3 生物膜.ppt

生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能Chapter 3Compositionandstructureofmembrane生命学院生命学院张林生张林生 生物膜（生物膜（biomembranesbiomembranes）是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称统称。A A 细胞膜细胞膜B B 腔膜腔膜C C 线粒体膜线粒体膜D D 消化泡（次级溶酶体）消化泡（次级溶酶体）E E 内质网膜内质网膜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)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的区间内，各自进行着不同的生命活动。开的区间内，各自进行着不同的生命活动。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行，把不同生化活性彼此间的干扰减少到最低。进行，把不同生化活性彼此间的干扰减少到最低。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依赖于相应膜系统的组成和结构。也依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，结果将是灾难性的；结果将是灾难性的；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也就成了这些膜系统最基本的输也就成了这些膜系统最基本的功能功能之一。之一。(3)(3)能量转换能量转换(energy(energy conversion)conversion)：为了推动各种生命活动的进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。在细胞保证有足够的能量供应。在细胞的能量转换中，的能量转换中，生物膜生物膜起着关键起着关键性作用。植物的性作用。植物的叶绿体类囊体膜叶绿体类囊体膜结合的色素可吸收太阳光，把光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能转换为光合电子传递链上的电子流动，最后形成同化力子流动，最后形成同化力(NADPH(NADPH和和ATP)ATP)，再经光合碳素途径转换再经光合碳素途径转换成以糖类形式储存的化学能。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在分解代谢的反应中代谢物脱下的H H和和e e常被辅酶受常被辅酶受NADNAD+NADH+H NADH+H+NADPNADP+NADPH+H NADPH+H+FAD FADFADHFADH2 2它们的还原态是富含能量的它们的还原态是富含能量的.称还原力或称还原力或还原当量还原当量线粒体内膜线粒体内膜则把能源物质则把能源物质氧化时氧化时释放的能量释放的能量转换成可以转换成可以作功作功的能量形式的能量形式ATP中的化中的化学能。学能。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质跨另外，当膜维持着某些特异离子或溶质跨膜的膜的浓度差浓度差时，能量就储存于它的跨膜电时，能量就储存于它的跨膜电化学梯度中。这样的膜称为化学梯度中。这样的膜称为“能势膜能势膜”(energizedmembranes)，其中所储存，其中所储存的能量可用于的能量可用于驱动驱动细胞的许多重要活性。细胞的许多重要活性。磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸 暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸磷酸磷酸甘油甘油甘油甘油1-1-磷酸磷酸磷酸磷酸能量传递能量传递转转化化传传递递传递传递(4)细胞识别细胞识别(cell recognition(cell recognition)细胞通过其表面的特殊细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号受体与胞外信号物质分子或物质分子或配体选择性地相互作用，触发配体选择性地相互作用，触发细胞内细胞内一系列生理生化变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，这样的过程称为过程称为细胞识别细胞识别。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。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，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，执行整体功能。例如，质膜质膜上的某些离子通道或感受器蛋白能感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。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不同类型的细胞带有不同的受体受体，能对环境中不同，能对环境中不同配体的浓度变化作出相应的响应，包括配体的浓度变化作出相应的响应，包括改变胞内改变胞内代谢；调控细胞周期或细胞分裂、分化；趋化性代谢；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。胞下达凋亡指令等。细胞表面的各种粘附分子介导细胞表面的各种粘附分子介导细胞之间细胞之间的相互的相互识别、粘附及相互作用。包括：识别、粘附及相互作用。包括：同种同类细胞同种同类细胞间的相互作用，如具有间的相互作用，如具有相同表面特征相同表面特征的细胞之间通过识别、粘合、聚集成器官；的细胞之间通过识别、粘合、聚集成器官；同种异类细胞同种异类细胞的相互作用，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识别、粘结与融合；互识别、粘结与融合；异种异类细胞异种异类细胞间的相互作用，如病原菌或寄生菌与间的相互作用，如病原菌或寄生菌与寄主细胞间的相互识别与粘合。