生物膜(高級(jí)生化課件)

1、生物膜的結(jié)構(gòu)與功能生物膜的結(jié)構(gòu)與功能Chapter 3Composition and structure of membrane生命學(xué)院生命學(xué)院 張林生張林生 生物膜（生物膜（biomembranesbiomembranes）是包括細(xì)胞質(zhì)膜在內(nèi)的細(xì)胞中全部膜結(jié)構(gòu)的是包括細(xì)胞質(zhì)膜在內(nèi)的細(xì)胞中全部膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱統(tǒng)稱。A A 細(xì)胞膜細(xì)胞膜B B 腔膜腔膜C C 線粒體膜線粒體膜D D 消化泡（次級(jí)溶酶體）消化泡（次級(jí)溶酶體）E E 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜F F 分泌泡分泌泡3.1生物膜功能概述生物膜功能概述 (1) )區(qū)隔化或房室化區(qū)隔化或房室化(compartmentalization)(compartm

2、entalization)： 生物膜是連續(xù)、環(huán)閉的生物膜是連續(xù)、環(huán)閉的薄殼體薄殼體，質(zhì)膜把整個(gè)細(xì)胞，質(zhì)膜把整個(gè)細(xì)胞包裹起來(lái)，包裹起來(lái)，內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)膜系統(tǒng)以及核膜、線粒體膜和葉綠體膜以及核膜、線粒體膜和葉綠體膜等，把細(xì)胞分隔成相對(duì)獨(dú)立的等，把細(xì)胞分隔成相對(duì)獨(dú)立的房室房室。在這些分隔開(kāi)的。在這些分隔開(kāi)的區(qū)間內(nèi)，各自進(jìn)行著不同的生命活動(dòng)。區(qū)間內(nèi)，各自進(jìn)行著不同的生命活動(dòng)。內(nèi)膜實(shí)際上成為細(xì)胞內(nèi)膜實(shí)際上成為細(xì)胞向內(nèi)延伸向內(nèi)延伸著的網(wǎng)絡(luò)支架，把參著的網(wǎng)絡(luò)支架，把參與反應(yīng)的多個(gè)元件與反應(yīng)的多個(gè)元件有序地有序地定位安置，使細(xì)胞內(nèi)各定位安置，使細(xì)胞內(nèi)各種生命活動(dòng)能在正確的種生命活動(dòng)能在正確的時(shí)間和位點(diǎn)時(shí)間和位點(diǎn)有

3、組織地高效有組織地高效進(jìn)行，把不同生化活性彼此間的干擾減少到最低。進(jìn)行，把不同生化活性彼此間的干擾減少到最低。重要的酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)機(jī)構(gòu)大多與某種重要的酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)機(jī)構(gòu)大多與某種膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一聯(lián)系在一起。各類細(xì)胞的不同細(xì)胞器都具有與其功能相適起。各類細(xì)胞的不同細(xì)胞器都具有與其功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形狀和機(jī)械強(qiáng)度，這些在很大程度上應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形狀和機(jī)械強(qiáng)度，這些在很大程度上也依賴于相應(yīng)膜系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。也依賴于相應(yīng)膜系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。(2) 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸(transport(transport)： 作為通透性屏障，生物膜作為通透性屏障，生物膜一方面一方面防止細(xì)胞與環(huán)境防止細(xì)胞與環(huán)境之間

4、以及細(xì)胞內(nèi)各房室之間的物質(zhì)自由混合，否則，之間以及細(xì)胞內(nèi)各房室之間的物質(zhì)自由混合，否則，結(jié)果將是災(zāi)難性的；結(jié)果將是災(zāi)難性的； 另一方面另一方面又要維持各區(qū)間物質(zhì)有控制地交流。質(zhì)膜又要維持各區(qū)間物質(zhì)有控制地交流。質(zhì)膜和各種內(nèi)膜上都有物質(zhì)和各種內(nèi)膜上都有物質(zhì)運(yùn)輸裝置運(yùn)輸裝置，調(diào)節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)，調(diào)節(jié)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸也就成了這些膜系統(tǒng)最基本的輸也就成了這些膜系統(tǒng)最基本的功能功能之一。之一。為了推動(dòng)各種生命活動(dòng)的進(jìn)行為了推動(dòng)各種生命活動(dòng)的進(jìn)行和維持自身的結(jié)構(gòu)，生物必須和維持自身的結(jié)構(gòu)，生物必須保證有足夠的能量供應(yīng)。在細(xì)保證有足夠的能量供應(yīng)。在細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換中，胞的能量轉(zhuǎn)換中，生物膜生物膜起著起著關(guān)鍵性作用

5、。植物的關(guān)鍵性作用。植物的葉綠體類葉綠體類囊體膜囊體膜結(jié)合的色素可吸收太陽(yáng)結(jié)合的色素可吸收太陽(yáng)光，把光能轉(zhuǎn)換為光合電子傳光，把光能轉(zhuǎn)換為光合電子傳遞鏈上的電子流動(dòng)，最后形成遞鏈上的電子流動(dòng)，最后形成同化力同化力(NADPH(NADPH和和ATP)ATP)，再經(jīng)光，再經(jīng)光合碳素途徑轉(zhuǎn)換成以糖類形式合碳素途徑轉(zhuǎn)換成以糖類形式儲(chǔ)存的化學(xué)能。儲(chǔ)存的化學(xué)能。異養(yǎng)生物異養(yǎng)生物自養(yǎng)生物自養(yǎng)生物(3) (3) 能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換(energy conversion)(energy conversion)： 在分解代謝的反應(yīng)中代謝物脫下的在分解代謝的反應(yīng)中代謝物脫下的H H和和e e常被輔酶受常被輔酶受NADNA

6、D+ + NADH+H NADH+H+ + NADPNADP+ + NADPH+H NADPH+H+ + FAD FADFADHFADH2 2它們的還原態(tài)是富含能量的它們的還原態(tài)是富含能量的. . 稱還原力或稱還原力或線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜則把能源物質(zhì)則把能源物質(zhì)氧化時(shí)氧化時(shí)釋放的能量釋放的能量轉(zhuǎn)換成可以轉(zhuǎn)換成可以作功作功的能量形式的能量形式ATP中的中的化學(xué)能?；瘜W(xué)能。 另外，當(dāng)膜維持著某些特異離子或溶質(zhì)跨另外，當(dāng)膜維持著某些特異離子或溶質(zhì)跨膜的膜的濃度差濃度差時(shí)，能量就儲(chǔ)存于它的跨膜電時(shí)，能量就儲(chǔ)存于它的跨膜電化學(xué)梯度中。化學(xué)梯度中。這樣的膜稱為這樣的膜稱為“能勢(shì)膜能勢(shì)膜”(energize

7、d membranes)，其中所儲(chǔ)存的能量可用于其中所儲(chǔ)存的能量可用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的許多細(xì)胞的許多重要活性。重要活性。 能量傳遞能量傳遞轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化傳傳遞遞傳遞傳遞(4)細(xì)胞識(shí)別細(xì)胞識(shí)別(cell recognition(cell recognition) 細(xì)胞通過(guò)其表面的特殊細(xì)胞通過(guò)其表面的特殊受體與胞外信號(hào)受體與胞外信號(hào)物質(zhì)分子或物質(zhì)分子或配體選擇性地相互作用，觸發(fā)配體選擇性地相互作用，觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)一系列生理生化變一系列生理生化變化，最終導(dǎo)致細(xì)胞的總體生物學(xué)效應(yīng)相應(yīng)改變，這樣的化，最終導(dǎo)致細(xì)胞的總體生物學(xué)效應(yīng)相應(yīng)改變，這樣的過(guò)程稱為過(guò)程稱為細(xì)胞識(shí)別細(xì)胞識(shí)別。 多細(xì)胞生物是由許多種不同類型細(xì)

