生物物理学 (第二部分 )
隋森芳 （ 2003.11.7）
什么是生物物理学？
生物物理学的定义是生
物物理学领域几乎每一本教
科书都难以回答的问题！
要从物理科学与生物科
学之间的关系来认识生物物
理学！
生物物理学的核心是 生物学 ！
生物物理学的基本思路是
相互作用 (interactions)！
G蛋白偶联受体对
腺苷酸环化酶的
激活途径示意图
G蛋白介导的跨膜信号传导
?
Epinephrine binds to a
specific receptor.
?
The occupied receptor
causes the replacement
of the GDP bound to Gs
byGTP,activating Gs.
GTP GDP
?
Gs (a subunit) moves
to adenylate cyclase
and activates it.
ATP
cAMP
?
Adenylate cyclase
catalyzes the
formation of 3’,5’-
cyclic AMP.
项目切入点
生物物理学 (二 )的研究对象
生物膜的基本结构特征
膜主要是由脂类 (lipid) 和蛋白质以 非共价
键相互作用 结合而成的二维流动体系。
脂类分子呈连续的 双分子层 (bilayer)排列 。
膜具有 双亲性 (amphipathic nature)。
蛋白质相对于脂双层的 不同镶嵌方式 。
生物膜中各种组分的 分布是高度不对称的 。
生物膜的主要功能
它们是把细胞分割成一个个, 小室,
(compartment) 的物理屏障。
它们具有选择通透性。
它们是, 小室, 间传递化学信息和能量
的介面。
它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分
选与定位，提供了工作平台和输运载体。
1.对生物膜结构的认识
对生物膜结构的认识
1765年,Benjamin Franklin
? 将橄榄油倒入 Commen池塘中，注意到由风所吹起的
水面微波被平息了。
? 注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。
? Franklin还计算到（根据油量和面积）油层的厚度
是 25?，而且, 它不可能扩展得更薄了。事实证明，
用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与
Franklin当时估算的一样！
对生物膜结构的认识
1902年,E.Overton
? 发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；
? 增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速
度增加；
? 基于脂溶性物质容易透过质膜,Overton提
出质膜是由一层薄的类脂所组成。
?------ Vjschr,Naturforsch Ges,Zurich 44
(1899)88-98.
对生物膜结构的认识
1917年,Langmuir
发现脂肪酸放在水和
空气界面上形成单分
子膜
---Langmuir film.
对生物膜结构的认识
1925年,E.Gorter and F.Grendel
从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测
出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有
面积大约是红细胞表面积的 2倍。提出双
分子类脂层是细胞膜的基本结构。
? ------ J,Exp,Med,41 (1925) 439-443.
对生物膜结构的认识
1935年,J.F.Danielli and H.Davson
? 胎鱼卵的脂滴实验：
? 卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大
大提高；
? 纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低
大大提高；
? 提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构
（ the unit membrane model）,
对生物膜结构的认识
1972年,S.J.Singer and G.Nicholson,提
出 液体镶嵌模型 （ The fluid mosaic
model）,
?强调膜结构的流动性
?强调膜组分的不对称性
?膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合
------ Science 175 (1972) 720-731.
对生物膜结构的认识
1977年,M.K.Jain and H.B.White,提
出板块模型,
? 在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，
刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序
结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织
结构和物化性质不同的许多板块组成。
? 膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有
关。
------ Adv,Lipid Res,15 (1977) 1-60.
对生物膜结构的认识
1997年,K,Simons,细胞膜中的功能化筏
(Functional rafts in cell manbrane):
? 细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。
它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂,4oC
不溶于非离子型去污剂 Triton－ X100。
? 这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向
移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集
于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。
? 功能：膜的分选与运输；信号传导等。
------ Simons & Ikonen,Nature 387 (1997) 569-572
caveolin
2.生物膜的基本组成
生物膜的基本组成
生物膜的基本组成 (一 )
细胞质膜
细胞内膜系统
膜与细胞骨架
生物膜的基本组成
细胞质膜
所有细胞的表面都包围着一层膜，在动物细胞中，我
们通常将其称为质膜 (plasma membrane)。而对于其它
生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜
(cytoplasmic membrane)、表面膜 (surface
membrane)、原生质膜 (plasmalemma)等。
这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞
对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养
物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也
要通过它排出细胞。
生物膜的基本组成
细胞质膜
一些非离子小分子－如水、尿素,O2,CO2、甘油等，
及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。
而葡萄糖 (glucose)和氨基酸 (amino acid)等分子的跨
膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。
离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如,Na+-K+-
ATP酶是利用蛋白水解 ATP的能量把 Na+运出细胞，把
K+运进细胞； Ca2+ATP酶则是把 Ca2+泵到胞外。
胰岛素 (insulin) 等多肽类激素可以与质膜外表面的
受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传
递到细胞内。
生物膜的基本组成
细胞内膜系统：
与原核细胞不同，
真核细胞具有复
杂的内膜系统，
即细胞质中有许
多膜性细胞器
(membrane-bound
organelle)。
细胞内膜系统,线粒体
? 线粒体 (mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。
线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜 (outer
membrane)和内膜 (inner membrane)，其直径约 1?m。
? 线粒体外膜含有大量的孔道蛋白 (porin),它们穿越磷
脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量
小于 10kd的分子是自由通透的。
? 线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴 (cristae)状结构，
以增加总的内表面积。 线粒体内膜蛋白质的含量很高，按
重量计算，蛋白质约占 70％，脂类约占 30％。 内膜上的
许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电
子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋
白传递到另一个载体蛋白；另一组是 ATP合成酶复合体，
用于催化 ATP的合成。
细胞内膜系统,溶酶体
?溶酶体 (lysosome)是细胞内主要的消化系统,内含大量
的酸性水解酶 (包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖
苷酶等 )，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解
成单体。
?溶酶体内水解酶的 最适 pH值为 5，这个低 pH值微环境是
由溶酶体膜上的质子 ATP酶维持的。
?待水解的生物大分子通过内吞小泡 (endocytic
compartent)进入溶酶体。
?溶酶体酶在粗面内质网中合成, 溶酶体在 trans Golgi面
形成 。
细胞内膜系统, 内质网和高尔基体
? 内质网和高尔基体 (Golgi apparatus)的膜将细胞质
与其围成的腔隔开。
? 粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum)可能直接
与核膜相连,其细胞质面附着着大量的核糖体，是 膜
蛋白合成的场所 。
? 滑面内质网 (smooth endoplasmic reticulum)则是合
成膜脂的场所,包括磷脂和胆固醇 。滑面内质网与高
尔基体的膜上都可以进行 蛋白和脂的糖基化 。
? 高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。
? 高尔基体还参与蛋白聚糖 (proteoglycans)的合成,
参与这些反应的酶也主要集中于 trans高尔基体的膜上。
细胞内膜系统, 膜囊泡
细胞内有许许多多的膜囊泡 (membrane
vesicle)，它们主要参与各种各样的运输
过程。这些 膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞
内的特定地点,同时，它们还是胞吐作用
(exocytosis)和胞吞作用 (endocytosis)的
载体。
细胞内膜系统,核膜
? 真核生物的遗传物质被核膜 (nuclear membrane)所
包围 (细胞处于分裂时除外 )。
? 核膜由内膜与外膜组成。 核膜的内外膜是连续的，
这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接
着染色质 (chromatin)； 外核膜表面结合着核糖体
(ribosome)，而且其某些区域与内质网 (endoplasmic
reticulum)膜相连 。
? 核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基
质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是 ATP依赖性过
程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约７
nm，允许直径 9nm以下的分子自由通过,说明核孔是有
一定柔性的。
生物膜的基本组成
膜与细胞骨架,细胞骨架可以稳定细胞膜,维持
细胞形状。 Membrane-attached cytoskeletal networks
provide mechanical support to plasma membrane,是维
持红细胞耐性及变形性的主要组分。
SDS polyacrylamide-gel electrophoresis
the proteins in the human red blood cell membrane
红细胞膜骨架蛋白：
血影蛋白 (spectrin)
锚蛋白（ ankyrin〕
膜整合带 3蛋白 (Band 3)
血型糖蛋白 (glycophorin)
带 4.1蛋白 (band4.1)
肌动蛋白 (actin)
Spectrin molecules
from human red
blood cells
Each spectrin
heterodimer consists
of two antiparallel
polypeptide chains.
Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic
side of the human red blood cell membrane
血影蛋白 (spectrin)是红细胞中一种主要的
膜连接蛋白 (membrane-associated protein)。
已经有证据表明，血影蛋白可能通过三种方式
非价键的与质膜结合。
? 血影蛋白可以通过锚蛋白（ ankyrin）与膜
整合蛋白带 3蛋白 (Band 3)连接，从而桥连到膜
上。带 3蛋白是镶嵌在质膜上的内在蛋白。锚蛋
白的 N端与带 3蛋白结合，其另一端与血影蛋白
结合。
? 血影蛋白还可以通过带 4.1蛋白 (band4.1)与
膜上的血型糖蛋白 (glycophorin)连接。
? 此外，血影蛋白还可以直接与质膜内表面的
带有负电荷的丝氨酸磷脂 (PS)结合。
正常红细胞的外形呈双凹型,当病变时，如一
些溶血性贫血症，红细胞可呈现异常的形态,
球形 (遗传性球形红细胞增多症,hereditary
spherocytosis HS)，
椭圆形 (遗传性椭圆形红细胞增多症,hereditary
elliptocytosis HE)，
卵圆形 (遗传性卵圆形红细胞增多症,hereditary
ovalocytosis HO)
这些病人红细胞形态变化的原因，多是由于
先天性膜骨架蛋白缺失或变异所致 。
球形,HS (hereditary spherocytosis),
spectrin,ankyrin,
椭圆形,HE (hereditary elliptocytosis),
spectrin,Band 4.1,glycorin
卵圆形,HO (hereditary ovalocytosis),
Band 3
整合素蛋白与细胞骨架的结合,很多细胞外基质分子中含有 RGD（ Arg－ Gly－ Asp）序列，
这是整合素蛋白的一个通用识别序列。与胞外基质分子的结合，可以引起整合素蛋白的聚集
以及细胞骨架的组装。很多胞质蛋白参与了细胞骨架的重组过程，如 talin,paxillin，
vinculin等，它们可以与整合素蛋白 ?亚基的胞质结构域相互作用，同时又可以与 actin纤维
结合，将整合素蛋白与细胞骨架连接起来。
A model for how transmembrane linker
glycoproteins in the plasma membrane connect
intracellular matrix at a focal contact.
生物膜的基本组成 (二 )
膜脂
?磷脂
?糖脂
?固醇
膜蛋白
膜脂
? 细胞中含有两种脂类 。 一种属非极性脂质, 如
由脂肪酸与甘油酯化所形成的三酯 。 它们是一类疏
水的脂质, 称为真脂 。 另一类属极性脂质, 这种脂
质分子具有一个亲水的头部 （ 即极性端 ） 和一个疏
水的尾部 （ 即 非 极 性 端 ）, 具有双亲性
（ amphipathic或 amphiphilic） 的特点, 这种脂质称
为类脂 。
?生物膜中的脂类, 大都是极性脂质, 主要包括三
种类型：磷脂 （ phosnholipid）, 固醇 （ sterol） 和
糖脂 （ glycolipid） 。
? l微米 × l微米面积的类脂双层膜 （ lipid bilayer）
大约有 5 × 106个类脂分子 。
1) 磷脂
含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生
物膜中最重要的脂类。
磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏
水尾链。这两部分通过 甘油骨架 或 神经鞘
氨醇 (sphingosine)骨架相连接，甘油骨架
在原核和真核细胞膜中都广泛存在，而神
经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。
以甘油为骨架的磷脂
即甘油分子中三个羟基有两个与高级脂肪酸形
成酯, 另一个与磷酸衍生物形成酯：
其中 R1,R2为脂肪酸碳氢链 。 根据 X的成分不
同, 可以形成不同的磷脂 。
(1)磷脂酸胆碱（ phosphatidylcholine,PC）
磷脂酸胆碱亦称卵磷脂 (lecithin)。它是动物细胞膜中含量最
丰富的磷脂，约占膜脂的 40－ 50％。磷脂酰胆碱有控制动物机
体代谢，防止脂肪肝形成的作用 (?)。
(2) 磷脂酸乙醇胺（ phosphatidylethanolamine,PE）
X＝－ CH2CH2N＋ H2
磷脂酸乙醇胺又称脑磷脂（ cephalin）。它是细菌细胞膜的
主要磷脂，其脂肪酸碳氢链不饱和程度比磷脂酰胆碱高。磷脂
酰乙醇胺与血液凝结有关。
(3) 磷脂酰肌醇（ phosphatidylinositol,PI）
磷脂酰肌醇的含量一般为 5— 10％。它在神经组织（主
要在髓鞘）中含量较高。据报道，它在细胞信息传递过
程中起着重要的作用。
(4)磷脂酰丝氨酸（ phosphatidylserine,PS）
磷脂酰丝氨酸广泛分布于各
类细胞膜系中，但其浓度通
常低于磷脂总量的 10％。在
中性 pH时，带负电荷。
(5) 磷脂酸（ phosphatidic acid,PA）
X＝－ H
磷脂酸在上述磷脂的生物合成中起着关键作
用。它分布广泛，以低浓度（占全部磷脂含量
的 1－ 5%）存在许多组织之中。
(6) 磷脂酰甘油（ phosphatidylglycerol,PG）
磷脂酸甘油的含量变化很大，在动物细胞膜系中
含量很低，在植物细胞膜中一般高达
20— 30％的含量（叶绿体中为 40— 60％）。革兰氏
阳性细菌中则高达 70％。它也是二磷脂酸甘油生物
合成的前体。
(7) 二磷脂酸甘油（ diphosphatidylglycerol,DPG）
二磷脂酸甘油是由二个磷脂酸（ phosphatedc acid）分别与
甘油缩合而成,亦 称心磷脂（ cardiolipin,CL） 。
它主要存在于线粒体、叶绿体和许多细菌中,特别于 线粒
体内膜 。这种磷脂由于只带磷酸基团而带负电荷。
A,PC
B,PE
C,PS
D,PI
E,PG
F,DPG
以神经鞘氨醇为骨架的磷脂
神经鞘氨醇 (sphinogsine)的 C－ 2上的氨基 (-NH2)与脂肪酸
(R)缩合生成神经鞘脂类 (sphingolipid),C－ l上的羟基与
磷 酸 衍 生 物 (X) 缩 合 即 生 成 磷 酸 神 经 鞘 脂 类
(phosphasphingolipid):
若, X＝磷脂胆碱 (PC)，
则生成 神经鞘磷脂 (sphingomyelin,SM ).