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到特别的关注，事实上胞外基质中的许多组分还起着组分还起着信息分子信息分子的作用，可通过细胞的作用，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、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。图迁移、凋亡等在内的多种效应。图3.1列举列举了细胞识别的基本类型。了细胞识别的基本类型。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10.26所有生物膜几乎都是由所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类蛋白质和脂类两大物质组成。尚含两大物质组成。尚含有少量糖、金属离子和水（有少量糖、金属离子和水（15%-20%）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，因因膜膜的种类不同而有很大差别的种类不同而有很大差别(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种蛋白，仅占膜重量的种蛋白，仅占膜重量的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类蛋白质脂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小鼠肝细胞质膜小鼠肝细胞质膜 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菠菜叶绿体片层膜菠菜叶绿体片层膜 703002.3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高尔基体胆固醇胆固醇心磷脂心磷脂小脂类小脂类鞘磷脂鞘磷脂卵磷脂卵磷脂脑磷脂脑磷脂FIGURELipidcompositionoftheplasmamembraneandorganellemembranesofarathepatocyte.（大鼠肝细胞大鼠肝细胞）3.2.1膜脂膜脂 大多数动物细胞质膜约含大多数动物细胞质膜约含50%50%的脂类，据估算一个小的动的脂类，据估算一个小的动物细胞的质膜约有物细胞的质膜约有10109 9个类脂分子。构成生物膜的脂类有磷脂、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。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。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 3.2.1.1 磷脂磷脂(phospholipids,PLphospholipids,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：其中磷脂约占整个膜脂的其中磷脂约占整个膜脂的50以上。以上。磷脂磷脂甘油磷脂甘油磷脂鞘脂类鞘脂类鞘磷脂鞘磷脂鞘糖脂鞘糖脂X非极非极性，不易溶于水性，不易溶于水称称非极性尾非极性尾极极性性，易易溶溶于于水水称称极性头极性头（1 1）甘油磷脂）甘油磷脂(glycerophospholipid)极性醇极性醇基本结构基本结构 甘油磷脂甘油磷脂(phosphoglyceridesphosphoglycerides)：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(phosphatidicphosphatidic acid,PAacid,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性基团极性基团就形成各种甘油磷脂，就形成各种甘油磷脂，如磷脂酰胆碱如磷脂酰胆碱(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)、磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)、磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)和双磷脂酰甘油和双磷脂酰甘油(diphosphatidylglycerol,DPG)或心磷脂或心磷脂(cardiolipin,CL)。常见的甘油磷脂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,Sphsphingomyelin,Sph)鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、鞘磷脂可水解为磷酸、胆碱、(神经神经)鞘氨醇、鞘氨醇、二氢二氢(神经神经)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个有鞘氨醇是一个有18个碳的氨基个碳的氨基二醇，已发现的鞘氨醇类有二醇，已发现的鞘氨醇类有几十种，它们的碳原子和羟几十种，它们的碳原子和羟基数目均有变化。基数目均有变化。鞘氨醇的氨基与一长链脂肪鞘氨醇的氨基与一长链脂肪酸酸(C16C26)的酰基形成的酰基形成具有两个非极性尾部的化具有两个非极性尾部的化合物，称为神经酰胺合物，称为神经酰胺(ceramide)。鞘氨醇(神经)鞘磷脂(3)磷脂中的脂肪酰链：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酰基的碳基子数从12-26，双链数从，双链数从0-5。sn-2位位通常是一个多烯脂酰基，通常是一个多烯脂酰基，sn-1位则多为饱和脂酰位则多为饱和脂酰基。基。天然脂酰链天然脂酰链中的双键多为中的双键多为cis构型构型(顺势构型顺势构型)，在烃链中形成的约在烃链中形成的约44的折角，因而比相同碳原子的折角，因而比相同碳原子数的饱和脂肪酸和数的饱和脂肪酸和trans构型构型(反势构型反势构型)的不饱和脂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的长度和分子面积对生物膜生物膜的特性有重要影响。的特性有重要影响。Cis9-OctadecenoicAcid(oleic)Trans9-OctadecenoicAcid(elaidicacid)CisAndTransFattyAcids（油酸）（油酸）（反反油酸油酸）Naturally-occurringfattyacids1.Cisform2.Notconjugated-isolateddoublebond.3.Evennumberedfattyacids.