8、胞組成的細(xì)胞社多細(xì)胞生物是由許多種不同類型細(xì)胞組成的細(xì)胞社會(huì)，每個(gè)細(xì)胞既是獨(dú)立的生命單位，更是整體中的一員。會(huì)，每個(gè)細(xì)胞既是獨(dú)立的生命單位，更是整體中的一員。 因此要求在細(xì)胞之間建立和維持特殊的聯(lián)系，以便協(xié)因此要求在細(xì)胞之間建立和維持特殊的聯(lián)系，以便協(xié)調(diào)運(yùn)作，執(zhí)行整體功能。例如，調(diào)運(yùn)作，執(zhí)行整體功能。例如，質(zhì)膜質(zhì)膜上的某些離子通道上的某些離子通道或感受器蛋白能感知外部電信號(hào)；膜受體能識(shí)別并結(jié)合或感受器蛋白能感知外部電信號(hào)；膜受體能識(shí)別并結(jié)合具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的特殊配體分子，如激素、細(xì)胞因子、神具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的特殊配體分子，如激素、細(xì)胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)等。經(jīng)遞質(zhì)等。不同類型的細(xì)胞帶有不同的不同類型的細(xì)胞帶

9、有不同的受體受體，能對(duì)環(huán)境中不同，能對(duì)環(huán)境中不同配體的濃度變化作出相應(yīng)的響應(yīng)，包括配體的濃度變化作出相應(yīng)的響應(yīng)，包括改變胞內(nèi)改變胞內(nèi)代謝；調(diào)控細(xì)胞周期或細(xì)胞分裂、分化；趨化性代謝；調(diào)控細(xì)胞周期或細(xì)胞分裂、分化；趨化性運(yùn)動(dòng)；釋放某些離子或分泌某些物質(zhì)；以及向細(xì)運(yùn)動(dòng)；釋放某些離子或分泌某些物質(zhì)；以及向細(xì)胞下達(dá)凋亡指令等。胞下達(dá)凋亡指令等。 細(xì)胞表面的各種粘附分子介導(dǎo)細(xì)胞表面的各種粘附分子介導(dǎo)細(xì)胞之間細(xì)胞之間的相互的相互識(shí)別、粘附及相互作用。包括：識(shí)別、粘附及相互作用。包括：同種同類細(xì)胞同種同類細(xì)胞間的相互作用，如具有間的相互作用，如具有相同表面特征相同表面特征的細(xì)胞之間通過(guò)識(shí)別、粘合、聚集成器官；

10、的細(xì)胞之間通過(guò)識(shí)別、粘合、聚集成器官；同種異類細(xì)胞同種異類細(xì)胞的相互作用，如有性繁殖中配子的相的相互作用，如有性繁殖中配子的相互識(shí)別、粘結(jié)與融合；互識(shí)別、粘結(jié)與融合；異種異類細(xì)胞異種異類細(xì)胞間的相互作用，如病原菌或寄生菌與間的相互作用，如病原菌或寄生菌與寄主細(xì)胞間的相互識(shí)別與粘合。寄主細(xì)胞間的相互識(shí)別與粘合。細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間的細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間的識(shí)別與粘合識(shí)別與粘合近年來(lái)受近年來(lái)受到特別的關(guān)注，事實(shí)上胞外基質(zhì)中的許多到特別的關(guān)注，事實(shí)上胞外基質(zhì)中的許多組分還起著組分還起著信息分子信息分子的作用，可通過(guò)細(xì)胞的作用，可通過(guò)細(xì)胞表面受體向細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)表面受體向細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)

11、導(dǎo)系統(tǒng)傳入細(xì)胞內(nèi)，引起包括系統(tǒng)傳入細(xì)胞內(nèi)，引起包括存活、分化、存活、分化、遷移、凋亡等在內(nèi)的多種效應(yīng)。遷移、凋亡等在內(nèi)的多種效應(yīng)。圖圖3.1列舉了細(xì)胞識(shí)別的基本類型。列舉了細(xì)胞識(shí)別的基本類型。 細(xì)胞識(shí)別細(xì)胞識(shí)別（歸類與舉例）（歸類與舉例）對(duì)游離的大、對(duì)游離的大、小分子的識(shí)別小分子的識(shí)別神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)遞質(zhì)激素、細(xì)胞因子激素、細(xì)胞因子抗原抗原藥物藥物有害物質(zhì)有害物質(zhì)其它其它同種異類細(xì)同種異類細(xì)胞間的識(shí)別胞間的識(shí)別單細(xì)胞生物的接合單細(xì)胞生物的接合動(dòng)物的受精過(guò)程動(dòng)物的受精過(guò)程植物的受粉、受精過(guò)程植物的受粉、受精過(guò)程免疫細(xì)胞的作用免疫細(xì)胞的作用同種同類細(xì)同種同類細(xì)胞間的識(shí)別胞間的識(shí)別低等生物細(xì)胞聚集低等生

12、物細(xì)胞聚集高等生物胚胎發(fā)育和分化高等生物胚胎發(fā)育和分化凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集異種異類細(xì)異種異類細(xì)胞間的識(shí)別胞間的識(shí)別細(xì)菌感染和真菌感染細(xì)菌感染和真菌感染固氮菌對(duì)寄主植物的感染固氮菌對(duì)寄主植物的感染各種共生寄生過(guò)程各種共生寄生過(guò)程異種（異體異種（異體）同類細(xì)胞）同類細(xì)胞間的識(shí)別間的識(shí)別輸血輸血器官移植器官移植細(xì)胞細(xì)胞- -細(xì)胞間細(xì)胞間的識(shí)別的識(shí)別細(xì)胞細(xì)胞- -基質(zhì)的識(shí)基質(zhì)的識(shí)別別圖圖3.1 3.1 細(xì)胞對(duì)化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別細(xì)胞對(duì)化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別3.2. 生物膜的化學(xué)組成與性質(zhì)生物膜的化學(xué)組成與性質(zhì) 所有生物膜幾乎都是由所有生物膜幾乎都是由蛋白質(zhì)和脂類蛋白質(zhì)和脂類兩大物質(zhì)組成。尚含兩大物質(zhì)

13、組成。尚含有少量糖、金屬離子和水（有少量糖、金屬離子和水（15%-20%） 生物膜是生物膜是類脂與蛋白質(zhì)類脂與蛋白質(zhì)( (包括酶包括酶) )通過(guò)非共價(jià)鍵組通過(guò)非共價(jià)鍵組裝成的薄片狀超分子聚合體。大多數(shù)膜還含有某些糖裝成的薄片狀超分子聚合體。大多數(shù)膜還含有某些糖類物質(zhì)，膜上有結(jié)合態(tài)的結(jié)構(gòu)水，以及某些膜蛋白結(jié)類物質(zhì)，膜上有結(jié)合態(tài)的結(jié)構(gòu)水，以及某些膜蛋白結(jié)合的金屬離子。膜的組成尤其是膜脂與蛋白質(zhì)的比例，合的金屬離子。膜的組成尤其是膜脂與蛋白質(zhì)的比例，因膜的種類不同而有很大差別因膜的種類不同而有很大差別( (表表3.1)3.1)。 通常膜中蛋白質(zhì)含量越多，其功能越復(fù)雜多樣，通常膜中蛋白質(zhì)含量越多，其功

14、能越復(fù)雜多樣，如線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)含量超過(guò)如線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)含量超過(guò)75%75%。同樣，功能越簡(jiǎn)單。同樣，功能越簡(jiǎn)單的膜蛋白質(zhì)含量越少，如神經(jīng)髓鞘主要作用就是絕緣，的膜蛋白質(zhì)含量越少，如神經(jīng)髓鞘主要作用就是絕緣，只有只有3 3種蛋白，僅占膜重量的種蛋白，僅占膜重量的18%18%。膜的類別膜的類別蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂類脂類糖類糖類蛋白質(zhì)脂類蛋白質(zhì)脂類神經(jīng)髓鞘神經(jīng)髓鞘187930.23人紅細(xì)胞質(zhì)膜人紅細(xì)胞質(zhì)膜494381.0小鼠肝細(xì)胞質(zhì)膜小鼠肝細(xì)胞質(zhì)膜4452(510)0.85嗜鹽菌紫膜嗜鹽菌紫膜752503.0內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜673302.0線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜7624(12)3.2菠菜葉綠體片層膜菠菜

