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第十八章 !生!物!膜""! !!生物膜以磷脂分子的脂双分子层为基本结构（图 "# $）。实验证明，脂质分子的形状和兼性性质决 定了其在液态环境中的存在状态。例如，将游离脂肪酸、含一条脂酸链的溶血磷脂及去垢剂（兼性小分 子）加入到水溶液中后，它们容易形成单分子层微团（ %&’())(）。磷脂的两条脂酸链所占的疏水表面积较 大，故在水溶液中形成闭合的脂双层分子结构。脂双层分子结构的形成是一个自发的组装过程，并且是热 力学上最为稳定的形式，这对于细胞的形成和功能的发挥极为重要。在此结构中，磷脂分子极性的头部与 水相接触，非极性的脂酸链间通过疏水作用和 *+, -(. /++)0（范德华）力相互靠近，构成连续而有序排列的 二维的分子集合。 !!脂质体（)&1202%(）是一种人工合成的膜结构。例如，磷脂经超声欧冠中文官网处理后可形成双分子层微团，直径为 $3 ,%4" !%。脂质体在生物膜的结构和功能研究中发挥了重要的作用。 图 "# $!单分子层微团、脂双分子层和脂质体结构 ! !（二）胆固醇 ! !动物细胞膜上的胆固醇含量较高，占膜脂的 "35 4 675，并可随营养状态波动。细胞膜上的胆固醇 还高于内膜系统。胆固醇分散地插在磷脂分子之间，其极性的头部为刚性甾环上所连接的羟基，与磷脂分 子的极性头部相靠近，疏水的尾部为含 #个碳的短烃链。刚性的甾环限制了磷脂头部附近脂酸链的运动 （图 "# 6）。 图 "# 6!胆固醇的分子结构及在磷脂分子中的分布 ! !（三）糖脂 ! !糖脂占总脂的 35，存在于几乎所有的细胞膜上，并位于脂双分子层的外层。糖脂包括甘油糖脂和鞘 糖脂，前者主要存在于细菌和植物的细胞膜上，动物细胞膜上的为鞘糖脂（见第三章第四节）。鞘糖脂，如 脑苷脂多见于神经髓鞘膜上，可达膜脂的 875以上。神经节苷脂是含有 " 48个唾液酸的酸性鞘糖脂，唾 液酸所携带的负电荷使膜局部的电负性增加，并可结合膜表面的 9+$ :。鞘糖脂通常含有较长且饱和度较  #"!第四篇 #综#合#篇 高的脂酸链，如半乳糖脑苷脂的脂酸链（!"个碳）。糖脂的极性头部为含糖基的寡糖链，非极性尾部是神 经酰胺上的两条脂酸链。糖脂分子间倾向于通过头部的氢键和尾部脂酸链的疏水作用自身聚集。

二、蛋白质 ##生物膜许多重要的功能都是由膜蛋白完成的，转运蛋白、受体、酶、抗原（如主要组织相溶性抗原）及 结构蛋白等都是膜蛋白。膜蛋白的分子较大，膜脂相当于膜蛋白的一种溶剂，为膜蛋白的存在和其功能的 发挥提供必要的环境和条件。目前已发现，人类基因组所表达的蛋白质中，膜蛋白占 !$% & ’(%。根据 膜蛋白在膜上的定位，膜蛋白分为外周蛋白（)*+,-./-0或 1),-12),34 1,5+)-.）和内在蛋白（-.+,-./-0或 -.+)6,34 1,5+)-.）两种（图 78 "）。 图 78 "#膜蛋白在脂双分子层上的定位 （图中 7 &’为外周蛋白， " &8为内在蛋白） ##（一）外周蛋白 ##膜的外周蛋白占膜总蛋白质的 !(% & ’(%，它们分布于脂双分子层的内、外表面。外周蛋白一般为 水溶性蛋白质，其亲水性氨基酸的极性基团暴露在蛋白质的表面。