1、生物膜的结构与功能,Chapter 3,Composition and structure of membrane,生命学院 张林生,生物膜（biomembranes） 是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。,A 细胞膜 B 腔膜 C 线粒体膜 D 消化泡（次级溶酶体） E 内质网膜 F 分泌泡,3.1生物膜功能概述 (1)区隔化或房室化(compartmentalization)：生物膜是连续、环闭的薄壳体，质膜把整个细胞包裹起来，内膜系统以及核膜、线粒体膜和叶绿体膜等，把细胞分隔成相对独立的房室。在这些分隔开的区间内，各自进行着不同的生命活动。,内膜实际上成为细胞向内延伸着的网络支架
2、，把参与反应的多个元件有序地定位安置，使细胞内各种生命活动能在正确的时间和位点有组织地高效进行，把不同生化活性彼此间的干扰减少到最低。 重要的酶级联反应机构大多与某种膜结构联系在一起。各类细胞的不同细胞器都具有与其功能相适应的结构、形状和机械强度，这些在很大程度上也依赖于相应膜系统的组成和结构。,(2) 物质的跨膜运输(transport)：作为通透性屏障，生物膜一方面防止细胞与环境之间以及细胞内各房室之间的物质自由混合，否则，结果将是灾难性的；另一方面又要维持各区间物质有控制地交流。质膜和各种内膜上都有物质运输装置，调节物质的跨膜运输也就成了这些膜系统最基本的功能之一。,(3) 能量转换(e
3、nergy conversion)：为了推动各种生命活动的进行和维持自身的结构，生物必须保证有足够的能量供应。在细胞的能量转换中，生物膜起着关键性作用。植物的叶绿体类囊体膜结合的色素可吸收太阳光，把光能转换为光合电子传递链上的电子流动，最后形成同化力(NADPH和ATP)，再经光合碳素途径转换成以糖类形式储存的化学能。,异养生物,自养生物,分解代谢和合成代谢间的能量关系,在分解代谢的反应中代谢物脱下的H和e常被辅酶受 NAD+ NADH+H+ NADP+ NADPH+H+ FADFADH2 它们的还原态是富含能量的. 称还原力或还原当量,线粒体内膜则把能源物质氧化时释放的能量转换成可以作功的能
4、量形式ATP中的化学能。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质跨膜的浓度差时，能量就储存于它的跨膜电化学梯度中。这样的膜称为“能势膜”(energized membranes)，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多重要活性。,能量传递,转化,传递,传递,(4)细胞识别(cell recognition) 细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作用，触发细胞内一系列生理生化变化，最终导致细胞的总体生物学效应相应改变，这样的过程称为细胞识别。多细胞生物是由许多种不同类型细胞组成的细胞社会，每个细胞既是独立的生命单位，更是整体中的一员。因此要求在细胞之间建立和维持特殊的联系，以便协
5、调运作，执行整体功能。例如，质膜上的某些离子通道或感受器蛋白能感知外部电信号；膜受体能识别并结合具有互补结构的特殊配体分子，如激素、细胞因子、神经递质等。,不同类型的细胞带有不同的受体，能对环境中不同配体的浓度变化作出相应的响应，包括改变胞内代谢；调控细胞周期或细胞分裂、分化；趋化性运动；释放某些离子或分泌某些物质；以及向细胞下达凋亡指令等。细胞表面的各种粘附分子介导细胞之间的相互识别、粘附及相互作用。包括： 同种同类细胞间的相互作用，如具有相同表面特征的细胞之间通过识别、粘合、聚集成器官； 同种异类细胞的相互作用，如有性繁殖中配子的相互识别、粘结与融合； 异种异类细胞间的相互作用，如病原菌或
6、寄生菌与寄主细胞间的相互识别与粘合。,细胞与胞外基质之间的识别与粘合近年来受到特别的关注，事实上胞外基质中的许多组分还起着信息分子的作用，可通过细胞表面受体向细胞发出信号，通过信号转导系统传入细胞内，引起包括存活、分化、迁移、凋亡等在内的多种效应。图3.1列举了细胞识别的基本类型。,3.2. 生物膜的化学组成与性质 10.26所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。尚含有少量糖、金属离子和水（15%-20%） 生物膜是类脂与蛋白质(包括酶)通过非共价键组装成的薄片状超分子聚合体。大多数膜还含有某些糖类物质，膜上有结合态的结构水，以及某些膜蛋白结合的金属离子。膜的组成尤其是膜脂与蛋白质的比