15、葉綠體片層膜703002.3表3.1 生物膜的化學(xué)組成(%) 質(zhì)膜線粒體內(nèi)膜線粒體外膜溶酶體細(xì)胞核粗面ER滑面ER高爾基體膽固醇膽固醇心磷脂心磷脂小脂類小脂類鞘磷脂鞘磷脂卵磷脂卵磷脂腦磷脂腦磷脂F(xiàn)IGURE Lipid composition of the plasma membrane and organellemembranes of a rat hepatocyte. （大鼠肝細(xì)胞大鼠肝細(xì)胞）3.2.1 膜脂膜脂 大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜約含大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜約含50%50%的脂類，據(jù)估算一個(gè)小的動(dòng)的脂類，據(jù)估算一個(gè)小的動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜約有物細(xì)胞的質(zhì)膜約有10109 9個(gè)類脂分子。構(gòu)成生物膜的脂

16、類有磷脂、個(gè)類脂分子。構(gòu)成生物膜的脂類有磷脂、糖脂、膽固醇等。其中以磷脂為主要組分，分布很廣泛。糖脂、膽固醇等。其中以磷脂為主要組分，分布很廣泛。 磷脂、少量糖脂和膽固醇的總稱，其中以磷脂為主要成分磷脂、少量糖脂和膽固醇的總稱，其中以磷脂為主要成分。3.2.1.1 3.2.1.1 磷脂磷脂(phospholipids,PL)(phospholipids,PL) 生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂：氨醇磷脂：其中磷脂約占整個(gè)膜脂的其中磷脂約占整個(gè)膜脂的50以上。以上。 磷脂磷脂甘油磷脂甘油磷脂鞘脂類鞘脂類鞘磷脂鞘磷脂鞘糖脂鞘糖脂非極非極性，不易溶于水

17、性，不易溶于水稱稱非極性尾非極性尾極極性，易溶于水性，易溶于水稱稱極性頭極性頭（1 1）甘油磷脂）甘油磷脂(glycerophospholipid)極性醇極性醇基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 甘油磷脂甘油磷脂(phosphoglycerides)(phosphoglycerides)： 甘油骨架中甘油骨架中sn-1,2sn-1,2位位羥基羥基分別與兩個(gè)分別與兩個(gè)脂肪酸酯化脂肪酸酯化，sn-3sn-3位羥基與位羥基與磷酸磷酸生成酯，就成了最簡(jiǎn)單的甘油磷脂生成酯，就成了最簡(jiǎn)單的甘油磷脂磷磷脂酸脂酸(phosphatidic acid,PA)(phosphatidic acid,PA)；磷脂酸的磷酸基再連接其；磷

18、脂酸的磷酸基再連接其它它極性基團(tuán)極性基團(tuán)就形成各種甘油磷脂，就形成各種甘油磷脂，如如:磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine, PC)、磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)、磷脂酰甘油磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol, PG)、磷脂酰絲氨酸磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine, PS),磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)和雙磷脂酰甘油和雙磷脂酰甘油(diphosphatidylglycerol, DPG)或心磷脂或心磷脂(cardiolipin, CL)

19、。常見(jiàn)的甘油磷脂常見(jiàn)的甘油磷脂磷脂酰膽堿磷脂酰膽堿磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰絲氨酸磷脂酰甘油磷脂酰甘油心磷脂心磷脂磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇肌醇乙醇胺磷脂酰膽堿雙磷脂酰甘油(2)鞘氨醇磷脂鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)： 由鞘氨醇的氨基連接長(zhǎng)鏈脂肪酰鏈構(gòu)成由鞘氨醇的氨基連接長(zhǎng)鏈脂肪酰鏈構(gòu)成神經(jīng)酰胺，它的羥基再與磷酸基和親水基團(tuán)神經(jīng)酰胺，它的羥基再與磷酸基和親水基團(tuán)相連，就形成鞘氨醇磷脂，如神經(jīng)酰胺與磷相連，就形成鞘氨醇磷脂，如神經(jīng)酰胺與磷酸膽堿組成鞘磷脂酸膽堿組成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph)(sphingomyelin,Sph)鞘磷脂可水解為磷

20、酸、膽堿、鞘磷脂可水解為磷酸、膽堿、(神經(jīng)神經(jīng))鞘氨醇、鞘氨醇、二氫二氫(神經(jīng)神經(jīng))鞘氨醇鞘氨醇及脂肪酸。及脂肪酸。 鞘氨醇)鞘磷脂N脂酰鞘氨醇鞘氨醇是一個(gè)有鞘氨醇是一個(gè)有18個(gè)碳的氨基個(gè)碳的氨基二醇，已發(fā)現(xiàn)的鞘氨醇類有二醇，已發(fā)現(xiàn)的鞘氨醇類有幾十種，它們的碳原子和羥幾十種，它們的碳原子和羥基數(shù)目均有變化。基數(shù)目均有變化。鞘氨醇的氨基與一長(zhǎng)鏈脂肪鞘氨醇的氨基與一長(zhǎng)鏈脂肪酸酸(C16C26)的?；纬删叩孽；纬删哂袃蓚€(gè)非極性尾部的化合有兩個(gè)非極性尾部的化合物，物，稱為神經(jīng)酰胺稱為神經(jīng)酰胺(ceramide)。 鞘氨醇(神經(jīng))鞘磷脂 (3)磷脂中的脂肪酰鏈：磷脂中的脂肪酰鏈：9.30 甘油磷脂和

21、鞘氨醇磷脂都是兩親性分子，既有甘油磷脂和鞘氨醇磷脂都是兩親性分子，既有親水的頭部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的親水的頭部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的脂肪酰鏈都是長(zhǎng)的不分枝的疏水性烴鏈。脂肪酰鏈都是長(zhǎng)的不分枝的疏水性烴鏈。 這些脂?；奶蓟訑?shù)從這些脂酰基的碳基子數(shù)從12-26，雙鏈數(shù)從，雙鏈數(shù)從0-5。sn-2位通常是一個(gè)多烯脂?；煌ǔＪ且粋€(gè)多烯脂?；?，sn-1位則多為飽位則多為飽和脂?；?。和脂?；?。天然脂酰鏈天然脂酰鏈中的雙鍵多為中的雙鍵多為cis構(gòu)型，在構(gòu)型，在烴鏈中形成的約烴鏈中形成的約44的折角，因而比相同碳原子的折角，因而比相同碳原子數(shù)的飽和脂肪酸和數(shù)的飽和脂肪酸和tran

22、s構(gòu)型的不飽和脂肪酸的烴構(gòu)型的不飽和脂肪酸的烴鏈較短而分子覆蓋面積大。鏈較短而分子覆蓋面積大。 脂?；鶡N鏈的長(zhǎng)度和分子面積對(duì)脂酰基烴鏈的長(zhǎng)度和分子面積對(duì)生物膜生物膜的特性有的特性有重要影響。重要影響。Cis 9 - Octadecenoic Acid (oleic) Trans 9 - Octadecenoic Acid (elaidic acid) OCH3(CH2)7 C C (CH2)7 C OHHH910 OCH3(CH2)7 C C (CH2)7 C OHHH（油酸）（油酸）（反油酸反油酸） R CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 C OHO765431、順式2、不共軛-

