生物化学第十二章

结构和功能不同的细胞膜有一些共同的特征 虽然膜的结构和功能差异很大，但是它们有很 多共同的特征： 1. 膜是层类结构，只有两个分子厚度，形成内 容物和外在环境之间封闭的边界。大多数生物 膜的厚度是60 -100 A（即 6 -10 nm）。 2. 膜的组分主要是脂质和蛋白质。脂质和蛋白 质之间的质量比是1:4 至 4:1。膜含有碳水化合 物。这些糖分子与脂质或蛋白质连接。 3. 膜的脂质分子小，有亲水和疏水两个部分。 在水溶液环境中，这些脂质分子能够自动形成 封闭的水分子层，即脂质双层。这种双分子层 4 是极性分子跨膜移动的障碍。
图12.1 红细胞的细胞质膜。红 细胞质膜制备物的电镜图谱显 示膜截面的边缘。
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膜蛋白漂浮于脂质双层海洋中，因此细胞膜是 一种动态结构。细胞膜的脂质组分构成通透性 障碍，而蛋白组分构成物质运输泵或通道，使 细胞膜允许特定分子进入或输出。下一章将详 细介绍膜蛋白。 除了细胞外膜（通常称为细胞质膜）外，真核 细胞胞内有膜形成细胞器如线粒体、叶绿体、 过氧化物酶体、和溶酶体的边界。在进化过程 中各个细胞器功能特异华进化与细胞分室形成 密切相关。进化产生的特定系统能够将特定蛋 白质定位于特定的胞内膜或细胞器。胞内膜和 胞外膜有一些共同的必须特征。本章介绍这些 3 共同的必需特征。
Berg • Tymoczko • Stryer
Biochemistry
Sixth Edition
Chapter 12: Lipids and Cell Membranes
Copyright © 2007 by W. H. Freeman and Company 1
细胞的边界由生物膜构成。生物 膜确定了细胞内外的障碍（图 12.1）。这种障碍阻止细胞内分 子的外泄和细胞外不需要的物质 扩散进入。细胞膜上还有特异的 运输系统摄取胞外特定分子，移 出胞内不需要分子。这种运输系 统使细胞膜具有选择通透性。
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古生菌膜脂质有分支脂 肪醚脂质分子 古生菌的细胞膜在 组成上与真核细胞和细 菌明显不同。其中两个 差异与古生菌生活条件 密切相关（图12.7）。 古生菌生长在如高温、 低pH、或高盐浓度这些 恶劣条件下，因此古生 菌脂质必须抗水解和抗 氧化的特性从而有助于 古生菌耐受极端环境。
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（1）非极性脂肪链与甘油的结合是醚键（而 不是酯键）。醚键比酯键更耐水解。 （2）脂肪链不是线状，有分支。是完全饱和 的五碳原子重复。这种分支的饱和脂肪链更 耐氧化。 （3）与图12.4的结构相比，古生菌甘油不对 称碳原子的立体化学也发生颠换。
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（3）胆固醇是含有甾体核的脂质分子 胆固醇是结构与磷脂显著不同的脂质分子。胆固醇属 于甾体类化合物，含有4个融合在一起的碳氢环。这个 四环结构的一端是碳氢原子组成的尾巴，另一端是羟 基。在生物膜中，胆固醇与磷脂分子平行排列，羟基 与附近的磷脂分子的磷酸基团作用。原核生物没有胆 固醇，但是所有的动物的生物膜都有。有些神经细胞 膜，25%的膜脂质是胆固醇。但是胞内膜系统基本没有 胆固醇。
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A
B
图12.11 磷脂双层 膜截面的填充模型 。（A）理想化的 规则结构。（B） 更实际的流动状态 结构，脂肪酸链结 构更加不规则。 28
脂质分子在水中自组装形成脂质双层, 其基础在于： (1) 磷脂分子之间疏水作用驱动脂质双层的形成，一方 面能释放水分子，另一方面疏水尾巴靠近加强分子间 van der Waals相互作用。结果自组装成脂质双层的速 度快。而且疏水。(2) 脂质分子极性头部与水分子之间 有静电作用和氢键作用。因此生物系统中脂质分子之 间、脂质分子与环境分子之间各种相互作用稳定了脂 质双层结构。由于脂质双层有很多非共价相互作用（ 主要是疏水相互作用）协同加强将脂质双层分子结合 在一起，脂质双层是协同结构。
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图12.8 膜脂质示意图。（A） 磷脂酰甘油脂、鞘磷脂、和古 生菌脂质分子的空间填充模型 ，显示这些脂质分子的形状， 亲水部分和疏水部分在分子结 构上的分布。（B）膜脂质分 子的结构缩写。