外周蛋白主要是通过静电引力及氢键 与膜的内在蛋白或与膜脂分子的头部相互作用而膜结合于膜上，结合力一般较弱，采用高浓度的盐溶液可 将外周蛋白从膜上提取出来。 ##（二）内在蛋白 ##膜内在蛋白又称为镶嵌蛋白，占膜蛋白总量的 9(% & 8(%。内在蛋白可部分的插入或全部穿越脂双 分子层，后者也称为跨膜蛋白（+,3./:):;,3.) 1,5+)-.）。内在蛋白的亲水部分含极性氨基酸，暴露于膜内、 外表面的液体环境中。跨膜蛋白在脂双分子层的疏水部分中的结构为含 78 &!’个氨基酸的 !螺旋。 ! 螺旋的骨架包藏在螺旋的内部，而非极性氨基酸的疏水侧链则位于螺旋表面，并与膜脂分子疏水的尾部相 互作用。有些跨膜蛋白的 !螺旋在脂双分子层中穿越一次，即单次跨膜（/-.64) 13//），如红细胞膜上的血 型糖蛋白（64<05125,-.）；另有一些跨膜蛋白含有多个 !螺旋，并多次跨膜（ :=4+-14) 13//），如膜受体中的七 个跨膜 !螺旋受体或称蛇型受体（/),1).+-.) ,)0)1+5,）（见第十九章）。!螺旋是跨膜蛋白穿膜的最常见的 结构域，但也有些跨膜蛋白，如 >? 054-大肠杆菌等细菌的孔道蛋白（ 15,-.）则以反向平行的多个 "片层环 绕而成的“桶”状结构（" ;3,,)4）结合于膜上。膜内在蛋白质还可通过共价键结合在膜脂内面的脂酸链上 或通过 @AB锚定于细胞膜上。 ##内在蛋白与膜的结合较为牢固，进行分离时需要加入兼性小分子物质助溶，如 CDC或 E,-+5. F 7(( 等去垢剂。兼性小分子物质可取代膜脂分子而与膜内在蛋白的疏水部分相结合，但当它们去除后，膜内在 蛋白又变为不溶状态。因此，获得膜内在蛋白的结晶，并通过 F射线晶体衍射分析其三维空间结构的难 度较大。 ##结合于不同生物膜上的酶类多以内在蛋白的方式存在，如线粒体内膜中参与氧化呼吸链组成的电子  第十八章 +生+物+膜#"! 传递复合体（氧化还原酶）均为跨膜蛋白。有些酶在膜上有特殊的定位和分布，如位于细胞膜的 !"核苷 酸酶、 #$ %，& % ’()酶、腺苷酸环化酶，内质网膜的葡萄糖 *磷酸酶，高尔基体膜的半乳糖基转移酶、 唾液酸基转移酶及线粒体内膜的琥珀酸脱氢酶和 ’()合酶等，它们可作为相应的膜结构分离纯化及鉴定 的标志。 三、糖 ++细胞膜表面的糖主要以糖脂、糖蛋白以及蛋白聚糖等糖复合物中糖链（见第三章）的形式存在。各种 糖链的单糖种类、数目及连接方式不同，是糖链结构复杂多样性并具有多种生物学功能的基础。例如，膜 蛋白大部分为糖蛋白，其糖链参与和介导了细胞细胞，细胞细胞外基质（ ,-./$0,1121$/ 3$./4-，567）的识 别和黏附过程中分子间的相互作用。细胞膜上糖复合物的糖链及所吸附的 567中的糖蛋白和蛋白聚糖 的糖链，在膜脂外表面相互交织，形成厚约 ! 89: ;3的糖萼（<1=0>0$1=-），亦称细胞外被（ 0,11 0>$.）。糖萼 可作为细胞的一种保护性屏障，使细胞免受机械性和化学性损伤，及病原体感染等。 第二节 +生物膜的结构 ++生物膜是脂质、蛋白质和糖类构成的生物大分子复合体。这些生物大分子之间的有机结合依赖于它 们之间的相互作用和影响。生物膜的主要特征为膜结构的不对称性和膜的流动性。对膜分子结构的认识 始于 ?