23、孤立雙鍵。3、偶數(shù)脂肪酸。飽和飽和(4) 磷脂的電荷特性磷脂的電荷特性： 極性頭由帶負(fù)電荷的磷酸基與帶電荷或不帶電荷極性頭由帶負(fù)電荷的磷酸基與帶電荷或不帶電荷的極性基團(tuán)組成，決定整個(gè)磷脂的電荷特性。的極性基團(tuán)組成，決定整個(gè)磷脂的電荷特性。PCPC磷脂磷脂酰膽堿酰膽堿頭部的磷酸基帶一個(gè)負(fù)電荷，膽堿季銨鹽帶一頭部的磷酸基帶一個(gè)負(fù)電荷，膽堿季銨鹽帶一個(gè)正電荷，在生理個(gè)正電荷，在生理pHpH下呈電中性，是下呈電中性，是兼性離子兼性離子(zwitterionic)(zwitterionic)。 PEPE和和SphSph與與PCPC電荷特性相似。電荷特性相似。PSPS頭部磷酸基和頭部磷酸基和絲氨酸的羧基各

24、帶一個(gè)負(fù)電荷，質(zhì)子化的氨基帶一絲氨酸的羧基各帶一個(gè)負(fù)電荷，質(zhì)子化的氨基帶一個(gè)正電荷，在生理?xiàng)l件下呈負(fù)電荷。個(gè)正電荷，在生理?xiàng)l件下呈負(fù)電荷。PGPG、PIPI、DPG(CL)DPG(CL)頭部磷酸基帶一個(gè)負(fù)電荷，極性基團(tuán)不帶頭部磷酸基帶一個(gè)負(fù)電荷，極性基團(tuán)不帶電，因而也呈負(fù)電荷。各種磷脂的組成和極性頭的電，因而也呈負(fù)電荷。各種磷脂的組成和極性頭的結(jié)構(gòu)不同，這些差異對(duì)生物膜的功能有重要意義。結(jié)構(gòu)不同，這些差異對(duì)生物膜的功能有重要意義。磷脂實(shí)際的電荷狀況取決于環(huán)境磷脂實(shí)際的電荷狀況取決于環(huán)境pHpH與其與其pIpI值之差。值之差。 葡糖腦苷脂 半乳糖苷甘油膽堿乙醇胺,氨基乙醇,膽胺.維生素鞘氨醇膽堿

25、甘油3.2.1.2 糖脂糖脂(glycolipids)糖脂約占膜脂總量的糖脂約占膜脂總量的5以上，在神經(jīng)細(xì)胞質(zhì)以上，在神經(jīng)細(xì)胞質(zhì)膜上糖脂約占膜上糖脂約占510。目前已發(fā)現(xiàn)目前已發(fā)現(xiàn)40余種糖脂，不同的細(xì)胞中所含余種糖脂，不同的細(xì)胞中所含糖脂的種類不同，以腦苷脂為主。糖脂的種類不同，以腦苷脂為主。 植物細(xì)胞膜的脂質(zhì)多為糖脂。植物細(xì)胞膜的脂質(zhì)多為糖脂。膜糖脂又分成三類：膜糖脂又分成三類：甘油糖脂甘油糖脂（glyceroglycolipidsglyceroglycolipids），二?；视吞腔模?，二酰基甘油糖基化的產(chǎn)物；產(chǎn)物；中性糖鞘脂和酸性糖鞘中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神經(jīng)酰胺糖基化，二

26、者都是神經(jīng)酰胺糖基化的產(chǎn)物。的產(chǎn)物。 甘油糖脂分子中甘油甘油糖脂分子中甘油sn-1sn-1和和sn-2sn-2位均被酯化，位均被酯化，sn-3sn-3位連位連接親水的糖基，如接親水的糖基，如單半乳糖二酰甘油單半乳糖二酰甘油(monogalactose (monogalactose diacylglycerol,MGDG)diacylglycerol,MGDG)，頭部為不帶電荷的糖基。如果糖，頭部為不帶電荷的糖基。如果糖基被硫酸化，在生理基被硫酸化，在生理pHpH下會(huì)帶負(fù)電荷，例如葉綠體類囊體下會(huì)帶負(fù)電荷，例如葉綠體類囊體膜中的膜中的6-6-磺基磺基-D-D-異鼠李糖二?；视彤愂罄钐嵌；视?/p>

27、(SQDG)(SQDG)。 中性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羥基氧與不帶電荷的糖基中性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羥基氧與不帶電荷的糖基通過(guò)糖苷鍵相連，如通過(guò)糖苷鍵相連，如半乳糖腦苷脂半乳糖腦苷脂(galactocerebroside(galactocerebroside) )。腦苷脂是動(dòng)、植物細(xì)胞質(zhì)膜中主要的鞘脂，一般定位于脂腦苷脂是動(dòng)、植物細(xì)胞質(zhì)膜中主要的鞘脂，一般定位于脂雙分子層的外葉。雙分子層的外葉。 鞘糖脂鞘糖脂(glycosphingolipids)神經(jīng)酰胺是構(gòu)成鞘脂類的母體結(jié)構(gòu)。若鞘氨醇神經(jīng)酰胺是構(gòu)成鞘脂類的母體結(jié)構(gòu)。若鞘氨醇C1上的羥基與一個(gè)單糖（葡萄糖或半乳糖）上的羥基與一個(gè)單糖（葡萄糖

28、或半乳糖）相連時(shí)，則形成鞘糖脂。相連時(shí)，則形成鞘糖脂。因這些鞘糖脂存在于腦和神經(jīng)組織中，故統(tǒng)稱因這些鞘糖脂存在于腦和神經(jīng)組織中，故統(tǒng)稱為腦苷脂和神經(jīng)節(jié)苷脂。為腦苷脂和神經(jīng)節(jié)苷脂。若在半乳糖腦苷脂中半乳糖的若在半乳糖腦苷脂中半乳糖的C3位上與硫酸分位上與硫酸分子以硫酯鍵相連，則形成腦硫脂。子以硫酯鍵相連，則形成腦硫脂。鞘糖脂中有一類稱為神經(jīng)節(jié)苷脂，這些脂類除鞘糖脂中有一類稱為神經(jīng)節(jié)苷脂，這些脂類除了含糖分子外，它的極性頭部還含有一個(gè)或了含糖分子外，它的極性頭部還含有一個(gè)或多個(gè)分子多個(gè)分子N-乙酰神經(jīng)氨酸乙酰神經(jīng)氨酸(N-acetylneuraminic acid)，即唾液酸，即唾液酸(siali

29、cacid)。NH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3COOOCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CHCH2CHCHOHCHCH2CH3CH2OH非極性尾非極性尾極極性性頭頭磷酸膽堿（或磷酸膽胺）糖糖 脂脂鞘磷脂鞘磷脂單糖及單糖聚合物這部分神經(jīng)節(jié)苷脂類在這部分神經(jīng)節(jié)苷脂類在pH=7時(shí)帶負(fù)電荷。時(shí)帶負(fù)電荷。人的神經(jīng)節(jié)苷脂類中有豐富的唾液酸。人的神經(jīng)節(jié)苷脂類中有豐富的唾液酸。腦灰質(zhì)腦灰質(zhì)含有豐富的神經(jīng)節(jié)苷脂類，構(gòu)成全部脂類的含有豐富的神經(jīng)節(jié)苷脂類，構(gòu)成全部脂類的6，非神經(jīng)組織如紅細(xì)胞、脾、

30、肝和腎等，非神經(jīng)組織如紅細(xì)胞、脾、肝和腎等組織中也含有少量的神經(jīng)節(jié)苷脂類。組織中也含有少量的神經(jīng)節(jié)苷脂類。不同的神經(jīng)節(jié)苷脂類所含的六碳糖以及唾液酸不同的神經(jīng)節(jié)苷脂類所含的六碳糖以及唾液酸的數(shù)目及位置各不相同。的數(shù)目及位置各不相同。在已分離出的神經(jīng)節(jié)苷脂類中，幾乎所有各類在已分離出的神經(jīng)節(jié)苷脂類中，幾乎所有各類都有一葡萄糖基與神經(jīng)酰胺以糖苷鍵相連。都有一葡萄糖基與神經(jīng)酰胺以糖苷鍵相連。 鞘糖脂鞘糖脂是動(dòng)物細(xì)胞膜的組分。雖然在細(xì)胞膜中是動(dòng)物細(xì)胞膜的組分。雖然在細(xì)胞膜中含量很少，但它在行使生物膜的功能方面具含量很少，但它在行使生物膜的功能方面具有重要的意義。神經(jīng)節(jié)苷脂類在神經(jīng)末梢含有重要的意義。神經(jīng)