7、例，因膜的种类不同而有很大差别(表3.1)。通常膜中蛋白质含量越多，其功能越复杂多样，如线粒体内膜蛋白质含量超过75%。同样，功能越简单的膜蛋白质含量越少，如神经髓鞘主要作用就是绝缘，只有3种蛋白，仅占膜重量的18%。,表3.1 生物膜的化学组成(%),质膜 线粒体内膜 线粒体外膜 溶酶体 细胞核 粗面ER 滑面ER 高尔基体,胆固醇 心磷脂 小脂类 鞘磷脂 卵磷脂 脑磷脂,FIGURE Lipid composition of the plasma membrane and organelle membranes of a rat hepatocyte. （大鼠肝细胞）,3.2.1 膜脂 大
8、多数动物细胞质膜约含50%的脂类，据估算一个小的动物细胞的质膜约有109个类脂分子。构成生物膜的脂类有磷脂、糖脂、胆固醇等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。磷脂、少量糖脂和胆固醇的总称，其中以磷脂为主要成分。,3.2.1.1 磷脂(phospholipids,PL) 生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂：其中磷脂约占整个膜脂的50以上。,磷脂,甘油磷脂,鞘脂类,鞘磷脂,鞘糖脂,X,非极性，不易溶于水 称非极性尾,极性，易溶于水称极性头,（1）甘油磷脂(glycerophospholipid),极性醇,基本结构,甘油磷脂(phosphoglycerides)：甘油骨架中sn-1,2位羟
9、基分别与两个脂肪酸酯化，sn-3位羟基与磷酸生成酯，就成了最简单的甘油磷脂磷脂酸(phosphatidic acid,PA)；磷脂酸的磷酸基再连接其它极性基团就形成各种甘油磷脂，,如磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PC)、 磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)、 磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol, PG)、 磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)、 磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI) 和双磷脂酰甘油(diphosphatidylglycerol, DPG) 或心磷脂(
10、cardiolipin, CL)。,常见的甘油磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰甘油,心磷脂,磷脂酰肌醇,肌醇,乙醇胺,磷脂酰胆碱,双磷脂酰甘油,(2)鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)：由鞘氨醇的氨基连接长链脂肪酰链构成神经酰胺，它的羟基再与磷酸基和亲水基团相连，就形成鞘氨醇磷脂，如神经酰胺与磷酸胆碱组成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph),鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、(神经)鞘氨醇、二氢(神经)鞘氨醇及脂肪酸。,鞘氨醇,)鞘磷脂,N脂酰鞘氨醇,鞘氨醇是一个有18个碳的氨基二醇，已发现的鞘氨醇类有几十种，它们的碳原子和羟基数目均有变化。,鞘氨醇的氨
11、基与一长链脂肪酸(C16C26)的酰基形成具有两个非极性尾部的化合物，称为神经酰胺(ceramide)。,鞘氨醇,(神经)鞘磷脂,(3)磷脂中的脂肪酰链：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂都是两亲性分子，既有亲水的头部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的脂肪酰链都是长的不分枝的疏水性烃链。这些脂酰基的碳基子数从12-26，双链数从0-5。sn-2位通常是一个多烯脂酰基，sn-1位则多为饱和脂酰基。天然脂酰链中的双键多为cis构型(顺势构型 )，在烃链中形成的约44的折角，因而比相同碳原子数的饱和脂肪酸和trans构型(反势构型 )的不饱和脂肪酸的烃链较短而分子覆盖面积大。脂酰基烃链的长度和分子面积对生物膜的特性
12、有重要影响。,Cis 9 - Octadecenoic Acid (oleic),Trans 9 - Octadecenoic Acid (elaidic acid),Cis And Trans Fatty Acids,（油酸）,（反油酸）,Naturally-occurring fatty acids,1.Cis form 2.Not conjugated - isolated double bond. 3.Even numbered fatty acids.,饱和,(4) 磷脂的电荷特性：极性头由带负电荷的磷酸基与带电荷或不带电荷的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PC磷脂酰胆碱头部的
