细胞膜与跨膜运输
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膜的流动性和不对称性 • 膜脂的流动性和不对称分布 • 胆固醇嵌于磷脂分子之间既限 制了磷脂分子的运动，又降低 了磷脂分子的相变温度。
磷脂中的不饱和脂肪酸增加了膜的流动性 哺乳动物质膜中几种主要磷脂和 糖脂电荷特征及在红细胞膜中的 不对称分布。卵磷脂(PC，极性头 部大)、鞘磷脂（SM)、主要分布 于双分子层的细胞外一侧。脑磷 脂(PE,极性头部小)、磷脂酰丝氨 酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)主要分布 于质膜内侧。如磷脂酰丝氨酸在 细胞衰老时或凝血时才由内侧翻 向外侧，被吞噬细胞识别后被吞 噬去除。胆固醇（CI)。糖脂均位 于细胞膜外小叶。磷脂不对称性 可能与合成部位有关。膜脂不对 称分布是膜行使生理功能所必需 的。
细胞质膜研究历史
A. 概念: 质膜 Plasma membrane (细胞膜 cell membrane), 细胞内膜 Intracellular membrane, 生物膜 Biomembrane. B. 研究历史 细胞膜的存在：研究细胞渗透压时（质壁分离 及低渗破裂）证明质膜存在。 Overton O t (1890s) (1890 ) : 细胞膜是脂类性质。 细胞膜是脂类性质 Gorter 和 Grendel （1925）：利用红细胞显示 质膜由双分子层脂类构成。 Davson 和 Danielli （1930s）：根据质膜表面张 力提出蛋白－脂质－蛋白的三明治质膜模型。 Robertson (1959)提出单位膜模型－生物膜均由 单位膜构成。随后获得电镜证据支持。 Singer 和 Nicolson(1972): 流动镶嵌模型。 Simons 等 (1997): 脂筏模型。
两种脂锚定蛋白连接方式：A，水溶性蛋白合成后通 过N端氨基（甘氨酸）与脂肪酸（肉豆蔻酸或棕榈酸） 形成酰胺键连接到质膜上。B，水溶性蛋白合成后C 端附近的半胱氨酸侧链的巯基与异戊烯基醇（法尼 醇或香叶醇）的羟基形成硫醚键，在切除半胱氨酸 后面的氨基酸后羧基甲基化，连接到质膜上。 通过磷脂酰肌醇和寡聚糖连接的 脂锚定蛋白多位于质膜外侧
Singer 和 Nicolson 的流动镶嵌模 型是膜生物学的核心理论。 膜的流动性（流动）：膜脂处于 流动状态，膜脂和膜蛋白均 处于动态运动中，可侧向运 动。 膜蛋白分布的不对称性（镶嵌）： 膜蛋白以多种方式镶嵌于脂 双分子层内、贯穿其中或附 着在脂层表面。
三明治模型和流动镶嵌模型。
流动镶嵌模型和膜的流动性
跨膜 α螺旋的氨基酸极性侧链 和非极性侧链分布 典型的跨膜蛋白： α右手螺旋跨膜，糖 基及二硫键位于细胞外侧，巯基在还 原性的细胞内侧不形成二硫键。
去垢剂
■ 外周蛋白
• 靠非共价键作用方式结合于膜外周其他蛋白 或膜脂上。 • 通过改变溶液的离子强度或改变温度即可使 外周蛋白从膜上解离下来，而膜可不受破坏。 蛋白一般不失活。
CH2 O P OO HC O O C O CH2 H2C O C HC O O
O P OO CH2
CH2 O C R1 O
P O-
R2 C O CH CH2
百度文库
O P OH O P OH R4 C O CH O O CH2
O C O
心磷脂（存在于线粒体内膜和一些细菌质膜中）
脂筏形成机制：蛋白亚基聚集导致与其连接的相对稳定 的膜脂微区域聚集。ligand配体，lectin凝集素， oligomerization低聚化，adapter接头蛋白，scaffold支架 蛋白。
流动镶嵌模型及膜泡窖：transient confinement瞬时封 闭，caveolae膜泡窖，caveolin窖蛋白，nanodomain超 微区，GPI糖基磷脂酰肌醇，fluid lipid流动脂。
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
PE
PS
PC
PI
鞘氨醇磷脂
四种主要磷脂
1
●糖脂：普遍存在于真核、原核生物质膜中，约占膜脂总量5％以下。 神经细胞膜含量高，约占5-10％。 • 不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。 • 糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。
细菌视紫红质是多跨膜 α螺旋结构膜整合蛋 白，多个螺旋中央是亲水性质子通道。在色 素蛋白接受光能后变构向胞外泵出 H+，通道 中两个极性氨基酸 Asp在 H+ 次第传递中起重 要作用。
■ 脂锚定蛋白
• 脂锚定蛋白分为两类： • 糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白 位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶 C处理细胞，能释放出结合蛋白。 • 另一类脂锚定蛋白与插入质膜内 小叶的长碳氢链结合。此类膜蛋 白可用去垢剂获得。
■ 整合蛋白
• 靠跨膜结构域与膜中间疏水区相互作用 • 疏水结构域两端的带电荷的氨基酸（碱性或 酸性）与磷脂形成离子键整合于膜上。 • 通过半胱氨酸连接脂锚定于膜上。 • 在形成α螺旋或β折叠片时非极性氨基酸侧 链位于外部与膜脂疏水区相互亲和，而极性 侧链位于结构域内侧可形成特异或非特异极 性分子跨膜通道。 • 整合蛋白与膜的结合紧密，只有用去垢剂破 坏膜结构后才能从膜上洗涤下来。离子型去 垢剂常使蛋白结构改变而失活。
