《生物膜系统》PPT课件.ppt

第三章第三章 生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能生物膜功能概述生物膜功能概述(1)区隔化或房室化区隔化或房室化(compartmentalization)(compartmentalization)：生生物物膜膜是是连连续续、环环闭闭的的薄薄壳壳体体，质质膜膜把把整整个个细细胞胞包包裹裹起起来来，内内膜膜系系统统以以及及核核膜膜、线线粒粒体体膜膜和和叶叶绿绿体体膜膜等等，把把细细胞胞分分隔隔成成相相对对独独立立的的房房室室。在在这这些些分分隔隔开开的的区区间间内内，各各自自进进行行着着不不同同的的生生命命活活动动。内内膜膜实实际际上上成成为为细细胞胞向向内内延延伸伸着着的的网网络络支支架架，把把参参与与反反应应的的多多个个元元件件有有序序地地定定位位安安置置，使使细细胞胞内内各各种种生生命命活活动动能能在在正正确确的的时时间间和和位位点点有有组组织织地地高高效效进进行行，把把不不同同生生化化活活性性彼彼此此间间的的干干扰扰减减少少到到最最低低。重重要要的的酶酶级级联联反反应应机机构构大大多多与与某某种种膜膜结结构构联联系系在在一一起起。各各类类细细胞胞的的不不同同细细胞胞器器都都具具有有与与其其功功能能相相适适应应的的结结构构、形形状状和和机机械械强强度度，这这些些在在很很大大程程度度上上也也依依赖于相应膜系统的组成和结构。赖于相应膜系统的组成和结构。(2)物质的跨膜运输物质的跨膜运输(transport(transport)：作作为为通通透透性性屏屏障障，生生物物膜膜一一方方面面防防止止细细胞胞与与环环境境之之间间以以及及细细胞胞内内各各房房室室之之间间的的物物质质自自由由混混合合，否否则则，结结果果将将是是灾灾难难性性的的；另另一一方方面面又又要要维维持持各各区区间间物物质质有有控控制制地地交交流流。质质膜膜和和各各种种内内膜膜上上都都有有物物质质运运输输装装置置，调调节节物物质质的的跨跨膜膜运运输输也也就就成成了了这这些些膜膜系系统统最最基基本本的的功功能之一。能之一。(3)(3)能量转换能量转换(energy conversion)(energy conversion)：为了推动各种生命活动的进行和维持自身的结构，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，最后形成同化力电子流动，最后形成同化力(NADPH(NADPH和和ATP)ATP)，再经光合碳，再经光合碳素途径转换成以糖类形式储存的化学能。线粒体内膜则素途径转换成以糖类形式储存的化学能。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量形把能源物质氧化时释放的能量转换成可以作功的能量形式式ATPATP中的化学能。另外，当膜维持着某些特异离中的化学能。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。这样的膜称为学梯度中。这样的膜称为“能势膜能势膜”(energized ”(energized membranes)membranes)，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多重要活性。重要活性。(4)细胞识别细胞识别(cell recognition(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，以便协调运作，执行整体功能。例如，质膜上的之间建立和维持特殊的联系，以便协调运作，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，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病原菌或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，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。图列举了细胞识别的基引起包括存活、分化、迁移、凋亡等在内的多种效应。图列举了细胞识别的基本类型。本类型。