COOH
NH2
补充：关于疏水作用
K.Kauzmann (1959)研究非极性残基从非极性溶剂转移
至水中的热力学性质,
模型系统：非极性分子 甲烷 (CH4)
非极性溶剂 苯或 CCl4
问题的提出,X mole 甲烷从 CCl4中移至水中 free
energy 如何变化？
由 dG = dH – TdS
转移过程,dH (enthalpy) < 0 放热导致 dG降低
dS (entropy) < 0 熵降低导致 dG增加
由于 dS对 dG的贡献达到 80%,故甲烷从 CCl4中移至水中
free energy 的增加主要来自熵的贡献。
疏水物质在水中聚集熵增加是自发过程！
dS > 0 贡献是主要的！ dH > 0 minimal ！
分子各种能级示意图。基态用 G表示，第一电子激发态用 S*表
示 (单线激发态,singlet excited state)，第二电子激发态用 S**表示。
T*表示第一电子三重激发态 (三重态,triplet state)。基态和激发态都
含有几个不同的振动能级，图中用 V=0,1,2,3表示。
5.脂质及脂质聚集
脂双分子层的动态性质
脂类分子在 Lipid Bilayer 中可能
有的运动方式
脂肪酰链内的旋转异构化运动
(内旋转 )
碳氢链 中各亚甲基 (-CH2-) 处于 trans 与
gauche 构象之间的转换之中
? trans ? gauche
? correlation time,10-10 Sec
这种快速的构象动态转变是脂双层流动性的分
子基础
? 流动性高 ? gauche 构象占的比例高 (平均每个 脂
肪酰链可有 2个 gauche构象 )
? 流动性低 ? gauche 构象占的比例减少。
饱和脂肪酰链旋转异构化
运动可能产生的几种构象
(A) 二面角 ?i定义：键 Ci-2-
Ci-1与键 Ci-1-Ci形成一个平
面，键 Ci-1-Ci与键 Ci-CI+1形
成另一个平面，这两个平
面间的夹角为 ?i。
(B) 饱和脂肪酰链的三种稳
定构象。其中，反式 (ti)构
象为 ?i＝ 1800，是一种能量
最低的状态；歪扭式 ＋ (g+)
和歪扭式 － (g-)分别对应 ?i＝
＋ 600和 ?i＝－ 600，它们的
能量比反式构象略高 ?0.5千
卡 /克分子,因此也称为亚稳
态。
饱和脂肪酰链旋转异构
体的说明及其示意模型 。
(A)直链全反式；
(B)单一歪扭异构 (tgt)导致
的链弯曲；
(C)两个歪扭构象相间
(tgtgt)形成的单一, kink”
构象。
trans构象,
链间距离最近，适
合于晶态脂双层
gauche构象,
链长度缩短，链间
距离增大
kink构象, -gtg-
Raman 光谱方法研究
膜流动性,
Itrans,? I1064 及 ? I1133
Igauche,? I1100
Igauche / Itrans ?I1100 / I1064
整个磷脂分子绕其长轴的旋转
整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内
旋转异构化运动的速度要慢得多：
correlation time,10-6 ? 10-8 Sec
测量方法； polarization spectroscopy
? 荧光偏振
? 红外偏振
?激发光偏振
?发射荧光也偏振 (只有平行于偏振方向的分子才能受
到最大激发 )；
?分子在布朗运动作用下，分子取向随机化，发射荧
光退偏振。
膜组分在脂双层内的侧向运动
整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内
旋转异构化运动的速度要慢得多：
correlation time,10-6 ? 10-8 Sec
测量方法； polarization spectroscopy
? 荧光偏振
? 红外偏振
膜组分在脂双层内的侧向运动
Fick第一扩散定律
? 单位时间通过横截面的溶质分子数 (dn/dt)与
横截面的面积 A及浓度梯度 dC/dX成正比,
? 扩散速度＝ dn/dt ? A?dC/dX
＝－ DA ?dC/dX
D为扩散系数,cm2/s,负号表示扩散过程
由高浓度到低浓度。
膜组分在脂双层内的侧向运动
扩散系数 D,
? 磷脂 D, 10-8 cm2/Sec (in lipid bilayer)
? 膜内在蛋白 D, 10-10~10-12 cm2/Sec (in lipid
bilayer)
? 水溶性蛋白 D, 10-7 cm2/Sec (in water)
测量方法：
? Photobleaching
? 原位电泳
蛋白分子的扩散系数要比脂分子的取值范围宽的多。
部分膜蛋白几乎没有侧向运动。
小蛋白的 D值较大，如，短杆菌肽 C (gramicidin C)
在 DMPC中,D?1.4?10-8 cm2/s,这一数值并不比脂分
子扩散速度慢多少。
膜内在蛋白扩散速度要低得多 (几乎不动 ! )，一般，
这样低的速度用蛋白的大小解释不了。 Webb与其助
手的研究表明,当将肌动蛋白细胞骨架从膜上解离下
来，则膜蛋白的扩散系数可提高到 10-9 cm2/s以上。条
纹肌细胞中的乙酰胆碱受体几乎是不动的，但是当将
其与肌动蛋白去连接后，测得其 D?2?10-9 cm2/s,
脂类分子在脂双层之间的翻转
运动 (flip-flop)
很慢！ 几小时 ? 几天
测量方法：
? electron spin resonance (ESR)
脂质的相性质
兼性分子多型性与水化程度的关系。 此图只是一
种示意图，对于任何一种脂质来说，其相态还和
温度等其他因素有关。
微分扫描量热法 (differential
scanning calorimetry,DSC):
把待测样品与对照样品同时加热，当样品发生相
变时，由于吸热突然增加而使其温度骤降，此时对
样品提供额外的热能使其温度与对照相同。将提供
给样品与对照的能量差对温度作关系曲线，则得到
DSC曲线。 曲线峰位给出相变温度，峰面积与相变焓
成线性关系。
DSC plots for DMPC
DMPC的相变行为与磷脂分子的水合状态有关。
当含水量高于 25%时主相变温度保持恒定，且与
含水量无关 。
Phase diagram
of DMPC
Most naturally occurring
phospholipids form a
lamellar phase when
dispersed in excess water.
