分子生物学 第二章 生物膜

不同来源的质膜中主要膜成分所占比例
细胞类型 鼠肝细胞
蛋白质（%） 磷脂（%） 45 27 26 7 40 25 胆固醇（%） 25 7 4 4 0
玉米叶细胞 47
酵母 草履虫 大肠杆菌
52 56 75
1.极性脂类
（1） 磷脂类
极性脂类主要有磷脂类、胆固醇类和糖脂类，其中磷脂类 为主要成分，占总膜脂的50%以上。磷脂类中以甘油磷脂 为主，甘油磷脂分子的骨架结构是甘油。
转运、信息的传递、生物能量的转换、激素的作用、细 胞分化、神经传导及肿瘤发生等。
第一节
生物膜的组成与结构特性
一、生物膜的组成与结构
不同功能的生物膜，其蛋白质和脂类的 含量及种类不同。生物膜中蛋白质的种类和 含量越多，其生物膜的功能也就越复杂，相 反，功能越简单和特异的生物膜则膜蛋白的 含量和种类也就越少。
几种磷脂的极性头部分子结构
极性磷脂的类型 磷脂酸 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰甘油 磷脂酰丝氨酸 极性头部的分子结构 （X = ）
— H
— CH2 — CH2 — N (CH3) 3 — CH2 — CH2 — NH2 — CH2 — CHOH — CH2OH — CH2 — CHNH2 — COOH
此种方式的运动特点是快速，它是膜脂双分子层流动的分子基础。当低温 时，磷脂分子主要以全反式构象存在，此时膜的流动性降低，膜处于晶态。 随着温度的升高，歪扭构象增多，每个脂肪酰链平均有2个歪扭构象，膜 的流动性也随之增大。歪扭旋转能量最大，全反式构象能量最小。 扭接式构象是由一个脂肪酰链上的两个歪扭构象一个以顺时针，另一个以 逆时针旋转形成的。当脂肪酰链从直线的全反式转变为歪扭或扭接式构象 时，脂肪酰链的长度变短，而运动角度变大。 全反式构象 扭接构象 歪扭构象
3. 糖类
真核生物的细胞质膜和内膜上都有糖类分布，
质膜中的糖类约占质膜重量的2-10%。大多
糖类与膜蛋白结合，少量的与膜脂结合。糖
脂和糖蛋白在膜上的分布量均不对称，糖侧
链全部分布在非细胞质侧。
二、生物膜结构模型
四种有代表性的模型：
1. 脂双层模型— 1925年由 Gorter与Grendel提出。基于对所提取 的红细胞膜脂质铺成的单分子层表面面积的测定，并与估计的红 细胞膜表面面积比较的研究结果。 2. “三夹板”模型— 也称“三明治”模型 ，1935年Danieli与 Davson在脂双层模型基础上，通过电镜观察和X-衍射分析结果， 提出生物膜有蛋白质，对称分布在脂双层两侧。 3. 单位膜模型— 1964年Robertson用电子显微镜观察了大量的来 源不同的生物膜，提出脂双层两侧的蛋白质分子以-折叠形式存 在，且呈不对称性分布。 4.“流体镶嵌”模型— 1972年Singer与Nicolson在电子显微镜和 冰冻蚀刻等研究结果的基础上提出膜脂是流动的，膜蛋白镶嵌其 中。
脂质分子的溶解性及稳定状态：
脂质在水项中的状态 脂质在水、油两项中的状态
1. 磷脂分子的运动方式
磷脂分子的脂肪酸碳氢链在低温时形成全反式构象。 由于全反式构象的磷脂分子的碳氢链最长且呈现为不
流动状态，所以，此时的生物膜被称为结晶态。随着
