生物膜系统 编辑

细胞具有一个相对稳定的内环境
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细胞生物膜系统是指由细胞膜细胞核膜以及内质网高尔基体线粒体由膜围绕而成的细胞器的膜共同构成的生物膜系统。这些生物膜的组成成分和结构很相似,在结构和能上紧密联系,进一步体现了细胞内各种结构之间的协调配合。细胞的生物膜系统在细胞的生命活动中起着极其重要的作用。此外,研究细胞生物膜系统在医学和生产过程中都有很广阔的前景。

基本信息

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中文名:生物膜系统

外文名:biomembranesystem

所属学科:生物

作用:保证细胞具有一个相对稳定的内环境;为提供附着位点;分隔各种细胞器,保证生命活动高效有序进行。

应用:医学和生产过程

组成:细胞器膜、细胞膜和核膜等。

概念

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细胞就像一台复杂而精巧的生命机器,各个部件虽然作用不同,但是衔接得非常巧妙,因而整台机器能够灵活运转。细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等细胞器,就是这台“机器”中一些功能相关的“部件”,它们都由膜构成,这些膜的化学组成相似,基本结构大致相同,统称为生物膜。

生物膜系统生物膜系统

功能

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①使细胞内具有一个相对稳定的环境,并使细胞与周围环境进行物质运输、能量转换、 信息传递

②为酶提供了大的附着位点,为反应提供了场所

③将细胞分成小区室,把细胞器和细胞质分隔开,使各种化学反应互不干扰,保证了生命活动高效有序地进行

联系

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(一)各种生物膜在结构上的联系

细胞内的各种生物膜在结构上存在着直接或间接的联系。内质网膜与外层核膜相连,内质网腔与内、外两层核膜之间的腔相通,外层核膜上附着有大量的核糖体。内质网与核膜的连通,使细胞质和核内物质的联系更为紧密。在有的细胞中,还可以看到内质网膜与细胞膜相连。内质网膜与线粒体膜之间也存在一定的联系。线粒体是内质网执行功能时所需能量的直接“供应站”,在合成旺盛的细胞里,内质网总是与线粒体紧密相依,代谢越旺盛相依程度越紧密,有的细胞的内质网膜甚至与线粒体的外膜相连。

虽然高尔基体与内质网在结构上没有直接相通,但是当附着有核体颗粒的内质网膜(粗面内质网)连接到高尔基体膜上时,内质网膜常常失去核糖体,变成光滑的、无颗粒的膜,生物学上称之为滑面内质网,与高尔基体的膜极为相似。许多科学家认为,在细胞进化的过程中,高尔基体是由内质网转变而来的。

高尔基体膜在厚度和化学组成上介于内质网膜和细胞膜之间。在活细胞中,这三种膜是可以互相转变的。内质网膜通过“出芽”的形式,形成具有膜的囊泡(具膜小泡),囊泡离开内质网,移动到高尔基体,与高尔基体膜融合,囊泡膜成为高尔基体膜的一部分。高尔基体膜又可以突起,形成囊泡,囊泡离开高尔基体,移动到细胞膜,与细胞膜融合,成为细胞膜的一部分。细胞膜也可以内陷形成囊泡,囊泡离开细胞膜,回到细胞质中。由此可以看出,细胞内的生物膜在结构上具有一定的连续性,囊泡对细胞的胞吞胞吐作用有着十分重要的意义。

生物膜的化学组成细胞内的各种生物膜不仅在结构上相互联系,它们的化学组成也大致相同。与细胞膜类似,其他生物膜也主要由蛋白质脂类和少量的糖类(细胞膜上的糖类一般与蛋白质结合,以糖蛋白的形式出现在细胞膜上,糖蛋白对细胞的生物识别功用意义非凡。也有一部分糖类与脂质结合形成糖脂。)组成。但是在不同的生物膜中,这三种物质的含量是有差别的(如下表)。

质量分数 /%)

生物膜

人成熟红细胞

大鼠肝细胞核膜

内质网膜

线粒体外膜

线粒体内膜

白质

49

59

67

52

76

脂质

43

35

33

48

24

糖类

8

2.9

(二)各种生物膜在功能上的联系

图1 分泌蛋白的合成与分泌图1 分泌蛋白的合成与分泌

科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时,曾经做过这样一个实验:他们在豚鼠胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸,3min后,被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中,17min后,出现在高尔基体中,117min后,出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中,以及释放到细胞外的分泌物中(如图1)。这个实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后,是按照内质网→高尔基体→ 细胞膜的方向运输的。

在核糖体上合成的分泌蛋白,为什么要经过内质网和高尔基体,而不是直接运输到细胞膜呢?进一步的研究表明,在核糖体上翻译出的蛋白质,进入内质网腔后,还要经过一些加工,如折叠、组装、加上一些糖基团等,才能成为比较成熟的蛋白质。然后,由内质网腔膨大、出芽形成具膜小泡,包裹着蛋白质转移到高尔基体,把蛋白质输送到高尔基体腔内,做进一步的加工。接着,高尔基体边缘突起形成小泡,把蛋白质包裹在小泡里,运输到细胞膜,小泡与细胞膜融合,把蛋白质释放到细胞外。在分泌蛋白的合成、加工和运输的过程中,需要大量的能量,这些能量的供给,来自于细胞内的“动站”——线粒体,线粒体内膜上含有大量的与有呼吸有关的酶。由此可见,细胞内的各种生物膜不仅在结构上有一定的联系,在功能上也是既有明确的分工,又有紧密的联系。各种生物膜相互配合,协同工作,才使得细胞这台高度精密的生命机器能够持续、高效地运转。

作用

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1-基本作用

首先,细胞膜不仅使细胞具有一个相对稳定的内环境,同时在细胞与外界环境之间进行物质运输、能量交换和信息传递的过程中也起着决定性的作用。第二,细胞的许多重要的化学反应都在生物膜内或者膜表面进行。细胞内的广阔的膜面积为酶提供了大量的附着位点,为各种化学反应的顺利进行创造了有利条件。第三,细胞内的生物膜把细胞分隔成一个个小的区室,如各种细胞器,这样就使得细胞内能够同时进行多种化学反应,而不会相互干扰,保证了细胞的生命活动高效、有序地进行。

2-对细胞工程的意义

细胞工程是现代生物学研究的主要课题,细胞融合则是细胞工程的关键步骤

膜融合是细胞融合(如植物体细胞杂交,高等生物的受精过程,单克隆抗体的制备)的关键,也与大分子物质进出细胞的内吞作用和外排作用密切相关,通过膜之间的联系,使细胞内各种细胞器在独立完成各自生理功能的同时,又能有效的协调工作,保证细胞生命活动的正常进行。例如分泌蛋白的形成。

研究意义

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理论上:阐明细胞生命活动规律。如蛋白质、糖类和脂质的人工合成和运输。

工业上:人工模拟生物膜功能。如海淡化、污水处理。

农业上改善作物品质。如抗寒、抗旱、耐盐机理的研究。

医学上:人工膜代替病变器官。如人工中的“血液透析膜”。

人工膜

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人工合成的膜材料已用于疾病的治疗。例如:肾功能发生障碍时,由于代谢废物不能排除,患者会出现水肿尿毒症。目前常用的治疗方法,是采用透析型人工肾代替病变的肾脏行使功能,其中起关键作用的血液透析膜就是一种人工合成膜材料。当病人的血液流经人工肾时,血液透析膜能够把病人血液中的代谢废物透析掉,让干净的血液返回病人体内。

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