生物膜中不饱和脂肪酸几乎全是
顺式 (cis) 双键，使链产生 300弯折。
Salem (1962) 推导两条
碳氢链之间的 van der
Waals相互作用能
两条碳氢链间距离为 R,链长度为
L,相邻 CH2 之间的距离为 l。
链特性与相行为的关系可用
van der Waals相互作用说明
根据 van der Waals 相互作用
能的 London 公式
U = -A/r6
推导出两条碳氢链间的 van
der Waals 相互作用能为
(若 R?? L 及 N = L/l )
Utot ? N
Utot ? 1/R5
Cholesterol/Lipid interactions
Cholesterol的羟基紧密靠近磷脂的极性头
部；刚性的板状固醇环与接近头部的碳氢
链部分相互作用；而胆固醇的非极性碳氢
尾部具有柔顺性
胆固醇 对膜相性质的影响
-----胆固醇是膜流动性的缓冲剂
当温度过高时，胆固醇可以抑制磷脂分子脂肪酰
链的旋转异构化运动，减少歪扭构象的数量，防止
脂分子流动性过分地增加，起着抑制流动性，稳定
脂双层的作用。
当温度过低时，胆固醇可诱导磷脂脂肪酰链的歪
扭构象的产生，使膜的流动性提高。
胆固醇与膜脂作用的选择性
Cholesterol increases the length of the phosphatidylcholine (PC) but not the
sphingomyelin (SM) molecule,Sphingomyelin with or without cholesterol forms
bilayers with a thickness of 46–47 ? for C18:0 sphingomyelin,By contrast,the
thickness of a C16:0/C18:1 phosphatidylcholine bilayer is 35 ?,and is expanded to 40
? by cholesterol,The thickness of the hydrophobic core of the bilayer increased from
26 to 30 ?.
脂质聚集体的形成
脂质聚集体的多型性
Amphiphilic molecule 在水中自组装的热力学
条件
在水溶液里自组装形成 aggregate的分子一般都是 amphiphilic
molecules。
对于一个形成聚集结构的系统，热力学的平衡条件要求,同
种分子在不同聚集体内的化学势相等 。
?＝ ?10?kTlogX1=?20?(1/2)kTlog(X2/2)=?30?(1/3)kTlog(X3/3)= …
monomers dimers trimers
?＝ ?N = ?N0?(1/N)kTlog(XN/N)= constant,
where N = 1,2,3,…
where
?N is the chemical potential of a molecule in
an aggregate of aggregation number N,
?N0 the standard part of the chemical
potential (the mean interaction energy) per
molecule in the aggregates of aggregation
number N,
XN the concentration of molecules
incorporated in aggregates of number N.
根据化学势相等,聚集数 N不同的兼性分子的浓度
分布函数为：
XN = N{X1 exp[(?10 - ?N0)/kT]}N
要求：稀释体系
聚集体间的相互作用可以忽略
Note ! 如果 ?10 ＝ ?20＝ ?30 ＝ … ＝ ?N0
XN = N{X1}N
因为 X1 ? 1,所以 XN?? X1
因此,形成而大稳定聚集体的必要条件是存在
?N0??10.
形成稳定聚集体的必要条件是存在 ?N0??10
什么情况下出现 ?N0??10 呢？
?N0与 N的关系与聚集体的几何有关！
例如, one-dimensional aggregates (rod-like aggregates)
The total interaction free energy N ?N0 of an aggregate of N monomers is
N ?N0 = -(N-1)?kT
where ?kT is the free energy of binding a monomer to the aggregate in
the solvent (i.e.,the monomer-monomer bond energy in the aggregate).
因此,?N0 ＝ -(1-1/N) ?kT = ??0 + ?kT /N
where ??0 the bulk energy of a molecule in an infinite aggregate.
这样,as N 增加,?N0 下降
For the rod,disc and sphere structures,the interaction free
energy of the molecules can be expressed as
?N0 ＝ ??0 + ?kT /NP
where rod-like p=1
disc-like P=1/2
sphere P=1/3
For all these structures,?N0 ?with N ?
Monomer and aggregate concentrations as a
function of total solute concentration,
聚集体形成的第二个条件, aggregate 形成与浓度关系
当 monomer浓度 增加时，其浓度只能趋向某一值而不可
能再增加,monomer的这个浓度定义为 critical micelle
concentration (CMC).
兼性分子在水溶液中的聚集状态与其浓度之间的关系
单体浓度极低的情况下，兼性分子在溶液中以单体形式存在。逐渐加大兼性分子的浓
度，自由单体浓度随之增加，当浓度达到一定值时溶液中的自由单体浓度停止增加，
溶液中开始同时出现单体和微团两种形式。这个临界浓度称作临界微团浓度，简称
CMC。此后单体浓度保持不变，而兼性分子浓度的增加只能引起聚集体浓度的增加。
CMC 越高说明分子间的相互作用越弱，易于透析 ！
聚集体形成的第二个条件, aggregate 形成与浓度关系
由 XN = N{X1 exp[(?10 - ?N0)/kT]}N
因为 ?N0 ＝ ??0 + ?kT /NP
则有 XN = N{X1 exp[?(1- 1/ NP)]}N
? N{X1 exp[?]}N
对于一定的 ?值，总可以找到这样的 X1值使
X1exp[?]??1,此时,X1 ? X2 ?X3 ?…,即多数分子处于
monomer状态,
但是,当 X1增加时，由于 XN不可能大于 1,X1只能趋
向 exp[-?]的某一值而不可能再增加,monomer的这个浓
度定义为 critical micelle concentration (CMC).