温度的升高，磷脂烃链围绕碳原子间的单键进行自由 旋转，使碳氢链出现扭接构象或歪扭构象，磷脂分子 的长度变短。一个磷脂分子烃链的侧弯变构，加大了 它对相邻的其他磷脂分子的侧向压力，使这些磷脂分
根据电子自旋标记化合物掺入脂肪酰链的程度的不同，证 明分子内的摆动呈流动梯度。其速度比旋转异构运动至少 慢10倍。整个磷脂分子绕长轴的旋转运动比旋转异构慢10 至100倍。
（3）伸缩运动
磷脂分子的伸缩运动是由于膜平面的亲水力和膜 内部疏水力的相互作用，使脂分子垂直于膜平面 进行上下伸缩。
（4）侧向扩散运动
子也协调变构，最终造成生物膜上的相关区域出现从
结晶态逐渐向流动态转变。磷脂分子在相变温度以上 有五种运动方式。
磷脂分子在相变温度以上的五种运动方式：
(1) 脂肪酰链的旋转异构运动 (2) 旋转运动 (3) 伸缩运动 (4) 侧向扩散运动 (5) 翻转运动
（1）脂肪酰链的旋转异构运动
磷脂烃链围绕C-C键旋转，使次甲基从全反式构象向歪扭构象 转变，从而产生旋转异构运动。
侧向扩散运动是指在疏水力、范德华力及静电引 力的共同作用下，磷脂分子沿着膜平面的侧向移 动。此种运动速度快，一个脂分子每秒钟大约能 移动2微米。侧向扩散实际上是膜分子间的侧向位
置交换。
（5）翻转运动
翻转运动是指磷脂分子从脂双层的一侧运动到另 一侧的分子运动形式。做这种运动时，整个磷脂 分子必须通过脂双层的疏水区。由于磷脂分子是 一种双亲性分子所以这种运动比其他形式的运动 都慢得多，发生频率低，不足侧向移动的10-10。 但在某些膜系统中发生频率较高，特别是在内质 网上，新合成的磷脂分子经几分钟就有半数从脂 双层一侧到达另一侧。翻转运动对维持脂双分子 层的不对称性可能是很重要的。
氨基酸的膜蛋白往复
七次跨膜，每个跨膜
部分都是一个含有大 约25个氨基酸的螺旋， 七个螺旋近乎平行。
选择性地通透某些物质的孔蛋 白（porin），其疏水区的氨 基酸形成的是折叠。革兰氏 阴性细菌的X光衍射结晶分析 结果显示，孔蛋白是由三个亚 单位形成的三聚体。每个单体 含有16个反向平行的折叠， 这些折叠排成筒状结构。折 叠的外侧链都是疏水的，与脂 双层的疏水区相互作用，折 叠的内侧是亲水的筒状结构， 它成为允许小于104道尔顿的 水溶性分子穿过膜的通道。
三、生物膜的流动性
生物膜主要成分随内外环境的不同变化，呈现出不同的分子运 动状态。生物膜的流动性是其各种分子独立运动和不同膜分子
间相互作用的总体表现，是生物膜行使各种功能的基础。
（一） 脂质的流动性
脂质在膜结构和功能中起着重要的作用，尤其对膜结构的形态 影响很大。通常脂质分子在膜两侧的分布是不对称的。例如， 人红细胞膜的外层含磷脂酰胆碱和鞘磷脂较多，内层则含磷 脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺较多。这种不对称分布导致了膜 两侧电荷数量和流动性的差别。 由于膜脂分子具有“双亲”性，所以在水中的溶解度很有限。 若将脂质加入水中，只有极少数脂质分子以单体形式游离存 在，绝大多数脂质分子都是其极性部分与水接触，而疏水的 烃“尾部”或是伸向空气一侧，或是彼此堆积形成双层微囊 或单层微团，使疏水部分最大限度地避开水分子。
磷脂酰胆碱
磷脂酰乙醇胺
磷脂酰丝氨酸