细胞识别细胞识别（归类与举例）（归类与举例）对游离的大、对游离的大、小分子的识别小分子的识别神经递质神经递质激素、细胞因子激素、细胞因子抗原抗原药物药物有害物质有害物质其它其它同同种种异异类类细细胞间的识别胞间的识别单细胞生物的接合单细胞生物的接合动物的受精过程动物的受精过程植物的受粉、受精过程植物的受粉、受精过程免疫细胞的作用免疫细胞的作用同同种种同同类类细细胞间的识别胞间的识别低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集高高等等生生物物胚胚胎胎发发育育和和分分化化凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集异异种种异异类类细细胞间的识别胞间的识别细菌感染和真菌感染细菌感染和真菌感染固固氮氮菌菌对对寄寄主主植植物物的的感感染染各种共生寄生过程各种共生寄生过程异异种种（异异体体）同同类类细细胞胞间间的识别的识别输血输血器官移植器官移植细胞细胞-细胞间细胞间的识别的识别细细胞胞-基基质质的的识识别别图图3.1 3.1 细胞对化学物质的识别细胞对化学物质的识别3.2.生物膜的化学组成与性质生物膜的化学组成与性质 生生物物膜膜是是类类脂脂与与蛋蛋白白质质(包包括括酶酶)通通过过非非共共价价键键组组装装成成的的薄薄片片状状超超分分子子聚聚合合体体。大大多多数数膜膜还还含含有有某某些些糖糖类类物物质质，膜膜上上有有结结合合态态的的结结构构水水，以以及及某某些些膜膜蛋蛋白白结结合合的的金金属属离离子子。膜膜的的组组成成尤尤其其是是膜膜脂脂与与蛋蛋白白质质的的比比例例，因因膜膜的的种种类类不不同同而而有有很很大大差差别别(表表3.1)3.1)。通通常常膜膜中中蛋蛋白白质质含含量量越越多多，其其功功能能越越复复杂杂多多样样，如如线线粒粒体体内内膜膜蛋蛋白白质质含含量量超超过过75%75%。同同样样，功功能能越越简简单单的的膜膜蛋蛋白白质质含含量量越越少少，如如神神经经髓髓鞘鞘主主要要作作用用就就是是绝绝缘缘，只只有有3 3种种蛋蛋白白，仅仅占占膜膜重量的重量的18%18%。膜的类别膜的类别蛋白质蛋白质脂类脂类糖类糖类蛋白质脂蛋白质脂类类神经髓鞘神经髓鞘187930.23人红细胞质膜人红细胞质膜494381.0小小鼠鼠肝肝细细胞胞质质膜膜4452(510)0.85嗜盐菌紫膜嗜盐菌紫膜752503.0内质网膜内质网膜673302.0线粒体内膜线粒体内膜7624(12)3.2菠菠菜菜叶叶绿绿体体片片层层膜膜703002.3表3.1 生物膜的化学组成(%)3.2.1膜脂膜脂大大多多数数动动物物细细胞胞质质膜膜约约含含50%50%的的脂脂类类，据据估估算算一一个个小小的的动动物物细细胞胞的的质质膜膜约约有有10109 9个个类类脂脂分分子子。构构成成生生物物膜膜的的脂脂类类有有磷磷脂脂、糖糖脂脂、胆胆固固醇醇等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。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：(1)(1)甘油磷脂甘油磷脂(phosphoglycerides)(phosphoglycerides)：甘甘油油骨骨架架中中sn-1,2sn-1,2位位羟羟基基分分别别与与两两个个脂脂肪肪酸酸酯酯化化，sn-3sn-3位位羟羟基基与与磷磷酸酸生生成成酯酯，就就成成了了最最简简单单的的甘甘油油磷磷脂脂磷磷脂脂酸酸(phosphatidic(phosphatidic acid,PA)acid,PA)；磷磷脂脂酸酸的的磷磷酸酸基基再再连连接接其其它它极极性性基基团团就就形形成成各各种种甘甘油油磷磷脂脂，如如磷磷脂脂酰酰胆胆碱碱(phosphatidylcholine,(phosphatidylcholine,PC)PC)、磷磷 脂脂 酰酰 乙乙 醇醇 胺胺(phosphatidylethanolamine,(phosphatidylethanolamine,PE)PE)、磷磷 脂脂 酰酰 甘甘 油油(phosphatidylglycerol,(phosphatidylglycerol,PG)PG)、磷磷 脂脂 酰酰 丝丝 氨氨 酸酸(phosphatidylserine,(phosphatidylserine,PS)PS)、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇(phosphatidylinositol,(phosphatidylinositol,PI)PI)和和 双双 磷磷 脂脂 酰酰 甘甘 油油(diphosphatidylglycerol,(diphosphatidylglycerol,DPG)DPG)或或心心磷磷脂脂(cardiolipin,(cardiolipin,CL)CL)。