31、節(jié)苷脂類在神經(jīng)末梢含量非常豐富，可能它在神經(jīng)突觸的傳導(dǎo)中起量非常豐富，可能它在神經(jīng)突觸的傳導(dǎo)中起著重要作用。著重要作用。3.2.1.3 類固醇類固醇(steroids) 膽固醇膽固醇(cholesterol, Ch)(cholesterol, Ch)是最常見(jiàn)的是最常見(jiàn)的類固醇類固醇，某些動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜中膽固醇的含量約占總脂的某些動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜中膽固醇的含量約占總脂的50%50%。膽固醇分子量相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)也不同于其它膜脂，膽固醇分子量相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)也不同于其它膜脂，它沒(méi)有長(zhǎng)的烴鏈，羥基構(gòu)成它的親水頭，帶有短的它沒(méi)有長(zhǎng)的烴鏈，羥基構(gòu)成它的親水頭，帶有短的烴鏈的烴鏈的環(huán)戊烷多氫菲環(huán)戊烷多氫菲環(huán)形核構(gòu)成

32、它扁平的疏水部分。環(huán)形核構(gòu)成它扁平的疏水部分。大多數(shù)植物和細(xì)菌的質(zhì)膜中不含膽固醇，但植物細(xì)大多數(shù)植物和細(xì)菌的質(zhì)膜中不含膽固醇，但植物細(xì)胞質(zhì)膜含有谷固醇和麥角固醇。胞質(zhì)膜含有谷固醇和麥角固醇。 烴基鏈極性類固醇 谷固醇膽固醇 豆固醇油菜固醇谷固醇 類固醇類固醇是動(dòng)、植物細(xì)胞膜的重要組分，對(duì)膜的是動(dòng)、植物細(xì)胞膜的重要組分，對(duì)膜的特性產(chǎn)生顯著的影響。特性產(chǎn)生顯著的影響。 質(zhì)膜中質(zhì)膜中膽固醇膽固醇含量大大高于內(nèi)膜系統(tǒng)。膽固醇的含量大大高于內(nèi)膜系統(tǒng)。膽固醇的頭部?jī)H一個(gè)羥基，親水性明顯較弱。頭部?jī)H一個(gè)羥基，親水性明顯較弱。 在膜中在膜中膽固醇膽固醇的羥基與磷脂極性頭相連系，環(huán)戊的羥基與磷脂極性頭相連系，環(huán)

33、戊烷多氫菲的四個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其連接的三個(gè)烴鏈與磷脂烷多氫菲的四個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其連接的三個(gè)烴鏈與磷脂疏水尾巴平行排列，它的疏水尾巴平行排列，它的1818、1919位兩個(gè)位兩個(gè)-CH-CH3 3嵌入磷脂嵌入磷脂分子不飽和脂?；樖诫p鍵形成的立體化學(xué)上的溝槽分子不飽和脂?；樖诫p鍵形成的立體化學(xué)上的溝槽中。中。膽固醇膽固醇一方面提高膜的剛性和微粘度，另一一方面提高膜的剛性和微粘度，另一方面它的烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又能增加膜的方面它的烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又能增加膜的局部微區(qū)的無(wú)序性，使膜流動(dòng)性增加。局部微區(qū)的無(wú)序性，使膜流動(dòng)性增加。類固醇類固醇對(duì)膜的這種雙向調(diào)整和穩(wěn)定作用使生對(duì)膜的這種雙向調(diào)整和穩(wěn)定作用使生物膜在

34、較寬的溫度范圍物膜在較寬的溫度范圍(3040)內(nèi)行使內(nèi)行使功能。類固醇還通過(guò)與一些功能。類固醇還通過(guò)與一些膜蛋白膜蛋白的相互的相互作用調(diào)節(jié)其功能，對(duì)膜的生物合成及細(xì)胞作用調(diào)節(jié)其功能，對(duì)膜的生物合成及細(xì)胞生長(zhǎng)有重要的影響。生長(zhǎng)有重要的影響。膽固醇卵磷脂 磷脂酰乙醇胺 生物膜生物膜脂脂 質(zhì)質(zhì) 組組 成成 （%）PAPCPEPGPIPSDPGSph 膽固醇膽固醇 糖脂糖脂人紅細(xì)胞質(zhì)膜人紅細(xì)胞質(zhì)膜1.51918018.5017.52510E.coli細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞質(zhì)膜0065180012000人髓鞘膜人髓鞘膜0.51020008.508.52626大鼠肝細(xì)胞質(zhì)大鼠肝細(xì)胞質(zhì)膜膜11811-49-1430-

35、糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜-5516-83-36-光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜-5521-6.7-1.91210-線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜0.74524261182.53-線粒體外膜線粒體外膜1.330252.51323.555-核膜核膜15520-73-310-Golgi膜膜-4015-63.5-107.5-溶酶體膜溶酶體膜-2513-7-52414-表3.2 幾種膜的脂質(zhì)組成 3.2.1.4 膜脂組織的多態(tài)性膜脂組織的多態(tài)性 生物膜生物膜3 3種主要脂類種主要脂類磷脂、糖脂和類固醇磷脂、糖脂和類固醇的分子結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，但都是兩親性分子，即同時(shí)的分子結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，但都是兩親性分子，即同時(shí)具有親水的頭部

36、和疏水的尾巴兩部分。具有親水的頭部和疏水的尾巴兩部分。NH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3COOOCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CHCH2CHCHOHCHCH2CH3CH2OH非 極 性非 極 性尾尾極極性性頭頭磷酸膽堿（或磷酸膽胺）糖糖 脂脂鞘磷鞘磷脂脂單糖及單糖聚合物圖3.2 磷脂分子在水溶液中存在的幾種結(jié)構(gòu)形式以磷脂為例，以磷脂為例，當(dāng)把當(dāng)把磷脂磷脂加入水中，加入水中，如圖如圖3.2所示，只有極少數(shù)分子以所示，只有極少數(shù)分子以單體形式游離存在；在水空氣界單體形式游離存在

37、；在水空氣界面上的磷脂傾向于形成單分子層，面上的磷脂傾向于形成單分子層，極性頭與水接觸，疏水的尾巴伸向極性頭與水接觸，疏水的尾巴伸向空氣；如果加入的磷脂較多，水空氣；如果加入的磷脂較多，水空氣界面已經(jīng)達(dá)到飽和，其余的磷空氣界面已經(jīng)達(dá)到飽和，其余的磷脂就以微團(tuán)或雙分子層形式存在。脂就以微團(tuán)或雙分子層形式存在。在疏水作用的驅(qū)動(dòng)和在疏水作用的驅(qū)動(dòng)和Van der Waals引力作用下，磷脂分子的極引力作用下，磷脂分子的極性頭與水相接觸，疏水尾巴彼此靠性頭與水相接觸，疏水尾巴彼此靠近，將水從附近排除。磷脂在水中近，將水從附近排除。磷脂在水中形成脂雙層結(jié)構(gòu)是個(gè)自組裝過(guò)程，形成脂雙層結(jié)構(gòu)是個(gè)自組裝過(guò)程，并

38、進(jìn)一步自我封合為并進(jìn)一步自我封合為雙層微囊雙層微囊(脂脂質(zhì)體，質(zhì)體，liposome)。具有兩親性的脂類分子在水環(huán)境中的聚集模式形成雙分子層是由膜脂本身的性質(zhì)決定的微團(tuán)雙層脂質(zhì)體脂單位為圓柱型（頭部的截面與側(cè)鏈的相同）水腔圖3.3 可能存在的幾種相結(jié)構(gòu)3.2.2 膜蛋白膜蛋白 (membrane proteins)生物膜的功能主要由膜蛋白承擔(dān)。膜蛋白與膜脂生物膜的功能主要由膜蛋白承擔(dān)。膜蛋白與膜脂分子共同維持膜的分子共同維持膜的完整性、多樣性和不對(duì)稱性完整性、多樣性和不對(duì)稱性。通。通常，細(xì)胞質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)主要與涉及胞外環(huán)境的細(xì)常，細(xì)胞質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)主要與涉及胞外環(huán)境的細(xì)胞活力有關(guān)，而細(xì)胞內(nèi)膜系

