§ 5,The general structure and function of the plasma
membrane
1,Introduction
The Membranes form continuous sheets that form the
outer boundaries of the cells or enclose intercellular
compartments to form many organelles.
The all bio-membranes exhibit characteristic trilaminar
appearance in electron micrographs.
2,A summary of membrane function
3,The structure of the plasma membrane
4,The dynamic nature of the plasma membrane
5,Membrane fusion
§ 5,The general structure and function of the
plasma membrane
5.1,引言
生物膜概念的提出及生物膜存在的普遍性的实验观察是人
类对生命物质及细胞的认识的 重要飞跃 。 1839年 PurKinje引
入原生质（ protoplasm）这个概念以概括生命物质的基本特
性。由此产生了一个关键的问题即这个原生质是否由某种膜
包围着。一百年前，即 1895年,Overton以著名的生理实验，
即蔗糖溶液引起植物细胞的质壁分离（ plasmolysis），表明
细胞膜的存在。他进一步发现脂溶性物质比水更容易进入细
胞，基于一系列实验他提出 细胞膜（ cell membrane）必定含
有脂类物质如胆固醇或卵磷脂 （ Lecithin）。人们真正知道
细胞通过称之为质膜（ plasma membrane）的结构与其外部
环境隔离开来。实际上,这也是人们认识细胞通过其质膜与
外部环境的相互作用的开始。这里不可能详细追溯关于膜结
构与功能概念的发展历史。
但是，值得提到的是在本世纪三十年代，远在可能用电子显微镜观
察膜或用 X光衍射技术研究它的详细结构以前,1925年 E,Gorter和 E,
Grendel就提出了 双层脂叶片模型 （ Leaf lamellar model），首先提出膜
的脂双分子结构，这是被广泛证实的关于膜结构认识的基础； 1935年 H,
Davson 和 J,Danielli提出膜的蛋白质 ——磷脂 ——蛋白质,三明治”式
结构 （ Sandwith model），指出脂双分子层上有一薄片球蛋白吸附其上。
他最先试图用这个模式解释膜渗透性等膜的生理特性。这一个基本上正
确的生物膜基本结构的见解，是膜研究的一个里程碑。由于细胞膜仅仅
只有几层分子厚（ 5~10 nm），在光镜下，一直无法从细胞切片上观察
到质膜的真实面目, 事实上，又经过二十多年，即五十年代末，由于组
织样本制备与染色技术的发展，在透射电子显微镜下生物膜清楚地呈现
其简单的三层结构形态,由外侧两个暗染层和它们之间明亮的中层构成,
其厚度约 7.5nm。这种三层式膜结构不仅围着细胞外周，而且包被着或
构成着细胞内几乎所有重要的细胞器，所有这些膜（统称为生物膜
Biomembrane），不管是质膜，核膜或细胞质内膜，也不管是来自于动
物，植物或微生物，都显示这样的三层式结构。 J,D,Robertson把这样的
膜结构称之为,单位膜, Unit membrane）。虽然“单位膜”这个模式概
念随着对生物膜结构更详尽的认识，而逐渐被放弃。但是，这些重要细
胞结构的真实可见的电镜图象激起对生物膜多层结构的分子组成，进而
对生物膜的结构与功能的争论和如火如茶的研究热潮。
二十世纪 60年代后期，生物膜研究的新成果产生了 S,
Singer和 G,Nicolson的 生物膜流体镶嵌模型 （ fluid mosaic
model），一种崭新的膜结构新概念，它强调生物膜的动力学
结构（ dynamic structure）和膜脂 -膜蛋白的相互作用。 70年代
以来，随着分子生物学，细胞生物学等多学科的发展，生物膜
成为这些学科的重要研究前沿领域。生物膜的研究有了飞速的
发展和深刻的变化，形成所谓膜生物学（ Membrane Biology）。
S,Singer和 G,Nicolson对生物膜动态结构的认识的中心点是膜
基本成分脂质的流体物理状态或运动。这奠定了作为膜生物学
重要部分的膜生物物理学的基础。多种现代物理学技术的应用
和对膜物理学特性与膜功能关联的研究，大大地推动了膜生物
学的发展。用脂质作成的人工膜，主要是平面膜（ bimolecular
lipid membrane）和脂质体（ 1iposome），不仅是分子水平研究
生物膜的结构和功能的理想模型，而且可以作为药物载体或制
作生物传感器。人工膜的研究已成为膜研究中十分活跃的领域，
并且已发展为有广阔应用前景的膜生物工程。
5.2,A summary of membrane function
1) compartmentalization
2) not only providing a selectively permeable barrier to
allow regulated exchange of substances between
compartments but transporting solutes by membrane
protein carriers between compartments or inside and
outside of cells
3) responding to external signals
signal transudation,receptor,signal amplification,
and as a source of messenger molecules
4) cell junction and mediating intercellular interaction
5) locus of the biochemical activities,providing a
scaffolds to organize enzymes for effective interactions
6) The transudation and store of energy,photosynthetic
energy and convert chemical energy to ATP and solute
7) miscellaneous
5.2 生物膜功能的概述
1,区间化 （ compartmentalization）
生物膜是连续、环闭的薄壳体。质膜（ plasma membrane）
把整个细胞包裹（ enclose）起来，核膜和细胞内膜系统
（ nuclear 和 cytoplasmic membrane）以及线粒体、叶绿体
膜等把细胞分隔成一个个相对独立的区间（ internal
cellular spaces）。 在这些分隔开来的区间中，分别实施着
不同类型的特异性活力（ activity），使多种活性作用相
互干扰减少到最低。 这种区域化作用非常重要，因为这些
区间都充满了液体，如果不同空间的内容物发生混合将是
灾难性的。这也是真核细胞较之原核细胞的巨大进步。另
外，各种类型的细胞和不同的细胞器都具有与其功能相适
应的形状和机械强度，这在很大程度上也依赖于相应的膜
的组成和结构。
2,物质通透和输运 (transport)的调节
生物膜一方面防止细胞与环境之间以及细胞内各区间之间的
物质自由混合，另一方面又为各个区间的有控制的交流或通
讯提供了手段，质膜提供的是一种选择性通透的屏障，保证
适宜的物质从外环境进入细胞质而排除不适宜物质的进入。
质膜具有多种生理性输运机制（ transporting solutes），把物
质从膜的一侧输运到另一侧，不仅允许离子或其它小分子物
质顺着电化学梯度输运，而且往往能从低浓度的一侧把物质
跨膜输运到浓度高很多的另一侧。膜完备的输运机制使细胞
得以积累必需的营养物质，提供其代谢的燃料和建造新的分
子。凭借膜的选择性通透性和多种输运机制，各种离子在膜
两侧形成离子浓度梯度并造成跨膜电位差（ electric potential
difference across membrane）。膜的这种能力不仅对于可兴奋
细胞（ excitable cells）如神经肌肉细胞是至关重要的，而且
在所有细胞对环境的响应中也起重要作用。实际上各种细胞
器的生物膜都存在可以调节物质跨膜运动的调节机制 。
还有一类重要的细胞跨膜物质输运方式即 膜泡输运 （ vesicle
transport）, 被输运的物质选择性或非选择性地被包裹于囊泡
中, 并循着一定的路径, 输运于细胞器之间或细胞器与质膜之
间, 实施内吞 （ endocytosis） 或外排 （ exocytosis） 过程 。
3,对细胞外信号的响应
质膜在细胞对外部刺激的级联响应中起关键作用, 即信号
传递, 放大与转换作用 （ signal transduction and signal
amplification and conversion ）, 除了膜上某些离子通道蛋白或