CMC 越高说明分子间的相互作用越弱，易于透析 ！
Amphiphilic molecule 在水中自组
装成聚集体的热力学条件 是：
? ?N0??10
? 兼性分子浓度大于 CMC
表 9.3.1一些常见两亲性物质的 CMC,n值
两亲性物质 CMC(mmol/L) N
SDS 8.2 62
胆酸钠 13?15 2?4
脱氧胆酸钠 5 7
Triton X-100 0.24 140
棕榈酰溶血卵
磷脂
0.05 ?180
DPPC ?10-10mol/L
脂质分子几何与
聚集体的多型性
几何因子与脂质聚集体的多型性
? The major forces govern the self-assembly of amphiphiles
into well-defined structurs,
? hydrophobic interaction induces the molecules to
associate ------- attractive hydrophobic forces
? the hydrophilic head group tends to be exposed to the
aqueous phase ------- repulsive forces
?These two forces compete in the interfacial region,the one
tending to decrease and the other tending to increase the
interfacial area per molecule.
Repulsive head-group forces and attractive hydrophobic
interfacial forces determining the optimum head-group
area a0 at which ?N0 is a minimum,
自组装中的装配几何
------ Geometric packing considerations
Israelachvili et al.,(1979) Nature 277,120.
Based upon the minimum-sized aggregate in which all the
lipids have minimum free energy.
引入无量纲参数 (critical packing parameter),v/a0lc
where, v hydrophobic volume
lc critical chain length
a0 optimal area of the lipid.
The value of v/a0lc will determine the packing
style of the lipid.
脂类自组装的堆积方式
The molecular shape of lipids
determines the physical properties
of membranes
Erythrocytes are small cells without nucleus or
internal membranes,
Asymmetric disposition of polar lipids in
erythrocyte membranes.
SPH=SM
Shape changes in erythrocytes can be induced by replacing the acyl chains.
Native PC commonly contains palmitoyl(16:0),oleoyl(18:1),
palmitoleoyl(16:1),and linoleoyl(18:2) species,If they are replaced by more
saturated (left) or unsaturated (right) species,the curvature of the
membranes changes,This causes a major change in their overall shape and
the viscoelastic proterties.
非脂双层结构
非脂双层结构
脂质交错对插排列
HII六角型结构
立方相结构
脂双层的交错对插结构
(interdigitated bilayer structure)
生物膜上脂质分子的链几何多种多样，这些长短不一
的脂酰链在脂双层中绝非整齐排列。
由于生物膜脂双层结构在水中排列的方式尽可能采取
能量最低的形式，脂质分子头部的有效面积与其酰基的
截面积尽可能的匹配，因而在一定条件下，具有不对称
酰链的脂质分子倾向于形成交叉双层结构。
这种结构只能出现在脂双层的凝胶相。“筏”中也
可能存在。
脂质交叉双层结构的三种排列方式
(a)非交叉
(b)全交叉
(c )混合交叉
(d)部分交叉
(e)不同长度脂酰链的磷脂分
子,?C为两条链碳原子数
之差,CL为长链的长度，
?C /CL为两条链的不对称
参数 。
Functional rafts in
cell membranes
Nature387(1997)571
脂质交叉双层结构对生物学功能的影响
? 改变脂双层厚度，影响膜脂 /蛋白相互作用
? 改变极性头部的截面积，影响膜表面电荷密 度
? 脂双层疏水核心层消失，位于其中的肽 链被迫
移位
? 内外脂单层间紧密偶联，影响磷脂分子的动态
性质
六角型 HII相 (Hexagonal HII Phase)
------ 一种非双层脂结构
Two possible modes of integration of
inverted micelles into bilayers are shown,
六角型 HII相 (Hexagonal HII Phase)
------ 一种非双层脂结构
PA(phosphatidic acid)/H2O的 HII结构的电子密度图
(J.M.B.,1974,85:279-300)
六角型 HII相 的生物学意义
? 膜融合：相邻膜间形成倒微囊，倒微囊与外层融
合形成通道。
? 植物光合作用膜中有 35％酰链脂,其中 70％含
多不饱和糖脂 MGDG与 DGDG,而 MGDG是自然界
中能在 0~80 0C 形成 HII相 的含量最丰富的极性脂。？
脂质体免疫分析法 (LIAS),利用 PE脂的多型性转变，