39、統(tǒng)的蛋白質(zhì)則主要與代胞活力有關(guān)，而細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的蛋白質(zhì)則主要與代謝活動(dòng)有關(guān)。謝活動(dòng)有關(guān)。有的膜蛋白發(fā)揮酶的作用，有的膜蛋白行使信息傳有的膜蛋白發(fā)揮酶的作用，有的膜蛋白行使信息傳遞或能量轉(zhuǎn)換功能，有的構(gòu)成細(xì)胞膜的骨架，有的遞或能量轉(zhuǎn)換功能，有的構(gòu)成細(xì)胞膜的骨架，有的則參與細(xì)胞識(shí)別。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，膜蛋白的功能不則參與細(xì)胞識(shí)別。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，膜蛋白的功能不僅取決于自身固有的結(jié)構(gòu)，生物膜構(gòu)成的僅取決于自身固有的結(jié)構(gòu)，生物膜構(gòu)成的特殊特殊環(huán)境環(huán)境對(duì)膜蛋白形成并保持正確的構(gòu)象起著不可或缺的作對(duì)膜蛋白形成并保持正確的構(gòu)象起著不可或缺的作用。用。圖圖3.4 3.4 膜蛋白與脂雙層結(jié)合的幾種方式膜蛋白與脂雙層結(jié)

40、合的幾種方式大部分跨膜蛋白以單一大部分跨膜蛋白以單一-螺旋橫過(guò)脂雙層或以多個(gè)螺旋橫過(guò)脂雙層或以多個(gè)-螺旋橫過(guò)脂雙層螺旋橫過(guò)脂雙層；這些單次通過(guò)或多次通過(guò)的蛋白，有一些具共價(jià)結(jié)合的脂肪酸鏈插入細(xì)胞；這些單次通過(guò)或多次通過(guò)的蛋白，有一些具共價(jià)結(jié)合的脂肪酸鏈插入細(xì)胞質(zhì)面的脂單層，其他膜蛋白通過(guò)共價(jià)連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯質(zhì)面的脂單層，其他膜蛋白通過(guò)共價(jià)連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯基團(tuán)，插入脂雙層（細(xì)胞質(zhì)面的單層），或不常發(fā)生的，經(jīng)寡糖連到較小基團(tuán)，插入脂雙層（細(xì)胞質(zhì)面的單層），或不常發(fā)生的，經(jīng)寡糖連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞質(zhì)面的單層，許多蛋白質(zhì)通過(guò)非共價(jià)鍵與其的磷脂、磷脂酰肌醇，

41、在非胞質(zhì)面的單層，許多蛋白質(zhì)通過(guò)非共價(jià)鍵與其他膜蛋白相互作用連到膜上，和（仿他膜蛋白相互作用連到膜上，和（仿B. AlbertsB. Alberts等，等，19941994）外周蛋白糖基化磷脂酰肌醇（GPI）錨定蛋白 3.2.2.1 3.2.2.1 整合蛋白整合蛋白(integral proteins)(integral proteins)或內(nèi)在蛋白或內(nèi)在蛋白(intrinsic proteins) (intrinsic proteins) 整合蛋白一般約占膜蛋白的整合蛋白一般約占膜蛋白的707080%80%。這些膜蛋白。這些膜蛋白嵌入脂雙層，與脂雙層疏水核緊密結(jié)合，整合于脂雙層嵌入脂雙層，與

42、脂雙層疏水核緊密結(jié)合，整合于脂雙層結(jié)構(gòu)之中，只有用氯仿等有機(jī)溶劑或結(jié)構(gòu)之中，只有用氯仿等有機(jī)溶劑或SDSSDS、膽酸鹽、膽酸鹽、Triton X-100Triton X-100等去垢劑破壞脂雙層結(jié)構(gòu)后才能將其分離等去垢劑破壞脂雙層結(jié)構(gòu)后才能將其分離出來(lái)。多數(shù)整合蛋白都是出來(lái)。多數(shù)整合蛋白都是跨膜蛋白跨膜蛋白(transmembrane (transmembrane proteins)proteins)，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有極少數(shù)整合蛋白以部分肽鏈插入脂雙層疏水核，并不穿極少數(shù)整合蛋白以部分肽鏈插入脂雙層疏水核，并不穿透脂雙層，僅在膜一側(cè)暴露

43、透脂雙層，僅在膜一側(cè)暴露( (如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細(xì)胞色素如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細(xì)胞色素b b5 5) )，稱為，稱為錨定蛋白錨定蛋白(anchored(anchored或或monotopic proteins)monotopic proteins)。有的跨膜蛋白亞基進(jìn)一步聚集成有的跨膜蛋白亞基進(jìn)一步聚集成寡聚體寡聚體( (圖圖3.5)3.5)?？缒さ鞍捉Y(jié)構(gòu)域兩端的跨膜蛋白結(jié)構(gòu)域兩端的Arg、Lys等攜帶正電等攜帶正電荷，與帶負(fù)電荷的磷脂分子極性頭形成離荷，與帶負(fù)電荷的磷脂分子極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電荷的氨基酸殘基通過(guò)子鍵，或帶負(fù)電荷的氨基酸殘基通過(guò)Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與帶負(fù)電荷的磷酸極性頭相等陽(yáng)離

44、子與帶負(fù)電荷的磷酸極性頭相互作用。互作用。跨膜結(jié)構(gòu)域含有跨膜結(jié)構(gòu)域含有20個(gè)左右的個(gè)左右的疏水疏水氨基酸殘基，氨基酸殘基，形成形成 -螺旋，其外部螺旋，其外部疏水疏水側(cè)鏈通過(guò)范德華側(cè)鏈通過(guò)范德華力與脂質(zhì)雙層分子脂肪酸鏈相互作用。力與脂質(zhì)雙層分子脂肪酸鏈相互作用。螺旋，跨膜蛋白膜蛋白與磷脂雙分子層結(jié)合的幾種方式膜蛋白與磷脂雙分子層結(jié)合的幾種方式雙分子層雙分子層胞液7個(gè)跨膜肽段膜蛋白光合細(xì)菌光反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)有些整合蛋白以其若干個(gè)兩親有些整合蛋白以其若干個(gè)兩親性性-螺旋組成跨膜的親水通道，螺旋組成跨膜的親水通道，每個(gè)螺旋以含有較多每個(gè)螺旋以含有較多疏水疏水殘基殘基的一面朝向的一面朝向脂脂雙層，而以主

45、要雙層，而以主要由由親水親水殘基組成的另一面朝向殘基組成的另一面朝向孔道孔道，相鄰的螺旋間可通過(guò)氫，相鄰的螺旋間可通過(guò)氫鏈相互聯(lián)系。鏈相互聯(lián)系。 肽聚糖質(zhì)膜3.2.2.2 3.2.2.2 外周蛋白外周蛋白(peripheral proteins)(peripheral proteins)或外在或外在蛋白蛋白(extrinsic proteins (extrinsic proteins ) 這類蛋白質(zhì)定位于脂雙層的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，即質(zhì)膜這類蛋白質(zhì)定位于脂雙層的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，即質(zhì)膜的胞漿面或細(xì)胞表面，它們通過(guò)離子鍵、氫鍵等非共的胞漿面或細(xì)胞表面，它們通過(guò)離子鍵、氫鍵等非共價(jià)鍵不太緊密地與暴露在膜外的膜脂

