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生物膜系统 编辑
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。
(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,但是当附着有核糖体颗粒的内质网膜(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,囊泡对细胞的胞吞和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 | 人成熟红细胞膜 | 大鼠肝细胞核膜 | 内质网膜 | ||
蛋白质 | 49 | 59 | 67 | 52 | 76 |
脂质 | 43 | 35 | 33 | 48 | 24 |
糖类 | 8 | 2.9 | 少 | 少 | 少 |
(二)各种生物膜在功能上的联系
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:他们在豚鼠的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“动力站”——线粒体,线粒体内膜上含有大量的与有氧呼吸有关的酶。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。
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。