释放内含物从而达到检测抗原 (抗体 )，药物的目的。
Target-sensitive
immunoliposome,TSIL,靶
向释放药物机理的图示
立方相结构 ------脂双层形成的具有立方
体对称性的各向同性的液晶态结构。
立方相的性质
一, 立方相的微观行为：
尽管立方相结构中分子的烃链处于液体状态, 但其具
有三维的长程有序性 。 这种三维周期性结构可以由 X射
线 （ 或中子散射实验 ） 证实 。 这也是区分立方相与凝
胶相的方便的方法 。
立方相的性质
二、立方相的宏观行为：
A,呈透明且光学上各向同性；
B,粘稠，但它在相当大的范围内非常硬，就象胶质玻璃
一样，而有时又是几乎可以流动的；
C,具有滞后效应，一般在形成立方相之前，体系会在非
平衡态的温度下的亚稳态停留很长时间，也就是说立方相
的形成需要相当长的时间。但偶尔在一些生化过程中立方
相也会瞬时形成。
膜蛋白在双连续立方相 (bicontinuous cubic phase)形
成三维晶体示意图。膜蛋白晶体的生长经历了一个沿着
弯曲的双层膜扩散的过程，脂立方相的可塑性使得膜蛋
白能够在其中形成很大尺度的三维晶体。
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
6.膜的带电性质
膜 - 水界面的静电势
膜 - 水界面的静电势
细胞膜大约含有 10－ 20％带有负电荷的
脂分子。 脂 双层中一个磷脂分子的面积
大约 60?2，因此对于有 20％负电磷脂的
膜，其 双分子层的平均电荷密度约为 1个
电荷 /300?2 。
这些电荷使膜在水相中产生负的静电势，
而体相的电势定义为零。
膜 - 水界面的静电势
当体相中单价离子的浓度为 10－ 1M温度为 250C
时,根据 Gouy-Chapman理论的推测表面电势为
－ 60mV。与室温下溶液中单价离子的 kT/e 值
为 25mV相比较，此表面电势应当是一个很大的
值，它将影响到许多与膜有关的现象。
脂双层表面单价阳离子的浓度要比该离子在体
相中的浓度高一个数量级。因此，表面 pH值要
比体相低一个单位，这个现象将影响到许多与
酶有关的过程。 比如，由于膜对离子的渗透
率是与表面处离子的浓度有关，所以膜的渗透
率将受到表面电势的影响。
扩散电双层
带有负电荷的表面
会产生一个电场, 这
个电场吸引 counter-
ions 而排斥 co-ions;
由 于 热 运 动 这 些
counter-ions 不会
停留在表面上, 而趋
向从浓度高向浓度低
的区域扩散 。 这种动
态 平 衡 的 结 果 形 成
diffuse double layer。
根据扩散电双层的 Gouy-Chapman理论, 静电势的数
值随着距膜表面的距离的增加而递减 。
当电势降至膜表面值的 1/e时的距离被称为 Debye长
度, 1/κ 。
当单价离子的体浓度为 10-1M时, 1/κ ?10 ?，
而当单价离子的体浓度为 10-3M时, 1/κ ? 100 ?。
因此, Debye长度可以看成是 counter-ions 的等效
半径 。
A:带电表面离子分布 ; B,静电势随距膜的距离增加而指数衰减 ;
C,离子浓度分布 ; D,diffuse double layer类比平行板电容器,
盐析现象
随着盐浓度的增加，带电表面的 Debye length 减
小，相当于 ciunter-ions 更有效地屏蔽，以至于
溶液中相同的生物大分子能够接近。
当大分子足够接近时,van der Waals 引力起作
用而使其聚集结絮，最终沉淀出来。
几种不同的蛋白各自在一定的盐浓度下沉淀，从
而达到分离的目的。
注意！ Counter-ions 只屏蔽生物大分子电荷，而
不能屏蔽 van der Waals 的瞬时偶极子 (其频率为
1015Hz！ )
二价离子的膜表面富集
每一种离子的分布都满足 Boltzmann分布函数
第 i种离子 density profile,?(x)i = ??i e-Zi e ?(x)/kT
接近表面处 (x=0),?oi = ??i e-Zi e ?o/kT
其中,Zi为第 i种离子的离子价
?(x),electrostatic potential at x
?o为表面电势 (x=0处的 ?(x))
e为电子电荷
??i为第 i种离子的体浓度
[例 ]：若溶液中同时含有 NaCl和 CaCl2,则
[Na+]x = [Na+]? e-e ?(x)/kT [Na+]o = [Na+]? e-e ?o/kT
[Ca2+]x = [Ca2+] ? e-2e ?(x)/kT [Ca2+]o = [Ca2+] ? e-2e ?o/kT
[Cl-]x = [Cl-]? e+e ?(x)/kT [Cl-]o = [Cl-]? e+e ?o/kT
如果知道 [ ]?和 ?o, 则可计算出离子表面浓度 [ ]o 。
溶液中离子的分布
方程 (一 ),离子 density profile (Boltzmann 分布函数 )
根据化学势相等的平衡条件，
Z e ?(x) ＋ kTln ?(x) = Z e ?? ＋ kTln ??
令 ?? = 0，
?(x) = ?? e-Z e ?(x)/kT !!!
方程 (二 ),Poission Equation给出点 x处电势与该处净电荷密度之间的关系，
d2 ?(x) /dx2 = -Ze ?(x)/?
方程 (三 ),Poission-Boltzmann Equation给出 ?(x)与 x的函数关系
d2 ?(x) /dx2 = -Ze ?? /? e-Z e ?(x)/kT
方程 (四 ),Grahame Equation,?2 = 2?kT(???i e-Zi e ?o/kT - ???i )
其中,?为带电表面的电荷密度,
若已知 ?和 ??i, 则可求出 ?o !!!
如何求出 ?0？
根据 Grahame Equation,?2 = 2?kT(???i e-Zi e ?o/kT - ???i )
其中,?为带电表面的电荷密度,
[例 ] 体相含有 NaCl和 CaCl2,则含有 Na+,Ca2+和 Cl-,根据
Grahame Equation:
?2 = 2?kT{[Na+]? e-e ?o/kT + [Ca2+]? e-2e ?o/kT + [Cl-]? e+e ?o/kT -
[Na+]? - [Ca2+]? - [Cl-]? }
因为已知 ?, [ NaCl]? 和 [ CaCl2]?,
则可求出 ?0 !!!