若, X＝－ H,
则生成 神经酸胺 （ ceramide） 。
2) 糖脂
糖脂 （ glycolipids） 广泛分布于动物, 植
物和微生物细胞的膜系中 。 它是生物膜中的寡
糖与脂质结合形成的一种类脂 。 糖脂中类脂的
极性头部基团是通过糖苷键与糖分予相连, 而
不是象磷脂那样通过磷酸酯键相连接 。 生物膜
中的糖脂只存在于脂双层的外层表面, 一般不
超过脂分子的 10％ 。
糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类 。
糖鞘脂类 (glycosphingolipids)
动物细胞中的糖脂主要以糖鞘脂类的形式存
在 。 这类糖脂包括两个种类,脑苷类脂 和 神经
节苷脂 。
由于糖鞘脂在质膜的外单层含量很高，这就
有助于质膜表面通过寡糖链部分与外源配体相
互作用，或起着调节蛋白质受体的作用。再者，
鞘糖脂可作为胚胎细胞分化的标记物，被其他
细胞的表面所识别，这是细胞识别和分化的重
要基础。最近，还发现其在蛋白分选中起作用。
糖鞘脂类 (glycosphingolipids)
(1) 脑苷类脂 (cerebroside)
糖分子与神经鞘脂类的末端羟甲基，通过糖苷键相连接，
这类糖脂呈电中性 。
如半乳糖神经酰胺,它是脑中重要的类脂成分，也广泛分
布于哺乳动物细胞膜系中,
(2) 神经节苷脂（ ganglioside)
在这类化合物中，与神经鞘脂类相连的部分含有 1个
或多个唾液酸残基 (sialic acid residues),也称为 N－乙酸
神经氨酸 (N－ acetylneuraminic acid,NANA).
神经节甘脂属于酸性糖脂，带负电，主要存在于许
多动物细胞，特别是神经细胞的外膜中。 它是细胞表
面负电荷主要来源 。
NANA,sialic acid,Gal,galactose,Glc,glucose,
GalNac,N-acetylgalactosamine.
Right,the structure of sialic acid ?
3) 固醇 （ sterol）
(1) 动物固醇 (zoosterol)
胆固醇 (cholesterol)是最重要
的一种动物固醇 。 由于胆结石
几乎完全是由胆固醇组成的,
胆固醇的名称也由此而来 。
胆固醇是双亲性分子 。 其一端
带有一个极性亲水羟基, 另一
端含疏水碳氢链 。
胆固醇在哺乳类的质膜中含量
丰富 。 此外, 高尔基体膜, 溶
酶体膜中含量也很丰富 。 而在
内质网膜及线粒体膜中含量少 。
(2) 植物固醇 （ phytosterol）
常见的高等植物细胞膜中的固醇是 豆固醇
（ stigmasterol） 和 谷固醇 （ sitosterol）, 它们分别
存在于大豆, 麦芽中 。 植物固醇是植物细胞的重
要组分, 不能为动物所吸收利用 。 它们通常在 C
－ 24上和 （ 或 ） 在 C－ 22上有双键 。
胆固醇的确切的生理功能还不十分清
楚 !
已知与生物膜的相行为，流动性，膜的分选与
运输。
膜中胆固醇含量与细胞老化 (aging)有一定关联。
膜的不对称性
膜组成的不对称性
有些细胞是有极性的，如上皮细胞。
细胞膜的横向不对称性，即内外两个片
层的组成不同。
细胞膜的侧向分布的不对称性，即二维
平面内膜组分的分布是不均一的。
不同细胞器中脂类组成是不同的。
质膜可划分成不同的功能区
上皮细胞的质膜
可划分成形态不同
功能区域。
上皮细胞（如肠和
肾脏上皮细胞）的
质膜被 紧密连接
（ tight junction）
分隔为 顶生结构域
(apical domain)
和 基底结构域
(basolateral
domain)。
膜组成侧向分布的不对称性
Lipid domains
Depending on whether the domains on both surfaces colocalize,four
discrete bilayer thicknesses could be present in these membranes.
Lateral sorting of membrane
proteins
膜脂内外分布的不对称性
脂的类型 内侧 外侧
鞘磷脂 17 83
磷脂酰胆碱 26 74
磷脂酰乙醇胺 77 23
磷脂酰丝氨酸 95 <5
糖脂 <5 95
膜脂内外分布的不对称性
外层
? glycolipids
? Phosphatidylcholine(PC)
? Cholesterol
内层
? phosphatidylserine (PS)
? phosphatidyl-ethanolamine (PE)
? phosphatidylinositol (PI)
由于脂分子不能自发地在单层与单层之间以适当的速度翻转，
这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。
脂双层的不对称性有重要的生物学功能 !
不同细胞器膜的 脂类 组成不同
大鼠肝脏,PL:磷脂,C:胆固醇,G:糖脂，其它脂未标记。
不同细胞器膜的 磷脂 组成不同
大鼠肝脏,PC,PE,SM,PS,PI,CL
不同细胞器膜脂组成特点
质膜,PC,SM,glycolipids,Chol.
线粒体内膜：几乎不含 Chol.,富含 CL
核膜 /ER/线粒体外膜：脂类组成类似
Golgi膜：介于 ER与质膜之间
老化过程膜脂的变化
红细胞老化过程膜脂的变化
人红细胞 有寿命大约为 120天，兔约为 20天，
狗约为 100天。
人红细胞大约每天更新率为 2× 1011，细胞存活
时间受许多因素影响。
老化红细胞消亡有两条途径：一个是老化细胞
自身破溶；另一个是被吞噬细胞含噬。无论是
自溶或被含噬都与膜结构的改变有关。
成熟的红细胞在血液中占绝大多数，它们无核、
自身无修复能力，易被检测。
红细胞老化过程膜脂的变化
△ 密度梯度离心：老化的红细胞的密度比年轻者高,
△ 老化细胞膜表面抗原的变化,
△ 老化细胞膜 渗透脆性高,
△ C/P比值变化,0.78± 0.09 正常
0.96± 0.09 老化
△脂双层不对称性,老化过程,PC,PE,SM两侧
分布无显著变化，而 PS原来几乎全部在内侧，老化
后有 10％翻向外侧。老化细胞的骨架蛋白变化与 PS
结合松弛，造成 PS外翻，同时造成细胞形状改变！
△表面电荷,sialic acid,PS.
Age-dependent changes of sphingomyelin
and phosphatidylcholine in human aorta,
Phospholipid and cholesterol content in rat
hearts as a function of age.
Alteration of lipid composition during
physiological processes,such as aging
alteration of lipid composition
cholesterol/phospholipids,cholesterol ?
sphingomyelin/PC,sphingomyelin ?
saturated/unsaturated,saturated ?
膜蛋白
膜蛋白
1) 膜外周蛋白
2) 通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而
抛锚在膜上
3) 膜整合蛋白 (膜内在蛋白 )
4) 膜外周结构域与特定的糖脂 或脂肪酸 形
成共价连接将蛋白抛锚在膜上
膜蛋白镶嵌方式
第一类是 膜外周蛋白 (peripheral membrane
proteins,extrinsic membrane proteins)
这些蛋白主要通过静电作用与磷脂的极性头
部或其它膜蛋白相结合。 适当加大溶液中的离子
强度，可以使这一类蛋白从膜上脱落下来 (easily
detached without the use of detergent)。
如细胞色素Ｃ和 ATP合成酶的 F1亚基，它们
没有疏水片断使之锚定于脂双层。一些胞外基质
与细胞膜外表面的结合，以及一些骨架蛋白与细
胞膜胞质面的结合都可以属于第一类膜蛋白。
Some proteins exhibit both a solute
and a membrane-bound form.
如；谷氨酸脱氢酶 (glutamate dehydrogenase)
属于 mitochodrial soluble matrix enzymes 的一种,
在生理条件下结合于线粒体内膜的 cardiolipin，
活性被抑制。在离子浓度提高时，如 NH4+浓度升
高，该蛋白从膜上脱下而成为 to activate
glutamate formation.