感受器蛋白能感应外部电信号外, 膜上受体能结合具有互补结
构的特异分子或配体, 不同类型的细胞具有带着不同类型受体
的膜, 对环境中的不同配体能够予以识别和响应 。 在这方面,
研究最多的配体分子是激素, 生长因子和神经递质, 它们能与
质膜结合而不透过质膜 。 质膜上的受体与外部配体相互作用使
膜产生新的信号, 以刺激或抑制细胞内部活力 。 例如在膜上产
生的信号能够指示细胞, 合成更多的糖元；为细胞分裂作准备；
向高浓度颗粒性食物运动；从胞内钙库向胞浆或胞外释放钙离
子；或者向细胞下达自杀的指令 。
4,细胞间的相互作用 （ intercellular interaction）
多细胞生物是由许多不同类型的细胞组成，细胞之间要
求形成和维持特殊的联系以协调工作，执行整体功能。在活
细胞的外缘通过质膜介导多种细胞间的相互作用，如细胞间
的识别、粘附和交流物质与信息。
5,生化活性的定位 （ Locus for biochemical activities）
膜提供一种方式使细胞内进行的各种生命活动（ cellular
activities）有组织地有序地进行。细胞内膜提供细胞伸延着的
网络或支架，把参与反应的多个元件有序地定位安置，以便
于相互作用在正确的时间，正确的位点上高效地进行。细胞
那些举足轻重的级联酶反应机构大多与各种膜相连系。
6．能量转换 （ Energy conversion）
细胞或机体都是一个开放系统，存在一系列能量转换机
制，膜在细胞的能量转换中起着重要作用。光合作用中发生着
最大量的能量转换，太阳光能由膜结合的色素吸收并转换为以
碳氢化合物形式储存的化学能。膜还涉及从碳氢化合物或脂肪
到 ATP的能量转换。在真核细胞中，执行这些能量转换的机构是
叶绿体膜和线粒体膜。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质
跨越膜两侧表面的浓度差时，能量即储蓄于它的跨膜电化学梯
度中，膜就成为储存能量的场所（ Site of energy storage）或者成
为,能势膜,（ energized membranes）。如同储蓄于电池中的能
量一样，这些能量反过来用于驱动细胞的许多重要活性。
7,其他
机械强度
绝缘
细胞运动
,5.3 An overview of the structure of the plasma
membrane
Investigation of cell membrane in early years
1925 E.Gorter & E,Grendel Leaf lamellar model
1935 H.Davson & J,Danielli Sandwith model
1959 J.D,Robertson The concept of the unit membrane
1972 S.J,Singer & G,Nicolson Fluid-mosaic model
In fluid-mosaic model,the proteins occur as a <mosaic
> of discontinuous particles that penetrate deeply into,and
even completely through,the lipid sheet,Most importantly,
the fluid-mosaic model presents cellular membranes as
dynamic structure in which the components are mobile and
capable of coming together to engage in various types of
transient or semipermanent interactions.
5.3.1 生物膜的“流体镶嵌模型,
1972年 S.J singer 和 G.Nicolson提出生物膜流体镶嵌模型，二十多
年来，通过大量实验研究，人们对生物膜结构的认识不断地丰富
和深化，但是这一生物膜动态结构的概念一直不失为膜生物学的
核心原理（ Central dogma）。在流体镶嵌模型中，如同以往的模
式，脂双分子层仍被看作为膜的核心层，但是脂分子是以流体状
态或液态存在于膜中，能够在其中作旋转（ rotation）或侧向运动
（ moving laterally）（图 6.2）。在这一模型中，膜蛋白颗粒不连
续地镶嵌于脂双分子层中，深深地穿入或完全透过脂片层。这个
模型描绘这样一个图象，即不同功能的蛋白质漂浮（ floating）于
二维的流体中（ two-dimensional 1iquid），所以被称之为流体镶
嵌模型。在流体镶嵌模型中，最重要的是细胞膜是以动态结构
（ dynamic structure）存在，膜的结构成分在其中可以移动并能
够聚集组装在一起，进行各种类型的暂时或永久的相互作用。后
来，人们在此基础上，又提出一些进一步的假设式模型。但是，
实际上人们已经很难再以某些简单的模式去描绘如此丰富多彩的
生物膜。人们越来越关注与多种多样的细胞功能和状态相适应的
膜结构的多样性、多形性和不对称性及其动态特性。
5.3.2 生物膜的化学组成及其在膜中的结构
所有生物膜都是类脂 —蛋白质聚合体（ 1ipid-protein
assemblies），膜成分 主要是通过非共价结合 组装成薄的片层结
构。除了类脂和蛋白质，大多数生物膜还含有某些糖类化合物。
膜上含有结合状态的结构水，并存在与某些膜蛋白结合的金属
离子。不仅在原核细胞与真核细胞之间，不同组织类型（如肌
肉、肝脏、软骨等等）的细胞之间，而且在不同细胞器（质膜、
内质网、高尔基体等等）的膜之间，膜蛋白与膜脂的比例变动
是相当大的。这样的差别是与各种膜执行其特殊功能密切相关
的。例如线粒体内膜含有电子传递链的蛋白载体，其膜蛋白的
比例较之其他膜要高得多。神经髓鞘在神经纤维外造成电绝缘
层，它由厚厚的高电阻的脂质层构成，仅含少量的蛋白质。
All membranes are lipid-protein assemblies holding together in
a thin sheet by mainly non-covalent bonds,They also contain
carbohydrates,The ratio of lipid to protein varies considerably
depending on the type of cellular membrane,the type of organism,
and the type of cells,
表 5.1 膜的化学组成（％）
膜的类别 蛋白质 脂类 糖类 蛋白质 /脂类
髓鞘 18 79 3 0.23
质膜
血小板 33－ 42 50－ 51 7.5
人工红细胞 49 43 8 1.0
大鼠肝细胞 46 42 （ 5－ 10） 0.9
盐杆菌紫膜 75 25 0
内质网膜 67 33 2.0
线粒体内膜 76 24 （ 1－ 2） 3.2
菠菜叶绿体片层 70 30 0
5.3.2.1 The composition of membrane lipids
Phospholipid
posphoglycerides( PC,PS,PI,PE,Cl etc.)
sphingolipids
Glycolipids
neutralglycolipids(cerebroside etc.)
acidid glycolipids(gangliosides etc.)
glyceroglycolipids
Cholesterol
There are ~50% of lipid molecules,5x106/μ 2,
109/per cell in the plasma membrane in some animal
cells
5.3.2.1 膜脂 （ membrane lipid）
大多数动物细胞的质膜约含 50%的类脂分子，一个小的动
物细胞的质膜大约有 109个类脂分子。构成生物膜的脂类有
三类：磷脂、糖脂和胆固醇，其中以磷脂最为丰富。
5.3.2.1.1磷脂（ phospholipids）
磷脂 分为
磷酸甘油脂
鞘磷脂类
1,磷酸甘油脂 （ phosphoglycerides）
膜磷脂中磷酸甘油脂的含量最多，不像三脂酰甘油酯
（ triglycerides）有 3条脂肪酰链，磷酸甘油脂是二脂酰甘油
脂（ diglyceride），甘油骨架只有两个羟基被脂肪酸酯化，
第三个羟基被连有其它基团的磷酸基酯化，所有这些与磷
酸基团相连的基团分子量均很小而且有亲水性，常见的基
团有胆碱（ choline），乙醇胺（ ethanolamin），丝氨酸
（ Serine）或肌醇（ inositol）。还有一种磷酸甘油脂，即心
磷脂或二磷脂酰甘油是两个磷脂酸分子分别连接到另一个
甘油分子的 1位或 3位羟基上（ sn-1,sn-3）
R1
R2
P X
Phosphoglycerides
R-CO-NH-
P X
Sphigosine
Sphingolipids Oli
R1
R2
G
Mono
Glycolipids
acidic glycolipids(gangliosides etc.)