饱和饱和(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。的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PCPC磷脂磷脂酰胆碱酰胆碱头部的磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一头部的磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理个正电荷，在生理pHpH下呈电中性，是下呈电中性，是兼性离子兼性离子(zwitterioniczwitterionic)。PEPE和和SphSph与与PCPC电荷特性相似。电荷特性相似。PSPS头部磷酸基和丝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。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，因而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，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电荷状况取决于环境pHpH与其与其pIpI值之差。值之差。葡糖脑苷脂 半乳糖苷甘油胆碱胆碱甘油3.2.1.2糖脂糖脂(glycolipids)糖脂约占膜脂总量的糖脂约占膜脂总量的5以上，在神经细胞质以上，在神经细胞质膜上糖脂约占膜上糖脂约占510。目前已发现目前已发现40余种糖脂，不同的细胞中所含余种糖脂，不同的细胞中所含糖脂的种类不同，以脑苷脂为主。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。植物细胞膜的脂质多为糖脂。膜糖脂又分成三类：膜糖脂又分成三类：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；中中性性糖糖鞘鞘脂脂和和酸酸性性糖糖鞘鞘，二二者者都都是是神神经经酰酰胺胺糖糖基基化化的产物。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(monogalactosemonogalactose diacylglycerol,MGDGdiacylglycerol,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中的膜中的6-6-磺基磺基-D-D-异鼠李糖二酰基甘油异鼠李糖二酰基甘油(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(galactocerebrosidegalactocerebroside)。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要的的鞘鞘脂脂，一一般般定定位位于于脂脂双分子层的外叶。双分子层的外叶。鞘糖脂鞘糖脂(glycosphingolipids)神经酰胺是构成鞘脂类的母体结构。若鞘氨神经酰胺是构成鞘脂类的母体结构。若鞘氨醇醇C1上的羟基与一个单糖（葡萄糖或半乳糖）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。为脑苷脂和神经节苷脂。若若在在半半乳乳糖糖脑脑苷苷脂脂中中半半乳乳糖糖的的C3位位上上与与硫硫酸酸分分子以硫酯键相连，则形成脑硫脂子以硫酯键相连，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了含糖分子外，它的极性头部还含有一个或多个分子多个分子N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminicacid)，即唾液酸即唾液酸(sialicacid)。非极性尾非极性尾极极性性头头磷酸胆碱（或磷酸胆胺）糖糖脂脂鞘磷脂鞘磷脂单糖及单糖聚合物这部分神经节苷脂类在这部分神经节苷脂类在pH=7时带负电荷。时带负电荷。人的神经节苷脂类中有丰富的唾液酸。人的神经节苷脂类中有丰富的唾液酸。脑灰质脑灰质含有丰富的神经节苷脂类，构成全部脂类的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，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。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。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。都有一葡萄糖基与神经酰胺以糖苷键相连。鞘鞘糖糖脂脂是是动动物物细细胞胞膜膜的的组组分分。虽虽然然在在细细胞胞膜膜中中含含量量很很少少，但但它它在在行行使使生生物物膜膜的的功功能能方方面面具具有有重重要要的的意意义义。神神经经节节苷苷脂脂类类在在神神经经末末梢梢含含量量非非常常丰丰富富，可可能能它它在在神神经经突突触触的的传传导导中中起起着重要作用。着重要作用。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。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产生显著的影响。性产生显著的影响。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仅一个羟基，亲水性明显较弱。部仅一个羟基，亲水性明显较弱。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(3040)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能，对对膜膜的的生生物物合合成成及及细细胞胞生生长有重要的影响。长有重要的影响。胆固醇卵磷脂 磷脂酰乙醇胺 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，即即同同时时具有亲水的头部和疏水的尾巴两部分。具有亲水的头部和疏水的尾巴两部分。