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磷脂和糖脂在水相能形成双分子片层结构 磷脂的什么性质能形成膜？脂质分子的两性特征导致膜的 形成。在水溶液中脂质分子的极性头部喜好与水接触，而 非极性尾部相互接触。有这种倾向性的分子在水溶液中如 何排列？一种结构是形成微团(micelle)。极性头部处于微 团表面，周围是水分子，疏水性的烃类尾巴相互接触、包 埋于微团内部（图12.9）。
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有三类膜脂质, （1）其中主要组分是磷脂。所有生物膜中，磷脂最丰富。一个 磷脂分子有四种组分：一个或多个脂肪酸，结合脂肪酸的平台 分子（如甘油），一个磷酸，和与磷酸结合的羟基分子。
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二酰基甘油3-磷酸 图12.4 二脂酰甘油磷酸的结构。图中显示C-2 14 的绝对构型。
磷脂大多数是二脂酰甘油3-磷酸进一步与醇羟基 结合形成的磷脂。最常见的醇羟基分子是丝氨酸、乙 醇胺、胆碱、甘油、和肌醇。
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脂肪酸之间的差异表现在长度和饱和度 生物体内的脂肪酸通常是偶数碳原子，典型的脂肪酸碳链长度在 14至24碳原子之间（表12.1）。最常见的脂肪酸碳原子长度是16碳 原子和18碳原子脂肪酸。偶数碳原子脂肪酸占优势与脂肪酸生物 合成方式一致（参阅26章）。动物脂肪酸链几乎总是直链，没有 分支。脂肪链可能是饱和的，也可能含有双键。大多数不饱和脂 肪酸的双键都是顺式（cis)。脂肪链含有多个双键的脂肪酸的双键 之间至少间隔一个甲基。
4. 特殊蛋白质介导生物膜的不同功能。膜蛋白质 可以充当泵、通道、受体、能量转导器、和酶。 脂质双层为处于脂质双层的酶蛋白分子发挥酶促 作用提供了适宜的环境。 5. 膜分子组装依靠非共价相互作用。膜蛋白和脂 质分子之间有很多非共价作用。这些非共价相互 作用协同，将蛋白质和脂质分子结合在一起。
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6. 膜不对称。生物膜的两面总是不相同的。 7. 生物膜是流动性结构。脂质分子沿脂质双层 平面进行侧向水平移动，速度很快。膜蛋白也 能这样（除非蛋白质受特异的相互作用被锚定 ）。脂质分子和蛋白质不能跨膜旋转。因此， 生物膜可以看作是脂质和蛋白质之间有序排列 的二维结构。 8. 大多数细胞膜两侧电极化，导致胞内呈电负 性（通常是-60mV）。膜电位在物质运输、能 量转化、和激活等方面起关键作用（13章）
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图12.2 两个脂肪酸的结构。软脂酸是含有16个碳原子的饱和脂 肪酸。油酸是含有Biblioteka Baidu个顺式双键的18个碳原子脂肪酸。 8
脂肪酸碳原子的编号从羧基碳原子开始。第2号和第3号碳原子 常被分别称为a和b碳原子。脂肪链最远的碳原子称为w碳原子（ 倒数第二位的碳原子称为w-2碳原子）。双键用△表示。双键的 位臵标在△的右上角。而双键的构型在△前面用cis-或trans-表示 。例如，cis-△9表示第9号碳原子和第10号碳原子之间有一个顺 式双键；trans-△2表示在第2号碳原子和第3号碳原子之间有一个 反式双键。此外，也可以用倒数的形式（即w-)表示双键。例如 w-3脂肪酸。在生理pH条件下，脂肪酸都是解离的，因此通常称 为脂酸根，如palmitate或hexadecanoate。
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膜脂质含有一个亲水区和一个疏水区 膜脂质分子式样很多，但是它们有共同的结 构特征。膜脂质是两性分子(amphilic molecule)。 生物膜的一个脂质分子既含有亲水区域也含有疏 水区域。 磷脂酰甘油酯（如磷脂酰胆碱）的结构模型 大致是长方形（图12.8A）。两个疏水性脂肪酸链 相互间大致平行排列，而亲水性磷酰胆碱区域指 向另一侧。鞘磷脂的构型与此类似，古生菌的脂 质分子也是这样。因此，脂质分子可以简写为， 圆圈代表极性的亲水头部，直线或波浪线代表疏 水的碳氢尾巴（图12.8B)。
图12.9 微团的截面图谱。解离的脂 肪酸易于形成这样的结构，但是大 多数磷脂分子不形成这样的结构。
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膜脂质分子完全相反的溶解选择 性倾向于形成两层脂质分子构成 的脂质双层（图12.10）。脂质双 层也叫双分子层。一层脂质分子 的疏水性尾部与另一层脂质分子 的疏水性尾部接触，形成疏水性 内部，阻碍分子透过。双分子层 各面的极性头部与水相接触。每 个脂质双层的两个对应的分子层 称为小叶（leaflet）。