13、磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理pH下呈电中性，是兼性离子(zwitterionic)。PE和Sph与PC电荷特性相似。PS头部磷酸基和丝氨酸的羧基各带一个负电荷，质子化的氨基带一个正电荷，在生理条件下呈负电荷。PG、PI、DPG(CL)头部磷酸基带一个负电荷，极性基团不带电，因而也呈负电荷。各种磷脂的组成和极性头的结构不同，这些差异对生物膜的功能有重要意义。磷脂实际的电荷状况取决于环境pH与其pI值之差。,葡糖脑苷脂,半乳糖苷甘油,胆碱,胆碱,甘油,3.2.1.2 糖脂(glycolipids),糖脂约占膜脂总量的5以上，在神经细胞质膜上糖脂约占510。 目前已发现40余种
14、糖脂，不同的细胞中所含糖脂的种类不同，以脑苷脂为主。 植物细胞膜的脂质多为糖脂。,膜糖脂又分成三类： 甘油糖脂（glyceroglycolipids），二酰基甘油糖基化的产物；中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。甘油糖脂分子中甘油sn-1和sn-2位均被酯化，sn-3位连接亲水的糖基，如单半乳糖二酰甘油(monogalactose diacylglycerol,MGDG)，头部为不带电荷的糖基。如果糖基被硫酸化，在生理pH下会带负电荷，例如叶绿体类囊体膜中的6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油(SQDG)。中性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羟基氧与不带电荷的糖基通过糖苷键相连，如半乳糖脑苷
15、脂(galactocerebroside)。脑苷脂是动、植物细胞质膜中主要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。,鞘糖脂(glycosphingolipids) 神经酰胺是构成鞘脂类的母体结构。若鞘氨醇C1上的羟基与一个单糖（葡萄糖或半乳糖）相连时，则形成鞘糖脂。 因这些鞘糖脂存在于脑和神经组织中，故统称为脑苷脂和神经节苷脂。,若在半乳糖脑苷脂中半乳糖的C3位上与硫酸分子以硫酯键相连，则形成脑硫脂。 鞘糖脂中有一类称为神经节苷脂，这些脂类除了含糖分子外，它的极性头部还含有一个或多个分子N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid)，即唾液酸(sialicacid)。,非极性尾
16、,极性头,磷酸胆碱（或磷酸胆胺）,糖 脂,鞘磷脂,单糖及单糖聚合物,这部分神经节苷脂类在pH=7时带负电荷。 人的神经节苷脂类中有丰富的唾液酸。脑灰质含有丰富的神经节苷脂类，构成全部脂类的6，非神经组织如红细胞、脾、肝和肾等组织中也含有少量的神经节苷脂类。 不同的神经节苷脂类所含的六碳糖以及唾液酸的数目及位置各不相同。 在已分离出的神经节苷脂类中，几乎所有各类都有一葡萄糖基与神经酰胺以糖苷键相连。,鞘糖脂是动物细胞膜的组分。虽然在细胞膜中含量很少，但它在行使生物膜的功能方面具有重要的意义。神经节苷脂类在神经末梢含量非常丰富，可能它在神经突触的传导中起着重要作用。,3.2.1.3 类固醇(ste
17、roids) 胆固醇(cholesterol, Ch)是最常见的类固醇，某些动物细胞质膜中胆固醇的含量约占总脂的50%。胆固醇分子量相对较小，结构也不同于其它膜脂，它没有长的烃链，羟基构成它的亲水头，带有短的烃链的环戊烷多氢菲环形核构成它扁平的疏水部分。大多数植物和细菌的质膜中不含胆固醇，但植物细胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。,烃基链,极性,类固醇,谷固醇,胆固醇,豆固醇,油菜固醇,谷固醇,类固醇是动、植物细胞膜的重要组分，对膜的特性产生显著的影响。质膜中胆固醇含量大大高于内膜系统。胆固醇的头部仅一个羟基，亲水性明显较弱。在膜中胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的
18、三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列，它的18、19位两个-CH3嵌入磷脂分子不饱和脂酰基顺式双键形成的立体化学上的沟槽中。,胆固醇一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链固有的运动性又能增加膜的局部微区的无序性，使膜流动性增加。类固醇对膜的这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽的温度范围(3040)内行使功能。类固醇还通过与一些膜蛋白的相互作用调节其功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。,胆固醇,卵磷脂,磷脂酰乙醇胺,表3.2 几种膜的脂质组成,3.2.1.4 膜脂组织的多态性生物膜3种主要脂类磷脂、糖脂和类固醇的分子结构相差甚远，但都是两亲性分子，即同时具有亲水的头部和疏水的尾巴两部分。