(2)鞘氨醇磷脂鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)：由由鞘鞘氨氨醇醇的的氨氨基基连连接接长长链链脂脂肪肪酰酰链链构构成成神神经经酰酰胺胺，它它的的羟羟基基再再与与磷磷酸酸基基和和亲亲水水基基团团相相连连，就就形形成成鞘鞘氨氨醇醇磷磷脂脂，如如神神经经酰酰胺胺与与磷酸胆碱组成鞘磷脂磷酸胆碱组成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph)(sphingomyelin,Sph)(3)(3)磷脂中的脂肪酰链磷脂中的脂肪酰链：甘甘油油磷磷脂脂和和鞘鞘氨氨醇醇磷磷脂脂都都是是两两亲亲性性分分子子，既既有有亲亲水水的的头头部部，又又有有疏疏水水的的尾尾巴巴。膜膜磷磷脂脂分分子子中中的的脂脂肪肪酰酰链链都都是是长长的的不不分分枝枝的的疏疏水水性性烃烃链链。这这些些脂脂酰酰基基的的碳碳基基子子数数从从1212到到2626，双双链链数数从从0 0到到5 5。sn-sn-2 2位位通通常常是是一一个个多多烯烯脂脂酰酰基基，sn-1sn-1位位则则多多为为饱饱和和脂脂酰酰基基。天天然然脂脂酰酰链链中中的的双双键键多多为为ciscis构构型型，在在烃烃链链中中形形成成的的约约4444的的折折角角，因因而而比比相相同同碳碳原原子子数数的的饱饱和和脂脂肪肪酸酸和和transtrans构构型型的的不不饱饱和和脂脂肪肪酸酸的的烃烃链链较较短短而而分分子子覆覆盖盖面面积积大大。脂脂酰酰基基烃烃链链的的长长度度和和分分子子面面积积对对生生物物膜膜的的特性有重要影响。特性有重要影响。(4)磷脂的电荷特性磷脂的电荷特性：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。基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PCPC头部的磷酸基带头部的磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理pHpH下呈电下呈电中性，是兼性离子中性，是兼性离子(zwitterionic)(zwitterionic)。PEPE和和SphSph与与PCPC电荷特电荷特性相似。性相似。PSPS头部磷酸基和丝氨酸的羧基各带一个负电荷，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。质子化的氨基带一个正电荷，在生理条件下呈负电荷。PGPG、PIPI、DPG(CL)DPG(CL)头部磷酸基带一个负电荷，极性基团不带电，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，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况取决于环境pHpH与其与其pIpI值之差。值之差。3.2.1.2糖脂糖脂(glycolipids)膜膜 糖糖 脂脂 又又 分分 成成 三三 类类：甘甘 油油 糖糖 脂脂（glyceroglycolipidsglyceroglycolipids），二二酰酰基基甘甘油油糖糖基基化化的的产产物物；中中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。甘甘油油糖糖脂脂分分子子中中甘甘油油sn-1sn-1和和sn-2sn-2位位均均被被酯酯化化，sn-3sn-3位位 连连 接接 亲亲 水水 的的 糖糖 基基，如如 单单 半半 乳乳 糖糖 二二 酰酰 甘甘 油油(monogalactose(monogalactose diacylglycerol,MGDG)diacylglycerol,MGDG)，头头部部为为不不带带电电荷荷的的糖糖基基。