磷脂酰胆碱
鞘磷脂
（2）胆固醇
胆固醇是不对称的多环高分子一元醇，它既有极性端和 又有非极性端，所以也是双亲性分子。来源不同的生物膜所含
胆固醇的量有很大差别。一般来讲，动物细胞膜脂中的胆固醇
含量高于植物细胞，质膜的胆固醇含量高于细胞器膜。胆固醇 的极性羟基很容易与高级脂肪酸结合，形成胆固醇酯。
特性：来源虽不同，结构与组织方式相似，磷脂和蛋白
质是所有生物膜的主要组成成分，有的还具有糖类、金 属离子等。
1.厚度均5-8纳米左右。
2.磷脂分子形成生物膜骨架，即脂双分子层结构。 3.膜蛋白与脂双层以不同方式结合。依此主要分为： 外周膜蛋白和内嵌膜蛋白（也称内在膜蛋白）。
功能：不仅有屏障作用，还与细胞的起源、选择性物质
第二章
生 物 膜
第一节 生物膜的组成与结构特性
第二节 生物膜与物质转运 第三节 膜蛋白与信号传递
第四节 生物膜与能量转换
• 第一节
生物膜的组成与结构特性
• 一、生物膜的组成与结构 • 二、生物膜结构模型 • 三、生物膜的流动性
• 第二节
• • • •
生物膜与物质转运
一、通透性转运 二、膜动转运 三、蛋白质的定向跨膜转运 四、生物膜转运的分子机理
蛋白的侧向扩散进行研究。
将两种不同细胞表面抗原 的抗体接上两种不同颜色 的荧光染料作标记（鼠膜 蛋白抗体为绿色，人膜蛋 白抗体为红色），当两种 细胞融合形成杂交细胞时， 两种颜色标记的抗体分别 与各自特异的膜表面抗原 结合。最初，质膜呈一半 绿色、一半红色。当杂交 细胞经37oC培养40分钟后， 两种颜色混合在一起。这 说明膜蛋白发生了侧向扩 散。
所有生物膜的组织结构共性：
1. 磷脂的双分子层 2. 脂质分子有各种形式的运动 3. 磷脂双分子层的两侧不对称
4. 膜蛋白的结构、功能、分布及运动不均一
5. 外膜蛋白主要以离子键与脂质的极性端结合， 内嵌蛋白的镶入部分与脂双分子以疏水键结合 6. 膜蛋白、脂质等不同组分经常处于动态和代谢 周转过程中。
影响磷脂运动的因素很多。例如温度升高可以引起或
增加磷脂分子的各种运动，因为热能倾向于抵消或减弱分子 间的相互作用力。当范德华引力和疏水力使烃链末端尽量靠 近时，热能无疑会使烃链末端发生运动，增大彼此之间的距 离，造成生物膜由有序的结晶状态转变成无序的流动状态。 除了温度以外，烃链的长短、有无分枝、不饱和程度，极性 基团的自身因素以及其他环境因素，如pH、离子强度，磷脂 与其他膜分子的作用也能影响磷脂的运动。哺乳动物细胞质 膜卵磷脂和鞘磷脂共占总脂类的50%，卵磷脂的脂肪酰链的 不饱和程度高于鞘磷脂。当衰老时，卵/鞘磷脂的比例降低， 细胞质膜的流动性减弱。膜脂脂肪酸链的饱和程度主要是通 过细胞代谢来调节的，这是细胞适应温度及其他变化而调节 膜流动性的主要途径。
内在膜蛋白疏水部分形成的螺旋或折叠结构
螺旋结构
折叠结构
人红细胞膜上的血型糖
血型糖蛋白
蛋白由131个氨基酸组
成，其中20个氨基酸
形成一个螺旋疏水结
构，亲水的N端和C端 分别伸出生物膜的胞 外侧和胞质侧，N端还 结合着16个寡聚糖侧
链。
细菌视紫红质的分子 更大，电子衍射结果
细菌视紫红质
表明，这个含有235个
第三节
膜蛋白与信号传递
一、激素的作用特点 二、受体的基本特性 三、膜蛋白与信号传导
第四节