19、,图3.2 磷脂分子在水溶液中 存在的几种结构形式,以磷脂为例，当把磷脂加入水中，如图3.2所示，只有极少数分子以单体形式游离存在；在水空气界面上的磷脂倾向于形成单分子层，极性头与水接触，疏水的尾巴伸向空气；如果加入的磷脂较多，水空气界面已经达到饱和，其余的磷脂就以微团或双分子层形式存在。在疏水作用的驱动和Van der Waals引力作用下，磷脂分子的极性头与水相接触，疏水尾巴彼此靠近，将水从附近排除。磷脂在水中形成脂双层结构是个自组装过程，并进一步自我封合为双层微囊(脂质体，liposome)。,具有两亲性的脂类分子在水环境中的聚集模式 形成双分子层是由膜脂本身的性质决定的,微团,双层,脂
20、质体,脂单位为圆柱型（头部的截面与侧链的相同）,水腔,图3.3 可能存在的几种相结构,3.2.2 膜蛋白 (membrane proteins) 生物膜的功能主要由膜蛋白承担。膜蛋白与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。通常，细胞质膜中的蛋白质主要与涉及胞外环境的细胞活力有关，而细胞内膜系统的蛋白质则主要与代谢活动有关。 有的膜蛋白发挥酶的作用，有的膜蛋白行使信息传递或能量转换功能，有的构成细胞膜的骨架，有的则参与细胞识别。应当强调指出，膜蛋白的功能不仅取决于自身固有的结构，生物膜构成的特殊环境对膜蛋白形成并保持正确的构象起着不可或缺的作用。,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式
21、大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白，有一些具共价结合的脂肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B. Alberts等，1994）,外周蛋白,糖基化磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白,3.2.2.1 整合蛋白(integral proteins)或内在蛋白(intrinsic proteins) 整合蛋白一般约占膜蛋白的7080%。这些膜蛋白嵌入脂双
22、层，与脂双层疏水核紧密结合，整合于脂双层结构之中，只有用氯仿等有机溶剂或SDS、胆酸盐、Triton X-100等去垢剂破坏脂双层结构后才能将其分离出来。多数整合蛋白都是跨膜蛋白(transmembrane proteins)，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有极少数整合蛋白以部分肽链插入脂双层疏水核，并不穿透脂双层，仅在膜一侧暴露(如内质网膜上的细胞色素b5)，称为锚定蛋白(anchored或monotopic proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体(图3.5)。,跨膜蛋白结构域两端的Arg、Lys等携带正电荷，与带负电荷的磷脂分子极性头形成离子键，或带负电荷的氨基酸残基通
23、过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电荷的磷酸极性头相互作用。 跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，形成-螺旋，其外部疏水侧链通过范德华力与脂质双层分子脂肪酸链相互作用。,螺旋，跨膜蛋白,膜蛋白与磷脂双分子层结合的几种方式,双分子层,胞液,7个跨膜肽段膜蛋白,光合细菌光反应中心的结构,有些整合蛋白以其若干个两亲性-螺旋组成跨膜的亲水通道，每个螺旋以含有较多疏水残基的一面朝向脂双层，而以主要由亲水残基组成的另一面朝向孔道，相邻的螺旋间可通过氢链相互联系。,肽聚糖,质膜,3.2.2.2 外周蛋白(peripheral proteins)或外在蛋白(extrinsic proteins ) 这类
24、蛋白质定位于脂双层的内侧或外侧，即质膜的胞浆面或细胞表面，它们通过离子键、氢键等非共价键不太紧密地与暴露在膜外的膜脂分子极性头或整合蛋白的亲水部分相联系，容易用离子强度较高或pH较高的溶液将它们从膜上分离出来。 外周蛋白约占膜蛋白总量的2030，为水溶性蛋白。 外周蛋白以静电作用或离子键等较弱的键与膜表面结合。提高离子强度、pH或温度就可将其从质膜上分离下来，而不破坏膜结构。,外周蛋白常以共价结合的脂酰基(如棕榈酰、豆蔻酰)、异戊烯基(如牻牛儿基、法尼基)或糖肌醇磷脂酰基，插入膜脂双层，也称为膜锚蛋白(membrane anchoring protein)。,图3.7 红细胞膜骨架各组分与质膜