如如果果糖糖基基被被硫硫酸酸化化，在在生生理理pHpH下下会会带带负负电电荷荷，例例如如叶叶绿绿体体类类囊囊体体膜膜中中的的6-6-磺磺基基-D-D-异异鼠鼠李李糖糖二二酰酰基基甘甘油油(SQDG)(SQDG)。中中性性糖糖鞘鞘脂脂分分子子中中鞘鞘氨氨醇醇末末端端羟羟基基氧氧与与不不带带电电荷荷的的 糖糖 基基 通通 过过 糖糖 苷苷 键键 相相 连连，如如 半半 乳乳 糖糖 脑脑 苷苷 脂脂(galactocerebroside)(galactocerebroside)。脑脑苷苷脂脂是是动动、植植物物细细胞胞质质膜膜中中主主要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。3.2.1.3类固醇类固醇(steroids)胆胆固固醇醇(cholesterol,(cholesterol,Ch)Ch)是是最最常常见见的的类类固固醇醇，某某些些动动物物细细胞胞质质膜膜中中胆胆固固醇醇的的含含量量约约占占总总脂脂的的50%50%。胆胆固固醇醇分分子子量量相相对对较较小小，结结构构也也不不同同于于其其它它膜膜脂脂，它它没没有有长长的的烃烃链链，羟羟基基构构成成它它的的亲亲水水头头，带带有有短短的的烃烃链链的的环环戊戊烷烷多多氢氢菲菲环环形形核核构构成成它它扁扁平平的的疏疏水水部部分分。大大多多数数植植物物和和细细菌菌的的质质膜膜中中不不含含胆胆固固醇醇，但但植植物物细细胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。n谷固醇胆固醇 豆固醇油菜固醇谷固醇 类类固固醇醇是是动动、植植物物细细胞胞膜膜的的重重要要组组分分，对对膜膜的的特特 性性产产生生显显著著的的影影响响。质质膜膜中中胆胆固固醇醇含含量量大大大大高高于于内内膜膜系系统统。胆胆固固醇醇的的头头部部仅仅一一个个羟羟基基，亲亲水水性性明明显显较较弱弱。在在膜膜中中，胆胆固固醇醇的的羟羟基基与与磷磷脂脂极极性性头头相相连连系系，环环戊戊烷烷多多氢氢菲菲的的四四个个环环状状结结构构及及其其连连接接的的三三个个烃烃链链与与磷磷脂脂疏疏水水尾尾巴巴平平行行排排列列，它它的的1818、1919位位两两个个-CH-CH3 3嵌嵌入入磷磷脂脂分分子子不不饱饱和和脂脂酰酰基基顺顺式式双双键键形形成成的的立立体体化化学学上上的的沟沟槽槽中中。胆胆固固醇醇一一方方面面提提高高膜膜的的刚刚性性和和微微粘粘度度，另另一一方方面面它它的的烃烃链链固固有有的的运运动动性性又又能能增增加加膜膜的的局局部部微微区区的的无无序序性性，使使膜膜流流动动性性增增加加。类类固固醇醇对对膜膜的的这这种种双双向向调调整整和和稳稳定定作作用用使使生生物物膜膜在在较较宽宽的的温温度度范范围围(30(3040)40)内内行行使使功功能能。类类固固醇醇还还通通过过与与一一些些膜膜蛋蛋白白的的相相互互作作用用调调节节其其功功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。鼠肝细胞各种类型膜及其膜脂组成生物膜生物膜脂脂质质组组成成（%）PAPCPEPGPIPSDPGSph 胆固醇胆固醇 糖脂糖脂人红细胞质膜人红细胞质膜1.51918018.5017.52510E.coli细胞质膜细胞质膜0065180012000人髓鞘膜人髓鞘膜0.51020008.508.52626大大鼠鼠肝肝细细胞胞质质膜膜11811-49-1430-糙面内质网膜糙面内质网膜-5516-83-36-光面内质网膜光面内质网膜-5521-6.7-1.91210-线粒体内膜线粒体内膜0.74524261182.53-线粒体外膜线粒体外膜1.330252.51323.555-核膜核膜15520-73-310-Golgi膜膜-4015-63.5-107.5-溶酶体膜溶酶体膜-2513-7-52414-表3.2 几种膜的脂质组成 3.2.1.4膜脂组织的多态性膜脂组织的多态性生生物物膜膜3 3种种主主要要脂脂类类磷磷脂脂、糖糖脂脂和和类类固固醇醇的的分分子子结结构构相相差差甚甚远远，但但都都是是两两亲亲性性分分子子，即即同同时时具具有有亲亲水水的的头头部部和和疏疏水水的的尾尾巴巴两两部部分分。