@9!年 5A B>/.,/和 CA B/,;D,1对人红细胞膜的研究发现：用丙酮提取的红细胞膜脂铺展于水面上 的单分子层面积约为红细胞表面积的两倍，揭示了膜结构的脂双分子层性质。尽管生物膜的结构极为复 杂，随着新的膜分离和分析技术的开展和应用，关于膜结构模型的理论也不断完善。 一、膜结构的不对称性 ++各种膜分子在细胞膜内外两层及膜上不同区域的分布不同，它造成了膜结构的不对称性，并且与膜的 特定功能密切相关。 ++磷脂分子在人红细胞膜上的分布特点是：磷脂酰胆碱和鞘磷脂主要位于膜的外层，而磷脂酰乙醇胺和 磷脂酰丝氨酸则主要存在于膜的内层。磷脂酰丝氨酸不仅使膜的内层带较多的负电荷，还参与了信号分 子的跨膜信号转导作用。如胞液中的蛋白激酶 6（)&6）需要与 )E带负电荷的头部结合来维持其激活状 态。当细胞发生凋亡时， )E会很快地从膜内层易位到膜外层，并作为一种被吞噬细胞吞噬和消化的信号。

胆固醇在膜上的分布也是不对称的，它主要分布于膜外层。糖脂仅分布于细胞膜外层或高尔基体膜的腔 内侧面，因二者在拓扑结构上相当。 ++膜蛋白在合成及插入膜时就决定了其 #端和 6端在膜上定位的方向性。例如，有的跨膜蛋白 #端伸 向细胞膜外面，有的则留在细胞内，还有的 #端和 6端同在细胞内等。对红细胞膜进行的冰冻蚀刻实验 结果显示，其外层膜的内侧和内层膜的外侧中的蛋白颗粒的数量不同，前者的蛋白颗粒约是后者的 9倍。 ++膜上含有糖链的糖复合物也位于细胞膜的脂双分子层的外层。 ++膜分子分布的不对称性不是随机的，如磷脂分子在膜上的不对称分布与磷脂分子合成时内质网膜上 的磷脂转位因子（FG>HFG>14F4D ./$;H1>0$.>/）的作用有关。膜分子分布的不均一性还体现在细胞膜上形成一 些微域（340/>D>3$4;H），如脂筏（14F4D /$I.），其直径约 J: ;3，富含鞘糖脂和胆固醇，因鞘糖脂长且饱和的脂 酸链相对伸展而使局部细胞膜增厚。脂筏有利于功能相关的蛋白质聚集及功能的发挥。在肠和肾上皮细 胞的腔内和基底面上，分布有不同种类的载体蛋白，并通过各自的转运机制，协调完成对物质的跨膜运输。 ++膜分子分布的不对称性决定了膜功能的不对称性。  #"!第四篇 !综!合!篇 二、膜的流动性 !!膜各种功能的正常发挥依赖于膜的流动性。膜脂和膜蛋白的运动是膜流动性的源动力。 !!（一）膜分子的运动 ! !"%膜脂的运动 ! ! "’()年前后，人们开始认识到单个脂分子可以在脂 双分子层的二维结构中运动。对人工膜及生物膜磷脂 分子运动情况的研究发现，磷脂分子的运动有以下几种 方式：（"）磷脂分子可在脂双层的同一层中作侧向扩 散，其速率很快，达 ")(次 *+，相当于一个 ,!-细菌的范 围大小。在人工膜中，磷脂分子的侧向扩散系数为 ") # .-, * +，比生物膜还要高 ")倍左右；（,）磷脂分子从脂双 分子层的一层翻转到另一层，称为翻转（ /012 /032）运 动。由于运动中磷脂分子极性的头部须通过脂双层的 疏水区，因此，这种运动极其缓慢，并对维持膜结构的不 对称起重要作用； （4）磷脂分子围绕与膜平面垂直的分 子长轴的旋转运动； （5）磷脂分子的脂酸链的摆动运动， 靠近极性头部的脂酸链摆动幅度小，而以脂酸链尾部的 摆动幅度最大（图