生物膜系統

生物膜系統

細胞膜、細胞核膜以及細胞器膜等結構,共構成的生物膜系統。這些生物膜的組成成分和結構很相似,在結構和功能上緊密聯繫,進一步體現了細胞內各種結構之間的協調配合。細胞的生物膜系統在細胞的生命活動中起著極其重要的作用。此外,研究細胞生物膜系統在醫學和生產過程中都有很廣闊的前景。

基本信息

概念

細胞就像一台複雜而精巧的生命機器,各個部件雖然作用不同,但是銜接得非常巧妙,因而整台機器能夠靈活運轉。細胞膜、核膜以及內質網、高爾基體、線粒體等細胞器,就是這台“機器”中一些功能相關的“部件”,它們都由膜構成,這些膜的化學組成相似,基本結構大致相同,統稱為生物膜。

生物膜系統 生物膜系統

功能

①使細胞內具有一個相對穩定的環境,並使細胞與周圍環境進行物質運輸、能量交換、 信息傳遞。

②為酶提供了大量的附著位點,為反應提供了場所

③將細胞分成小區室,把細胞器和細胞質分隔開,使各種化學反應互不干擾,保證了生命活動高效有序地進行

聯繫

(一)各種生物膜在結構上的聯繫

細胞內的各種生物膜在結構上存在著直接或間接的聯繫。內質網膜與外層核膜相連,內質網腔與內、外兩層核膜之間的腔相通,外層核膜上附著有大量的核糖體(如圖)。內質網與核膜的連通,使細胞質和核內物質的聯繫更為緊密。在有的細胞中,還可以看到內質網膜與細胞膜相連。內質網膜與線粒體膜之間也存在一定的聯繫。線粒體是內質網執行功能時所需能量的直接“供應站”,在合成旺盛的細胞里,內質網總是與線粒體緊密相依,代謝越旺盛相依程度越緊密,有的細胞的內質網膜甚至與線粒體的外膜相連。

雖然高爾基體與內質網在結構上沒有直接相通,但是當附著有核糖體顆粒的內質網膜(粗面內質網)連線到高爾基體膜上時,內質網膜常常失去核糖體,變成光滑的、無顆粒的膜,生物學上稱之為滑面內質網,與高爾基體的膜極為相似。許多科學家認為,在細胞進化的過程中,高爾基體是由內質網轉變而來的。

高爾基體膜在厚度和化學組成上介於內質網膜和細胞膜之間。在活細胞中,這三種膜是可以互相轉變的。內質網膜通過“出芽”的形式,形成具有膜的囊泡(具膜小泡),囊泡離開內質網,移動到高爾基體,與高爾基體膜融合,囊泡膜成為高爾基體膜的一部分。高爾基體膜又可以突起,形成囊泡,囊泡離開高爾基體,移動到細胞膜,與細胞膜融合,成為細胞膜的一部分。細胞膜也可以內陷形成囊泡,囊泡離開細胞膜,回到細胞質中。由此可以看出,細胞內的生物膜在結構上具有一定的連續性,囊泡對細胞的胞吞和胞吐作用有著十分重要的意義。

生物膜的化學組成細胞內的各種生物膜不僅在結構上相互聯繫,它們的化學組成也大致相同。與細胞膜類似,其他生物膜也主要由蛋白質、脂類和少量的糖類(細胞膜上的糖類一般與蛋白質結合,以糖蛋白的形式出現在細胞膜上,糖蛋白對細胞的生物識別功用意義非凡。也有一部分糖類與脂質結合形成糖脂。)組成。但是在不同的生物膜中,這三種物質的含量是有差別的(如下表)。

生物膜 人成熟紅細胞膜 大鼠肝細胞核膜 內質網膜 線粒體外膜 線粒體內膜

蛋白質 ...49.. .......59.......... 67 .......52 ..........76

脂類 .....43 .........35 ..........33 .......48 ..........24

糖類 ......8 ........2.9 .......含量很少 ....含量很少.... 含量很少

(質量分數 /%)

(二)各種生物膜在功能上的聯繫

分泌蛋白的合成與分泌 分泌蛋白的合成與分泌

科學家在研究分泌蛋白的合成和分泌時,曾經做過這樣一個實驗:他們在豚鼠的胰臟腺泡細胞中注射3H標記的亮氨酸,3min後,被標記的胺基酸出現在附著有核糖體的內質網中,17min後,出現在高爾基體中,117min後,出現在靠近細胞膜內側的運輸蛋白質的小泡中,以及釋放到細胞外的分泌物中(如圖)。這個實驗說明分泌蛋白在附著於內質網上的核糖體中合成之後,是按照 內質網→高爾基體→ 細胞膜的方向運輸的。

在核糖體上合成的分泌蛋白,為什麼要經過內質網和高爾基體,而不是直接運輸到細胞膜呢?進一步的研究表明,在核糖體上翻譯出的蛋白質,進入內質網腔後,還要經過一些加工,如摺疊、組裝、加上一些糖基團等,才能成為比較成熟的蛋白質。然後,由內質網腔膨大、出芽形成具膜小泡,包裹著蛋白質轉移到高爾基體,把蛋白質輸送到高爾基體腔內,做進一步的加工。接著,高爾基體邊緣突起形成小泡,把蛋白質包裹在小泡里,運輸到細胞膜,小泡與細胞膜融合,把蛋白質釋放到細胞外。在分泌蛋白的合成、加工和運輸的過程中,需要大量的能量,這些能量的供給,來自於細胞內的“動力站”——線粒體,線粒體內膜上含有大量的與有氧呼吸有關的酶。由此可見,細胞內的各種生物膜不僅在結構上有一定的聯繫,在功能上也是既有明確的分工,又有緊密的聯繫。各種生物膜相互配合,協同工作,才使得細胞這台高度精密的生命機器能夠持續、高效地運轉。

作用

1-基本作用

首先,細胞膜不僅使細胞具有一個相對穩定的內環境,同時在細胞與外界環境之間進行物質運輸、能量交換和信息傳遞的過程中也起著決定性的作用。第二,細胞的許多重要的化學反應都在生物膜內或者膜表面進行。細胞內的廣闊的膜面積為酶提供了大量的附著位點,為各種化學反應的順利進行創造了有利條件。第三,細胞內的生物膜把細胞分隔成一個個小的區室,如各種細胞器,這樣就使得細胞內能夠同時進行多種化學反應,而不會相互干擾,保證了細胞的生命活動高效、有序地進行。

2-對細胞工程的意義

細胞工程是現代生物學研究的主要課題,細胞融合則是細胞工程的關鍵步驟。

膜融合是細胞融合(如植物體細胞雜交,高等生物的受精過程,單克隆抗體的製備)的關鍵,也與大分子物質進出細胞的內吞作用和外排作用密切相關,通過膜之間的聯繫,使細胞內各種細胞器在獨立完成各自生理功能的同時,又能有效的協調工作,保證細胞生命活動的正常進行。例如分泌蛋白的形成。

研究意義

理論上:闡明細胞生命活動規律。如蛋白質、糖類和脂質的人工合成和運輸。

工業上:人工模擬生物膜功能。如海水淡化、污水處理。

農業上:改善作物品質。如抗寒、抗旱、耐鹽機理的研究。

醫學上:人工膜代替病變器官。如人工腎中的“血液透析膜”。

人工膜

人工合成的膜材料已用於疾病的治療。例如:腎功能發生障礙時,由於代謝廢物不能排除,患者會出現水腫、尿毒症。目前常用的治療方法,是採用透析型人工腎代替病變的腎臟行使功能,其中起關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,讓乾淨的血液返回病人體內。

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