The current sewing machine model
SecA binds functionally and with high affinity at sites of SecYEGDF plus acidic
phospholipid (Stage 1),This binding of the SecB-preprotein complex activates SecA (Stage 2),
ATP binding (Stage 3) drives the insertion of a 30-kDa domain of SecA into,and partially
across,the membrane (Stage 4),This SecA insertion is accompanied by the insertion of a
“loop” of about 25aminoacyl residues of the preprotein across the membrane,Hydrolysis of
a second ATP are necessary for SecA deinsertion (Stage 5),When SecA is in the deinserted
state,it can exchange freely with cytosolic SecA,SecA can rebind to SecYEGDF(Stage 1`),
associate with the translocation intermediate(Stage 2`),and bind ATP (Stage 3`) and insert
(Stage 4`),(J.Biol.Chem,1996,271,29514-29516)
第二类膜蛋白是通过一段疏水肽链插入
脂双层中，从而抛锚在膜上。
目前尚未得到确凿的证据证明这一类蛋白的
疏水片断插入膜的外单层中。但实验表明，
影响膜功能的一些毒素（如蜂毒素）可能部
分插入膜的外表面。
The possible binding models of
melittin on the membranes
Bouma等人根据 ApoH的晶
体结构提出了 ApoH的膜结合
模型 。 Bouma等人发现 ApoH的
第五结构域有一块面积约为
2000平方埃的正电区 。 这一
区域含有 12个 Lys,1 Arg 和
1 His（ 图 B） 。 这个正电荷
区域与负电磷脂的负电荷相
互作用, 而 Ser311-Ser-Leu-
Ala-Phe-Trp-Lys317 则插入
膜中, Trp316就位于 ApoH与
膜结合的界面处 。
载脂蛋白 H的膜结合模型
(A) (B)
ApoH在膜表面有两种状态的模型图
(Wang et al,Biophysical,J,2002)
第三类和第四类膜蛋白都是膜整合蛋白 (膜
内在蛋白 ),transmembrane protein,integral
membrane protein.
膜整合蛋白含有较大的极性氨基酸序列位于胞外
或胞浆侧，分别与膜脂的极性头部及细胞内外环
境发生相互作用。 这些胞外和胞浆结构域通过一
条或几条跨过膜脂双分子层的疏水肽段（通常 20
－ 30氨基酸残基）相连接 。其中含有一条跨膜序
列的属于第三类膜蛋白，含有多条跨膜序列的属
于第四类膜蛋白。
红细胞膜上的血型糖蛋白以及很
多膜上的受体都只有一条跨膜序列，
属于第三类膜蛋白。
a-domain
?-domain
Structure of insulin receptor according to Sui et al,
(Biochemistry 1988),The distribution of domains of a-
helical,?-sheet,and random-coil structure as predicted
by the probabilistic method.
extracellular,
913 a.a.
In bilayer,
23 a.a.
Cytoplasm,
423 a.a.
一些通道蛋白或离子泵则属于第四类膜蛋白。
这类蛋白中,一般含有几段疏水片段，可以多次
跨膜。
如红细胞膜上的 带 3蛋白 (Band 3)就是通过七条
跨膜片段而形成的阴离子通道蛋白。 细菌视紫红
质 (Bacteriorhodopsin,bR)是嗜盐细菌的紫膜上光
驱动的质子泵，它也有七段跨膜区,膜内的跨膜序
列均呈现 a螺旋结构。
由于跨膜蛋白在膜中有确定的取向，它们呈现
出一种功能的不对称性。
这些蛋白只有用适当的去污剂才能从膜上溶解
下来 。
嗜盐菌 (Halobacterium halobium living in saltwater
pools where they exposed to a large amount of sunlight) 的
质膜上存在膜片 (patch),称之为紫膜 (purple membrane)。
紫膜是一种光能转换膜,只含有一种蛋白,视紫红质
(bacteriorhodopsin BR),248 a.a.,MW 26,000 BR 占紫膜
总量的 75％。 BR利用光能驱使质子跨膜转移形成重要
的电化学梯度，这种电化学梯度存储的能量用于合成
ATP。
The structure of one BR molecule and its
relationship to the lipid bilayer.
all-trans-retinal*
??
11-cis-retinal
什么作用使七段 a螺旋在膜中稳定缔合
连接多肽对 bR有稳定作用？ No !
蛋白水解酶的裂解实验表明，连接多肽的裂解并未改
变蛋白二维晶体的衍射图样。
极性相互作用可能对 bR的稳定性有贡献? Possible!
中子衍射实验表明，各螺旋段的极性基团指向分子内
部，极性基团在非极性中的相互作用可能对结构起稳定
作用。
偶极作用可使取向反平行的两段螺旋有相互吸引趋势。
脂相的堆积效应? Possible!
几何不匹配诱导的相分离
How freeze-fracture
electron microscopy
provides images of the
hydrophobic interior of
the cytoplasmic half of
the bilayer (P face) and
the external half of the
bilayer (E face).
Probable fates of band
3 and glycophorin
molecules in the human
red blood cell
membrane during
freeze-fracture,
第五类膜蛋白, 这类蛋白的 膜外周结构域
可以与特定的糖脂 或脂肪酸 形成共价连接,
从而将蛋白抛锚在膜脂双分子层上 。
现在发现许多膜结合酶 (membrane-bound
enzyme)，像５－核酸酶、碱性磷酸酶、乙酰胆碱酯
酶,G蛋白等，都是靠一个脂锚 (lipid-anchor)连接
在膜上的。它们不对称地分布上细胞膜上，催化位
点在胞外。 这些脂锚可能使蛋白在膜上具有较高的
侧向移动能力，但确切的功能特征尚不清楚 。
肉豆蔻酸结合蛋白 (myristoylated proteins)
蛋白质通过酰胺键 (amide linkages)与肉豆蔻酸与
(myristic acid,14:0)结合。
蛋白的 N端必须是 Gly,并对与 Gly相邻的氨基酸有高
度选择,即必须是 Asn,Gly,Val,或 Leu。 这是由于 肉豆蔻
酸酰基转移酶 (N-myristoyl acyl-transferase NMT)所要求
的。
当 游离 核糖体合成多肽延伸 30-40氨基酸时，氨基肽
酶将其第一个 (N端 )氨基酸 (Met)切去，暴露出第二个氨
基酸 (Gly),一旦出现 Gly,由 NMT作用使多肽链酰化。 然
后定位在膜上。
由于 NMT是 ribosome complex 的一部分，故 N-
myristoylation是伴随蛋白质合成而形成，此过程又称
为 co-translational N-myristoylation.
co-translational N-myristoylation
棕榈酸结合蛋白 (palmitoylated proteins)
蛋白通过 Cys的 -SH与棕榈酸 (16:0)形成 thiolester(下
图 a),由于 棕榈酸转移酶位于 Golgi内,故该过程又
称为 post-translational attachment of fatty acid,
糖肌醇磷脂结合蛋白
(glycosyl-phosphatidylinositol anchored proteins
GPI-proteins)
蛋白 C端与糖脂 (肌醇磷脂 )相连,以肌醇磷脂中
的两个脂肪酸插入脂双层 。
肌醇磷脂与氨基葡萄糖相连，再结合 3个甘露糖，
最后一个甘露糖与乙醇胺相连，通过乙醇胺的 -
NH2与蛋白质的 -COOH以酰胺键相联。
此外，有的 GPI-protein还在肌醇基团的第
二位羟基上再结合一个棕榈酸插入膜内。
GPI-proteins 结
构示意图
肌醇磷脂与氨基葡萄
糖相连，再结合 3个
甘露糖，最后一个甘
露糖与乙醇胺相连，
通过乙醇胺的 -NH2与
蛋白质的 -COOH以酰
胺键相联。
此外，有的 GPI-
protein还在肌醇基
团的第二位羟基上再
结合一个棕榈酸插入
膜内。
Phospholipids,
cholesterol and
the core sugars in
smooth ER
------ Prog,Lipid Res,
27:193,1988
GPI-protein
的生物合成
非胞质侧
肉豆蔻酰
胞质侧
v － Sr c 蛋白
Ras 蛋白
棕榈酰
法呢基
糖基磷脂酰肌醇
T h y － 1 蛋白
N －乙酰葡萄 糖胺
N －乙酰葡萄糖胺
肌醇
甘露糖
甘露糖
甘露糖
甘露糖
几种共价锚定脂的结构
登顶成功，可惜神仙都被一脸幸
福地俺们吓跑了。
膜分子生物学
游击队
隋森芳 （ 2003.11.7）
什么是生物物理学？
生物物理学的定义是生
物物理学领域几乎每一本教
科书都难以回答的问题！
要从物理科学与生物科
学之间的关系来认识生物物
理学！
生物物理学的核心是 生物学 ！
生物物理学的基本思路是
相互作用 (interactions)！
G蛋白偶联受体对
腺苷酸环化酶的
激活途径示意图
G蛋白介导的跨膜信号传导
?