以以磷磷脂脂为为例例，当当把把磷磷脂脂加加入入水水中中，如如图图所所示示，只只有有极极少少数数分分子子以以单单体体形形式式游游离离存存在在；在在水水空空气气界界面面上上的的磷磷脂脂倾倾向向于于形形成成单单分分子子层层，极极性性头头与与水水接接触触，疏疏水水的的尾尾巴巴伸伸向向空空气气；如如果果加加入入的的磷磷脂脂较较多多，水水空空气气界界面面已已经经达达到到饱饱和和，其其余余的的磷磷脂脂就就以以微微团团或或双双分分子子层层形形式式存存在在。在在疏疏水水作作用用的的驱驱动动和和Van Van der der WaalsWaals引引力力作作用用下下，磷磷脂脂分分子子的的极极性性头头与与水水相相接接触触，疏疏水水尾尾巴巴彼彼此此靠靠近近，将将水水从从附附近近排排除除。磷磷脂脂在在水水中中形形成成脂脂双双层层结结构构是是个个自自组组装装过过程程，并并进进一一步步自自我我封封合合为为双双层层微微囊囊(脂脂质质体体，liposome)liposome)。图3.2 磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式图3.3 可能存在的几种相结构3.2.2膜蛋白膜蛋白生生物物膜膜的的功功能能主主要要由由膜膜蛋蛋白白承承担担。膜膜蛋蛋白白与与膜膜脂脂分分子子共共同同维维持持膜膜的的完完整整性性、多多样样性性和和不不对对称称性性。通通常常，细细胞胞质质膜膜中中的的蛋蛋白白质质主主要要与与涉涉及及胞胞外外环环境境的的细细胞胞活活力力有有关关，而而细细胞胞内内膜膜系系统统的的蛋蛋白白质质则则主主要要与与代代谢谢活活动动有有关关。有有的的膜膜蛋蛋白白发发挥挥酶酶的的作作用用，有有的的膜膜蛋蛋白白行行使使信信息息传传递递或或能能量量转转换换功功能能，有有的的构构成成细细胞胞膜膜的的骨骨架架，有有的的则则参参与与细细胞胞识识别别。应应当当强强调调指指出出，膜膜蛋蛋白白的的功功能能不不仅仅取取决决于于自自身身固固有有的的结结构构，生生物物膜膜构构成成的的特特殊殊环环境境对对膜膜蛋蛋白白形形成成并并保保持持正正确确的的构构象象起起着着不可或缺的作用。不可或缺的作用。图图3.4 3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式膜蛋白与脂双层结合的几种方式大大部部分分跨跨膜膜蛋蛋白白以以单单一一-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层或或以以多多个个-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层；这这些些单单次次通通过过或或多多次次通通过过的的蛋蛋白白，有有一一些些具具共共价价结结合合的的脂脂肪肪酸酸链链插插入入细细胞胞质质面面的的脂脂单单层层，其其他他膜膜蛋蛋白白通通过过共共价价连连接接到到脂脂类类或或是是脂脂肪肪酸酸链链或或是是异异戊戊烯烯基基团团，插插入入脂脂双双层层（细细胞胞质质面面的的单单层层），或或不不常常发发生生的的，经经寡寡糖糖连连到到较较小小的的磷磷脂脂、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇，在在非非胞胞质质面面的的单单层层，许许多多蛋蛋白白质质通通过过非非共共价价键键与与其其他膜蛋白相互作用连到膜上，他膜蛋白相互作用连到膜上，和和（仿（仿B.AlbertsB.Alberts等，等，19941994）3.2.2.1 整合蛋白(integral proteins)或内在蛋白(intrinsic proteins)整整合合蛋蛋白白一一般般约约占占膜膜蛋蛋白白的的707080%80%。这这些些膜膜蛋蛋白白嵌嵌入入脂脂双双层层，与与脂脂双双层层疏疏水水核核紧紧密密结结合合，整整合合于于脂脂双双层层结结构构之之中中，只只有有用用氯氯仿仿等等有有机机溶溶剂剂或或SDSSDS、胆胆酸酸盐盐、Triton Triton X-100X-100等等去去垢垢剂剂破破坏坏脂脂双双层层结结构构后后才才能能将将其其分分离离出出来来。多多数数整整合合蛋蛋白白都都是是跨跨膜膜蛋蛋白白(transmembrane(transmembrane proteins)proteins)，其其中中有有的的一一次次跨跨膜膜，有有的的多多次次跨跨膜膜，只只有有极极少少数数整整合合蛋蛋白白以以部部分分肽肽链链插插入入脂脂双双层层疏疏水水核核，并并不不穿穿透透脂脂双双层层，仅仅在在膜膜一一侧侧暴暴露露(如如内内质质网网膜膜上上的的细细胞胞色色素素b b5 5)，称称为为锚锚定定蛋蛋白白(anchored(anchored或或monotopic monotopic proteins)proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体(图图3.5)3.5)。