25、连接的示意图,结合在整合蛋白上的外周蛋白又称为膜联系蛋白(associated membrane proteins)，典型代表之一是结合在线粒体内膜外侧的Cytc。另一类称为骨架膜蛋白(skeletal membrane proteins)的外周蛋白定位于质膜胞浆一侧的表面，形成纤维网架，起膜骨架作用，不仅为膜提供机械支持，同时也是固定整合蛋白的铆钉。,锚蛋白,血影蛋白,联接复合体（肌动蛋白）,红细胞中的血影蛋白(spectrin)就是质膜骨架膜蛋白的主要组分，其长约100 nm的柔性纤维状蛋白，两个亚基和互相缠绕成异源二聚体细丝，再头对头连接成长200 nm的四聚体，45个四聚体共同结合于短
26、的微丝或其它细骨架膜蛋白(包括带4.1蛋白)、原肌球蛋白等组成的连接复合体，最后在质膜内表面构成可变形的网络骨架。这些连接把膜骨架结合到膜上，对于维持膜的完整性、适当的刚性和柔韧性都很重要；同时把整合蛋白锚定在膜上，限制其在膜中的扩散速率。某些遗传性溶血性贫血患者的红细胞形状异常且易破裂，据信就是由于血影蛋白或锚定蛋白发生突变造成的(图3.7)。,3.2.2.3 脂锚定蛋白(lipid-anchored proteins) 这类蛋白与外周蛋白相似，都有亲水的表面；不同的是它们通过共价连接的脂质分子疏水链插入脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧(图3.4)。按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下
27、几类：,脂肪酸锚定蛋白,异戊二烯基 化蛋白,乙醇胺,神经酰胺,肌醇,葡萄糖胺,半乳糖,甘露糖,磷脂酰环己六醇 锚定蛋白,蛋白质锚定于膜中的方式,棕榈酰,豆蔻酰,糖基化磷脂酰肌醇（GPI）锚定,羧基端,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式 大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白，有一些具共价结合的脂肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B. Al
28、berts等，1994）,图3.8 肽链通过GPI与膜结合虚线箭头所指为转肽酶作用点,3.2.3 膜糖 真核细胞质膜和内膜系统都有糖类分布，不同物种和不同类型的细胞膜糖含量不同。质膜含糖约占膜重的210%，这些糖大多数与蛋白质共价结合构成糖蛋白，少数结合在脂类分子上构成糖脂。,例如红细胞质膜含有8%的糖类，其中约93%与蛋白质结合，大多数暴露于细胞表面的蛋白质都共价连接1个或多个寡糖链；其余约7%与类脂分子结合，脂双层外叶不到1%的膜脂分子连有寡糖，而且大多仅1条寡糖链。构成生物膜寡糖的单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。
29、生物膜上的糖类几乎都定位于膜的非胞浆面，即细胞质膜的外侧和细胞器膜的腔内一侧，在质膜外侧形成细胞外被或糖萼(glycocalyx)(图3.9)。,图3.9 细胞外壳（糖萼）示意图,3.3. 生物膜的结构1893年，Overton用蔗糖溶液引起植物细胞的质壁分离表明了细胞膜的存在，并在后来提出脂类和胆固醇可能是细胞膜的主要组分。1925年，荷兰人Gorter和Grendel根据对红细胞膜的研究提出了脂双分子层的概念，成为认识膜结构的基础。1935年，Danielli & Davson提出蛋白质-脂质-蛋白质的“三明治”模型。1964年Robertson根据电镜观察结果提出单位膜模型。这些模型以及
30、其它许多有关研究，为流体镶嵌模型的提出积累了有用的资料和借鉴。图3.10概括了100多年来人类对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。,蛋白质-脂质-蛋白质,3.3.1 生物膜的“流体镶嵌”模型 生物膜是以各种组分之间大量的非共价（静电力、疏水力和范德华引力）相互作用聚集起来的超分子复合物，为流体结构，两侧不对称，可看作定向的蛋白质与极性脂组成的二维溶液。在生物膜的流动性和膜组分分布不对称性等研究的基础上，1972年美国Singer和Nicolson提出了生物膜的“流体镶嵌”模型(图3.11)，要点如下：,图3.11 Singer & Nicolson 流体镶嵌模型, 极性脂双分子层构成生物膜的