neutralglycolipids(cerebroside etc.)
glyceroglycolipids
X
Sphigosine
Gly
cer
ol
Sphigosine
R-CO-NH-
G
2,鞘氨醇磷脂 （ sphingophospholipids）
另一类含量较少的膜磷脂是鞘脂类，它们是鞘氨醇
（ sphingosine，具有一条长疏水性烃链的氨基醇）的衍生物。
鞘氨醇上的氨基连接着一条长的疏水性脂肪酰链构成神经酰胺
(ceramide），鞘氨醇上的羟基再被带有亲水性基团的磷酸基
（ -Pi-X）酯化，就构成鞘氨醇磷脂。如取代基团（ -Pi-X）是
磷酰胆碱（ Phosphorylcholine）就构成鞘磷脂（ sphingomyelin）
3,磷脂分子中的脂肪酰链 （ Fatty acid composition）
膜磷脂分子中的脂肪酰链是长的不分枝的疏水性烃链。这
些膜脂肪酸可能是饱和的，单不饱和的或多不饱和的。磷酸甘
油脂通常含有一条不饱和（ sn-2)的脂肪酰链和一条饱和的脂肪
酰链。这些脂肪酰链的碳原子数可以从 12到 26，双键数目可以
从 0到 5。因此，多种多样的膜脂肪酸赋予各种膜磷脂特性上的
相当大的差异。
少数例外，如具有分枝的脂肪酰链或带有环丙烷环结构的烃
链。又如缩醛磷脂（ plasmalogen）与磷脂酰乙醇胺结构很相似，
但是甘油骨架 sn-2通过一个不饱和醚键 〔 而不是酯键 〕 相连接,
表 5.2 游离脂肪酸及其分子式
饱和脂肪酸 系统名 分子式
月桂酸 Lauric n-Dodecanoic CH3(CH2)10COOH
肉豆蔻酸 Myristic n-Tetradecanoic CH3(CH2)12COOH
棕榈酸 Palmitic n-Hexadecanoic CH3(CH2)14COOH
硬脂酸 Stearic n-Octadecanoic CH3(CH2)16COOH
花生酸 Arachidic n-Eicosanoic CH3(CH2)18COOH
木蜡酸 Lignoceric n-Tetracosanoic CH3(CH2)22COOH
不饱和脂肪酸 分子式
棕榈油酸 Palmitoleic CH3(CH2)5CH＝ CH(CH2)7COOH
油酸 Oleic CH3(CH2)7CH = CH(CH2)7COOH
亚油酸 Linoleic CH3(CH2)4CH=CHCH2CH= CH(CH2)7COOH
亚麻酸 linolenic CH3CH2CH=CHCH2CH= CHCH2CH= CH (CH2)7COOH
花生四烯酸 Arachidonic CH3(CH2)4(CH=CHCH)3CH= CH (CH2)3COOH
在脂肪酰链中，双键可以有两种几何构型异构体 (isomers）,
即顺式（ cis）和反式（ trans），前者双健两旁的 H分布在双键
同侧，后者则分别位于两侧。磷酸甘油脂肪酰链的双键往往
取 cis构型。从主体结构看,cis构型导致烃链在该处形成约 44o
的折角（ bend或 Kink）,而相应 trans脂肪酰链则是直线链状。
因此,cis构型的不饱和脂肪酰链与相同碳原子数的饱和脂肪
酰链和 trans构型的不饱和脂肪酰链比较，链长短而分子复盖
面积大。链长和分子面积对生物膜的特性有重要影响。
表 6.3 不同构型脂肪酸的物理尺寸
脂肪酸 双链位置 链长 (nm) 分子面积 (nm2) 构型
硬脂酸 18,0 2.1 0.20
反油酸 18,1*（ trans） 1.9 0.23
亚油酸 18,2（ cis） 1.3 0.82
4,磷脂的电荷特性
磷脂的极性头（ polar headgroup）由带负电荷的磷酸基及带
电荷或不带电荷的极性基团组成。磷脂极性头决定整个磷脂的
电荷特性。磷脂酰胆碱分子的磷酸基和胆碱的季胺基各带一个
负电荷和一个正电荷，因此，它是一种兼性分子 (Zwitterionic），
在生理条件下，它通常呈电中性（ electroneutral）。磷脂酰乙醇
胺在生理条件下也是电中性兼性分子，带一个正电荷的质子化
的氨基。磷脂酰丝氨酸，除了带负电荷的磷酸基外，还有另一
个带负电荷的羧基和一个带正电荷的质子化氨基，因此在生理
条件下，它呈负电性（ anionic）。磷脂酰肌醇，磷脂酰甘油，
和二磷脂酰甘油即心磷脂都属于负电性磷脂，所带的糖基不带
正电荷，无法中和磷酸基的负电荷。见图 6.3。
各种膜磷脂成分由于其极性头的结构不同，表现了不一样
的行为，这种差异对于膜功能有很重要的意义。应当指出，作
为兼性分子的磷脂，其真实的电荷状况还依赖于环境的 pH，即
pH与 pI（等电点）之差值，表 所列的净电荷是在中性 pH下的
电荷状况。
5.3.2.1.2,糖脂（ glycolipid）
膜糖脂又分成三类：中性糖鞘脂、酸性糖鞘脂和甘油糖脂。
前两类膜糖脂都是神经酰胺的衍生物，但是中性糖鞘脂分子中
的鞘氨醇的未端羟基被不带电荷的亲水性糖基所酯化，如取代
糖基为半乳糖，则构成半乳糖脑苷脂；而酸性糖鞘脂分子中的
鞘氨醇的未端羟基被含有唾液酸（ sialic acid）或硫酸的糖基所
酯化，前者构成神经节苷脂（ ganglioside），后者构成硫酸糖
鞘脂 (sulfoglycosphingolipids)。神经节苷脂是最复杂的糖脂，因
其寡糖链带有一个或多个唾液酸，整个分子带负电荷。神经节
苷脂在神经细胞的质膜中含量最丰富，约占总脂的 5－ 10 %。
多数细胞的质膜也含有少量神经节苷脂。至今已鉴定出 40多种
神经节苷脂。另一类膜糖脂是甘油糖脂（ glyceroglycolipid），
和磷酸甘油脂一样是二脂酰甘油脂，都带有长的疏水性的脂肪
酰链。但是其甘油骨架的第三个羟基不是被磷酸基酯化，而是
被亲水的极性糖基所取代，由于糖脂极性头结构的改变而形成
一系列不同的衍生物。
5.3.2.1.3,类固醇（ steroids）
某些膜还含有另一种类脂成分类固醇（ steroids）。胆固醇
（ cholesterol）是哺乳动物细胞质膜最常见的类固醇，某些动物
细胞的质膜含有占类脂总量 50%的胆固醇。胆固醇由一个平面
融合的 4环核（ fused-ring nucleus）、一个极性羟基和一条烃链
构成。胆固醇与上述其他脂分子的结构差别很大，分子量比其
他膜脂小，没有长的脂肪酰链。大多数植物细胞和所有细菌细
胞的质膜不含胆固醇，但是植物细胞膜含有谷固醇和麦角固醇。
表 5.4 一些生物膜的膜脂组成 (%)
类脂 生物膜
髓鞘 叶绿体 红细胞 线粒体
磷脂 32 10 55 95
胆固醇 25 0 25 5
鞘脂类 31 0 18 0
糖脂 0 41 0 0
其它 12 50 2 0
各种生物膜的膜脂组成存在较大差异，甚至一个细胞
不同位置的膜脂组成也可能不同，双片层两叶脂分布不对
称：
所有生物膜都含有磷脂,三酰甘油不在膜上。
真核细胞都含有胆固醇，细菌不含有胆固醇。
某些重要的膜脂 的性质或在膜结构与功能上的作用
磷脂酰胆碱 （ phosphatidylcholine,PC）或称卵磷脂 (Lecithin)
对动物和植物细胞膜而言,PC都是最丰富的一类磷脂。 PC