Epinephrine binds to a
specific receptor.
?
The occupied receptor
causes the replacement
of the GDP bound to Gs
byGTP,activating Gs.
GTP GDP
?
Gs (a subunit) moves
to adenylate cyclase
and activates it.
ATP
cAMP
?
Adenylate cyclase
catalyzes the
formation of 3’,5’-
cyclic AMP.
项目切入点
生物物理学 (二 )的研究对象
生物膜的基本结构特征
膜主要是由脂类 (lipid) 和蛋白质以 非共价
键相互作用 结合而成的二维流动体系。
脂类分子呈连续的 双分子层 (bilayer)排列 。
膜具有 双亲性 (amphipathic nature)。
蛋白质相对于脂双层的 不同镶嵌方式 。
生物膜中各种组分的 分布是高度不对称的 。
生物膜的主要功能
它们是把细胞分割成一个个, 小室,
(compartment) 的物理屏障。
它们具有选择通透性。
它们是, 小室, 间传递化学信息和能量
的介面。
它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分
选与定位，提供了工作平台和输运载体。
1.对生物膜结构的认识
对生物膜结构的认识
1765年,Benjamin Franklin
? 将橄榄油倒入 Commen池塘中，注意到由风所吹起的
水面微波被平息了。
? 注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。
? Franklin还计算到（根据油量和面积）油层的厚度
是 25?，而且, 它不可能扩展得更薄了。事实证明，
用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与
Franklin当时估算的一样！
对生物膜结构的认识
1902年,E.Overton
? 发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；
? 增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速
度增加；
? 基于脂溶性物质容易透过质膜,Overton提
出质膜是由一层薄的类脂所组成。
?------ Vjschr,Naturforsch Ges,Zurich 44
(1899)88-98.
对生物膜结构的认识
1917年,Langmuir
发现脂肪酸放在水和
空气界面上形成单分
子膜
---Langmuir film.
对生物膜结构的认识
1925年,E.Gorter and F.Grendel
从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测
出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有
面积大约是红细胞表面积的 2倍。提出双
分子类脂层是细胞膜的基本结构。
? ------ J,Exp,Med,41 (1925) 439-443.
对生物膜结构的认识
1935年,J.F.Danielli and H.Davson
? 胎鱼卵的脂滴实验：
? 卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大
大提高；
? 纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低
大大提高；
? 提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构
（ the unit membrane model）,
对生物膜结构的认识
1972年,S.J.Singer and G.Nicholson,提
出 液体镶嵌模型 （ The fluid mosaic
model）,
?强调膜结构的流动性
?强调膜组分的不对称性
?膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合
------ Science 175 (1972) 720-731.
对生物膜结构的认识
1977年,M.K.Jain and H.B.White,提
出板块模型,
? 在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，
刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序
结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织
结构和物化性质不同的许多板块组成。
? 膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有
关。
------ Adv,Lipid Res,15 (1977) 1-60.
对生物膜结构的认识
1997年,K,Simons,细胞膜中的功能化筏
(Functional rafts in cell manbrane):
? 细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。
它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂,4oC
不溶于非离子型去污剂 Triton－ X100。
? 这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向
移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集
于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。
? 功能：膜的分选与运输；信号传导等。
------ Simons & Ikonen,Nature 387 (1997) 569-572
caveolin
2.生物膜的基本组成
生物膜的基本组成
生物膜的基本组成 (一 )
细胞质膜
细胞内膜系统
膜与细胞骨架
生物膜的基本组成
细胞质膜
所有细胞的表面都包围着一层膜，在动物细胞中，我
们通常将其称为质膜 (plasma membrane)。而对于其它
生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜
(cytoplasmic membrane)、表面膜 (surface
membrane)、原生质膜 (plasmalemma)等。
这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞
对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养
物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也
要通过它排出细胞。
生物膜的基本组成
细胞质膜
一些非离子小分子－如水、尿素,O2,CO2、甘油等，
及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。
而葡萄糖 (glucose)和氨基酸 (amino acid)等分子的跨
膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。
离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如,Na+-K+-
ATP酶是利用蛋白水解 ATP的能量把 Na+运出细胞，把
K+运进细胞； Ca2+ATP酶则是把 Ca2+泵到胞外。
胰岛素 (insulin) 等多肽类激素可以与质膜外表面的
受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传
递到细胞内。
生物膜的基本组成
细胞内膜系统：
与原核细胞不同，
真核细胞具有复
杂的内膜系统，
即细胞质中有许
多膜性细胞器
(membrane-bound
organelle)。
细胞内膜系统,线粒体
? 线粒体 (mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。
线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜 (outer
membrane)和内膜 (inner membrane)，其直径约 1?m。
? 线粒体外膜含有大量的孔道蛋白 (porin),它们穿越磷
脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量
小于 10kd的分子是自由通透的。
? 线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴 (cristae)状结构，
以增加总的内表面积。 线粒体内膜蛋白质的含量很高，按
重量计算，蛋白质约占 70％，脂类约占 30％。 内膜上的
许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电
子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋
白传递到另一个载体蛋白；另一组是 ATP合成酶复合体，
用于催化 ATP的合成。
细胞内膜系统,溶酶体
?溶酶体 (lysosome)是细胞内主要的消化系统,内含大量
的酸性水解酶 (包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖
苷酶等 )，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解
成单体。
?溶酶体内水解酶的 最适 pH值为 5，这个低 pH值微环境是
由溶酶体膜上的质子 ATP酶维持的。
?待水解的生物大分子通过内吞小泡 (endocytic
compartent)进入溶酶体。
?溶酶体酶在粗面内质网中合成, 溶酶体在 trans Golgi面
形成 。
细胞内膜系统, 内质网和高尔基体
? 内质网和高尔基体 (Golgi apparatus)的膜将细胞质
与其围成的腔隔开。
? 粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum)可能直接
与核膜相连,其细胞质面附着着大量的核糖体，是 膜
蛋白合成的场所 。
? 滑面内质网 (smooth endoplasmic reticulum)则是合
成膜脂的场所,包括磷脂和胆固醇 。滑面内质网与高
尔基体的膜上都可以进行 蛋白和脂的糖基化 。
? 高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。
? 高尔基体还参与蛋白聚糖 (proteoglycans)的合成,
参与这些反应的酶也主要集中于 trans高尔基体的膜上。
细胞内膜系统, 膜囊泡
细胞内有许许多多的膜囊泡 (membrane
vesicle)，它们主要参与各种各样的运输
过程。这些 膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞
内的特定地点,同时，它们还是胞吐作用
(exocytosis)和胞吞作用 (endocytosis)的
载体。
细胞内膜系统,核膜
? 真核生物的遗传物质被核膜 (nuclear membrane)所
包围 (细胞处于分裂时除外 )。
? 核膜由内膜与外膜组成。 核膜的内外膜是连续的，
这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接
着染色质 (chromatin)； 外核膜表面结合着核糖体
(ribosome)，而且其某些区域与内质网 (endoplasmic
reticulum)膜相连 。
? 核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基
质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是 ATP依赖性过
程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约７
nm，允许直径 9nm以下的分子自由通过,说明核孔是有
一定柔性的。
生物膜的基本组成
膜与细胞骨架,细胞骨架可以稳定细胞膜,维持
细胞形状。 Membrane-attached cytoskeletal networks
provide mechanical support to plasma membrane,是维
持红细胞耐性及变形性的主要组分。
SDS polyacrylamide-gel electrophoresis
the proteins in the human red blood cell membrane
红细胞膜骨架蛋白：
血影蛋白 (spectrin)
锚蛋白（ ankyrin〕
膜整合带 3蛋白 (Band 3)
血型糖蛋白 (glycophorin)
带 4.1蛋白 (band4.1)
肌动蛋白 (actin)
Spectrin molecules
from human red
blood cells
Each spectrin
heterodimer consists
of two antiparallel
polypeptide chains.
Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic
side of the human red blood cell membrane
血影蛋白 (spectrin)是红细胞中一种主要的
膜连接蛋白 (membrane-associated protein)。
已经有证据表明，血影蛋白可能通过三种方式
非价键的与质膜结合。
? 血影蛋白可以通过锚蛋白（ ankyrin）与膜
整合蛋白带 3蛋白 (Band 3)连接，从而桥连到膜
上。带 3蛋白是镶嵌在质膜上的内在蛋白。锚蛋
白的 N端与带 3蛋白结合，其另一端与血影蛋白
结合。
? 血影蛋白还可以通过带 4.1蛋白 (band4.1)与
膜上的血型糖蛋白 (glycophorin)连接。
? 此外，血影蛋白还可以直接与质膜内表面的
带有负电荷的丝氨酸磷脂 (PS)结合。
正常红细胞的外形呈双凹型,当病变时，如一
些溶血性贫血症，红细胞可呈现异常的形态,
球形 (遗传性球形红细胞增多症,hereditary
spherocytosis HS)，
椭圆形 (遗传性椭圆形红细胞增多症,hereditary
elliptocytosis HE)，
卵圆形 (遗传性卵圆形红细胞增多症,hereditary
ovalocytosis HO)
这些病人红细胞形态变化的原因，多是由于
先天性膜骨架蛋白缺失或变异所致 。
球形,HS (hereditary spherocytosis),
spectrin,ankyrin,
椭圆形,HE (hereditary elliptocytosis),
spectrin,Band 4.1,glycorin
卵圆形,HO (hereditary ovalocytosis),
Band 3
整合素蛋白与细胞骨架的结合,很多细胞外基质分子中含有 RGD（ Arg－ Gly－ Asp）序列，
这是整合素蛋白的一个通用识别序列。与胞外基质分子的结合，可以引起整合素蛋白的聚集
以及细胞骨架的组装。很多胞质蛋白参与了细胞骨架的重组过程，如 talin,paxillin，
vinculin等，它们可以与整合素蛋白 ?亚基的胞质结构域相互作用，同时又可以与 actin纤维
结合，将整合素蛋白与细胞骨架连接起来。
A model for how transmembrane linker
glycoproteins in the plasma membrane connect
intracellular matrix at a focal contact.
生物膜的基本组成 (二 )
膜脂
?磷脂
?糖脂
?固醇
膜蛋白
膜脂
? 细胞中含有两种脂类 。 一种属非极性脂质, 如
由脂肪酸与甘油酯化所形成的三酯 。 它们是一类疏
水的脂质, 称为真脂 。 另一类属极性脂质, 这种脂
质分子具有一个亲水的头部 （ 即极性端 ） 和一个疏
水的尾部 （ 即 非 极 性 端 ）, 具有双亲性
（ amphipathic或 amphiphilic） 的特点, 这种脂质称
为类脂 。
?生物膜中的脂类, 大都是极性脂质, 主要包括三
种类型：磷脂 （ phosnholipid）, 固醇 （ sterol） 和
糖脂 （ glycolipid） 。
? l微米 × l微米面积的类脂双层膜 （ lipid bilayer）
大约有 5 × 106个类脂分子 。
1) 磷脂
含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生
物膜中最重要的脂类。
磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏
水尾链。这两部分通过 甘油骨架 或 神经鞘
氨醇 (sphingosine)骨架相连接，甘油骨架
在原核和真核细胞膜中都广泛存在，而神
经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。
以甘油为骨架的磷脂
即甘油分子中三个羟基有两个与高级脂肪酸形
成酯, 另一个与磷酸衍生物形成酯：
其中 R1,R2为脂肪酸碳氢链 。 根据 X的成分不
同, 可以形成不同的磷脂 。
(1)磷脂酸胆碱（ phosphatidylcholine,PC）
磷脂酸胆碱亦称卵磷脂 (lecithin)。它是动物细胞膜中含量最
丰富的磷脂，约占膜脂的 40－ 50％。磷脂酰胆碱有控制动物机
体代谢，防止脂肪肝形成的作用 (?)。
(2) 磷脂酸乙醇胺（ phosphatidylethanolamine,PE）
X＝－ CH2CH2N＋ H2
磷脂酸乙醇胺又称脑磷脂（ cephalin）。它是细菌细胞膜的
主要磷脂，其脂肪酸碳氢链不饱和程度比磷脂酰胆碱高。磷脂
酰乙醇胺与血液凝结有关。
(3) 磷脂酰肌醇（ phosphatidylinositol,PI）
磷脂酰肌醇的含量一般为 5— 10％。它在神经组织（主
要在髓鞘）中含量较高。据报道，它在细胞信息传递过
程中起着重要的作用。
(4)磷脂酰丝氨酸（ phosphatidylserine,PS）
磷脂酰丝氨酸广泛分布于各
类细胞膜系中，但其浓度通
常低于磷脂总量的 10％。在
中性 pH时，带负电荷。
(5) 磷脂酸（ phosphatidic acid,PA）
X＝－ H
磷脂酸在上述磷脂的生物合成中起着关键作
用。它分布广泛，以低浓度（占全部磷脂含量
的 1－ 5%）存在许多组织之中。
(6) 磷脂酰甘油（ phosphatidylglycerol,PG）
磷脂酸甘油的含量变化很大，在动物细胞膜系中
含量很低，在植物细胞膜中一般高达
20— 30％的含量（叶绿体中为 40— 60％）。革兰氏
阳性细菌中则高达 70％。它也是二磷脂酸甘油生物
合成的前体。
(7) 二磷脂酸甘油（ diphosphatidylglycerol,DPG）
二磷脂酸甘油是由二个磷脂酸（ phosphatedc acid）分别与
甘油缩合而成,亦 称心磷脂（ cardiolipin,CL） 。
它主要存在于线粒体、叶绿体和许多细菌中,特别于 线粒
体内膜 。这种磷脂由于只带磷酸基团而带负电荷。
A,PC
B,PE
C,PS
D,PI
E,PG
F,DPG
以神经鞘氨醇为骨架的磷脂
神经鞘氨醇 (sphinogsine)的 C－ 2上的氨基 (-NH2)与脂肪酸
(R)缩合生成神经鞘脂类 (sphingolipid),C－ l上的羟基与
磷 酸 衍 生 物 (X) 缩 合 即 生 成 磷 酸 神 经 鞘 脂 类
(phosphasphingolipid):
若, X＝磷脂胆碱 (PC)，
则生成 神经鞘磷脂 (sphingomyelin,SM ).