46、分子極性頭或整價(jià)鍵不太緊密地與暴露在膜外的膜脂分子極性頭或整合蛋白的親水部分相聯(lián)系，容易用離子強(qiáng)度較高或合蛋白的親水部分相聯(lián)系，容易用離子強(qiáng)度較高或pHpH較高的溶液將它們從膜上分離出來(lái)。較高的溶液將它們從膜上分離出來(lái)。 外周蛋白約占膜蛋白總量的外周蛋白約占膜蛋白總量的2030，為水溶性蛋白。為水溶性蛋白。外周蛋白外周蛋白以靜電作用或離子鍵等較弱的鍵與膜表面結(jié)合。提高以靜電作用或離子鍵等較弱的鍵與膜表面結(jié)合。提高離子強(qiáng)度、離子強(qiáng)度、pH或溫度就可將其從質(zhì)膜上分離下來(lái)，而不破壞膜或溫度就可將其從質(zhì)膜上分離下來(lái)，而不破壞膜結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 外周蛋白常以共價(jià)結(jié)合的脂?；庵艿鞍壮Ｒ怨矁r(jià)結(jié)合的脂?；?如棕

47、櫚酰、豆蔻酰如棕櫚酰、豆蔻酰)、異戊、異戊烯基烯基(如牻牛兒基、法尼基如牻牛兒基、法尼基)或糖肌醇磷脂酰基，插入膜脂雙或糖肌醇磷脂酰基，插入膜脂雙層，也稱為層，也稱為膜錨蛋白膜錨蛋白(membrane anchoring protein)。圖圖3.7 3.7 紅細(xì)胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接的紅細(xì)胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接的示意圖示意圖 結(jié)合在整合蛋白上的外周蛋白又稱為結(jié)合在整合蛋白上的外周蛋白又稱為膜聯(lián)膜聯(lián)系蛋白系蛋白(associated membrane proteins)，典型代表之一是結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外側(cè)的典型代表之一是結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外側(cè)的Cytc。 另一類稱為另一類稱為骨架膜蛋白骨架膜

48、蛋白(skeletal membrane proteins)的外周蛋白定位于質(zhì)的外周蛋白定位于質(zhì)膜胞漿一側(cè)的表面，形成纖維網(wǎng)架，起膜膜胞漿一側(cè)的表面，形成纖維網(wǎng)架，起膜骨架作用，不僅為膜提供機(jī)械支持，同時(shí)骨架作用，不僅為膜提供機(jī)械支持，同時(shí)也是固定整合蛋白的鉚釘。也是固定整合蛋白的鉚釘。 錨蛋白血影蛋白聯(lián)接復(fù)合體（肌動(dòng)蛋白）氯-碳酸氫根交換蛋白 紅細(xì)胞中的血影蛋白血影蛋白(spectrin)就是質(zhì)膜骨架質(zhì)膜骨架膜蛋白膜蛋白的主要組分，其長(zhǎng)約100 nm的柔性纖維狀蛋白，兩個(gè)亞基和互相纏繞成異源二聚體細(xì)絲異源二聚體細(xì)絲，再頭對(duì)頭連接成長(zhǎng)200 nm的四聚體，45個(gè)四聚體共同結(jié)合于短的微絲或其它細(xì)

49、骨架膜蛋白微絲或其它細(xì)骨架膜蛋白、原肌球蛋白等組成的連接復(fù)合體，最后在質(zhì)膜內(nèi)表面構(gòu)成可變形的網(wǎng)絡(luò)骨架網(wǎng)絡(luò)骨架。這些連接把膜骨架結(jié)合到膜上，對(duì)于維持膜的完整性、適當(dāng)?shù)膭傂院腿犴g性都很重要；同時(shí)把整合蛋白錨定在膜上，限制其在膜中的擴(kuò)散速率。 某些遺傳性溶血性貧血患者的紅細(xì)胞形狀異某些遺傳性溶血性貧血患者的紅細(xì)胞形狀異常且易破裂，據(jù)信就是由于血影蛋白或錨定蛋白常且易破裂，據(jù)信就是由于血影蛋白或錨定蛋白發(fā)生突變?cè)斐傻陌l(fā)生突變?cè)斐傻?圖圖3.7)。 3.2.2.3 3.2.2.3 脂錨定蛋白脂錨定蛋白( (lipid-anchored proteins)lipid-anchored proteins)

50、這類蛋白與外周蛋白相似，都有親水的表面；這類蛋白與外周蛋白相似，都有親水的表面；不同的是它們通過(guò)共價(jià)連接的脂質(zhì)分子疏水鏈插入不同的是它們通過(guò)共價(jià)連接的脂質(zhì)分子疏水鏈插入脂雙層，被錨定在脂雙層膜表面一側(cè)脂雙層，被錨定在脂雙層膜表面一側(cè)( (圖圖3.43.4) )。按照與脂質(zhì)錨鏈的結(jié)合方式這類蛋白又分為以下幾按照與脂質(zhì)錨鏈的結(jié)合方式這類蛋白又分為以下幾類：類： 脂肪酸錨定蛋白異戊二烯基 化蛋白乙醇胺神經(jīng)酰胺肌醇葡萄糖胺半乳糖甘露糖磷脂酰環(huán)己六醇 錨定蛋白蛋白質(zhì)錨定于膜中的方式蛋白質(zhì)錨定于膜中的方式棕櫚酰 豆蔻酰糖基化磷脂酰肌醇（GPI）錨定 羧基端圖圖3.4 3.4 膜蛋白與脂雙層結(jié)合的幾種方式膜

51、蛋白與脂雙層結(jié)合的幾種方式大部分跨膜蛋白以單一-螺旋橫過(guò)脂雙層或以多個(gè)-螺旋橫過(guò)脂雙層；這些單次通過(guò)或多次通過(guò)的蛋白，有一些具共價(jià)結(jié)合的脂肪酸鏈插入細(xì)胞質(zhì)面的脂單層，其他膜蛋白通過(guò)共價(jià)連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯基團(tuán)，插入脂雙層（細(xì)胞質(zhì)面的單層），或不常發(fā)生的，經(jīng)寡糖連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞質(zhì)面的單層，許多蛋白質(zhì)通過(guò)非共價(jià)鍵與其他膜蛋白相互作用連到膜上，和圖3.8 肽鏈通過(guò)GPI與膜結(jié)合 虛線箭頭所指為轉(zhuǎn)肽酶作用點(diǎn)虛線箭頭所指為轉(zhuǎn)肽酶作用點(diǎn)3.2.3 膜糖膜糖 真核細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)都有糖類分布，不同真核細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)都有糖類分布，不同物種和不同類型的細(xì)胞膜糖含量不同。質(zhì)膜含

52、糖約物種和不同類型的細(xì)胞膜糖含量不同。質(zhì)膜含糖約占膜重的占膜重的2 210%10%，這些糖大多數(shù)與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合，這些糖大多數(shù)與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合構(gòu)成糖蛋白，少數(shù)結(jié)合在脂類分子上構(gòu)成糖脂。構(gòu)成糖蛋白，少數(shù)結(jié)合在脂類分子上構(gòu)成糖脂。例如紅細(xì)胞質(zhì)膜含有例如紅細(xì)胞質(zhì)膜含有8%的的糖類糖類，其中約，其中約93%與與蛋白蛋白質(zhì)結(jié)合質(zhì)結(jié)合，大多數(shù)暴露于細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)都共價(jià)，大多數(shù)暴露于細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)都共價(jià)連接連接1個(gè)或多個(gè)個(gè)或多個(gè)寡糖鏈；其余約寡糖鏈；其余約7%與類脂分子結(jié)與類脂分子結(jié)合，脂雙層外葉不到合，脂雙層外葉不到1%的膜脂分子連有的膜脂分子連有寡糖寡糖，而，而且大多僅且大多僅1條寡糖鏈。構(gòu)成生物膜