整合蛋白①②，脂锚定蛋白③④，外周蛋白⑤⑥。多数跨膜蛋白可能通过一个或多个α螺旋跨过脂双分子层，有的 通过β折叠片跨膜， 它们中的有些蛋白还共价连接有插入脂双分子层单层中的脂肪酸链。脂锚定蛋白通过与蛋白 共价连接的脂肪酸链或异戊二烯链，插入细胞质一侧的脂单分子层中或通过低聚糖连接到细胞外侧脂单分子层中的 磷脂（磷脂酰肌醇）上。外周蛋白通过非共价相互作用方式与其他膜蛋白或带电荷的膜脂相连并附着在膜上。
●胆固醇存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。
• 在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
两种糖脂结构: 半乳糖脑苷脂 (A)由于亲水头部不带电荷被称 为中性糖脂。神经节苷脂(B)头 部亲水区含有带负电荷的唾液 酸(C)。细菌及植物中几乎所有 磷脂和糖脂均来自甘油酯，在 动物细胞中糖脂大多来自鞘氨 醇。 NANA，唾液酸； Gal， 半乳糖； Glc，葡萄糖； GalNAc，N-乙酰氨基半乳糖。 胆固醇结构 胆固醇在磷脂双分子层中嵌入单层磷脂分子间 缝隙中增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通 透性。
• 脂质体是一种人工膜。由磷脂在水中搅动后形成。 • 双层或单层脂分子球体，直径25～1000nm。 • 人工脂质体可用于： 1. 转基因 2. 制备的药物 3. 研究生物膜的特性
在小孔中形成平面脂双分子层膜（黑膜）可用以研究 脂膜的通透性
磷脂在水中的存在形式
磷脂在水中形成 的脂质体显微结 构
根据与脂分子的结合方式分为： – 整合蛋白（integral protein） – 外周蛋白（peripheral protein） – 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
两种去垢剂结构：两性 分子，拥有疏水端（绿 色）和亲水端（蓝色）
用非离子型去垢剂温和解离蛋白，非 离子型去垢剂可能是由于分子大电荷 小不易进入蛋白内部
去垢剂在水中形成微团粒， 类似磷脂
温和型去垢剂在膜蛋白解离、纯 化及膜－蛋白体系重建中的应用： Na+-K+ ATPase的分离和功能
4.1.3 生物膜的基本特征
第四章 细胞膜与跨膜运输
4.1 细胞膜
• 细胞质膜是围绕细胞 最外层的一层由脂质 和蛋白质组成的生物 膜。 • 质膜提供给细胞一个 相对稳定的内环境①。 在物质运输①③，能 量转换 ③ ，信息传递 信息传递 ④ ⑤ ，细胞连接和黏 着⑤等方面有重要作 用。 • 真核细胞内部存在由 膜构建的各种细胞器， 它们有与质膜结构类 似的生物膜② 。
2
绿色红假单胞菌 Rhodopseudomonas viridis 光反应中心复合体结构（x射线晶 体分析）：The complex consists of four subunits, L, M, H, and a cytochrome（细胞 色素）. The L and M subunits form the core of the reaction center, and each contains five a helices that span the lipid bilayer. The locations of the various electron carrier 荚膜红细菌 （Rhodobacter capsulatus，一种光合细菌）的膜孔蛋白三聚 coenzymes are shown in black. (J. 体结构：16条反向平行的β链形成内部亲水的β筒，三个β筒组成三聚体在 Richardson and J. Deisenhofer Nature 细胞壁外膜上运送亲水性物质，红色肽段位于中央控制扩散孔径。 318:618-624)
NH3 C CH2 COO-
H3C
+
N
CH3
OH H H H H OH OH OH OH
OH H
OH O O CH2 C H CH2 O O O CH2 O C R3
H2C O C O
CH2 CH2 O O P OO H2C O C HC O O C O CH2 H2C O C HC O O C O O O CH2 O
几种以β折叠跨膜的蛋白：不同数量的 β折叠链形成不同大小的β桶行使不同功能。 (1) The E. coli OmpA protein (8 β strands), which serves as a receptor for a bacterial virus. (2) The E. coli OMPLA protein (12 β strands), is a lipase（脂酶）that hydrolyses（水解）lipid molecules. The amino acids that catalyze the enzymatic reaction (shown in red) protrude（突出） from the outside surface of the barrel. (3) A porin（膜孔 蛋白，位于壁外膜） from the bacterium Rhodobacter capsulatus（一种光合细菌）, which forms waterfilled pores across the outer membrane (16 β strands). The diameter of the channel is restricted by loops (shown in blue) that protrude into the channel. (4) The E. coli FepA protein (22 β strands), which transports iron ions. The inside of the barrel is completely filled by a globular（球状） protein domain (shown in blue) that contains an iron-binding site. This domain is thought to change its conformation（构象） to transport the bound iron, but the molecular details of the changes are not known.
4.1.1 膜脂:膜脂为两性分子兼具亲水性和疏水
性。 • • • • • 脂筏是富含胆固醇和鞘脂的微结构域。 约70nm左右，是一种动态结构。 介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。 在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜。 就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切 的关系。 • 膜泡窖：50～100nm的质膜凹陷区。 • 也富含胆固醇、鞘脂和糖基磷脂酰肌醇脂锚定膜蛋白。含有窖蛋白。
■ 膜脂主要有三种：磷脂、糖脂和胆固醇。
• ●磷脂：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。约占膜脂 的50％以上。神经系统含鞘磷脂较丰富。主 要特征： 一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。 脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
+
• • •
磷脂磷脂模式图（卵磷脂）
CH3
+
NH3 CH2 H
磷脂中的不饱和脂肪酸增加了膜的流动性 哺乳动物质膜中几种主要磷脂和 糖脂电荷特征及在红细胞膜中的 不对称分布。卵磷脂(PC，极性头 部大)、鞘磷脂（SM)、主要分布 于双分子层的细胞外一侧。脑磷 脂(PE,极性头部小)、磷脂酰丝氨 酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)主要分布 于质膜内侧。如磷脂酰丝氨酸在 细胞衰老时或凝血时才由内侧翻 向外侧，被吞噬细胞识别后被吞 噬去除。胆固醇（CI)。糖脂均位 于细胞膜外小叶。磷脂不对称性 可能与合成部位有关。膜脂不对 称分布是膜行使生理功能所必需 的。
细胞质膜研究历史
A. 概念: 质膜 Plasma membrane (细胞膜 cell membrane), 细胞内膜 Intracellular membrane, 生物膜 Biomembrane. B. 研究历史 细胞膜的存在：研究细胞渗透压时（质壁分离 及低渗破裂）证明质膜存在。 Overton O t (1890s) (1890 ) : 细胞膜是脂类性质。 细胞膜是脂类性质 Gorter 和 Grendel （1925）：利用红细胞显示 质膜由双分子层脂类构成。 Davson 和 Danielli （1930s）：根据质膜表面张 力提出蛋白－脂质－蛋白的三明治质膜模型。 Robertson (1959)提出单位膜模型－生物膜均由 单位膜构成。随后获得电镜证据支持。 Singer 和 Nicolson(1972): 流动镶嵌模型。 Simons 等 (1997): 脂筏模型。
两种脂锚定蛋白连接方式：A，水溶性蛋白合成后通 过N端氨基（甘氨酸）与脂肪酸（肉豆蔻酸或棕榈酸） 形成酰胺键连接到质膜上。B，水溶性蛋白合成后C 端附近的半胱氨酸侧链的巯基与异戊烯基醇（法尼 醇或香叶醇）的羟基形成硫醚键，在切除半胱氨酸 后面的氨基酸后羧基甲基化，连接到质膜上。 通过磷脂酰肌醇和寡聚糖连接的 脂锚定蛋白多位于质膜外侧
Singer 和 Nicolson 的流动镶嵌模 型是膜生物学的核心理论。 膜的流动性（流动）：膜脂处于 流动状态，膜脂和膜蛋白均 处于动态运动中，可侧向运 动。 膜蛋白分布的不对称性（镶嵌）： 膜蛋白以多种方式镶嵌于脂 双分子层内、贯穿其中或附 着在脂层表面。
三明治模型和流动镶嵌模型。
流动镶嵌模型和膜的流动性
跨膜 α螺旋的氨基酸极性侧链 和非极性侧链分布 典型的跨膜蛋白： α右手螺旋跨膜，糖 基及二硫键位于细胞外侧，巯基在还 原性的细胞内侧不形成二硫键。
去垢剂
■ 外周蛋白
• 靠非共价键作用方式结合于膜外周其他蛋白 或膜脂上。 • 通过改变溶液的离子强度或改变温度即可使 外周蛋白从膜上解离下来，而膜可不受破坏。 蛋白一般不失活。