都具有胆碱极性头，但是其两条脂肪酰链却呈现广泛的非均一
性，因此 PC组成上并非总是单一形式的分子。
磷脂酰乙醇胺 （ phosphatidylethundamine,PE ）或称脑磷脂
（ cephaline） PE也是电中性磷脂。
磷脂酰丝氨酸 (phosphatidylserine,PS )
PS是许多生物膜中占有突出位置的酸性磷脂，它对 Ca2+ 有
高亲合力。与 Ca2+ 协同作用参与膜融合,PKL激活和调节细胞
自稳等生理过程。 PS也是用于研究脂－蛋白质相互作用的重要
模式分子。
磷脂酰肌醇 (phosphatidylinositides,PI )
这组磷脂包括 PI,PIP（ phosphatidy-linositolphosphate）和
PIP2（ phosphatidyl -inositoltrisphosphate）。 PIP,PIP2是 PI
的肌醇基磷酸化衍生物。随着磷酸化程度的提高和 pH的升
高，这些磷脂呈现更强的负电性。这组磷脂只占膜脂的 10
－ 15%，但是在若干重要的细胞生理调节过程中起着重要作
用。如与 Ca2+,Mg2+ 等二价离子的静电交联（ electrostatic
cross-linking）、信号传递、蛋白激酶的激活等等。同时，
由于它们大多存在于膜脂双分子层内叶，对负的跨膜电势
的形成有贡献。 PI的另一个重要功能是把某些膜外周蛋白锚
定于质膜外侧。
溶血磷脂 (Lyso-phospholipid,Lyso-PL)
溶血磷脂 (如 Lyso-PC) 是相应的磷酸甘油脂，在磷酯酶 A2的作用
下，移去 sn-2脂肪酰链而形成，磷酯分子从双疏水尾巴（脂肪酰链）
变为单疏水尾巴，整个分子成圆锥体形状。这可能导致形成非脂双分
子层的微团（ micelles）或六角形构象 I (hexagonal I configuration),或
者可能在脂双分子层的重构（ remodeling）中成为“转角石”（ corner
stones），它们很可能涉及膜融合以及高曲率膜表面（如叶绿体类囊
体膜、内质网膜）的构建。细胞为适应环境（特别是植物为适应温度
的变化）通过磷酯酶对磷脂分子进行重新“剪裁”（ retailoring），移
去 sn-2或者 sn-1位脂肪酰链，不仅减少一条疏水尾巴，而且改变磷脂
分子的饱和度而获得合适的膜流动性。膜脂分子的这种重新剪裁还能
引起膜通透性、膜电位的改变，并且由于膜的相态及表面张力的改变
而导致膜蛋白（如 Na+/K+ ATPase,H+ ATPase）的活性的变化。
心磷脂
（ cardiolipin CL）或二磷脂酰甘油 （ diphosphatidylglycerol DPD）
这是一种仅有的带四条脂肪酰链的磷脂，只存在于线粒体，尤其是线
粒体内膜。因为 CL有两个磷酸基呈强负电性。 CL与蛋白分子异常紧
密的联系可能与其在线粒体中的重要生理活动有关。
叶绿体特异甘油脂 （ Chloroplast-specific glycerolipids）
叶绿体膜（包括外被膜，类囊体膜）非常不同于其他细胞膜，
一般它们的磷脂含量较低，特别是完全缺少 PE，而典型地具有高含
量的甘油糖脂，主要有两类，一类是半乳糖甘油脂（ galactolipids 或
galactosyldiacylglyceride,GDG），另一类是硫代鞘糖脂，如硫酸脑
苷脂（ Sulfolipids,SQDG）。半乳糖甘油脂其极性头没有带电荷的
磷酸基而代之极性单半乳糖基（ MGDG）或半乳糖二糖基
（ DGDG），因此呈电中性。半乳糖甘油脂的两条脂肪酰链大多均
为多不饱和烃长链。半乳糖甘油脂与磷脂不同，置于水溶液中不取
叶片层构象（ Layered configuration）而组装成反台锥体构象
（ inverted cubic phase），这被认为在形成内囊体膜曲面时起重要作
用。硫酸脑苷脂在结构上与单半乳糖甘油脂相似，但是在半乳糖基
上连有负电性硫酸基（ SO3－ ），因此 SQDG具有明显的阴离子和亲
水性。 SQDG主要存在于叶绿体基质类囊体膜，在某些动物的中心
神经系统和蚁类中也有发现。
鞘脂类（ Sphingolipids） 有三类主要的鞘脂类,
脑苷脂（ Cerebrosides CER)
神经节苷脂（ ganglisoides GM )
鞘磷脂（ Sphingomyelins Sph）
前两种属于糖脂，后一种属磷脂，但它们都具有一个极性（ D-
半乳糖、葡萄糖、磷酰胆碱或磷脂酰乙醇胺）和两条非极性尾（鞘
氨醇及其衍生物和脂肪酰长链）。脑苷脂呈电中性，极性头不含磷
酸基而代之半乳糖或葡萄糖，一般位于脂双分了层的外叶，是动植
物细胞细胞膜中最主要的鞘脂类。神经节苷脂也不带磷酸基，但是
含有一个由多个六碳糖基（其中构成的很大的极性头，有的六碳糖
基还连接有唾液酸，唾液酸在中性 pH下呈负电性。神经节苷脂在膜
中含量很低，但是膜脂重要的组成成分。霍乱毒素，破伤风毒素等
在膜上的受体结合反应均被认为可能涉及神经节苷脂。有一种致死
性遗传病－ Tay-sachs病就是缺乏一种氨基己糖酯酶，不能把神经节
苷脂 GM2加工成 GM3。在动物脑中神经节苷脂占灰质的 6%。鞘磷脂
与 PC,PE相似，极性头部磷酸基连接着胆碱或乙醇胺，整个分子
呈电中性。动物细胞的多数膜都含有 Sph，尤其是神经细胞的髓鞘 。
鞘脂类在生物膜中起显著的增强其刚性的作用 （ rigidificating）, 这
方面的作用仅次于类固醇 。 这种作用是由于其分子中的两条疏水性
链大多是高饱和度烃链, 而且链较长, 尤其是比鞘氨醇烃链更长的
脂肪酰链可能伸入膜脂两单分子叶片层之间增加脂双分子层的稳定
性, 而鞘氨醇氨基与脂肪酸羧基形成的酰胺键 （ -CO-NH-) 非常倾向
于形成氢键, 这又可以稳定膜蛋白 。
有趣的是膜鞘脂类的含量与 细胞衰老 相关, 在天然膜中 PC和 Sph存
在着如下关系
PC + Sph = K K为常数
PC与 Sph之间的比例随着年龄而变化, 在年轻组织中, PC/ Sph>1，
而老化组织中 PC/Sph<1。 在脑和神经组织,随着年老, Sph增加, 组
织硬度增高 。
类固醇 (sterols)
类固醇作为动物和植物细胞膜的重要组成成分对膜的特性有令人感兴
趣的生物物理影响。胆固醇在细胞膜上的分布是很不均一的，在质膜中胆
固醇的含量要大大高于细胞器膜。类固醇同样是兼性分子，在低浓度下能
够形成微团，与磷脂分子不同，它的亲水部分（单 － OH基团）的亲水性明
显地弱，即使在高摩尔浓度下也不可能单独形成脂双分子层。类固醇在生
物膜中的分子排列是极性羟基与磷脂的极性头相连系，环戊烷多氢菲
(Cyclopentanoperhydrophenantrene) 骨架的 A.B.C.D环和与之连接的分枝脂肪
烃链与磷脂的脂肪酰链平行排列，其 18,19位的甲基嵌入磷脂分子中不饱
和脂肪酰链由 cis C=C键形成的立体化学上的沟槽 （ lefts）中。由于类固醇
骨架是刚性平面，类固醇一方面提高膜的刚性和微粘度（ microviscosity），
另一方面疏水的分支脂肪烃链固有的运动性又增加膜局部微区的无序性