二价离子在膜表面的富集现象
利用上表中的 ?o值，可计算膜表面附近的离子浓度 ?oi
如,当 [ NaCl]? = 10-7 M 时,?o = -477 mV
[Na+]o = 10-7 e-e(-477)/kT,(kT/e = 25.69 mV)
= 11.64 M
[Cl-]o = 10-15 M
又如,当 [ NaCl]? = 10-1 M 时，在加入 3mM CaCl2,
利用上表中的 ?o值,?o = -100 mV
则 [Ca2+] o ? 7 M
[Na+]o ? 5 M
可见，即使 Ca2+体浓度比 Na+低得多，但膜表面附近 Ca2+
浓度仍可能比 Na+浓度高得多 。
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
NH2
补充：关于疏水作用
K.Kauzmann (1959)研究非极性残基从非极性溶剂转移
至水中的热力学性质,
模型系统：非极性分子 甲烷 (CH4)
非极性溶剂 苯或 CCl4
问题的提出,X mole 甲烷从 CCl4中移至水中 free
energy 如何变化？
由 dG = dH – TdS
转移过程,dH (enthalpy) < 0 放热导致 dG降低
dS (entropy) < 0 熵降低导致 dG增加
由于 dS对 dG的贡献达到 80%,故甲烷从 CCl4中移至水中
free energy 的增加主要来自熵的贡献。
疏水物质在水中聚集熵增加是自发过程！
dS > 0 贡献是主要的！ dH > 0 minimal ！
分子各种能级示意图。基态用 G表示，第一电子激发态用 S*表
示 (单线激发态,singlet excited state)，第二电子激发态用 S**表示。
T*表示第一电子三重激发态 (三重态,triplet state)。基态和激发态都
含有几个不同的振动能级，图中用 V=0,1,2,3表示。
5.脂质及脂质聚集
脂双分子层的动态性质
脂类分子在 Lipid Bilayer 中可能
有的运动方式
脂肪酰链内的旋转异构化运动
(内旋转 )
碳氢链 中各亚甲基 (-CH2-) 处于 trans 与
gauche 构象之间的转换之中
? trans ? gauche
? correlation time,10-10 Sec
这种快速的构象动态转变是脂双层流动性的分
子基础
? 流动性高 ? gauche 构象占的比例高 (平均每个 脂
肪酰链可有 2个 gauche构象 )
? 流动性低 ? gauche 构象占的比例减少。
饱和脂肪酰链旋转异构化
运动可能产生的几种构象
(A) 二面角 ?i定义：键 Ci-2-
Ci-1与键 Ci-1-Ci形成一个平
面，键 Ci-1-Ci与键 Ci-CI+1形
成另一个平面，这两个平
面间的夹角为 ?i。
(B) 饱和脂肪酰链的三种稳
定构象。其中，反式 (ti)构
象为 ?i＝ 1800，是一种能量
最低的状态；歪扭式 ＋ (g+)
和歪扭式 － (g-)分别对应 ?i＝
＋ 600和 ?i＝－ 600，它们的
能量比反式构象略高 ?0.5千
卡 /克分子,因此也称为亚稳
态。
饱和脂肪酰链旋转异构
体的说明及其示意模型 。
(A)直链全反式；
(B)单一歪扭异构 (tgt)导致
的链弯曲；
(C)两个歪扭构象相间
(tgtgt)形成的单一, kink”
构象。
trans构象,
链间距离最近，适
合于晶态脂双层
gauche构象,
链长度缩短，链间
距离增大
kink构象, -gtg-
Raman 光谱方法研究
膜流动性,
Itrans,? I1064 及 ? I1133
Igauche,? I1100
Igauche / Itrans ?I1100 / I1064
整个磷脂分子绕其长轴的旋转
整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内
旋转异构化运动的速度要慢得多：
correlation time,10-6 ? 10-8 Sec
测量方法； polarization spectroscopy
? 荧光偏振
? 红外偏振
?激发光偏振
?发射荧光也偏振 (只有平行于偏振方向的分子才能受
到最大激发 )；
?分子在布朗运动作用下，分子取向随机化，发射荧
光退偏振。
膜组分在脂双层内的侧向运动
整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内
旋转异构化运动的速度要慢得多：
correlation time,10-6 ? 10-8 Sec
测量方法； polarization spectroscopy
? 荧光偏振
? 红外偏振
膜组分在脂双层内的侧向运动
Fick第一扩散定律
? 单位时间通过横截面的溶质分子数 (dn/dt)与
横截面的面积 A及浓度梯度 dC/dX成正比,
? 扩散速度＝ dn/dt ? A?dC/dX
＝－ DA ?dC/dX
D为扩散系数,cm2/s,负号表示扩散过程
由高浓度到低浓度。
膜组分在脂双层内的侧向运动
扩散系数 D,
? 磷脂 D, 10-8 cm2/Sec (in lipid bilayer)
? 膜内在蛋白 D, 10-10~10-12 cm2/Sec (in lipid
bilayer)
? 水溶性蛋白 D, 10-7 cm2/Sec (in water)
测量方法：
? Photobleaching
? 原位电泳
蛋白分子的扩散系数要比脂分子的取值范围宽的多。
部分膜蛋白几乎没有侧向运动。
小蛋白的 D值较大，如，短杆菌肽 C (gramicidin C)
在 DMPC中,D?1.4?10-8 cm2/s,这一数值并不比脂分
子扩散速度慢多少。
膜内在蛋白扩散速度要低得多 (几乎不动 ! )，一般，
这样低的速度用蛋白的大小解释不了。 Webb与其助
手的研究表明,当将肌动蛋白细胞骨架从膜上解离下
来，则膜蛋白的扩散系数可提高到 10-9 cm2/s以上。条
纹肌细胞中的乙酰胆碱受体几乎是不动的，但是当将
其与肌动蛋白去连接后，测得其 D?2?10-9 cm2/s,
脂类分子在脂双层之间的翻转
运动 (flip-flop)
很慢！ 几小时 ? 几天
测量方法：
? electron spin resonance (ESR)
脂质的相性质
兼性分子多型性与水化程度的关系。 此图只是一
种示意图，对于任何一种脂质来说，其相态还和
温度等其他因素有关。
微分扫描量热法 (differential
scanning calorimetry,DSC):
把待测样品与对照样品同时加热，当样品发生相
变时，由于吸热突然增加而使其温度骤降，此时对
样品提供额外的热能使其温度与对照相同。将提供
给样品与对照的能量差对温度作关系曲线，则得到
DSC曲线。 曲线峰位给出相变温度，峰面积与相变焓
成线性关系。
DSC plots for DMPC
DMPC的相变行为与磷脂分子的水合状态有关。
当含水量高于 25%时主相变温度保持恒定，且与
含水量无关 。
Phase diagram
of DMPC
Most naturally occurring
phospholipids form a
lamellar phase when
dispersed in excess water.
