1、青春土建立志精英2013級(jí)生物技術(shù)基地一班 劉雨桐我們看到的膜，可能是這樣的土建精神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(xì)胞和細(xì)胞器作用生物膜，也是與許多能量轉(zhuǎn)化和細(xì)胞內(nèi)通訊有關(guān)的重要部位，同時(shí)，生物膜上還有大量的酶結(jié)合位點(diǎn)。細(xì)胞、細(xì)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（plasma membrane）又稱細(xì)胞膜。內(nèi)膜：形成各種細(xì)胞器的膜。生物膜（biomembrane）：質(zhì)膜和內(nèi)膜的總稱。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：膜內(nèi)在蛋白、脂錨定蛋白、膜周邊蛋白糖類：多與脂、蛋白質(zhì)復(fù)合無(wú)機(jī)鹽金屬離子水膜脂主要

2、包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。（一）磷脂約占膜脂的50以上。主要特征：一個(gè)極性頭、兩個(gè)非極性尾（脂肪酸鏈）。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，16，18或20個(gè)碳原子。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。 組織建設(shè)Phospholipids膠束雙分子層脂質(zhì)體 組織建設(shè)磷脂在膜的分布（二）糖脂約占5以下，神經(jīng)細(xì)胞膜含量高，約占5-10。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個(gè)或多個(gè)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。 組織建設(shè)glycolipids占核基因組編碼蛋白質(zhì)的30%。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-anch

3、ored protein）膜周邊蛋白（peripheral protein） 組織建設(shè)1Intergral protein有的全部埋于脂雙層的疏水區(qū)，有的部分嵌在脂雙層中，有的橫跨全膜.主要靠疏水作用通過(guò)某些非極性氨基酸殘基與膜脂疏水部分相結(jié)合。這類蛋白被緊密連在膜上，并且不易溶于水。只有用破壞膜結(jié)構(gòu)的試劑如有機(jī)溶劑（氯仿）或去污劑（TritonX-100）才能把它們從膜中提取出來(lái)。 組織建設(shè)2Lipid-anchored protein有些膜內(nèi)在蛋白本身并沒(méi)有進(jìn)入膜內(nèi)，他們以共價(jià)鍵與脂質(zhì)、脂酰鏈、異戊烯基團(tuán)相結(jié)合并通過(guò)他們的疏水部分插入到膜內(nèi)，這種形式的內(nèi)在蛋白稱為脂錨定蛋白。 組織建設(shè)3P

4、eripheral protein分布于膜的脂雙層內(nèi)外表面，通過(guò)極性氨基酸殘基以離子鍵、氫鍵、范德華力等次級(jí)鍵與膜脂極性頭部或與內(nèi)在蛋白的親水部分結(jié)合。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，通過(guò)溫和方法（高離子強(qiáng)度、高pH、）分離提取。 組織建設(shè)外周蛋白/內(nèi)在蛋白 組織建設(shè), integral protein；, lipid-anchored protein ；, peripheral protein目錄生物膜形成是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，該過(guò)程受外界環(huán)境，如營(yíng)養(yǎng)成分、pH值、溫度、滲透壓、水流沖擊力、介質(zhì)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

5、、凝固酶的有無(wú)、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(lái)說(shuō)大體上要經(jīng)過(guò)黏附、發(fā)展和成熟三個(gè)階段。 組織建設(shè) 細(xì)胞在載體表面的可逆粘附粘附在載體表面細(xì)胞的分裂及小菌落的形成。文粘附小菌落成長(zhǎng)為具三維結(jié)構(gòu)的成熟生體建設(shè)細(xì)胞在載體表面的不可逆粘附1245部分細(xì)胞從生物膜上的脫落。3細(xì)菌生物膜形成流程圖E. Overton 1895 推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。E. Gorter 等 1925 推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。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，提出三明治模型（蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)）。 4

6、、 JD. Robertson 1957根據(jù)電鏡觀察提出單位膜模型。厚約7.5nm。5. Singer 和Nicolson 1972 根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”。 組織建設(shè)由兩層磷脂雙分子層整齊地對(duì)稱排列而成的，其中每一個(gè)磷脂分子由一個(gè)帶正電荷且能溶于水的極性頭（磷酸端）和一個(gè)不帶電荷、不溶于水的非極性端所構(gòu)成。兩個(gè)極性端分別朝向內(nèi)外兩表面，兩個(gè)非極性段的疏水尾則埋入膜的內(nèi)層。其中嵌埋許多具運(yùn)輸功能、有時(shí)分子內(nèi)還存在運(yùn)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在蛋白。細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型A Lipid Bilayer Is the