（ disorder），而产生相反影响使流动性增加。因此类固醇被认为对膜起着
双向调整和稳定的“缓冲剂”作用 (hemeostatic and stabilizing buffereffect)，
使细胞膜能在较宽的温度范围内（ 30℃ ~ 40℃ ）行使功能。一般说来，类固
醇对膜脂施以特别的有序化影响。因此，膜类固醇含量直接影响膜的通透
性和稳定性。类固醇还通过与膜蛋白的相互作用调整膜蛋白的功能。如调
节某些离子、胸腺素、葡萄糖的输运,ATP/ADP变换,GABA摄入,Na+/
K+ ATPase活性等。某些膜受体的作用如乙酰胆碱受体，也受膜胆固醇水平
的影响，胆固醇与膜蛋白的作用还被认为是膜类固醇对膜生物合成及细胞
生长具有重要影响的因素。
5.3.2.2 膜脂的结构特性与膜脂的组织 （ Structural
properties of membrane lipid and organization of membrane ）
5.3.2.2.1 膜脂最基本的特性是具有双亲媒性（又称兼性
amphipathic）和自组装能力 -生命为什麽选择 膜脂
膜脂的三种主要成分磷脂、糖脂和类固醇之间，分子结构相差甚远，
但是都是 兼性分子，这是它们的基本共同点 。 按照生物物理的定义，所谓
兼性分子是该分子同时具有疏水（ hydrophobic）和亲水（ hydrophilic）两
部分。膜结构的基础是建立在膜脂主要成分磷脂的兼性特性上。 磷脂兼性
分子能够以物理的而非化学的联系自组装（ self-assemble）成各种膜样微结
构（ microstructures）。这些结构，包括微团、膜泡（ Vesicles）、脂质体
（ liposomes）、微管状（ microtules）和脂双层（ bilayers）等，构成具有油
样区（ oil-like regions）和较大界面（ interfacialarens）的微相
（ microphases）。这些二维分子聚集体把暴露于水并与水不溶混的烃链面
积减少到最小。推动兼性分子形成这些微结构的强推动力称之为疏水基相
互作用（ hydvophobic effect），疏水的烃链被从水相中排斥开，而使水分
子之间形成更强的氢键。膜参与的许多生物过程都利用了兼性分子的特性。
在生物过程中,膜脂兼性分子能持续从一种微结构向另一种微结构转化
（ transform），以便对浓度,pH、离子强度和温度的精细变化作出响应。 膜
磷脂和糖脂等兼性分子还与蛋白质、糖基以及类固醇分子共连接
（ conjunction）形成超聚合物（ Super assemblies），介导和调控生命过程。
5.3.2.2.2,相结构（ phase structures）
生物膜基本上是脂双层（ lipid bilayers）结构，即双磷脂分
子层。但是各种生物膜的相结构成分（ phase composition）并
不是单一形式（ Uniform），任何给定的膜也不都是仅以脂双
层结构存在。某一膜内有可能同时存在几种相结构，膜脂分子
（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相结构：
脂双层构象（ Bilayers configuration）
a,液晶或流体相（ Liquid-crystalline or fluid phase）（ L-á）
b,固相或凝胶相（ solid or gel phase）（ L-β）
非脂双层构象（ non-bilayers configuration）
a,六角形 HI (Hexagonal)相
b,倒六角形 HII（ inverted Hexagonal）相
c,立方体（ II）相
d,倒立方体（ III）相
混合相（ mixed phases） 例如在一些膜中，某些区域可能
是 L-α脂双层构象，而另外的相结构可能分散其间。
1,脂质分子在水化状态下的可能聚集形式
在无水情况下，磷脂分子以多脂双层规则地堆积着呈
晶态，并可受热熔化成为分子无序排列的液态。在有水条
件下，即磷脂被水化时，依介质的不同，磷脂取不同的聚
集形式。在水溶性介质中，磷脂分子可以单分子、单层、
微团、以及脂双层等形式存在，或几种形式共存。在含水
的非极性介质中，磷脂分子可以倒微团（ inverted micelle）
形式存在。当它在空气中形成气泡时，形成倒脂双层
（ inverted bilayers），磷脂的尾部朝空气，两层磷脂的极性
头部相对，中间夹着一层水。
临界微团浓度（ critical micelle concentration CMC）把
脂质分散于水溶液时，一旦浓度达 CMC，脂质分子即发生
聚集。形成微团的脂质的 CMC约为 10-5M，形成脂双层的脂
质的 CMC约为 10-10M。具有两条烃链的磷脂分子则形成脂
双层。在平衡态时，脂质单分子和聚集形式的脂质分子之
间处于动态平衡。
从热力学角度，当一种脂质分子进入聚集状态，其每个分子的自由
能（ free energy）最小。大致可认为脂质分子的相互作用自由能
（ interaction energy）包含两项，一项反映疏水的烃链对水的排斥（ The
advoidance of water by hydrocarbon chains），一项反映带电的表面基团的
相互排斥。前者是界面张力（ interfacial tension），其作用使每个脂质分
子的表面积最小化，而后者的作用则是扩张表面。 脂质分子的相互作用
自由能取决于若干因素：分子尺寸、链间相互作用力、链的柔韧性、极
性头和周围电介质的相互作用（ interactions between the head
groups and the amibient electrolyte）以及在高浓度时发生的聚集颗
粒之间的相互作用。 分子结构与其倾向选择的微团形式存在某种联系，
不同大小的极性头和不同数目与长度的疏水链，即不同的分子形状形成
相应不同的微团形状。堆积参数 ρ(Packing parameter）用以定量地描述具
有一定形状的单个脂质分子的结构
ρ＝ υ/LA0
A0是平均表面积（头部基团在介面处的面积）,L为平均长度（烃链的
长度）,υ为平均分子体积。堆积参数 ρ可以作为脂质聚集态的判据：
ρ<1/2的脂质分子一般具有相对宽的极性头，有近于圆锥体或截头圆锥
（ truncated cone）形状，一般形成典型球形微团（ globular micelle）或筒
状微团（ cylindrical micelle）。 ρ为 1/2~1，脂质分子呈截头圆锥形状或筒
状，它们不适合于形成微团而必然堆积成脂双层囊泡或平面脂双层。
ρ>1，脂质分子的极性头相对较小，而有长的烃链，分子呈倒截头圆
锥，在高脂质浓度下，倾向于形成倒微团（ inverted micelles）。
卵磷脂和溶血卵磷脂都具有相同大小极性头（ A0=70?2），但是
前者链体积为 70?3，链长 17.5?，相应的堆积参数 ρ=0.85，根据这一判
据卵磷脂最倾向于形成半径 108?含有 3000个分子的脂双层囊泡。而后
者只有单条烃链，链体积小，相应的堆积参数 ρ=0.42，因此溶血卵磷