生物膜中不饱和脂肪酸几乎全是
顺式 (cis) 双键，使链产生 300弯折。
Salem (1962) 推导两条
碳氢链之间的 van der
Waals相互作用能
两条碳氢链间距离为 R,链长度为
L,相邻 CH2 之间的距离为 l。
链特性与相行为的关系可用
van der Waals相互作用说明
根据 van der Waals 相互作用
能的 London 公式
U = -A/r6
推导出两条碳氢链间的 van
der Waals 相互作用能为
(若 R?? L 及 N = L/l )
Utot ? N
Utot ? 1/R5
Cholesterol/Lipid interactions
Cholesterol的羟基紧密靠近磷脂的极性头
部；刚性的板状固醇环与接近头部的碳氢
链部分相互作用；而胆固醇的非极性碳氢
尾部具有柔顺性
胆固醇 对膜相性质的影响
-----胆固醇是膜流动性的缓冲剂
当温度过高时，胆固醇可以抑制磷脂分子脂肪酰
链的旋转异构化运动，减少歪扭构象的数量，防止
脂分子流动性过分地增加，起着抑制流动性，稳定
脂双层的作用。
当温度过低时，胆固醇可诱导磷脂脂肪酰链的歪
扭构象的产生，使膜的流动性提高。
胆固醇与膜脂作用的选择性
Cholesterol increases the length of the phosphatidylcholine (PC) but not the
sphingomyelin (SM) molecule,Sphingomyelin with or without cholesterol forms
bilayers with a thickness of 46–47 ? for C18:0 sphingomyelin,By contrast,the
thickness of a C16:0/C18:1 phosphatidylcholine bilayer is 35 ?,and is expanded to 40
? by cholesterol,The thickness of the hydrophobic core of the bilayer increased from
26 to 30 ?.
脂质聚集体的形成
脂质聚集体的多型性
Amphiphilic molecule 在水中自组装的热力学
条件
在水溶液里自组装形成 aggregate的分子一般都是 amphiphilic
molecules。
对于一个形成聚集结构的系统，热力学的平衡条件要求,同
种分子在不同聚集体内的化学势相等 。
?＝ ?10?kTlogX1=?20?(1/2)kTlog(X2/2)=?30?(1/3)kTlog(X3/3)= …
monomers dimers trimers
?＝ ?N = ?N0?(1/N)kTlog(XN/N)= constant,
where N = 1,2,3,…
where
?N is the chemical potential of a molecule in
an aggregate of aggregation number N,
?N0 the standard part of the chemical
potential (the mean interaction energy) per
molecule in the aggregates of aggregation
number N,
XN the concentration of molecules
incorporated in aggregates of number N.
根据化学势相等,聚集数 N不同的兼性分子的浓度
分布函数为：
XN = N{X1 exp[(?10 - ?N0)/kT]}N
要求：稀释体系
聚集体间的相互作用可以忽略
Note ! 如果 ?10 ＝ ?20＝ ?30 ＝ … ＝ ?N0
XN = N{X1}N
因为 X1 ? 1,所以 XN?? X1
因此,形成而大稳定聚集体的必要条件是存在
?N0??10.
形成稳定聚集体的必要条件是存在 ?N0??10
什么情况下出现 ?N0??10 呢？
?N0与 N的关系与聚集体的几何有关！
例如, one-dimensional aggregates (rod-like aggregates)
The total interaction free energy N ?N0 of an aggregate of N monomers is
N ?N0 = -(N-1)?kT
where ?kT is the free energy of binding a monomer to the aggregate in
the solvent (i.e.,the monomer-monomer bond energy in the aggregate).
因此,?N0 ＝ -(1-1/N) ?kT = ??0 + ?kT /N
where ??0 the bulk energy of a molecule in an infinite aggregate.
这样,as N 增加,?N0 下降
For the rod,disc and sphere structures,the interaction free
energy of the molecules can be expressed as
?N0 ＝ ??0 + ?kT /NP
where rod-like p=1
disc-like P=1/2
sphere P=1/3
For all these structures,?N0 ?with N ?
Monomer and aggregate concentrations as a
function of total solute concentration,
聚集体形成的第二个条件, aggregate 形成与浓度关系
当 monomer浓度 增加时，其浓度只能趋向某一值而不可
能再增加,monomer的这个浓度定义为 critical micelle
concentration (CMC).
兼性分子在水溶液中的聚集状态与其浓度之间的关系
单体浓度极低的情况下，兼性分子在溶液中以单体形式存在。逐渐加大兼性分子的浓
度，自由单体浓度随之增加，当浓度达到一定值时溶液中的自由单体浓度停止增加，
溶液中开始同时出现单体和微团两种形式。这个临界浓度称作临界微团浓度，简称
CMC。此后单体浓度保持不变，而兼性分子浓度的增加只能引起聚集体浓度的增加。
CMC 越高说明分子间的相互作用越弱，易于透析 ！
聚集体形成的第二个条件, aggregate 形成与浓度关系
由 XN = N{X1 exp[(?10 - ?N0)/kT]}N
因为 ?N0 ＝ ??0 + ?kT /NP
则有 XN = N{X1 exp[?(1- 1/ NP)]}N
? N{X1 exp[?]}N
对于一定的 ?值，总可以找到这样的 X1值使
X1exp[?]??1,此时,X1 ? X2 ?X3 ?…,即多数分子处于
monomer状态,
但是,当 X1增加时，由于 XN不可能大于 1,X1只能趋
向 exp[-?]的某一值而不可能再增加,monomer的这个浓
度定义为 critical micelle concentration (CMC).