光合细菌光反应中心的结构3.2.2.2 3.2.2.2 外外 周周 蛋蛋 白白(peripheral(peripheral proteins)proteins)或或 外外 在在 蛋蛋 白白(extrinsic(extrinsic proteins proteins)这类蛋白质定位于脂双层的内侧或外侧，这类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、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，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容易用离子强度较高或pHpH较高的溶液将它们从较高的溶液将它们从膜上分离出来。膜上分离出来。图图3.7 3.7 红细胞膜骨架各组分与质红细胞膜骨架各组分与质膜连接的示意图膜连接的示意图3.2.2.3 3.2.2.3 脂锚定蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored proteins)(lipid-anchored proteins)这类蛋白与外周蛋白相似，都有亲水的表面；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脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧(图图3.4)3.4)。按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几类：类：图图3.4 3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式膜蛋白与脂双层结合的几种方式大大部部分分跨跨膜膜蛋蛋白白以以单单一一-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层或或以以多多个个-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层；这这些些单单次次通通过过或或多多次次通通过过的的蛋蛋白白，有有一一些些具具共共价价结结合合的的脂脂肪肪酸酸链链插插入入细细胞胞质质面面的的脂脂单单层层，其其他他膜膜蛋蛋白白通通过过共共价价连连接接到到脂脂类类或或是是脂脂肪肪酸酸链链或或是是异异戊戊烯烯基基团团，插插入入脂脂双双层层（细细胞胞质质面面的的单单层层），或或不不常常发发生生的的，经经寡寡糖糖连连到到较较小小的的磷磷脂脂、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇，在在非非胞胞质质面面的的单单层层，许许多多蛋蛋白白质质通通过过非非共共价价键键与与其其他膜蛋白相互作用连到膜上，他膜蛋白相互作用连到膜上，和和（仿（仿B.AlbertsB.Alberts等，等，19941994）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虚线箭头所指为转肽酶作用点3.2.3膜糖膜糖 真真核核细细胞胞质质膜膜和和内内膜膜系系统统都都有有糖糖类类分分布布，不不同同物物种种和和不不同同类类型型的的细细胞胞膜膜糖糖含含量量不不同同。质质膜膜含含糖糖约约占占膜膜重重的的2 210%10%，这这些些糖糖大大多多数数与与蛋蛋白白质质共共价价结结合合构构成成糖糖蛋蛋白白，少少数数结结合合在在脂脂类类分分子子上上构构成成糖糖脂脂。例例如如红红细细胞胞质质膜膜含含有有8%8%的的糖糖类类，其其中中约约93%93%与与蛋蛋白白质质结结合合，大大多多数数暴暴露露于于细细胞胞表表面面的的蛋蛋白白质质都都共共价价连连接接1 1个个或或多多个个寡寡糖糖链链；其其余余约约7%7%与与类类脂脂分分子子结结合合，脂脂双双层层外外叶叶不不到到1%1%的的膜膜脂脂分分子子连连有有寡寡糖糖，而而且且大大多多仅仅1 1条条寡寡糖糖链链。