若, X＝－ H,
则生成 神经酸胺 （ ceramide） 。
2) 糖脂
糖脂 （ glycolipids） 广泛分布于动物, 植
物和微生物细胞的膜系中 。 它是生物膜中的寡
糖与脂质结合形成的一种类脂 。 糖脂中类脂的
极性头部基团是通过糖苷键与糖分予相连, 而
不是象磷脂那样通过磷酸酯键相连接 。 生物膜
中的糖脂只存在于脂双层的外层表面, 一般不
超过脂分子的 10％ 。
糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类 。
糖鞘脂类 (glycosphingolipids)
动物细胞中的糖脂主要以糖鞘脂类的形式存
在 。 这类糖脂包括两个种类,脑苷类脂 和 神经
节苷脂 。
由于糖鞘脂在质膜的外单层含量很高，这就
有助于质膜表面通过寡糖链部分与外源配体相
互作用，或起着调节蛋白质受体的作用。再者，
鞘糖脂可作为胚胎细胞分化的标记物，被其他
细胞的表面所识别，这是细胞识别和分化的重
要基础。最近，还发现其在蛋白分选中起作用。
糖鞘脂类 (glycosphingolipids)
(1) 脑苷类脂 (cerebroside)
糖分子与神经鞘脂类的末端羟甲基，通过糖苷键相连接，
这类糖脂呈电中性 。
如半乳糖神经酰胺,它是脑中重要的类脂成分，也广泛分
布于哺乳动物细胞膜系中,
(2) 神经节苷脂（ ganglioside)
在这类化合物中，与神经鞘脂类相连的部分含有 1个
或多个唾液酸残基 (sialic acid residues),也称为 N－乙酸
神经氨酸 (N－ acetylneuraminic acid,NANA).
神经节甘脂属于酸性糖脂，带负电，主要存在于许
多动物细胞，特别是神经细胞的外膜中。 它是细胞表
面负电荷主要来源 。
NANA,sialic acid,Gal,galactose,Glc,glucose,
GalNac,N-acetylgalactosamine.
Right,the structure of sialic acid ?
3) 固醇 （ sterol）
(1) 动物固醇 (zoosterol)
胆固醇 (cholesterol)是最重要
的一种动物固醇 。 由于胆结石
几乎完全是由胆固醇组成的,
胆固醇的名称也由此而来 。
胆固醇是双亲性分子 。 其一端
带有一个极性亲水羟基, 另一
端含疏水碳氢链 。
胆固醇在哺乳类的质膜中含量
丰富 。 此外, 高尔基体膜, 溶
酶体膜中含量也很丰富 。 而在
内质网膜及线粒体膜中含量少 。
(2) 植物固醇 （ phytosterol）
常见的高等植物细胞膜中的固醇是 豆固醇
（ stigmasterol） 和 谷固醇 （ sitosterol）, 它们分别
存在于大豆, 麦芽中 。 植物固醇是植物细胞的重
要组分, 不能为动物所吸收利用 。 它们通常在 C
－ 24上和 （ 或 ） 在 C－ 22上有双键 。
胆固醇的确切的生理功能还不十分清
楚 !
已知与生物膜的相行为，流动性，膜的分选与
运输。
膜中胆固醇含量与细胞老化 (aging)有一定关联。
膜的不对称性
膜组成的不对称性
有些细胞是有极性的，如上皮细胞。
细胞膜的横向不对称性，即内外两个片
层的组成不同。
细胞膜的侧向分布的不对称性，即二维
平面内膜组分的分布是不均一的。
不同细胞器中脂类组成是不同的。
质膜可划分成不同的功能区
上皮细胞的质膜
可划分成形态不同
功能区域。
上皮细胞（如肠和
肾脏上皮细胞）的
质膜被 紧密连接
（ tight junction）
分隔为 顶生结构域
(apical domain)
和 基底结构域
(basolateral
domain)。
膜组成侧向分布的不对称性
Lipid domains
Depending on whether the domains on both surfaces colocalize,four
discrete bilayer thicknesses could be present in these membranes.
Lateral sorting of membrane
proteins
膜脂内外分布的不对称性
脂的类型 内侧 外侧
鞘磷脂 17 83
磷脂酰胆碱 26 74
磷脂酰乙醇胺 77 23
磷脂酰丝氨酸 95 <5
糖脂 <5 95
膜脂内外分布的不对称性
外层
? glycolipids
? Phosphatidylcholine(PC)
? Cholesterol
内层
? phosphatidylserine (PS)
? phosphatidyl-ethanolamine (PE)
? phosphatidylinositol (PI)
由于脂分子不能自发地在单层与单层之间以适当的速度翻转，
这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。
脂双层的不对称性有重要的生物学功能 !
不同细胞器膜的 脂类 组成不同
大鼠肝脏,PL:磷脂,C:胆固醇,G:糖脂，其它脂未标记。
不同细胞器膜的 磷脂 组成不同
大鼠肝脏,PC,PE,SM,PS,PI,CL
不同细胞器膜脂组成特点
质膜,PC,SM,glycolipids,Chol.
线粒体内膜：几乎不含 Chol.,富含 CL
核膜 /ER/线粒体外膜：脂类组成类似
Golgi膜：介于 ER与质膜之间
老化过程膜脂的变化
红细胞老化过程膜脂的变化
人红细胞 有寿命大约为 120天，兔约为 20天，
狗约为 100天。
人红细胞大约每天更新率为 2× 1011，细胞存活
时间受许多因素影响。
老化红细胞消亡有两条途径：一个是老化细胞
自身破溶；另一个是被吞噬细胞含噬。无论是
自溶或被含噬都与膜结构的改变有关。
成熟的红细胞在血液中占绝大多数，它们无核、
自身无修复能力，易被检测。
红细胞老化过程膜脂的变化
△ 密度梯度离心：老化的红细胞的密度比年轻者高,
△ 老化细胞膜表面抗原的变化,
△ 老化细胞膜 渗透脆性高,
△ C/P比值变化,0.78± 0.09 正常
0.96± 0.09 老化
△脂双层不对称性,老化过程,PC,PE,SM两侧
分布无显著变化，而 PS原来几乎全部在内侧，老化
后有 10％翻向外侧。老化细胞的骨架蛋白变化与 PS
结合松弛，造成 PS外翻，同时造成细胞形状改变！
△表面电荷,sialic acid,PS.
Age-dependent changes of sphingomyelin
and phosphatidylcholine in human aorta,
Phospholipid and cholesterol content in rat
hearts as a function of age.
Alteration of lipid composition during
physiological processes,such as aging
alteration of lipid composition
cholesterol/phospholipids,cholesterol ?
sphingomyelin/PC,sphingomyelin ?
saturated/unsaturated,saturated ?
膜蛋白
膜蛋白
1) 膜外周蛋白
2) 通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而
抛锚在膜上
3) 膜整合蛋白 (膜内在蛋白 )
4) 膜外周结构域与特定的糖脂 或脂肪酸 形
成共价连接将蛋白抛锚在膜上
膜蛋白镶嵌方式
第一类是 膜外周蛋白 (peripheral membrane
proteins,extrinsic membrane proteins)
这些蛋白主要通过静电作用与磷脂的极性头
部或其它膜蛋白相结合。 适当加大溶液中的离子
强度，可以使这一类蛋白从膜上脱落下来 (easily
detached without the use of detergent)。
如细胞色素Ｃ和 ATP合成酶的 F1亚基，它们
没有疏水片断使之锚定于脂双层。一些胞外基质
与细胞膜外表面的结合，以及一些骨架蛋白与细
胞膜胞质面的结合都可以属于第一类膜蛋白。
Some proteins exhibit both a solute
and a membrane-bound form.
如；谷氨酸脱氢酶 (glutamate dehydrogenase)
属于 mitochodrial soluble matrix enzymes 的一种,
在生理条件下结合于线粒体内膜的 cardiolipin，
活性被抑制。在离子浓度提高时，如 NH4+浓度升
高，该蛋白从膜上脱下而成为 to activate
glutamate formation.