31、基本架构，膜蛋白镶嵌在其中。脂双层既是整合蛋白的溶剂，又是极性物质的扩散屏障。 生物膜是由极性脂和蛋白质分子按二维排列的流体，膜的结构组分在其中可以移动并聚集组装。膜脂分子以流体或液体状态存在于膜中，能在其中进行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。 生物膜中蛋白质的分布不对称，有的镶嵌在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入脂双层内部，有的则横跨整个膜。少量膜脂与膜蛋白专一结合，是这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。,膜蛋白的扩散运动,细胞融合试验证明，膜蛋白水平移动,3.3.2 生物膜结构的主要特征“流体镶嵌”模型虽然得到比较广泛的支持，一直不失为膜生物学的核心原理，但仍存在许多局限性，例如，很
32、多实验表明，膜的各个部分的流动性不均匀，在一定条件下有的处于液晶相，有的则处于凝胶相，即膜脂存在着多态性。在此基础上，后来又提出一些模型。但是，实际上已很难再以某些简单模式形像地描绘丰富多彩的生物膜。因此人们越来越关注与多样性的细胞功能和状态相适应的膜结构的多样性、多形性和不对称性及其动态特征。下面将通过对膜结构主要特征的讨论充实和深化对生物膜结构的理解。,3.3.2.1 膜的不对称性 膜的不对称性指的是膜脂、膜蛋白和糖类不对称地分布在脂双层的两叶片层。所有的生物膜都具有这种结构的不对称性，这也是生物膜功能的重要基础。 实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有糖脂和绝大多数 PC与Sph分布在膜的
33、非胞浆片层，而电中性或带负电荷的膜脂如PE、PS则更多地分布于胞浆面片层(图3.12)。不同的细胞质膜脂类的不对称分布亦不相同，如猪血小板膜中PC主要分布于胞浆面片层。,膜脂对于脂双分子层两面是不对称的，,膜脂、膜蛋白和膜糖脂分布的不对称性。 在膜脂的双分子层中，外半层以磷脂酰胆碱为主，而内半层则以磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺为主，同时不饱和脂肪酸主要存在于外半层；所有的膜蛋白在质膜上都呈不对称分布，这是膜功能具有方向性的物质基础。糖蛋白与糖脂只存在膜的外半层，而且糖基暴露于膜外。膜的不对称性在时间和空间上确保了各项生理功能有序地进行。,除核膜上的某些转录因子和核孔复合物蛋白质上存在朝着胞浆面的
34、糖链，其余膜上的糖脂和糖蛋白糖链均定位于非胞浆面。鞘磷脂由于有较长而且紧密折叠的烃链，因此熔点较高，在与胆固结合后，在液晶态的脂双层中形成了局部固态结构，称为脂筏(lipid raft)。脂筏直径约70nm，在某些条件下可聚集成更大的结构。,脂筏特异地结合许多膜蛋白，如GPI-Pr和其它脂锚定蛋白等。脂筏的存在是膜不对称的又一例证。脂筏最重要的功能可能是参与细胞信号转导。 例如在静止的T细胞表面，多种与T细胞受体信号转导有关的分子组成型地结合于脂筏。 当T细胞受到外界刺激活化时，通过受体向胞内传递活化信号，受体及辅受体、协同分子等相关的信号分子会在特定部位形成免疫突触结构，其中主要是由小脂筏融
35、合成的大脂筏斑。 在免疫突触形成过程中，脂筏起到运输和聚集信号分子的作用。,3.3.2.2 生物膜的流动性流动性是生物膜最重要的特征之一，涉及膜脂的流动性和膜蛋白的流动性。 (1)膜脂的流动性 前面在膜脂组织多态性中已经提到，脂双层存在液晶相和凝胶相。当膜从凝胶相转变为液晶相时，膜组分的分子内和分子间运动明显增加。在生理条件下，膜脂大多呈液晶相，当温度降低至相变温度（Tc）时，即从液晶相转变为凝胶相(图3.13)。用示差扫描量热法、NMR和ESR波谱等技术可以测定膜脂相变温度。,图3.13 膜脂的相变,流动性主要是脂质分子的侧向运动，同时，膜脂分子还能围绕轴心作自旋运动、尾部摆动以及双层脂分子
36、之间的翻转运动。脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性就越大。,表3.3 磷脂组成与相变温度的关系,膜的运动性,(1)磷脂分子的运动：在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；膜脂沿纵轴的上下振动；在脂双层中作翻转运动；烃链围绕C-C键旋转而导致的异构化运动,图3.14 磷脂分子运动的几种方式, 侧向扩散:即膜脂分子在脂双层同一片层内与邻近分子进行换位，扩散速率的大小可用扩散系数DL表示。在生物膜和人工膜都存在膜脂分子的侧向扩散，而且速度很快，DL一般为107108cm2s1，表明膜脂的粘性约为水的100倍。 旋转扩散：即膜脂分子从脂双层的一
37、叶翻转到另一片层。由于膜脂均为两亲性分子，这种翻转运动必须通过脂双层的疏水核，因此要比侧向扩散慢得多。膜脂分子完成旋转扩散最快也要数分钟，通常完成翻转的平均时间为数小时甚至数周。细胞在某些生理条件下，如磷脂生物合成和膜的组装过程中，在某些膜蛋白(如磷脂转位因子)帮助下，膜脂分子的翻转过程大大加快。, 脂酰基的异构化运动：膜脂分子中的脂酰基烃链可绕C-C单键旋转，从而导致其构型发生转变。在低温条件下，脂酰基烃链主要表现为全反式构型，随着温度升高，偏转构型增多，膜流动性增大。 膜脂分子绕与膜平面垂直的轴左右摆动，其极性头部运动较快，甘油骨架运动较慢，脂酰基烃链部运动也较快，其尾部运动得最快。 膜脂
