認識生物膜
1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構模型，標志生命科學進入分子生物學新階段。當前，分子生物學已經(jīng)發(fā)展成為生命科學的主流。分子生物學包括三大領域，即：蛋白質體系(包括酶)；蛋白質-核酸體系(中心問題是分子遺傳學)；蛋白質-脂質體系(即生物膜)。
細胞是生命的基本結構與功能單位。從現(xiàn)代觀點，膜結構是細胞尤其重要的組分之一。實際上，細胞主要是由膜結構系統(tǒng)組成的統(tǒng)一整體，生物膜是一個物理屏障，它使細胞具有相對獨立和恒定的內環(huán)境，正如A．Szent-Gyogyi所指的：“膜是重要的細胞器，它把一切分為內外兩部分，無論哪里，只要有兩個界面，即內外兩面，就有膜的存在”。細胞中的膜系統(tǒng)形成各種既是獨立又是相互聯(lián)系的“小室”(compartments)，在每一個膜包裹的空間聚集著特定種類的生物大分子，共同完成著某一項特定的生命活動。它們保證細胞內部各種代謝過程和復雜的生化反應能彼此不受干擾，有條不紊地進行，使細胞內的各種代謝區(qū)域化或房室化（compartmentation）。因此，膜結構既是細胞結構的基本形式，也是生命活動的主要結構基礎。
細胞的外周膜(質膜)與細胞內的膜系統(tǒng)(如線粒體膜、葉綠體膜、內質網(wǎng)膜、高爾基體膜、核膜等)統(tǒng)稱為生物膜。
膜的出現(xiàn)，在生命的進化過程中，具有特殊的意義。質膜的形成是非細胞生命[如病毒(virus)、噬菌體(phage)]與細胞生物的一個重要分界點，而細胞內膜系統(tǒng)的發(fā)展則是細胞生物從低向高發(fā)展的反映。
生物膜的作用
從功能上看，生物膜對于維持細胞及細胞器的正常通透性、細胞與細胞之間的識別、細胞之間的連接及通訊等起關鍵作用，還具有物質轉運、分子識別、信息傳遞和能量交換等多種重要的生物學功能。
細胞膜(質膜)是把細胞內部與周圍環(huán)境分開的邊界，使細胞與周圍環(huán)境和細胞之間進行物質交換和信息傳遞的重要通道。簡單概括細胞膜的功能有6個：
(ⅰ)細胞膜為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境。
(ⅱ)細胞膜介導選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸人與代謝產(chǎn)物的排出，其中伴隨能量傳遞。
(ⅲ)細胞膜提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息跨膜傳遞。
(ⅳ)細胞膜為多種酶提供結合位點，使酶促反應有序進行。通過膜面積的增大，供數(shù)量更多的酶、核糖體等附著在上面，為各種化學反應順利進行創(chuàng)造條件。
(ⅴ)細胞膜介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接。
(ⅵ)質膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。
內質網(wǎng)中的粗糙型的內質網(wǎng)與蛋白質合成及運輸有關；平滑型內質網(wǎng)則與脂肪和膽固醇的代謝、糖元的分解、脂溶性毒物的解毒有關。高爾基體的主要功能是為細胞提供一個內部的運輸系統(tǒng)，它把由內質網(wǎng)合成并轉運來的分泌蛋白質濃縮加工，通過高爾基液泡或以酶元顆粒的形式運出細胞。溶酶體是細胞內溶解大分子物質的一種細胞器，它與細胞內消化、細胞自溶、消除分解異物有關。過氧化物酶體含有分解對細胞有害的H2O2的酶系，故對細胞有重要保護作用。環(huán)層片層是一個功能尚不確定的細胞器。據(jù)推測，它在細胞生長、發(fā)育和分化中起一定的作用，與某些特定的蛋白質合成有密切聯(lián)系。
還有，線粒體是一種非常重要的細胞器。其主要功能是利用三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacid cycle)把糖、脂肪和氨基酸氧化所產(chǎn)生的能量通過呼吸鏈與三磷酸腺苷(ATP)的生成偶聯(lián)起來[即氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)]，所以它素有細胞動力站之稱。葉綠體的主要功能是進行光合作用(photosynthesis)即吸收光能，使之轉變?yōu)榛瘜W能，同時利用二氧化碳和水制造有機物并釋放氧的過程。
核膜作為細胞質-細胞核之間的一個重要的界膜。對穩(wěn)定核的形態(tài)和化學成分起著十分重要的作用。
因此，膜結構與生命體系中的物質流、能量流、信息流三大物質體系的運輸、轉換、傳遞密切相關?？梢哉f，與細胞基本生命活動有關的代謝活動都可以與膜結構及功能聯(lián)系在一起。
生物膜的組成