CH2 O P OO HC O O C O CH2 H2C O C HC O O
O P OO CH2
CH2 O C R1 O
P O-
R2 C O CH CH2
百度文库
O P OH O P OH R4 C O CH O O CH2
O C O
心磷脂（存在于线粒体内膜和一些细菌质膜中）
脂筏形成机制：蛋白亚基聚集导致与其连接的相对稳定 的膜脂微区域聚集。ligand配体，lectin凝集素， oligomerization低聚化，adapter接头蛋白，scaffold支架 蛋白。
流动镶嵌模型及膜泡窖：transient confinement瞬时封 闭，caveolae膜泡窖，caveolin窖蛋白，nanodomain超 微区，GPI糖基磷脂酰肌醇，fluid lipid流动脂。
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
PE
PS
PC
PI
鞘氨醇磷脂
四种主要磷脂
1
●糖脂：普遍存在于真核、原核生物质膜中，约占膜脂总量5％以下。 神经细胞膜含量高，约占5-10％。 • 不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。 • 糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。
细菌视紫红质是多跨膜 α螺旋结构膜整合蛋 白，多个螺旋中央是亲水性质子通道。在色 素蛋白接受光能后变构向胞外泵出 H+，通道 中两个极性氨基酸 Asp在 H+ 次第传递中起重 要作用。
■ 脂锚定蛋白
• 脂锚定蛋白分为两类： • 糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白 位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶 C处理细胞，能释放出结合蛋白。 • 另一类脂锚定蛋白与插入质膜内 小叶的长碳氢链结合。此类膜蛋 白可用去垢剂获得。
■ 整合蛋白
• 靠跨膜结构域与膜中间疏水区相互作用 • 疏水结构域两端的带电荷的氨基酸（碱性或 酸性）与磷脂形成离子键整合于膜上。 • 通过半胱氨酸连接脂锚定于膜上。 • 在形成α螺旋或β折叠片时非极性氨基酸侧 链位于外部与膜脂疏水区相互亲和，而极性 侧链位于结构域内侧可形成特异或非特异极 性分子跨膜通道。 • 整合蛋白与膜的结合紧密，只有用去垢剂破 坏膜结构后才能从膜上洗涤下来。离子型去 垢剂常使蛋白结构改变而失活。
整合蛋白①②，脂锚定蛋白③④，外周蛋白⑤⑥。多数跨膜蛋白可能通过一个或多个α螺旋跨过脂双分子层，有的 通过β折叠片跨膜， 它们中的有些蛋白还共价连接有插入脂双分子层单层中的脂肪酸链。脂锚定蛋白通过与蛋白 共价连接的脂肪酸链或异戊二烯链，插入细胞质一侧的脂单分子层中或通过低聚糖连接到细胞外侧脂单分子层中的 磷脂（磷脂酰肌醇）上。外周蛋白通过非共价相互作用方式与其他膜蛋白或带电荷的膜脂相连并附着在膜上。
●胆固醇存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。
• 在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
两种糖脂结构: 半乳糖脑苷脂 (A)由于亲水头部不带电荷被称 为中性糖脂。神经节苷脂(B)头 部亲水区含有带负电荷的唾液 酸(C)。细菌及植物中几乎所有 磷脂和糖脂均来自甘油酯，在 动物细胞中糖脂大多来自鞘氨 醇。 NANA，唾液酸； Gal， 半乳糖； Glc，葡萄糖； GalNAc，N-乙酰氨基半乳糖。 胆固醇结构 胆固醇在磷脂双分子层中嵌入单层磷脂分子间 缝隙中增加膜的稳定性，降低水溶性物质的通 透性。
• 脂质体是一种人工膜。由磷脂在水中搅动后形成。 • 双层或单层脂分子球体，直径25～1000nm。 • 人工脂质体可用于： 1. 转基因 2. 制备的药物 3. 研究生物膜的特性
在小孔中形成平面脂双分子层膜（黑膜）可用以研究 脂膜的通透性
磷脂在水中的存在形式
磷脂在水中形成 的脂质体显微结 构
根据与脂分子的结合方式分为： – 整合蛋白（integral protein） – 外周蛋白（peripheral protein） – 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
两种去垢剂结构：两性 分子，拥有疏水端（绿 色）和亲水端（蓝色）
用非离子型去垢剂温和解离蛋白，非 离子型去垢剂可能是由于分子大电荷 小不易进入蛋白内部
去垢剂在水中形成微团粒， 类似磷脂
温和型去垢剂在膜蛋白解离、纯 化及膜－蛋白体系重建中的应用： Na+-K+ ATPase的分离和功能
4.1.3 生物膜的基本特征
第四章 细胞膜与跨膜运输
4.1 细胞膜
• 细胞质膜是围绕细胞 最外层的一层由脂质 和蛋白质组成的生物 膜。 • 质膜提供给细胞一个 相对稳定的内环境①。 在物质运输①③，能 量转换 ③ ，信息传递 信息传递 ④ ⑤ ，细胞连接和黏 着⑤等方面有重要作 用。 • 真核细胞内部存在由 膜构建的各种细胞器， 它们有与质膜结构类 似的生物膜② 。
2