38、分了围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动，其转动速率约为每10ns转动2角度。,(2) 膜蛋白的运动性 脂双层可视为整合蛋白的分散介质，因此脂质分子的物理状态就成了整合蛋白运动性的重要决定因素。膜整合蛋白的主要运动方式包括侧向扩散、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。,膜蛋白的运动,1970年Frye和Edidin所做的细胞融合实验。它们用细胞融合技术将小鼠细胞和人体细胞进行融合，并同时用不同的荧光抗体标记各自细胞表面的蛋白质。 当两种细胞融合形成杂核细胞后，各自特定的蛋白质分布在各自膜表面。 一段时间后发现不同的蛋白质已均匀的分布在杂核细胞膜上。,3.3.3 膜蛋白的三维结构迄今基因组学研究表明
39、，各种生物基因组编码的蛋白质约有25%是膜蛋白，而膜蛋白的7080%是整合蛋白。最近几年，利用脂立方体相来生长膜蛋白三维晶体，有望得到更多更好的膜蛋白单晶体，用于精细结构测定。再结合使用新一代同步辐射光源，为膜蛋白精细结构测定打开了闸门。现已测定的膜蛋白有细菌光合反应中心、E.coli膜孔蛋白Omp和PhoE、麦芽糖孔蛋白、捕光色素复合体、线粒体细胞色素c氧化酶、细胞色素bc1复合物、菌紫红质、K+通道、Ca2+泵等。下面以嗜盐菌菌紫质为例，展示膜整合蛋白三维结构的一些特点。,细菌视紫红质蛋白是一个典型的多次跨膜蛋白，该蛋白的三维结构已经通过电子显微镜确定了。 有7个跨膜的 -螺旋片段，每个片
40、段大约含有25个氨基酸残基。,图3.15 嗜盐菌菌紫质的一级结构及其在膜上的分布,图3.16 菌紫质在嗜盐菌膜上以三聚体形式有序分布,图3.17 嗜盐菌菌紫质参与组成 H+通道的有关基团的三维分布示意图,细菌视紫红质,3.3.4 人工膜（artificial lipid membrane）1970年代以来，人工膜的制备技术与应用不断发展，日益发展为一项生物高技术。人工膜主要包括双分层平面膜、脂质体和单层膜或LB膜。 （1）平面双分子膜（planar bilayer lipid membrome） 常用合成类脂及其衍生物或从天然材料中抽提的类脂混合物作为制备平面双分子膜的材料。先将类脂材料溶于适
41、当的有机溶剂，取一玻璃槽，用聚四氟乙烯隔板分隔为两个小室，隔板上有一小圆孔（直径1mm），加入预先放制的水溶液，再向隔板小孔内加一滴类脂溶液，即可形成脂双分子层。还可制备脂双层内外两叶片层脂质组分不对称膜，以便更好地摹拟生物膜，嵌入某些功能性蛋白分子，即可用于研究膜电位，跨膜的pH梯度、离子通道、生物电子能量传递与转换等生物膜功能。,（2）脂质体（liposomes） 人工脂双层膜形成的圆球状膜泡，在膜研究中具有不可估量的价值。把功能蛋白嵌入脂质体，形成各种重建的膜系统，可以在比天然膜简单得多的条件下对它们的功能进行研究。 脂质体还被用作DNA和许多药物的载体，同时在脂质体膜上嵌入单克隆抗体或
42、其它靶细胞受体专一的配体，不仅提高了脂质体的靶向特异性和与靶细胞结合的效率，而且可以有效地降低与非靶细胞的结合，降低药物的细胞毒性，是运送基因治疗药物和抗癌药的理想剂型。常用的脂质体有以下3种：,（3）LB膜（Langmuir-Blodgett membrane）：该膜最早由朗缪尔和布劳杰特提出而得名。LB膜的研究提供了在分子水平上依照一定要求控制分子排布的方式和手段。 LB 技术是一种人为控制特殊吸附的方法，将具有脂肪链疏水基团的双亲分子溶于挥发性溶剂中，通过垒控制表面压，溶质分子便在气/ 液界面形成二维排列有序的单分子膜或多分子层膜. 把磷脂溶于易挥发的有机溶剂，然后滴加于水溶液表面并使之
43、在水表面上扩展，待有机溶剂挥发后，用一可移动杆条沿水面把表面的磷脂分子往一侧压缩，即可得到亲水头在水相、疏水的烃链朝向空气的磷脂单分子层，即LB膜。 LB膜不仅用于研究膜的表面化学和磷脂分子间相互作用，而且是研究药物、多肽等与脂类相互作用的有力手段。另外，LB膜还被用来进行蛋白质二维晶体的构建与结构分析。LB膜和双分子层脂膜在生物传感器和生物电子器件的研制中有独特的应用前景。,LB膜的物理性质,LB膜的物理性质随其化学成分与含量、分子结构、合成路线以及组装排列型式的不同在物理特性上有很大差别。当然它作为一种有机分子膜，具有一般有机材料的共同特点外，LB膜作为一种高度有序的分子膜，经过功能组装之
44、后，显示出某些独特的力学、热学、电学或光学等的物理持性，展示出巨大的应用前景。 LB膜力学性能 LB膜在转移过程中，由于单分子层同固态衬底之间界面结合力是范德瓦尔斯力，因此较弱。一般情况，Y型结构稳定性较好为提高机械强度，可利用分子间的库仑力结合、采用高分子聚合以及在LB膜中引入纳米颗粒等措施。,LB膜能量转移体系LB膜能量转移体系的研究，Kuhn将光活性染料分子引入LB膜中，把染料同硬脂酸混合来组装功能LB膜。 如果荧光染料X的LB膜吸收紫外光而发出蓝色荧光，荧光染料Y的单分子层吸收蓝光而发出黄色荧光。 在两种荧光材料的单分子膜之间夹着一种简单酸的单分子膜，当其间距低于某一阈值时，紫外激发的