生物膜種類繁多，它們有一個共同的特征，即經(jīng)鋨酸固定后，在電鏡下呈現(xiàn)出黑-白-黑(電子密度高-低-高)的三層結構，厚度在8nm左右，組成成分主要是脂質、蛋白質及糖類。這些組分的有機排列及相互作用形成了生物膜的結構，并且賦于各種生物膜的特定功能。
其中含量更多的是脂質和蛋白質，準確的相對含量隨各種膜而異。一般的規(guī)律是，代謝旺盛的膜含有較多的蛋白質。例如，神經(jīng)纖維的髓鞘含75%干重的脂質，而線粒體內膜中脂質則為25%，二者剩下的主要是蛋白質。這種量上的差異亦表明了脂質主要是給其上的蛋白質提供結構上的骨架。
此外，不到10％干重的是糖類，生物膜中糖類都是以糖脂或糖蛋白的形式存在。
同生物膜相結合的水約占總量的20%，還有不少整合著的鈣及鎂離子。
(一)膜脂
膜脂以磷脂(phospholipid)和膽固醇(cholesmerol)為主，并含糖脂(glocolipid)。構成膜脂的磷脂主要有磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine，PC)，亦稱卵磷脂；磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)又稱腦磷脂；磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine，PS)及神經(jīng)鞘磷脂(sphingomyelin，SM)。膽固醇為中性脂，分布于真核細胞膜。質膜上的膽固醇與磷脂的碳氫鏈相互作用，保持質膜的流動性和使質膜加固。膜上各種脂質分子具有共同的結構特點，親水的極性頭部排列在細胞膜內外界面上，疏水的非極性尾部則列于細胞膜中央部分而形成兼性分子。質膜的這種結構特點使其在水溶液中可自動形成雙分子層結構，而且這些脂類雙層可自相融合形成封閉式結構，即不存在游離的邊緣，避免疏水的尾部與水接觸。脂質雙層除具有自我裝配和自我封閉的特點外，尚具有流動性，膜的流動性對于細胞所具有的許多功能是至關重要的。
(二)膜蛋白
膜蛋白是細胞膜功能的主要承擔者，約人細胞總蛋白量的25％。在不同種類的細胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異。對神經(jīng)細胞軸突起絕緣作用的髓鞘中，膜蛋白的含量低于25％，而在擔負能量轉換功能的線粒體內膜中蛋白含量約占75％，在—般的細胞膜中蛋白含量介于兩者之間，約占50％。小于脂類分子的分子量比蛋白分子小，所以在膜內脂類分子數(shù)一般遠比蛋白分子多。在蛋白含量占50％的膜內，蛋白分子與脂類分子數(shù)目比例約為1：50，即每有1個蛋白分子就有50個脂類分子。
膜蛋白具有許多重要的功能：轉運分子進出細胞；接受周圍環(huán)境中的信號，傳遞至細胞內；支撐與連接細胞骨架成分和細胞間質成分；在細胞分化和細胞間連接中發(fā)揮作用；結合于膜上的各種酶催化細胞各部分的化學反應。根據(jù)膜蛋白與膜脂的關系將其分為膜內在蛋白（integtal protein)和外周蛋白(extrinsic protein)兩類。內在蛋白又稱鑲嵌蛋白，約占膜蛋白總量的70％以上。膜內在蛋白有的部分插入質膜內，直接與脂質雙層的疏水區(qū)域相互作用；許多內在蛋白也是兼性分子，它們的疏水區(qū)域深深地嵌入脂質中與其疏水部分的碳氫鏈相連接，親水區(qū)域則暴露于脂雙層即細胞膜的內外側面。其中，有些蛋白跨越脂膜全層，兩端暴露于細胞膜的內外環(huán)境，稱為跨膜蛋白(transmembrane protein)。紅細胞膜上的血型糖蛋白和蛋白bandⅢ均屬內在蛋白。內在蛋白只有用去垢劑溶解和純化后才有可能得到。外周蛋白不直接與脂雙層疏水部分相互連接，它們常通過內在蛋白間接與膜連接，或直接與脂類分子極性頭部結合。外周蛋白為水溶性，約占膜蛋白總量的20％～30％。紅細胞胞質面的血影蛋白和錨定蛋白均屬外周蛋白。各種膜蛋白在細胞膜中都有特定的位置，在脂雙層呈不對稱分布。跨膜蛋白跨越脂質雙層有—定方向性，例如血型糖蛋白鏈的N端在細胞膜的非細胞質側，而蛋白bandⅢ的N端卻在細胞膜的細胞質側，同一種跨膜蛋白定向是一致的。
(三)膜糖類
細胞膜中含有一定比例的糖類，以低聚糖或多聚糖鏈的形式結合于膜蛋白，形成糖蛋白或蛋白聚糖；或與膜脂共價結合，形成糖脂。膜糖類約占細胞膜總重量的2％～10%。主要以糖脂和糖蛋白以及蛋白聚糖的形式伸向細胞膜的外表面，構成細胞外表面的微環(huán)境，它們與細胞之間的粘著、細胞識別有關。在自然界中發(fā)現(xiàn)的糖類有100多種，而在膜蛋白和糖蛋白中只發(fā)現(xiàn)9種，其中上要有牛乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸。唾液酸殘基常見于糖鏈的末端，真核細胞表面的凈負電荷主要由它形成。
糖蛋白研究進展之一是從人的紅細胞膜中分離出的血型糖蛋白，是氨基酸序列完全搞清楚的頭一個膜蛋白，由131個氨基酸組成，親水氨基端以及肽鏈的大部分位于膜的外表面，由大約100個糖殘基構成16個低聚糖側鏈共價結合在肽鏈上，親水的羧基端暴露于細胞質中，大約有20個氨基酸殘基構成的疏水端以α螺旋狀結構通過脂質雙層。