脂则形成只含 186个分子的小微团。这些分散的不同类型微结构的脂
质聚集体，随着浓度的增大，可以进一步形成更大的不同的聚集态或
组织结构，或称之成相过程（ phasing）。例如，微团形成六角形结构，
排列成 Hexagonal I (HI) 相，倒微团形成倒六角形结构，排列成
Hexagonal II（ HII）相。不同的条件（如浓度,pＨ、离子强度和温度
等）都会引起实际分子堆积参数（或者分子“形状” ）的变化，而形
成不同的聚集态或相。例如 PE在 pH<7.4时头部 -NH2质子化,水化度降
低,A0减小,ρ>1，形成 HII相。当 pH为 8-9时，头部 -NH2去质子化，
水化度增高,A0 增大,ρ＝～ 1，形成稳定的脂双层。所谓脂多型性
（ lipid polymorphism），不仅是指不同分子形状的脂质分子可以自组
装成不同类型的聚集态或相，而且也指同一脂质分子在不同条件下可
能形成不同的聚集态或相。在生理病理过程中，脂多型性对于生物膜
的功能有重要意义 。
2,脂双层相（ Bilayers或 Lamellar phase）
对生物膜而言，脂双层是由膜脂分子（尤其是磷脂 〕 形
成的最主要的相结构，早期量热计的数据提供了一些生物膜
存在磷脂双分子层的证据。 X射线衍射数据真正建立了跨磷
脂双分子层的电子密度纵剖面图，在 DPPC凝胶相脂双层两侧
磷酸之间的宽度大约为 46 ?,膜的厚度随脂质分子的不饱和
度的增加而减小，在某些情况下，脂质分子极性头结构的改
变及由此引起水化度的变化都足以使脂双层结构发生改变。
可以以液晶相或凝胶相存在。细胞膜的脂双层结构对细胞的
结构与功能有巨大影响。由于脂双层固有的自发组装的特性，
细胞膜总是连续的“没破裂”,而且无游离边缘的结构，在
细胞内形成广延的相互联系的网络。由于脂双层的柔韧性，
生物膜是可变形的 (deformable)，它们总的形状是可以变化的，
特别是在细胞运动或分裂期间。脂双层结构使得细胞膜在细
胞分泌、分裂和受精等过程中可以发生融合（ fusion）或拆分
(splitting)。实际上，脂双层结构的膜的自发产生是细胞演化
中最基本的早期步骤。
1) 液晶或流体相（ liquid crystalline or fluidphase）
液晶相是具有生机活力的细胞，特别是“年轻”细胞
的典型的细胞膜相结构。由于脂肪酰链具有运动自由度
（ motional freedom），脂双层膜是比较柔韧的，镶嵌其中
的蛋白质，象脂质海洋中的小船，得以实施最大的生物活
性。从人工膜测得的数据表明，磷脂在膜中有高的侧向运
动自由度，每秒钟磷脂分子与其临近分子交换位置达 106 次。
不饱和脂肪酰链含量越高，流体相越大，不饱和脂肪酰链
的 cis双健造成键的扭曲 (kinks),增加柔韧性（ pliability）。
然而，脂双层的液晶态是相对于真正的固态和液态而言，
并不是真正液态，液态的运动是各向同性（ isotropic），即
在任一方向的运动都可能是等同的，而作为二维流体的液
晶态至少有一维方向具有固态样的有序性。脂质分子能在
平行于膜表面的膜平面中相当自由和快速地转位，但是，
脂质分子不倾向于在垂直于脂双层平面的方向进行转位或
者说不易于从膜向外伸出或滑出。
2) 凝胶或固态相（ The gel or solid phases）
处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结,几乎完
全失去运动自由性，而取硬棒样形状，即全反构象。 膜变得更
具刚性而失去柔韧性。并且镶嵌于脂双层中的蛋白质不再能够
运动。凝胶相的膜对物理性协迫 (stress) 失去适应性，而易于形
成渗漏（ leak），造成膜通透性及其功能的损害。衰老或不完
善的细胞膜往往表现为典型的凝胶相。
3) 脂双层中磷脂分子的构象 （ lipid conformation in membranes）
磷脂分子在脂双层膜中的构象是 磷脂分子大体垂直于膜表面,因此，
它可能具有的运动方式是容易绕着垂直于膜表面的纵轴旋转。实际上脂肪
酰链大约有 20o～ 30o的倾斜,，在脂双层膜中，磷脂分子是一种双平面结构
（ biplanar structure），有点象是弯曲的手掌（见图），极性亲水头和磷酸
颈部（ phosphate neckgroup）以及连接于甘油骨架 sn-2位的脂肪酰链的 1# 和
2# 碳原子共同处于一个平行于膜表面的平面上，而非极性的脂肪酰链处于
与该平面垂直的另一个平面上。两条疏水尾部的不等长，它们伸入脂层内
部的深度就不一样，因此两个叶片层的疏水尾部可能交迭（ overlap），起
到稳定两个单叶片层偶合的脂双层的作用，形象地描述脂双层中单叶片层
（ monolayer leaflet）磷脂分子的构象，它们就象一叶漂浮于海洋中带篷的
小舟，船体代表亲水的极性头。处于水的介质平面上，每只小舟上可以想
象带有两支桅杆，一支竖直的，另一支是弯曲的。磷脂分子处于脂双层相
的凝胶态和液晶态时，脂肪酰链分别取 全反构象（ all trans）和扭曲构象
（ gauche） 。脂肪酰链全反构象能量状态低，整个链似圆柱形，直径约为
0.42nm，扭曲构象具有较高的能量，烃链扭曲，横切面增大，直径约为
0.46nm,C－ C单链转动时受到较大的位阻。在发生液晶态和凝胶态间的转变
时,这两种构象迅速异构化。因此由 X衍射测得的 DPPC脂双层两叶片层磷酸
基之间的距离 (~4.6nm)小于脂双层厚度的理论值（约 6nm ），从测量脂双层
间电容数值 C(C= K,K为常数,?为介电常数 )，计算膜的厚度 L也可证明这
一点。
3,非脂双层构象 (non-bilayer conformation)
1) 六角形相 (Hexagonal phase) 脂双层构象作为生物膜脂构象的主
要模式并不能把它理解为一种惰性的一成不变的结构。在某些条
件下，如温度、细胞间二价离子浓度、以及组织或细胞间水化程
度等，可能产生非脂双层构象的六角形（ HI HII）相结构。六角
形 II（ HII）相是最常见的非脂双层相结构，在这种结构中，磷脂
分子组装成管状，，极性头部朝向充盈水的管腔，疏水尾部朝外，
中间形成水溶性通道（ channel ）。由于疏水表面的相互作用，
这些“管”倾向于以六角形排列紧密堆积。
2) 立方体相 （ cubic phase） 生物膜立方体相的形状是球形 （ spheres）
而不是长筒形 （ cylinders）, 它近乎 各向同性相 （ isotropic
phase） 。 立方体相主要也表现为倒立方体相 （ inverted cubic
phase III 相 ） 。 它似乎是在外界环境胁迫或衰老过程中 Lα向 HII 相
变过程中的中间形式 （ intermediary formation） 。 有证据表明, III
同样可能参与高曲率曲面生物膜 （ 如内囊体膜, 高尔基器膜 ） 的
形成, 以及膜孔, 具包被膜凹陷和膜通道的形成 。 叶绿体膜含有
约 50％ 的半乳糖苷脂 （ galactolipid MGDG）, 倾向于造成 III 相
