周蛋白/內(nèi)在蛋白, integral protein；, lipid-anchored protein ；, peripheral protein 生物膜形成是一個較為復(fù)雜的過程。研究發(fā)現(xiàn)，該過程受外界環(huán)境，如營養(yǎng)成分、pH值、溫度、滲透壓、水流沖擊力、介質(zhì)

6、的表面特性及鐵離子濃度和氧化還原電位等外因和生物體自身如膜表面特性、凝固酶的有無、染色體的倍性（面包酵母染色體倍數(shù)越低越易形成膜）等條件的影響。 一般來說大體上要經(jīng)過黏附、發(fā)展和成熟三個階段。 細胞在載體表面的可逆粘附粘附在載體表面細胞的分裂及小菌落的形成。文粘附小菌落成長為具三維結(jié)構(gòu)的成熟生體建設(shè)細胞在載體表面的不可逆粘附1245部分細胞從生物膜上的脫落。3細菌生物膜形成流程圖細菌生物膜形成流程圖1.1.E. Overton 1895 E. Overton 1895 推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。2.2.E. Gorter E. Gorter 等等 1925

7、 1925 推測細胞膜由雙層脂分子組成。推測細胞膜由雙層脂分子組成。3. J. Danielli & H. Davson 1935 3. J. Danielli & H. Davson 1935 發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，提發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，提出三明治模型（蛋白質(zhì)出三明治模型（蛋白質(zhì)- -脂類脂類- -蛋白質(zhì)）。蛋白質(zhì)）。 4 4、 JD. Robertson 1957JD. Robertson 1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm7.5nm。5. Singer 5. Singer 和和Nic

8、olson 1972Nicolson 1972 根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動鑲流動鑲嵌模型嵌模型”。 由兩層磷脂雙分子層整齊地對稱排列而成的，其中每一個磷脂分子由由兩層磷脂雙分子層整齊地對稱排列而成的，其中每一個磷脂分子由一個帶正電荷且能溶于水的極性頭（磷酸端）和一個不帶電荷、不溶一個帶正電荷且能溶于水的極性頭（磷酸端）和一個不帶電荷、不溶于水的非極性端所構(gòu)成。兩個極性端分別朝向內(nèi)外兩表面，兩個非極于水的非極性端所構(gòu)成。兩個極性端分別朝向內(nèi)外兩表面，兩個非極性段的疏水尾則埋入膜的內(nèi)層。性段的疏水尾則埋入膜的內(nèi)層。 其中嵌埋許多具運輸功能

9、、有時分子內(nèi)還存在運輸通道的整合蛋白或其中嵌埋許多具運輸功能、有時分子內(nèi)還存在運輸通道的整合蛋白或膜內(nèi)在蛋白。而在外表面漂浮著許多具有酶促功能的周邊蛋白或膜外膜內(nèi)在蛋白。而在外表面漂浮著許多具有酶促功能的周邊蛋白或膜外在蛋白。在蛋白。細胞膜流動鑲嵌模型細胞膜流動鑲嵌模型A Lipid Bilayer Is the Basic Structural不對稱性 流動性1、膜脂的分布不對稱、膜脂的分布不對稱膜的外層卵磷脂、鞘磷脂較多膜的外層卵磷脂、鞘磷脂較多膜的內(nèi)層腦磷脂、磷脂酰絲氨酸較多膜的內(nèi)層腦磷脂、磷脂酰絲氨酸較多2、膜蛋白的分布不對稱、膜蛋白的分布不對稱如線粒體內(nèi)膜中的如線粒體內(nèi)膜中的NADH

10、電子傳遞鏈各組分：電子傳遞鏈各組分：Cyt氧化酶氧化酶 、琥珀酸脫氫酶在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)、琥珀酸脫氫酶在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)Cytc在線粒體內(nèi)膜外側(cè)在線粒體內(nèi)膜外側(cè)3、糖蛋白和糖脂中的多糖只分布在膜的非細胞質(zhì)一側(cè)、糖蛋白和糖脂中的多糖只分布在膜的非細胞質(zhì)一側(cè)ES，細胞外表面，細胞外表面；EF細胞外小頁斷裂面；PS，原生質(zhì)表面，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁，原生質(zhì)小頁斷面斷面。 圖二為兔紅細胞的冰凍斷裂電鏡照片膜脂的流動性膜脂的流動性 影響膜脂流動性的因素影響膜脂流動性的因素 膽固醇膽固醇 脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的飽和度 脂肪酸鏈的鏈長脂肪酸鏈的鏈長 卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂鞘磷脂 其他因素：溫度、酸堿度

11、、離子強度等。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。 膜脂的流動性主要決定于磷脂分子膜脂的流動性主要決定于磷脂分子.膜蛋白的流動性膜蛋白的流動性 側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式，其速度平均比膜脂小側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式，其速度平均比膜脂小10-100倍。倍。 檢測：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細胞融合技術(shù)檢測：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細胞融合技術(shù)側(cè)向擴散運動；旋轉(zhuǎn)運動；擺動運動伸縮震蕩運動；翻轉(zhuǎn)運動；旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運動。膜流動性的生理意義膜流動性的生理意義當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。適當?shù)牧鲃有裕梢允辜毎顒佑行蜻M行。物質(zhì)運輸物質(zhì)運輸：主動