45、X染料的辐射转移到Y，而发黄色的荧光，发生了能量的转移。 这种能量的转移是穿过间隙单分子层的离子隧道效应所致。,LB膜电子转移体系 许多双亲分子可以作为电子施主和受主，其功能在于亲水端。一般花菁染料可以作为施主，而长链紫精衍生物是典型的电子受主，将电子施主和受主以适省的形式组装进LB膜中，可以制成各种电转移体系对这种体系的研究、对模拟光合作用，研制太阳能分子电池，以及多种高灵敏度传感器都有重要意义。,仿生膜 在自然界中一个生物细脑膜是由两层磷脂膜构成，而两层LB膜恰好给出一个细胞膜的模型特别有意义的是在这种膜内能够镶嵌、包埋固定化牛物分子，如酶和蛋白质等功能分子，可以有效地约束特定的离子和小分
46、子，具有极好的专一性，对研制高灵敏度、高选择性的生物传感器具有重大意义。分子自组装 利用LB膜进行分子自组装研究是分子工程的重要研究内容。如利用生物亲和力或基团间的键合力，借助于扫描隧道显微镜(STM)的笔尖，将功能大分子嵌入LB膜表面，再用光聚合法，使其固定化，形成功能膜。,物质跨膜运输,3.4物质跨膜运输活细胞必须不断地与环境进行物质交换，真核细胞内各房室之间同样也存在跨膜的物质交换，这种交换是高度选择性的，使细胞保持动态的恒定，这对于保证生命活动的正常进行极为重要。,3.4.1.1 被动运输（passive transport）生物膜具有半透膜的性质。膜上有许多由膜蛋白构成的直径约1nm
47、的微孔，如细菌外膜上孔蛋白三聚体形成的微孔允许分子量小于600的亲水中性溶质通过；真核细胞质膜上有32kDa通道蛋白六聚体形成跨膜的微孔，允许分子量小于2kDa的亲水中性溶质通过。又如在哺乳动物红细胞等高度水可渗透的膜上存在水通道蛋白四聚体构成的通道，每个亚单位包括6个跨膜螺旋，含有一个沙漏样多水微孔。,另外，膜脂的流动性还在膜上造成许多统计学上的微孔。这样，水、气体、以及其它小分子物质就可以借助于膜两侧浓度（活度）差顺着化学势差从高浓度一侧自发地扩散到低浓度一侧，无需另外消耗能量，称为被动运输或扩散传送，包括简单扩散和促进扩散。 物质经被动运输的速率既依赖于该物质在膜两侧的浓度差，又与其分子
48、量大小、电荷以及在脂双层中的溶解性有关。,Structure of bacterial porin,细菌外膜孔蛋白,水通道蛋白（aquaporin）的结构示意图,水通道蛋白 解读2003年诺贝尔化学奖,水通道蛋白,离子通道蛋白,20世纪80年代中期，美国科学家彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物
49、，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道。,2000年，阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。 水通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前，科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用。通常一个成年人每天要产生170升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约升的尿液排出人体。,-溶血毒素的
50、结构,Prostaglandin H2 synthase-1 的疏水通道,前列腺素H2合酶-1,溶血毒素的主要作用部位是敏感细胞的细胞膜脂质部分。分4类 （1）具有酶活性，导致膜磷脂水解。如产气荚膜杆菌所产生的溶血毒素为卵磷脂酶，可分解细胞膜的卵磷脂，损伤细胞膜引起溶血、组织坏死、血管内皮损伤；再如金黄葡萄球菌产生的溶血毒素具有磷脂酶c样活性，在有Mg2+、Mn2+、Co2+存在的情况下，活性增高，可将神经鞘磷脂水解成磷酸胆碱和N酰基神经鞘氨醇。各种动物的红细胞对金黄色葡萄球菌溶血毒素的敏感性，与其细胞膜上的神经鞘磷脂含量有直接关系。绵羊、公牛和人类的红细胞都对溶血毒素敏感，尤以绵羊红细胞最为敏感，因其磷脂中神经鞘磷脂的含量高达5054。 （2）毒素插入膜磷脂双分子层结构形成通道，导致钾离子释放，继而线状血红蛋白漏出。如金黄色葡萄球菌的溶血毒素，可破坏人、兔、绵羊、豚鼠等的血细胞及有核细胞。其对人类的皮肤坏死作用是由于毒素促使小血管收缩，从而导致毛细血管血流阻滞和局部缺血坏死。 （3）具有表面活性剂样作用，如金黄色葡萄球菌溶血毒素。 （4）膜胆固醇既是毒素受体，又是毒素的靶点，如链球菌溶血毒素O、破伤风杆菌溶血毒素等。少数革兰氏阴性菌也能产生溶血毒素，如绿脓杆菌溶血毒素、大肠杆菌溶血毒素等,