从而介导典型的高曲率叶绿体膜的形成 。
4,相变 (phase Transition) 和相分离 (phase Separation)
1) 凝胶相到液晶相的相变 (gel-to-liquid Crystalline phase
transition) 这是保持脂双层结构状态下的相的改变，是用于
决定生物膜相状态的最通用的手段之一，测定它的相变温度
(transition temperature,Tt ),Tt被定义为显示出从液晶态到凝胶态
的相特点 (initial signs of phase) 开始改变的最低温度，高于 Tt脂
双层处于液晶相，反之处于凝胶相。高 Tt的生物膜比低 Tt的生物
膜在生理学上对外环境的协迫更为敏感。相变温度主要依赖于膜
成分的组成及它们相互的组织状况，这些因素主要有：
(1) 磷脂脂肪烃链的结构 不同磷脂的相变温度是很不相同的，
具有不同脂肪酰链的 PC形成的脂双层其 Tt可以从低于 0℃ 到高于
0℃ 。 (2) 极性头的性质 在所有常见的磷脂中,PE具有最高的
Tt，其顺序为 PE> PS>PC≥PG，与极性头基团的结构及其特性相
关的还有其水化程度和介质 pH。 (3) 膜的磷脂组成 纯磷脂相
变温度范围很窄，混合磷脂的相变温度取决于各磷脂的结构之间
的差别，一般来说结构差别大的磷脂组成的混合磷脂相变范围要
宽。
2) 片层脂双层相和六角形相之间的相变（ lamellar
Hexagonal phase transition）
这种相变与凝胶相和液晶相之间的相变不同。尤其是在
相变的动力学方面，这种相变的发生要慢得多，特别是从
六角形相到片层脂双层相的转变。在人工脂的实验中，常
常要求相当长的孵育时间（数小时到数天），而从片层脂
双层相到六角形相的相变的发生则很迅速，在数秒或数分
钟内即可实现。这种相变之所以较慢，是因为在相变过程
中磷脂分子要进行根本性的重排。
3) 相分离（ phase separation）
相分离或者混合相（ mixed phase） 即在给定的膜内发生
或存在相态各不相同的不同微区（ domains）。对于两种磷脂
组成的人工膜，当温度处于两种磷脂相变温度之间时，即可
发生相分离，即一种磷脂处于液晶相，另一种磷脂却处于凝
胶相，两相共存。基于不同的条件和过程，或者凝胶态象小
岛一样漂浮于液晶态海洋中，或者液晶态象小岛一样漂浮于
凝胶态海洋中，在两相共存时两相间会形成围绕“小岛”的
界面脂薄层（ inferfacial lipid）。生物膜发生相分离的生理意
义是多方面的。如老的细胞膜发生典型的相分离导致膜的泄
漏（ leak），预示细胞的死亡。另一方面，有序的不同膜相区
域的共存，在某些情况下却是有益的。典型的例子是类囊体
膜，类囊体膜含有相当量的被认为并不取脂双层构象的糖脂
（如 MGDG）和 PE，这对于光合成是很重要的。
5.3.2.2.3,人工膜（ Artificial lipid membrane）
从 70年代以来，人工膜日益发展为一项生物高技术。,人工膜
主要分为两大类，一类是双分子层脂膜（ Bilayer Lipid
membrane,BLM），它包括平面双分子膜和脂质体。另一类由
脂单分子层组成,称为单层膜或 Langmuir-Blodgett 膜（ LB膜）。
1,平面双分子膜（ planar bilayer lipid membrane,PBLM） 平
面双分子膜或平板膜往往也简称为 BLM。制作 BLM即是制作分
隔两个水溶液相的厚度小于 l0nm的人造双分子层脂膜，它可以
用一糸列方法来实现，包括刷涂技术，浸涂技术，吹泡技术以
及单分子技术等。在理论上和实验上,BLM的制备是很简单的，
然而它涉及了由适宜的兼性化合物（如磷脂）稳定的两个共存
油 /水界面（或一个双表面）的生成。 能否成功制备一个稳定
BLM的关键，是形成双分子层脂膜溶液（ BLM生成溶液 ）的
适当配分。广泛用于形成 BLM膜的材料包括：合成类脂、氧化
胆固醇、表面活性剂、类胡萝卜素以及脑、鸡蛋、大豆、叶绿
体、线粒体、红细胞和细菌等的类脂抽提物等等。
2,脂质体（ Liposomes）
脂质体是人工脂双层膜形成的圆球状膜泡（ spherical vesicles），
借助不同的制备方法可以制备不同结构的脂质体。在膜研究中，膜蛋
白可以插入脂质体，使对于它们的功能研究能在比天然膜简单得多的
环境下进行。脂质体可以作为 DNA或各种药物的载体，即将 DNA或药
物包装于脂质体的囊泡中，再运载到体内的靶细胞。例如，囊肿纤维
化（ cystic fibrosis CF）是一种粘液分泌异常的疾病，特别常见于呼吸
道，形成非常浓和粘稠的粘液，很难由肺经气道排出，该病的分子基
础是肺泡上皮细胞表面囊肿纤维化跨膜传导调控因子（ cysticfibrosis
transmembrane conductance regulator CFTR）,氯离子通道蛋白基因发生
突变，造成 CFTR氯离子通道缺乏或活性很低。带治疗用的“目的”基
因的载体药物易于通过呼吸而达到靶细胞。脂质体就是一种很好的载
体，当包装有编码正常 CFTR基因的 DNA脂质体，吸入气道和肺泡时，
脂质体和上皮细胞质膜融合而把其中的 DNA输运至有基因缺乏的上皮
细胞内。脂质体作为药物特别是基因药物运送载体有其长处，如高的
目的基因运载率；被包装于内的 DNA可以避免被核酸酶降解；通过同
时引入靶向“引航”分子（特异性抗体分子或其它细胞受体的特异配
体分子），可以提高脂质体的靶向特异性和与靶细胞反应的有效率，
脂质体具有较低的细胞毒性。
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团；
(b)球形脂质体；
(c)平面脂质体膜；
(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图
有三类脂质体常被采用，
大单层脂质体 （ large unilamellar vesicles LUV），直径大于
150nm。制备方法有去污剂透折法，反向蒸发技术和注入法等。
其中反向蒸发法较为方便，即在溶有过量有机溶剂的磷脂中加
水溶液，然后减压蒸馏蒸去有机溶剂，得直径大于 150nm的大
单层脂质体囊泡，最后可用 Sepharacyl 1000层析分离获得大小
均一的 LUV。
小单层脂质体 （ small unilamellar vesicles SUV），直径约
30～ 50nm。制备方法多用超声法。通过 sepharose 4B凝胶过滤
获得均一大小的 SUV。
多层脂质体（ multilamellar vesicles MLV） 由多层同心双
分子层脂膜组成，呈洋葱样结构，层与层之间夹有 5～ 50?m厚
的水层。制备 MLV的经典方法是将纯的磷脂溶于氯仿或甲醇等
有机溶剂中，然后抽去有机溶剂，磷脂在玻璃容器表面干燥成
薄膜，再加入适量缓冲溶液，最后经过 vortexing振荡形成
MLV悬浮液。目前 MLV也多采用超声法制备，但是超声处理
时间要短于制备 SUV,MLV直径大于 500nm。
表 5.8 SUV, LUV 和 MLV脂质体性质比较