12、運輸和被動運輸能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換：線粒體和葉綠體信號傳遞信號傳遞：第一信使、第二信使細胞免疫細胞免疫：免疫細胞和受體抗原神經(jīng)傳導(dǎo)神經(jīng)傳導(dǎo)：離子轉(zhuǎn)運和神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)代謝調(diào)控代謝調(diào)控：各種細胞器載體參與代謝中的作用激素和藥物的作用激素和藥物的作用：細胞通訊腫瘤發(fā)生腫瘤發(fā)生：異常細胞通訊（注：圖為膜融合）膜骨架質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于質(zhì)膜下約0.2m厚的溶膠層。主要作用：維持質(zhì)膜的形態(tài)。 細胞膜特化結(jié)構(gòu) 微絨毛microvilli 皺褶（ruffle） 內(nèi)褶（infolding） 纖毛和鞭毛生物膜在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和生態(tài)上都具有重要意義。 在醫(yī)學(xué)中，人類大約65%的細菌性疾病有生物膜參與。如在口腔

13、中，牙齒表面的生物膜可形成牙菌斑、齲齒和牙齦感染。生物膜也可導(dǎo)致器官移植后（如心臟起搏器）的感染。空調(diào)中的退伍軍人菌（Legionella pneumoniae）形成生物膜可導(dǎo)致退伍軍人病。綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)在肺部感染的形成囊性纖維變性、肺結(jié)核、尿路感染、呼吸道感染和大約25%的腎結(jié)石也是由生物膜造成的。 輸油管道中形成的生物膜會嚴重影響管道輸送能力。 生物膜是通過附著而固定于特定載體上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物共生體。想對于活性污泥來說，在單位體積生物膜中所含的微生物數(shù)量更高、比表面積更大。生物膜比活性污泥具有更強的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各種

14、污染物，具有速度快、效率高的特點。 生物膜法處理污水有以下幾個類型： 渣濾系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng) 流化床反應(yīng)器artificial membrane 人工合成的膜材料已用于疾病的治療。例如：腎功能發(fā)生障礙時，由于代謝廢物不能排除，患者會出現(xiàn)水腫、尿毒癥。目前常用的治療方法，是采用透析型人工腎代替病變的腎臟行使功能，其中起關(guān)鍵作用的血液透析膜就是一種人工合成膜材料。當病人的血液流經(jīng)人工腎時，血液透析膜能夠把病人血液中的代謝廢物透析掉，讓干凈的血液返回病人體內(nèi)。人工膜發(fā)生裝置人工膜發(fā)生裝置 試管法試管法OToole 等曾用該方法考察不同的材料包括聚苯乙烯等曾用該方法考察不同的材料包括聚苯乙烯,

15、 聚丙烯等對熒光假單胞菌聚丙烯等對熒光假單胞菌( Pseudomonas fluorescens) 生物膜生成的影響生物膜生成的影響 微孔板法微孔板法加拿大卡爾加里大學(xué)生物膜研究小組使用一種上蓋帶有小柱子的微孔板加拿大卡爾加里大學(xué)生物膜研究小組使用一種上蓋帶有小柱子的微孔板,可以很方便地處理或洗滌生長可以很方便地處理或洗滌生長在小柱上的細菌生物膜在小柱上的細菌生物膜 置片法置片法Ghigo 就曾用該方法分析了基因水平轉(zhuǎn)移對生物膜生成的影響就曾用該方法分析了基因水平轉(zhuǎn)移對生物膜生成的影響 平板膜片法平板膜片法Carmen 等發(fā)現(xiàn)超聲波可以使慶大霉素更易于通過銅綠假單胞菌等發(fā)現(xiàn)超聲波可以使慶大霉素

16、更易于通過銅綠假單胞菌( P. aeruginosa) 及大腸桿菌生物膜及大腸桿菌生物膜;Hatch 等研究了褐藻膠裂合酶對銅綠假單胞菌生物膜的影響等研究了褐藻膠裂合酶對銅綠假單胞菌生物膜的影響 管路法管路法Bagge 等就用該方法分析了肺纖維化相關(guān)感染菌等就用該方法分析了肺纖維化相關(guān)感染菌銅綠假單胞菌在生物膜狀態(tài)下銅綠假單胞菌在生物膜狀態(tài)下2內(nèi)酰胺酶及其褐藻膠內(nèi)酰胺酶及其褐藻膠合成相關(guān)基因的表達差異合成相關(guān)基因的表達差異 流室法流室法( Flow cell)Stapper 等曾用微機化的機器工具制造流室的部件等曾用微機化的機器工具制造流室的部件參考文獻 QI Han-Ying，Mechanism of biofilm formation and analysis of influencing factors，Microbiology China，Apr.20,2013,40(4):677685 楊福愉楊福愉 ，生物膜結(jié)構(gòu)研究的一些進展，生物化學(xué)與生物物理進展，2003,30（4） 戚韓英，生物膜形成機理及影響因素探究，微生物學(xué)通報，2013年04期 李京寶，細菌生物膜研究技