53、寡糖的單糖主條寡糖鏈。構(gòu)成生物膜寡糖的單糖主要有要有9種：種：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、巖藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳乙酰半乳糖胺和唾液酸糖胺和唾液酸。 生物膜上的糖類幾乎都定位于膜的非胞漿面，生物膜上的糖類幾乎都定位于膜的非胞漿面，即細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)和細(xì)胞器膜的腔內(nèi)一側(cè)，在質(zhì)即細(xì)胞質(zhì)膜的外側(cè)和細(xì)胞器膜的腔內(nèi)一側(cè)，在質(zhì)膜外側(cè)形成細(xì)胞外被或糖萼膜外側(cè)形成細(xì)胞外被或糖萼(glycocalyx)(圖圖3.9)。 圖3.9 細(xì)胞外殼（糖萼）示意圖3.3. 生物膜的結(jié)構(gòu) 18931893年，年，OvertonOverton

54、用蔗糖溶液引起植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離表明用蔗糖溶液引起植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離表明了細(xì)胞膜的存在，并在后來(lái)提出脂類和膽固醇可能是細(xì)胞膜的主了細(xì)胞膜的存在，并在后來(lái)提出脂類和膽固醇可能是細(xì)胞膜的主要組分。要組分。19251925年，荷蘭人年，荷蘭人GorterGorter和和GrendelGrendel根據(jù)對(duì)紅細(xì)胞膜的研究提出了根據(jù)對(duì)紅細(xì)胞膜的研究提出了脂雙分子層的概念，成為認(rèn)識(shí)膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。脂雙分子層的概念，成為認(rèn)識(shí)膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。19351935年，年，Danielli & DavsonDanielli & Davson提出蛋白質(zhì)提出蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)的“三明三明治治”模型。模型。

55、19641964年年RobertsonRobertson根據(jù)電鏡觀察結(jié)果提出單位膜模型。這些模型根據(jù)電鏡觀察結(jié)果提出單位膜模型。這些模型以及其它許多有關(guān)研究，為流體鑲嵌模型的提出積累了有用的資以及其它許多有關(guān)研究，為流體鑲嵌模型的提出積累了有用的資料和借鑒。料和借鑒。圖圖3.103.10概括了概括了100100多年來(lái)人類對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)、不斷豐富和深化多年來(lái)人類對(duì)膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)、不斷豐富和深化的歷程。的歷程。蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)3.3.1 生物膜的生物膜的“流體鑲嵌流體鑲嵌”模型模型 生物膜是以各種組分之間大量的非共價(jià)（靜電力、生物膜是以各種組分之間大量的非共價(jià)（靜電力、疏水力和范德華引力）相互作

56、用聚集起來(lái)的超分疏水力和范德華引力）相互作用聚集起來(lái)的超分子復(fù)合物，為流體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)不對(duì)稱，可看作定子復(fù)合物，為流體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)不對(duì)稱，可看作定向的蛋白質(zhì)與極性脂組成的二維溶液。向的蛋白質(zhì)與極性脂組成的二維溶液。在生物膜的流動(dòng)性和膜組分分布不對(duì)稱性等研究在生物膜的流動(dòng)性和膜組分分布不對(duì)稱性等研究的基礎(chǔ)上，的基礎(chǔ)上，19721972年美國(guó)年美國(guó)SingerSinger和和NicolsonNicolson提出了提出了生物膜的生物膜的“流體鑲嵌流體鑲嵌”模型模型( (圖圖3.11)3.11)，要點(diǎn)如下：，要點(diǎn)如下： 圖圖3.11 3.11 Singer & Nicolson 流體鑲嵌模型流體鑲嵌模型

57、極性脂雙分子層構(gòu)成生物膜的基本架構(gòu)，膜蛋白鑲極性脂雙分子層構(gòu)成生物膜的基本架構(gòu)，膜蛋白鑲嵌在其中。脂雙層既是整合蛋白的溶劑，又是極性物嵌在其中。脂雙層既是整合蛋白的溶劑，又是極性物質(zhì)的擴(kuò)散屏障。質(zhì)的擴(kuò)散屏障。 生物膜是由極性脂和蛋白質(zhì)分子按二維排列的流體，生物膜是由極性脂和蛋白質(zhì)分子按二維排列的流體，膜的結(jié)構(gòu)組分在其中可以移動(dòng)并聚集組裝。膜脂分子膜的結(jié)構(gòu)組分在其中可以移動(dòng)并聚集組裝。膜脂分子以流體或液體狀態(tài)存在于膜中，能在其中進(jìn)行側(cè)向擴(kuò)以流體或液體狀態(tài)存在于膜中，能在其中進(jìn)行側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散。所以，生物膜是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散。所以，生物膜是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。 生物膜中蛋白質(zhì)的分布不對(duì)稱，有的鑲嵌

58、在脂雙層生物膜中蛋白質(zhì)的分布不對(duì)稱，有的鑲嵌在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入脂雙層內(nèi)部，有的則橫表面，有的則部分或全部嵌入脂雙層內(nèi)部，有的則橫跨整個(gè)膜。少量膜脂與膜蛋白專一結(jié)合，是這些膜蛋跨整個(gè)膜。少量膜脂與膜蛋白專一結(jié)合，是這些膜蛋白發(fā)揮作用不可或缺的。白發(fā)揮作用不可或缺的。膜蛋白的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)膜蛋白的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)細(xì)胞融合試驗(yàn)證明，膜蛋白水平移動(dòng)3.3.2 生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征 “流體鑲嵌流體鑲嵌”模型雖然得到比較廣泛的支持，模型雖然得到比較廣泛的支持，一直不失為膜生物學(xué)的核心原理，但仍存在許多局一直不失為膜生物學(xué)的核心原理，但仍存在許多局限性，例如，很多實(shí)驗(yàn)表明，膜的各個(gè)部分

59、的流動(dòng)限性，例如，很多實(shí)驗(yàn)表明，膜的各個(gè)部分的流動(dòng)性不均勻，在一定條件下有的處于液晶相，有的則性不均勻，在一定條件下有的處于液晶相，有的則處于凝膠相，即膜脂存在著多態(tài)性。在此基礎(chǔ)上，處于凝膠相，即膜脂存在著多態(tài)性。在此基礎(chǔ)上，后來(lái)又提出一些模型。后來(lái)又提出一些模型。但是，實(shí)際上已很難再以某些簡(jiǎn)單模式形像地描繪但是，實(shí)際上已很難再以某些簡(jiǎn)單模式形像地描繪豐富多彩的生物膜。因此人們?cè)絹?lái)越關(guān)注與多樣性豐富多彩的生物膜。因此人們?cè)絹?lái)越關(guān)注與多樣性的細(xì)胞功能和狀態(tài)相適應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)的多樣性、多形的細(xì)胞功能和狀態(tài)相適應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)的多樣性、多形性和不對(duì)稱性及其動(dòng)態(tài)特征。下面將通過(guò)對(duì)膜結(jié)構(gòu)性和不對(duì)稱性及其動(dòng)態(tài)特征。

60、下面將通過(guò)對(duì)膜結(jié)構(gòu)主要特征的討論充實(shí)和深化對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的理解。主要特征的討論充實(shí)和深化對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的理解。3.3.2.1 膜的不對(duì)稱性膜的不對(duì)稱性 膜的不對(duì)稱性指的是膜脂、膜蛋白和糖類不對(duì)稱地分膜的不對(duì)稱性指的是膜脂、膜蛋白和糖類不對(duì)稱地分布在脂雙層的兩葉片層。所有的生物膜都具有這種結(jié)構(gòu)的不布在脂雙層的兩葉片層。所有的生物膜都具有這種結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，這也是生物膜功能的重要基礎(chǔ)。對(duì)稱性，這也是生物膜功能的重要基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)證明，以紅細(xì)胞質(zhì)膜為例，幾乎所有糖脂和絕大多實(shí)驗(yàn)證明，以紅細(xì)胞質(zhì)膜為例，幾乎所有糖脂和絕大多數(shù)數(shù) PCPC與與SphSph分布在膜的非胞漿片層，而電中性或帶負(fù)電荷的分布在膜的非胞