The current sewing machine model
SecA binds functionally and with high affinity at sites of SecYEGDF plus acidic
phospholipid (Stage 1),This binding of the SecB-preprotein complex activates SecA (Stage 2),
ATP binding (Stage 3) drives the insertion of a 30-kDa domain of SecA into,and partially
across,the membrane (Stage 4),This SecA insertion is accompanied by the insertion of a
“loop” of about 25aminoacyl residues of the preprotein across the membrane,Hydrolysis of
a second ATP are necessary for SecA deinsertion (Stage 5),When SecA is in the deinserted
state,it can exchange freely with cytosolic SecA,SecA can rebind to SecYEGDF(Stage 1`),
associate with the translocation intermediate(Stage 2`),and bind ATP (Stage 3`) and insert
(Stage 4`),(J.Biol.Chem,1996,271,29514-29516)
第二类膜蛋白是通过一段疏水肽链插入
脂双层中，从而抛锚在膜上。
目前尚未得到确凿的证据证明这一类蛋白的
疏水片断插入膜的外单层中。但实验表明，
影响膜功能的一些毒素（如蜂毒素）可能部
分插入膜的外表面。
The possible binding models of
melittin on the membranes
Bouma等人根据 ApoH的晶
体结构提出了 ApoH的膜结合
模型 。 Bouma等人发现 ApoH的
第五结构域有一块面积约为
2000平方埃的正电区 。 这一
区域含有 12个 Lys,1 Arg 和
1 His（ 图 B） 。 这个正电荷
区域与负电磷脂的负电荷相
互作用, 而 Ser311-Ser-Leu-
Ala-Phe-Trp-Lys317 则插入
膜中, Trp316就位于 ApoH与
膜结合的界面处 。
载脂蛋白 H的膜结合模型
(A) (B)
ApoH在膜表面有两种状态的模型图
(Wang et al,Biophysical,J,2002)
第三类和第四类膜蛋白都是膜整合蛋白 (膜
内在蛋白 ),transmembrane protein,integral
membrane protein.
膜整合蛋白含有较大的极性氨基酸序列位于胞外
或胞浆侧，分别与膜脂的极性头部及细胞内外环
境发生相互作用。 这些胞外和胞浆结构域通过一
条或几条跨过膜脂双分子层的疏水肽段（通常 20
－ 30氨基酸残基）相连接 。其中含有一条跨膜序
列的属于第三类膜蛋白，含有多条跨膜序列的属
于第四类膜蛋白。
红细胞膜上的血型糖蛋白以及很
多膜上的受体都只有一条跨膜序列，
属于第三类膜蛋白。
a-domain
?-domain
Structure of insulin receptor according to Sui et al,
(Biochemistry 1988),The distribution of domains of a-
helical,?-sheet,and random-coil structure as predicted
by the probabilistic method.
extracellular,
913 a.a.
In bilayer,
23 a.a.
Cytoplasm,
423 a.a.
一些通道蛋白或离子泵则属于第四类膜蛋白。
这类蛋白中,一般含有几段疏水片段，可以多次
跨膜。
如红细胞膜上的 带 3蛋白 (Band 3)就是通过七条
跨膜片段而形成的阴离子通道蛋白。 细菌视紫红
质 (Bacteriorhodopsin,bR)是嗜盐细菌的紫膜上光
驱动的质子泵，它也有七段跨膜区,膜内的跨膜序
列均呈现 a螺旋结构。
由于跨膜蛋白在膜中有确定的取向，它们呈现
出一种功能的不对称性。
这些蛋白只有用适当的去污剂才能从膜上溶解
下来 。
嗜盐菌 (Halobacterium halobium living in saltwater
pools where they exposed to a large amount of sunlight) 的
质膜上存在膜片 (patch),称之为紫膜 (purple membrane)。
紫膜是一种光能转换膜,只含有一种蛋白,视紫红质
(bacteriorhodopsin BR),248 a.a.,MW 26,000 BR 占紫膜
总量的 75％。 BR利用光能驱使质子跨膜转移形成重要
的电化学梯度，这种电化学梯度存储的能量用于合成
ATP。
The structure of one BR molecule and its
relationship to the lipid bilayer.
all-trans-retinal*
??
11-cis-retinal
什么作用使七段 a螺旋在膜中稳定缔合
连接多肽对 bR有稳定作用？ No !
蛋白水解酶的裂解实验表明，连接多肽的裂解并未改
变蛋白二维晶体的衍射图样。
极性相互作用可能对 bR的稳定性有贡献? Possible!
中子衍射实验表明，各螺旋段的极性基团指向分子内
部，极性基团在非极性中的相互作用可能对结构起稳定
作用。
偶极作用可使取向反平行的两段螺旋有相互吸引趋势。
脂相的堆积效应? Possible!
几何不匹配诱导的相分离
How freeze-fracture
electron microscopy
provides images of the
hydrophobic interior of
the cytoplasmic half of
the bilayer (P face) and
the external half of the
bilayer (E face).
Probable fates of band
3 and glycophorin
molecules in the human
red blood cell
membrane during
freeze-fracture,
第五类膜蛋白, 这类蛋白的 膜外周结构域
可以与特定的糖脂 或脂肪酸 形成共价连接,
从而将蛋白抛锚在膜脂双分子层上 。
现在发现许多膜结合酶 (membrane-bound
enzyme)，像５－核酸酶、碱性磷酸酶、乙酰胆碱酯
酶,G蛋白等，都是靠一个脂锚 (lipid-anchor)连接
在膜上的。它们不对称地分布上细胞膜上，催化位
点在胞外。 这些脂锚可能使蛋白在膜上具有较高的
侧向移动能力，但确切的功能特征尚不清楚 。
肉豆蔻酸结合蛋白 (myristoylated proteins)
蛋白质通过酰胺键 (amide linkages)与肉豆蔻酸与
(myristic acid,14:0)结合。
蛋白的 N端必须是 Gly,并对与 Gly相邻的氨基酸有高
度选择,即必须是 Asn,Gly,Val,或 Leu。 这是由于 肉豆蔻
酸酰基转移酶 (N-myristoyl acyl-transferase NMT)所要求
的。
当 游离 核糖体合成多肽延伸 30-40氨基酸时，氨基肽
酶将其第一个 (N端 )氨基酸 (Met)切去，暴露出第二个氨
基酸 (Gly),一旦出现 Gly,由 NMT作用使多肽链酰化。 然
后定位在膜上。
由于 NMT是 ribosome complex 的一部分，故 N-
myristoylation是伴随蛋白质合成而形成，此过程又称
为 co-translational N-myristoylation.
co-translational N-myristoylation
棕榈酸结合蛋白 (palmitoylated proteins)
蛋白通过 Cys的 -SH与棕榈酸 (16:0)形成 thiolester(下
图 a),由于 棕榈酸转移酶位于 Golgi内,故该过程又
称为 post-translational attachment of fatty acid,
糖肌醇磷脂结合蛋白
(glycosyl-phosphatidylinositol anchored proteins
GPI-proteins)
蛋白 C端与糖脂 (肌醇磷脂 )相连,以肌醇磷脂中
的两个脂肪酸插入脂双层 。
肌醇磷脂与氨基葡萄糖相连，再结合 3个甘露糖，
最后一个甘露糖与乙醇胺相连，通过乙醇胺的 -
NH2与蛋白质的 -COOH以酰胺键相联。
此外，有的 GPI-protein还在肌醇基团的第
二位羟基上再结合一个棕榈酸插入膜内。
GPI-proteins 结
构示意图
肌醇磷脂与氨基葡萄
糖相连，再结合 3个
甘露糖，最后一个甘
露糖与乙醇胺相连，
通过乙醇胺的 -NH2与
蛋白质的 -COOH以酰
胺键相联。
此外，有的 GPI-
protein还在肌醇基
团的第二位羟基上再
结合一个棕榈酸插入
膜内。
Phospholipids,
cholesterol and
the core sugars in
smooth ER
------ Prog,Lipid Res,
27:193,1988
GPI-protein
的生物合成
非胞质侧
肉豆蔻酰
胞质侧
v － Sr c 蛋白
Ras 蛋白
棕榈酰
法呢基
糖基磷脂酰肌醇
T h y － 1 蛋白
N －乙酰葡萄 糖胺
N －乙酰葡萄糖胺
肌醇
甘露糖
甘露糖
甘露糖
甘露糖
几种共价锚定脂的结构
登顶成功，可惜神仙都被一脸幸
福地俺们吓跑了。
膜分子生物学
游击队