构构成成生生物物膜膜寡寡糖糖的的单单糖糖主主要要有有9 9种种：半半乳乳糖糖、甘甘露露糖糖、岩岩藻藻糖糖、葡葡萄萄糖糖、木木糖糖、葡葡萄萄糖糖胺胺、N-N-乙乙酰酰葡葡萄萄糖糖胺胺、N-N-乙乙酰酰半半乳乳糖糖胺胺和和唾唾液液酸酸。生生物物膜膜上上的的糖糖类类几几乎乎都都定定位位于于膜膜的的非非胞胞浆浆面面，即即细细胞胞质质膜膜的的外外侧侧和和细细胞胞器器膜膜的的腔腔内内一一侧侧，在在质质膜膜外外侧侧形形成成细细胞胞外外被被或糖萼或糖萼(glycocalyx)(glycocalyx)(图图3.9)3.9)。图3.9 细胞外壳（糖萼）示意图3.3.生物膜的结构 18931893年年，OvertonOverton用用蔗蔗糖糖溶溶液液引引起起植植物物细细胞胞的的质质壁壁分分离离表表明明了了细细胞胞膜膜的的存存在在，并并在在后后来来提提出出脂脂类类和和胆胆固固醇醇可可能能是是细细胞胞膜膜的的主主要要组组分分。19251925年年，荷荷兰兰人人GorterGorter和和GrendelGrendel根根据据对对红红细细胞胞膜膜的的研研究究提提出出了了脂脂双双分分子子层层的的概概念念，成成为为认认识识膜膜结结构构的的基基础础。19351935年年，Danielli Danielli&DavsonDavson提提出出蛋蛋白白质质-脂脂质质-蛋蛋白白质质的的“三三明明治治”模模型型。19641964年年RobertsonRobertson根根据据电电镜镜观观察察结结果果提提出出单单位位膜膜模模型型。这这些些模模型型以以及及其其它它许许多多有有关关研研究究，为为流流体体镶镶嵌嵌模模型型的的提提出出积积累累了了有有用用的的资资料料和和借借鉴鉴。图图概概括括了了100100多多年年来来人人类类对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。图图3.10 3.10 对生物膜结构认对生物膜结构认 识的不断丰富和深化识的不断丰富和深化3.3.1生物膜的生物膜的“流体镶嵌流体镶嵌”模型模型在在生生物物膜膜的的流流动动性性和和膜膜组组分分分分布布不不对对称称性性等等研研究究的的基基础础上上，19721972年年美美国国SingerSinger和和NicolsonNicolson提提出出了了生生物物膜膜的的“流流体体镶镶嵌嵌”模模型型(图图3.11)3.11)，要要点点如下：如下：图图3.11 3.11 Singer&Nicolson流体镶嵌模型流体镶嵌模型 极极性性脂脂双双分分子子层层构构成成生生物物膜膜的的基基本本架架构构，膜膜蛋蛋白白镶镶嵌嵌在在其其中中。脂脂双双层层既既是是整整合合蛋蛋白白的的溶溶剂剂，又又是极性物质的扩散屏障。是极性物质的扩散屏障。生生物物膜膜是是由由极极性性脂脂和和蛋蛋白白质质分分子子按按二二维维排排列列的的流流体体，膜膜的的结结构构组组分分在在其其中中可可以以移移动动并并聚聚集集组组装装。膜膜脂脂分分子子以以流流体体或或液液体体状状态态存存在在于于膜膜中中，能能在在其其中中进进行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。生生物物膜膜中中蛋蛋白白质质的的分分布布不不对对称称，有有的的镶镶嵌嵌在在脂脂双双层层表表面面，有有的的则则部部分分或或全全部部嵌嵌入入脂脂双双层层内内部部，有有的的则则横横跨跨整整个个膜膜。少少量量膜膜脂脂与与膜膜蛋蛋白白专专一一结结合合，是是这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。3.3.2生物膜结构的主要特征生物膜结构的主要特征“流流体体镶镶嵌嵌”模模型型虽虽然然得得到到比比较较广广泛泛的的支支持持，一一直直不不失失为为膜膜生生物物学学的的核核心心原原理理，但但仍仍存存在在许许多多局局限限性性，例例如如，很很多多实实验验表表明明，膜膜的的各各个个部部分分的的流流动动性性不不均均匀匀，在在一一定定条条件件下下有有的的处处于于液液晶晶相相，有有的的则则处处于于凝凝胶胶相相，即即膜膜脂脂存存在在着着多多态态性性。在在此此基基础础上上，后后来来又又提提出出一一些些模模型型。但但是是，实实际际上上已已很很难难再再以以某某些些简简单单模模式式形形像像地地描描绘绘丰丰富富多多彩彩的的生生物物膜膜。