7、 Basic Structural不對(duì)稱性 流動(dòng)性 科技創(chuàng)新1、膜脂的分布不對(duì)稱膜的外層卵磷脂、鞘磷脂較多膜的內(nèi)層腦磷脂、磷脂酰絲氨酸較多2、膜蛋白的分布不對(duì)稱如線粒體內(nèi)膜中的NADH電子傳遞鏈各組分：Cyt氧化酶 、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)3、糖蛋白和糖脂中的多糖只分布在膜的非細(xì)胞質(zhì)一側(cè) 科技創(chuàng)新ES，細(xì)胞外表面；EF細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面；PS，原生質(zhì)表面；PF，原生質(zhì)小頁(yè)斷面。 圖二為兔紅細(xì)胞的冰凍斷裂電鏡照片 科技創(chuàng)新膜脂的流動(dòng)性 影響膜脂流動(dòng)性的因素 膽固醇 脂肪酸鏈的飽和度 脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng) 卵磷脂/鞘磷脂 其他因素：溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。 膜脂的流動(dòng)性主要

8、決定于磷脂分子.膜蛋白的流動(dòng)性 側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式，其速度平均比膜脂小10-100倍。 檢測(cè)：光脫色恢復(fù)技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù) 科技創(chuàng)新側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)；翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。 科技創(chuàng)新膜流動(dòng)性的生理意義當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過(guò)高，又會(huì)造成膜的溶解。適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，可以使細(xì)胞活動(dòng)有序進(jìn)行。物質(zhì)運(yùn)輸：主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸能量轉(zhuǎn)換：線粒體和葉綠體信號(hào)傳遞：第一信使、第二信使細(xì)胞免疫：免疫細(xì)胞和受體抗原神經(jīng)傳導(dǎo)：離子轉(zhuǎn)運(yùn)和神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)代謝調(diào)控：各種細(xì)胞器載體參與代謝中的作用激素和藥物的作用：細(xì)胞通訊腫瘤發(fā)生：異

9、常細(xì)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(xì)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(xì)菌性疾病有生物膜參與。如在口腔中，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

10、、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(huì)嚴(yán)重影響管道輸送能力。生物膜是通過(guò)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(duì)于活性污泥來(lái)說(shuō)，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(qiáng)的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各種污染物，具有速度快、效率高的特點(diǎn)。生物膜法處理污水有以下幾個(gè)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(shí)，由于代謝廢物不能排除，患者會(huì)出現(xiàn)水腫、尿毒癥。目前常用的治療方法，是采用透析型

11、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(dāng)病人的血液流經(jīng)人工腎時(shí)，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)。 科技創(chuàng)新人工膜發(fā)生裝置 試管法OToole 等曾用該方法考察不同的材料包括聚苯乙烯, 聚丙烯等對(duì)熒光假單胞菌( Pseudomonas fluorescens) 生物膜生成的影響 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,可以很方便地處理或洗滌生長(zhǎng)在小柱上的細(xì)菌生物膜 置片法Ghigo 就曾用該方法分析了基因水平轉(zhuǎn)移對(duì)生物膜生成的影響 平板膜片法Carmen 等發(fā)現(xiàn)超聲波可以使慶大霉素更易

12、于通過(guò)銅綠假單胞菌( P. aeruginosa) 及大腸桿菌生物膜;Hatch 等研究了褐藻膠裂合酶對(duì)銅綠假單胞菌生物膜的影響 管路法Bagge 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2內(nèi)酰胺酶及其褐藻膠合成相關(guān)基因的表達(dá)差異流室法( Flow cell)Stapper 等曾用微機(jī)化的機(jī)器工具制造流室的部件 科技創(chuàng)新參考文獻(xiàn)QI Han-Ying，Mechanism of biofilm formation and analysis of influencing factors，Microbiology China，Apr.20,2013,40(4):677685楊福愉 ，生物膜結(jié)構(gòu)研究的一些進(jìn)展，生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2003,30（4）戚韓英，生物膜形成機(jī)理及影響因素探究，微生物學(xué)通報(bào)，2013年04期李京寶，細(xì)菌生物膜研究技術(shù)，微生物學(xué)報(bào)，2007年6月4日，47卷3期楊敬輝，植物相關(guān)細(xì)菌生物膜研究進(jìn)展，河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008.12 科技創(chuàng)新參