CMC 越高说明分子间的相互作用越弱，易于透析 ！
Amphiphilic molecule 在水中自组
装成聚集体的热力学条件 是：
? ?N0??10
? 兼性分子浓度大于 CMC
表 9.3.1一些常见两亲性物质的 CMC,n值
两亲性物质 CMC(mmol/L) N
SDS 8.2 62
胆酸钠 13?15 2?4
脱氧胆酸钠 5 7
Triton X-100 0.24 140
棕榈酰溶血卵
磷脂
0.05 ?180
DPPC ?10-10mol/L
脂质分子几何与
聚集体的多型性
几何因子与脂质聚集体的多型性
? The major forces govern the self-assembly of amphiphiles
into well-defined structurs,
? hydrophobic interaction induces the molecules to
associate ------- attractive hydrophobic forces
? the hydrophilic head group tends to be exposed to the
aqueous phase ------- repulsive forces
?These two forces compete in the interfacial region,the one
tending to decrease and the other tending to increase the
interfacial area per molecule.
Repulsive head-group forces and attractive hydrophobic
interfacial forces determining the optimum head-group
area a0 at which ?N0 is a minimum,
自组装中的装配几何
------ Geometric packing considerations
Israelachvili et al.,(1979) Nature 277,120.
Based upon the minimum-sized aggregate in which all the
lipids have minimum free energy.
引入无量纲参数 (critical packing parameter),v/a0lc
where, v hydrophobic volume
lc critical chain length
a0 optimal area of the lipid.
The value of v/a0lc will determine the packing
style of the lipid.
脂类自组装的堆积方式
The molecular shape of lipids
determines the physical properties
of membranes
Erythrocytes are small cells without nucleus or
internal membranes,
Asymmetric disposition of polar lipids in
erythrocyte membranes.
SPH=SM
Shape changes in erythrocytes can be induced by replacing the acyl chains.
Native PC commonly contains palmitoyl(16:0),oleoyl(18:1),
palmitoleoyl(16:1),and linoleoyl(18:2) species,If they are replaced by more
saturated (left) or unsaturated (right) species,the curvature of the
membranes changes,This causes a major change in their overall shape and
the viscoelastic proterties.
非脂双层结构
非脂双层结构
脂质交错对插排列
HII六角型结构
立方相结构
脂双层的交错对插结构
(interdigitated bilayer structure)
生物膜上脂质分子的链几何多种多样，这些长短不一
的脂酰链在脂双层中绝非整齐排列。
由于生物膜脂双层结构在水中排列的方式尽可能采取
能量最低的形式，脂质分子头部的有效面积与其酰基的
截面积尽可能的匹配，因而在一定条件下，具有不对称
酰链的脂质分子倾向于形成交叉双层结构。
这种结构只能出现在脂双层的凝胶相。“筏”中也
可能存在。
脂质交叉双层结构的三种排列方式
(a)非交叉
(b)全交叉
(c )混合交叉
(d)部分交叉
(e)不同长度脂酰链的磷脂分
子,?C为两条链碳原子数
之差,CL为长链的长度，
?C /CL为两条链的不对称
参数 。
Functional rafts in
cell membranes
Nature387(1997)571
脂质交叉双层结构对生物学功能的影响
? 改变脂双层厚度，影响膜脂 /蛋白相互作用
? 改变极性头部的截面积，影响膜表面电荷密 度
? 脂双层疏水核心层消失，位于其中的肽 链被迫
移位
? 内外脂单层间紧密偶联，影响磷脂分子的动态
性质
六角型 HII相 (Hexagonal HII Phase)
------ 一种非双层脂结构
Two possible modes of integration of
inverted micelles into bilayers are shown,
六角型 HII相 (Hexagonal HII Phase)
------ 一种非双层脂结构
PA(phosphatidic acid)/H2O的 HII结构的电子密度图
(J.M.B.,1974,85:279-300)
六角型 HII相 的生物学意义
? 膜融合：相邻膜间形成倒微囊，倒微囊与外层融
合形成通道。
? 植物光合作用膜中有 35％酰链脂,其中 70％含
多不饱和糖脂 MGDG与 DGDG,而 MGDG是自然界
中能在 0~80 0C 形成 HII相 的含量最丰富的极性脂。？
脂质体免疫分析法 (LIAS),利用 PE脂的多型性转变，
释放内含物从而达到检测抗原 (抗体 )，药物的目的。
Target-sensitive
immunoliposome,TSIL,靶
向释放药物机理的图示
立方相结构 ------脂双层形成的具有立方
体对称性的各向同性的液晶态结构。
立方相的性质
一, 立方相的微观行为：
尽管立方相结构中分子的烃链处于液体状态, 但其具
有三维的长程有序性 。 这种三维周期性结构可以由 X射