因因此此人人们们越越来来越越关关注注与与多多样样性性的的细细胞胞功功能能和和状状态态相相适适应应的的膜膜结结构构的的多多样样性性、多多形形性性和和不不对对称称性性及及其其动动态态特特征征。下下面面将将通通过过对对膜膜结结构构主主要要特特征征的的讨讨论论充充实实和和深深化化对对生物膜结构的理解。生物膜结构的理解。3.3.2.1膜的不对称性膜的不对称性 膜膜的的不不对对称称性性指指的的是是膜膜脂脂、膜膜蛋蛋白白和和糖糖类类不不对对称称地地分分布布在在脂脂双双层层的的两两叶叶片片层层。所所有有的的生生物物膜膜都都具具有有这这种种结结构构的的不不对对称称性性，这这也也是是生生物物膜膜功功能能的的重重要要基础。基础。实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有糖脂和绝大多数糖脂和绝大多数 PC PC与与SphSph分布在膜的非胞浆片层，分布在膜的非胞浆片层，而电中性或带负电荷的膜脂如而电中性或带负电荷的膜脂如PEPE、PSPS则更多地分布则更多地分布于胞浆面片层于胞浆面片层(图图3.12)3.12)。不同的细胞质膜脂类的不。不同的细胞质膜脂类的不对称分布亦不相同，如猪血小板膜中对称分布亦不相同，如猪血小板膜中PCPC主要分布于主要分布于胞浆面片层。胞浆面片层。除核膜上的某些转录因子和核孔复合物蛋白质上存在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糖链，其余膜上的糖脂和糖蛋白糖链均定位朝着胞浆面的糖链，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，称为脂筏了局部固态结构，称为脂筏(lipid raft)(lipid raft)。脂筏直径约。脂筏直径约70nm70nm，在某些条件下可聚集成更大的结构。脂筏特异地结，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，如合许多膜蛋白，如GPI-PrGPI-Pr和其它脂锚定蛋白等。脂筏的存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。例如在静止的细胞信号转导。例如在静止的T T细胞表面，多种与细胞表面，多种与T T细胞受细胞受体信号转导有关的分子组成型地结合于脂筏。当体信号转导有关的分子组成型地结合于脂筏。当T T细胞受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合成的大脂筏斑。免疫突触结构，其中主要是由小脂筏融合成的大脂筏斑。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。作用。3.3.2.2生物膜的流动性生物膜的流动性 流流动动性性是是生生物物膜膜最最重重要要的的特特征征之之一一，涉涉及及膜膜脂脂的的流流动动性和膜蛋白的流动性。性和膜蛋白的流动性。(1)(1)膜脂的流动性膜脂的流动性 前前面面在在膜膜脂脂组组织织多多态态性性中中已已经经提提到到，脂脂双双层层存存在在液液晶晶相相和和凝凝胶胶相相。当当膜膜从从凝凝胶胶相相转转变变为为液液晶晶相相时时，膜膜组组分分的的分分子子内内和和分分子子间间运运动动明明显显增增加加。在在生生理理条条件件下下，膜膜脂脂大大多多呈呈液液晶晶相相，当当温温度度降降低低至至相相变变温温度度（TcTc）时时，即即从从液液晶晶相相转转变变为为凝凝胶胶相相(图图3.13)3.13)。用用示示差差扫扫描描量量热热法法、NMRNMR和和ESRESR波谱等技术可以测定膜脂相变温度。波谱等技术可以测定膜脂相变温度。图图3.13 3.13 膜脂的相变膜脂的相变磷磷 脂脂相变温度相变温度()()Di-14 0PC24Di-16 0PC41Di-18 0PC58Di-22 0PC75Di-18 1PC-221-18 02-18 1PC3Di-14 0PE51Di-16 0PE63Di-14 0PG23Di-16 0PG41Di-16 0PA67 表3.3 磷脂组成与相变温度的关系图3.14 磷脂分子运动的几种方式 侧侧向向扩扩散散，即即膜膜脂脂分分子子在在脂脂双双层层同同一一片片层层内内与与邻邻近近分分子子进进行行换换位位，扩扩散散速速率率的的大大小小可可用用扩扩散散系系数数D DL L表表示示。