脂质双层结构有三种意义：（1）脂质双层有形成大面 积的倾向；（2）脂质双层倾向于形成封闭的结构，因 此没有边界；（3）由于脂质双层的孔洞在能量上处于 29 不利状态，脂质双层能自我封闭脂质双层的孔洞。
磷脂能够形成脂质囊泡 磷脂形成膜的倾向用作实验研究和临床研 究的工具。脂质囊泡，或脂质体，是脂质双层 膜包裹水相组分的结构（图12.12）。这些结构 可以用来研究膜的通透性，或者将化学物质递 送到细胞内。将适当的脂质，如磷脂酰胆碱， 悬浮于水相，然后用超声波处理产生大小相当 一致密闭囊泡的分散溶液。这种方式产生的囊 泡是直径为50 nm左右的球形。缓慢挥发磷脂混 合溶剂系统的有机溶剂能够获得更大的囊泡， 其直径达到1 nm。
图12.10 双层膜的截面示意图。
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在水相环境中，大多数磷脂或糖脂所形成 的结构是双分子脂质层，而不是微团。原因是 磷脂或糖脂的两个脂肪酸链太大，微团内部空 间容纳不下。相反，脂肪酸（如软脂酸钠，肥 皂的组分）易于形成微泡，因为这些分子只有 一条脂肪链。磷脂分子形成脂质双层（而不形 成微泡）有重要的生物学意义。微泡大小有限 ，通常直径不超过20 nm。相反，直至双层的片 状结构能够扩展球体的直径，直径可达1毫米（ 106 nm)甚至更大。磷脂和相关的生物分子是生 物膜重要组分，因为这些分子易于形成片状的 脂质双层结构（图12.11）。
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图12.5 生物膜中一些常见的磷酰甘油酯。
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鞘磷脂（sphingomyelin)是不用甘油作为骨架的膜脂 质分子。鞘磷脂的骨架是鞘氨醇，使含有双键的长脂肪氨 醇（图12.6）。鞘氨醇骨架的氨基与脂肪酸连接形成酰胺 17 键，其羟基与胆碱磷酸结合。
（2）糖脂：含有糖的脂分子。糖磷脂是鞘氨醇的衍生物。鞘氨醇 骨架的氨基与脂肪酸结合，醇羟基结合组分是一个或多个糖分子。 最简单的糖脂是脑苷脂(cerebroside),只含有一个单糖（葡萄糖或半 乳糖）。更复杂的糖脂，如神经节苷脂(ganglioside),含有多达7个糖 基构成的支链寡糖。在膜上糖基组分总是处于细胞膜的胞外。
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脂肪酸的命名基于母本碳氢化合物 脂肪酸是带有羧基的碳氢化合物。碳氢化合物的长 度和饱和度有差异。脂肪酸的系统命名法如下，将 母本碳氢化合物的名称最后的字母e用oic acid替换 即可。例如，C18饱和脂肪酸称为octadecanoic acid (母本碳氢化合物名称是octadecane)。有一个双键的 C18脂肪酸叫octadecenoic acid，有两个双键的C18 脂肪酸叫octadecadienoic acid，有三个双键的C18脂 肪酸叫octadecatrienoic acid。脂肪酸用数字命名的 方法：18:0表示18碳原子的脂肪酸，没有不饱和键 ；18:2表示18碳原子的脂肪酸，有两个双键。脂肪 酸的羧基发生解离，如软脂酸(16:0，palmitic acid ）和油酸（18:1)(图12.2)。
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图12.12 脂质体。一个脂质体或脂质囊泡是外面包有脂 31 质双层膜的水滴。
若水相含有离子或分子，囊泡能 够包入这些离子或分子（图12.13）。 例如，在0.1 M甘氨酸溶液中形成的 直径为50nm的囊泡能够包裹2000个甘 氨酸分子。用透析或凝胶过滤层细能 够将这些囊泡与囊泡外的甘氨酸分开 。然后测定囊泡内甘氨酸向周围溶液 扩散的速度。 将蛋白质溶于去污剂溶液，然后 加入用于形成脂质体磷脂溶液，能够 形成膜上嵌合蛋白质的脂质体。蛋白 质-脂质体复合物是研究膜蛋白功能 的有用工具。
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脂质分子的脂肪酸性质主要取决于脂肪链长度 和饱和度。不饱和脂肪酸的熔点比同等长度的 饱和脂肪酸低。例如，硬脂酸的熔点是69.6℃， 而油酸（顺-9-十八碳单烯酸，oleic acid)的熔点 是13.4℃。含有多个双键的十八碳脂肪酸熔点更 低。脂肪链的长度也影响脂肪链的熔点。十六 碳原子的饱和脂肪酸比十八碳原子的饱和脂肪 酸低6.5度。因此脂肪链长度短、不饱和度高能 促进脂肪酸及其衍生物的流动性。