非非 极极 性性尾尾极极性性头头磷酸胆碱（或磷酸胆胺）糖糖脂脂鞘磷鞘磷脂脂单糖及单糖聚合物图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，以磷脂为例，当把当把磷脂磷脂加入水中，加入水中，如图如图3.2所示，只有极少数分子以所示，只有极少数分子以单体形式游离存在；在水空气界单体形式游离存在；在水空气界面上的磷脂倾向于形成单分子层，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；如果加入的磷脂较多，水空气界面已经达到饱和，其余的磷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。脂就以微团或双分子层形式存在。在疏水作用的驱动和在疏水作用的驱动和VanderWaals引力作用下，磷脂分子的极引力作用下，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，形成脂双层结构是个自组装过程，并进一步自我封合为并进一步自我封合为双层微囊双层微囊(脂脂质体，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膜蛋白膜蛋白(membraneproteins)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有关。动有关。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不可可或或缺缺的的作作用。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.B.AlbertsAlberts等，等，19941994）外周蛋白糖基化磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白 3.2.2.1 3.2.2.1 整整合合蛋蛋白白(integral(integral proteins)proteins)或或内内在在蛋蛋白白(intrinsic proteins)(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(transmembranetransmembrane 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monotopicmonotopic proteins)proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体寡聚体(图图3.5)3.5)。跨膜蛋白结构域两端的跨膜蛋白结构域两端的Arg、Lys等携带正电等携带正电荷，与带负电荷的磷脂分子极性头形成离荷，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过子键，或带负电荷的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电荷的磷酸极性头相等阳离子与带负电荷的磷酸极性头相互作用。互作用。跨膜结构域含有跨膜结构域含有20个左右的疏水氨基酸残基，个左右的疏水氨基酸残基，形成形成-螺旋，其外部疏水侧链通过范德华螺旋，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。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膜蛋白与磷脂双分子层结合的几种方式双分子层双分子层胞液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有些整合蛋白以其若干个两亲性亲性-螺旋组成跨膜的亲水螺旋组成跨膜的亲水通道，每个螺旋以含有较多通道，每个螺旋以含有较多疏水疏水残基的一面朝向残基的一面朝向脂脂双层，双层，而以主要由而以主要由亲水亲水残基组成的残基组成的另一面朝向另一面朝向孔道孔道，相邻的螺，相邻的螺旋间可通过氢链相互联系。旋间可通过氢链相互联系。肽聚糖质膜3.2.2.2 3.2.2.2 外外周周蛋蛋白白(peripheral(peripheral proteins)proteins)或或外外在在蛋白蛋白(extrinsic proteins(extrinsic proteins)这这类类蛋蛋白白质质定定位位于于脂脂双双层层的的内内侧侧或或外外侧侧，即即质质膜膜的的胞胞浆浆面面或或细细胞胞表表面面，它它们们通通过过离离子子键键、氢氢键键等等非非共共价价键键不不太太紧紧密密地地与与暴暴露露在在膜膜外外的的膜膜脂脂分分子子极极性性头头或或整整合合蛋蛋白白的的亲亲水水部部分分相相联联系系，容容易易用用离离子子强强度度较较高高或或pHpH较高的溶液将它们从膜上分离出来。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外周蛋白约占膜蛋白总量的2030，为水溶性蛋白。为水溶性蛋白。外周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、离子强度、pH或温度就可将其从质膜上分离下来，而不破坏膜或温度就可将其从质膜上分离下来，而不破坏膜结构。结构。外周蛋白常以共价结合的脂酰基外周蛋白常以共价结合的脂酰基(如棕榈酰、豆蔻酰如棕榈酰、豆蔻酰)、异戊烯基异戊烯基(如牻牛儿基、法尼基如牻牛儿基、法尼基)或糖肌醇磷脂酰基，插或糖肌醇磷脂酰基，插入膜脂双层，也称为入膜脂双层，也称为膜锚蛋白膜锚蛋白(membraneanchoringprotein)。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）红细胞中的红细胞中的血影蛋白血影蛋白(spectrin)就是质膜骨架膜蛋白的主就是质膜骨架膜蛋白的主要组分，其长约要组分，其长约100nm的柔性纤维状蛋白，两个亚基的柔性纤维状蛋白，两个亚基和和互相缠绕成异源二聚体细丝，再头对头连接成长互相缠绕成异源二聚体细丝，再头对头连接成长200nm的四聚体，的四聚体，45个四聚体共同结合于短的微丝或其它细骨个四聚体共同结合于短的微丝或其它细骨架膜蛋白架膜蛋白(包括带包括带4.1蛋白蛋白)、原肌球蛋白原肌球蛋白等组成的连接复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发生突变造成的(图图3.7)。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：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.B.AlbertsAlberts等，等，1994