绿色红假单胞菌 Rhodopseudomonas viridis 光反应中心复合体结构（x射线晶 体分析）：The complex consists of four subunits, L, M, H, and a cytochrome（细胞 色素）. The L and M subunits form the core of the reaction center, and each contains five a helices that span the lipid bilayer. The locations of the various electron carrier 荚膜红细菌 （Rhodobacter capsulatus，一种光合细菌）的膜孔蛋白三聚 coenzymes are shown in black. (J. 体结构：16条反向平行的β链形成内部亲水的β筒，三个β筒组成三聚体在 Richardson and J. Deisenhofer Nature 细胞壁外膜上运送亲水性物质，红色肽段位于中央控制扩散孔径。 318:618-624)
NH3 C CH2 COO-
H3C
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CH3
OH H H H H OH OH OH OH
OH H
OH O O CH2 C H CH2 O O O CH2 O C R3
H2C O C O
CH2 CH2 O O P OO H2C O C HC O O C O CH2 H2C O C HC O O C O O O CH2 O
几种以β折叠跨膜的蛋白：不同数量的 β折叠链形成不同大小的β桶行使不同功能。 (1) The E. coli OmpA protein (8 β strands), which serves as a receptor for a bacterial virus. (2) The E. coli OMPLA protein (12 β strands), is a lipase（脂酶）that hydrolyses（水解）lipid molecules. The amino acids that catalyze the enzymatic reaction (shown in red) protrude（突出） from the outside surface of the barrel. (3) A porin（膜孔 蛋白，位于壁外膜） from the bacterium Rhodobacter capsulatus（一种光合细菌）, which forms waterfilled pores across the outer membrane (16 β strands). The diameter of the channel is restricted by loops (shown in blue) that protrude into the channel. (4) The E. coli FepA protein (22 β strands), which transports iron ions. The inside of the barrel is completely filled by a globular（球状） protein domain (shown in blue) that contains an iron-binding site. This domain is thought to change its conformation（构象） to transport the bound iron, but the molecular details of the changes are not known.
4.1.1 膜脂:膜脂为两性分子兼具亲水性和疏水
性。 • • • • • 脂筏是富含胆固醇和鞘脂的微结构域。 约70nm左右，是一种动态结构。 介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。 在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜。 就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切 的关系。 • 膜泡窖：50～100nm的质膜凹陷区。 • 也富含胆固醇、鞘脂和糖基磷脂酰肌醇脂锚定膜蛋白。含有窖蛋白。
■ 膜脂主要有三种：磷脂、糖脂和胆固醇。
• ●磷脂：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。约占膜脂 的50％以上。神经系统含鞘磷脂较丰富。主 要特征： 一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。 脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。 常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。
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• • •
磷脂磷脂模式图（卵磷脂）
CH3
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NH3 CH2 H