线 （ 或中子散射实验 ） 证实 。 这也是区分立方相与凝
胶相的方便的方法 。
立方相的性质
二、立方相的宏观行为：
A,呈透明且光学上各向同性；
B,粘稠，但它在相当大的范围内非常硬，就象胶质玻璃
一样，而有时又是几乎可以流动的；
C,具有滞后效应，一般在形成立方相之前，体系会在非
平衡态的温度下的亚稳态停留很长时间，也就是说立方相
的形成需要相当长的时间。但偶尔在一些生化过程中立方
相也会瞬时形成。
膜蛋白在双连续立方相 (bicontinuous cubic phase)形
成三维晶体示意图。膜蛋白晶体的生长经历了一个沿着
弯曲的双层膜扩散的过程，脂立方相的可塑性使得膜蛋
白能够在其中形成很大尺度的三维晶体。
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
6.膜的带电性质
膜 - 水界面的静电势
膜 - 水界面的静电势
细胞膜大约含有 10－ 20％带有负电荷的
脂分子。 脂 双层中一个磷脂分子的面积
大约 60?2，因此对于有 20％负电磷脂的
膜，其 双分子层的平均电荷密度约为 1个
电荷 /300?2 。
这些电荷使膜在水相中产生负的静电势，
而体相的电势定义为零。
膜 - 水界面的静电势
当体相中单价离子的浓度为 10－ 1M温度为 250C
时,根据 Gouy-Chapman理论的推测表面电势为
－ 60mV。与室温下溶液中单价离子的 kT/e 值
为 25mV相比较，此表面电势应当是一个很大的
值，它将影响到许多与膜有关的现象。
脂双层表面单价阳离子的浓度要比该离子在体
相中的浓度高一个数量级。因此，表面 pH值要
比体相低一个单位，这个现象将影响到许多与
酶有关的过程。 比如，由于膜对离子的渗透
率是与表面处离子的浓度有关，所以膜的渗透
率将受到表面电势的影响。
扩散电双层
带有负电荷的表面
会产生一个电场, 这
个电场吸引 counter-
ions 而排斥 co-ions;
由 于 热 运 动 这 些
counter-ions 不会
停留在表面上, 而趋
向从浓度高向浓度低
的区域扩散 。 这种动
态 平 衡 的 结 果 形 成
diffuse double layer。
根据扩散电双层的 Gouy-Chapman理论, 静电势的数
值随着距膜表面的距离的增加而递减 。
当电势降至膜表面值的 1/e时的距离被称为 Debye长
度, 1/κ 。
当单价离子的体浓度为 10-1M时, 1/κ ?10 ?，
而当单价离子的体浓度为 10-3M时, 1/κ ? 100 ?。
因此, Debye长度可以看成是 counter-ions 的等效
半径 。
A:带电表面离子分布 ; B,静电势随距膜的距离增加而指数衰减 ;
C,离子浓度分布 ; D,diffuse double layer类比平行板电容器,
盐析现象
随着盐浓度的增加，带电表面的 Debye length 减
小，相当于 ciunter-ions 更有效地屏蔽，以至于
溶液中相同的生物大分子能够接近。
当大分子足够接近时,van der Waals 引力起作
用而使其聚集结絮，最终沉淀出来。
几种不同的蛋白各自在一定的盐浓度下沉淀，从
而达到分离的目的。
注意！ Counter-ions 只屏蔽生物大分子电荷，而
不能屏蔽 van der Waals 的瞬时偶极子 (其频率为
1015Hz！ )
二价离子的膜表面富集
每一种离子的分布都满足 Boltzmann分布函数
第 i种离子 density profile,?(x)i = ??i e-Zi e ?(x)/kT
接近表面处 (x=0),?oi = ??i e-Zi e ?o/kT
其中,Zi为第 i种离子的离子价
?(x),electrostatic potential at x
?o为表面电势 (x=0处的 ?(x))
e为电子电荷
??i为第 i种离子的体浓度
[例 ]：若溶液中同时含有 NaCl和 CaCl2,则
[Na+]x = [Na+]? e-e ?(x)/kT [Na+]o = [Na+]? e-e ?o/kT
[Ca2+]x = [Ca2+] ? e-2e ?(x)/kT [Ca2+]o = [Ca2+] ? e-2e ?o/kT
[Cl-]x = [Cl-]? e+e ?(x)/kT [Cl-]o = [Cl-]? e+e ?o/kT
如果知道 [ ]?和 ?o, 则可计算出离子表面浓度 [ ]o 。
溶液中离子的分布
方程 (一 ),离子 density profile (Boltzmann 分布函数 )
根据化学势相等的平衡条件，
Z e ?(x) ＋ kTln ?(x) = Z e ?? ＋ kTln ??
令 ?? = 0，
?(x) = ?? e-Z e ?(x)/kT !!!
方程 (二 ),Poission Equation给出点 x处电势与该处净电荷密度之间的关系，
d2 ?(x) /dx2 = -Ze ?(x)/?
方程 (三 ),Poission-Boltzmann Equation给出 ?(x)与 x的函数关系
d2 ?(x) /dx2 = -Ze ?? /? e-Z e ?(x)/kT
方程 (四 ),Grahame Equation,?2 = 2?kT(???i e-Zi e ?o/kT - ???i )
其中,?为带电表面的电荷密度,
若已知 ?和 ??i, 则可求出 ?o !!!
如何求出 ?0？
根据 Grahame Equation,?2 = 2?kT(???i e-Zi e ?o/kT - ???i )
其中,?为带电表面的电荷密度,
[例 ] 体相含有 NaCl和 CaCl2,则含有 Na+,Ca2+和 Cl-,根据
Grahame Equation:
?2 = 2?kT{[Na+]? e-e ?o/kT + [Ca2+]? e-2e ?o/kT + [Cl-]? e+e ?o/kT -
[Na+]? - [Ca2+]? - [Cl-]? }
因为已知 ?, [ NaCl]? 和 [ CaCl2]?,
则可求出 ?0 !!!
二价离子在膜表面的富集现象
利用上表中的 ?o值，可计算膜表面附近的离子浓度 ?oi
如,当 [ NaCl]? = 10-7 M 时,?o = -477 mV
[Na+]o = 10-7 e-e(-477)/kT,(kT/e = 25.69 mV)
= 11.64 M
[Cl-]o = 10-15 M
又如,当 [ NaCl]? = 10-1 M 时，在加入 3mM CaCl2,
利用上表中的 ?o值,?o = -100 mV
则 [Ca2+] o ? 7 M
[Na+]o ? 5 M
可见，即使 Ca2+体浓度比 Na+低得多，但膜表面附近 Ca2+
浓度仍可能比 Na+浓度高得多 。
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