结构 类型 直径 (nm) 包裹率 (%) 稳定性
SUV 30-50 0.1 差
LUV 150-1000 ～ 50 中等
MLV 500-3000 1-2 (超声法 ) 好
50 (冻融法 ) 好
2,LB膜 ( Langmuir-Blodgett膜 )
早在本世纪初 Irving Langmuir 就用后来被人称为 Langmuri
槽的装置制备单分子层脂膜 。 方法是将磷脂溶于易挥发的有机
溶剂 （ 如己烷 ） 中,然后滴加于水溶液表面并使之在水表面上扩
展, 有机溶剂挥发后, 沿水平面,用一可移动的条杆把水表面
上的脂分子往一侧压缩至尽可能小的面积, 脂分子在水平面上
紧密排列, 形成亲水头在水相, 疏水的烃链指向空气的脂单分
子层, 即 LB膜 。
Gorter和 Grende利用这个方法证明,红细胞膜包含的脂足以
形成相当于两倍红细胞表面积的单分子层脂膜, 他们在 1925年
提出, 天然生物膜的结构本质是脂双分子层 。
LB膜技术发展很快, 不仅用于研究脂膜的表面化学和膜磷
脂分子间的相互作用, 而且是研究药物, 多肽等与脂相互作用
的有力手段 。 另一方面的重要发展是利用 LB膜进行蛋白质二
维晶体的构建和结构分析 。 LB膜以及前面介绍的 PBLM,结合
X衍射, 光学以及同位素等技术正日益发展为研制生物传感器
和生物电子器件的重要方向, 有独特的应用前景 。 例如：嗜盐
菌的紫膜和大豆磷脂铺成多层 LB膜, 用琼脂糖作软接触, 可记
录到跨膜的 500mv 光电压信号, 并且具有 ps到 ms级光电响应特
5.3.2.3 膜糖类 （ membrane carbohydrate）
真核细胞的质膜表面都含有糖类化合物，它们共价连接于
膜脂或膜蛋白上。质膜糖基含量约占膜重量的 2－ 10%,不同物
种和细胞类型的膜糖含量不同。红细胞膜含有约 8%的糖类，
其中约 7% 共价连接于脂分子上，形成糖脂类,93%共价连接
于蛋白分子上，形成糖蛋白（ glycoproteins）。从另一个角度
说，大多数暴露于细胞表面的蛋白质都带有糖基，通常接多
个寡糖链，而脂双层外叶的脂分子连有寡糖链的不到 1%的，
而且大多仅连有一条寡糖链。生物膜上的糖类几乎总是被定
位于膜的非胞浆面（ face away from the cytosol），在质膜上,
它们位于细胞质膜外侧，在细胞表面形成细胞外被（ cell coat）
或糖萼（ glycocalyx），可用电子染料钌红（ ruthenium red）
着色，在电镜下能观察到细胞外被层。在细胞器膜上，糖类
则面向细胞器的腔内一侧。糖蛋白中的糖类以短的有分枝的
寡糖链形式存在，每条链少于 15个单糖基。
糖蛋白中的糖类以短的有分枝的寡糖链形式存在，每条链
少于 15个单糖基。在自然界中存在的 100多种糖基中，只有 9种
糖基出现在膜糖链中，其中中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、
岩藻糖、木糖等，氨基糖有乙酰氨基葡萄糖、乙酰氨基半乳糖、
氨基糖酸（唾液酸和羟乙酰神经氨酸）。但大多不含糖醛酸。
唾液酸通常连接于寡糖链端部。寡糖链主要以 N－糖苷键和 O
－糖苷键两种方式连接于蛋白分子的若干不同氨基酸残基
上。
糖链具有高极性甚至负电性，膜表面糖链的存在使与之连
接的膜蛋白不易从脂双层中滑出或翻跟斗，有利于膜蛋白膜蛋
白三维结构的稳定和有效正确地的定向，定位与抛锚。糖基构
建糖链，能够进行多样化的排列组合，在糖蛋白和糖脂分子中
形成复杂的，具有巨大信息量的多样化基团结构，例如一个三
糖链就可以有 1958 种结构形式。因此，糖蛋白、糖脂均具有
多方面的功能，膜糖类的多样性或非均一性，是造成膜不对称
性的重要原因之一，并且在细胞与细胞间，细胞与环境间的特
异性识别和相互作用中起重要作用。
红细胞质膜糖脂的糖链结构，是短而有分技的五聚糖或六
聚糖链，它决定 ABO血型。 A血型者有一种特异糖基转移酶，
可将 N-乙酰半乳糖胺（ GalNAc）加到膜糖脂糖链末端,B血型
者相应的酶则将半乳糖（ Gal）加到链的末端,AB血型者同时
具有这两种特异性的酶，而 O血型者则缺乏这两种酶，其膜糖
脂糖链末端没有 GalNAc，也设有 Gal。上皮细胞的膜糖脂总是
分布在顶端表面，有助于细胞免受外部低 pH和降解酶等严厉条
件的损伤。带电荷的膜糖脂如神经节苷脂可能改变跨膜电场和
改变膜外表的离子如 Ca2＋ 的浓度。
某些感染性疾病涉及膜糖脂的作用。霍乱毒素（ cholera
toxin）和流感病毒首先与细胞膜表面神经节苷脂
（ ganagliosides）结合而进入靶细胞。如果说膜糖脂可能作为
病原物进入细胞之“门”,那末在正常生物细胞功能上，它们
则可能作为细胞外基质的细胞受体。某些遣传性或基因变异性
疾病也表现出膜糖脂、糖蛋白的异常，如肿瘤细胞，膜糖脂结
构可能发生变化。 Tay-scche病患者缺乏催化切去 GM2上末端
GalNAc的酶，造成 GM2积累使胎儿死亡。
5.3.2.4 膜蛋白 （ Membrane proteins）
不同类型的细胞和细胞器的膜蛋白的种类和数量是非常
不同的。例如，以质量计算，作为神经细胞轴突的电绝缘层
的鞘膜，其蛋白含量小于 25 %，通常细胞质膜的蛋白含量约
为 50 %，而涉及能量转换的线粒体和叶绿体内膜含有将近 75
%的蛋白。一种细胞膜可含有十多种甚至多于五十种蛋白。
由于脂分子比蛋白分子小得多，因此膜脂分子要远多于膜蛋
白分子，它们的分子数之比约为 50:1。 12~50 more different
proteins in a cell membrane and sidedness of membrane proteins.
5.3.2.4.1,膜蛋白的功能 （ Functions of membrane proteins）
生物膜的四种主要组分中的两种成分，水和兼性脂，即可单独构成人工
半透膜，它也具有细胞膜的许多功能与特性,例如这种脂双层膜封合严密,
足以防止质子和其它离子的泄漏，并可以象生物膜一样产生电势差（膜电
压）和进行融合。不少生物膜的特性能够用脂双分子层囊泡或脂质体加以
模拟。
但是，膜蛋白与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。在
实现生物膜极为多样的功能中,膜蛋白起着不可代替甚至关键的作用。
细胞膜的许多特性与功能是无法由单纯的脂双分子层膜来实现的,例如,
能量驱动的离子跨膜输运、受体介导的膜事件、膜成分的合成,ATP的合成、
分泌等生物膜的特性与功能是脂双分子层膜本身无法实现的。 一般说来，
细胞质膜的蛋白，主要与涉及胞外环境的细胞活力有关，而细胞内膜系统
的蛋白则主要与代谢活力有关。有的膜蛋白质发挥酶的作用（如 3-磷酸甘油
醛脱氢酶，乙酰胆硷脂酶，核苷酸环化酶等），有的作为输运载体（通道、
载体和离子泵），有的蛋白行使信息传递者或能量转导者的功能，还有的
蛋白构成细胞膜骨架（如 红细胞的 spectrin）等等。
应当指出，在结构与功能的联系上，不仅取决于膜蛋白自身固有的结
构,而且由于膜脂的影响，某些蛋白结构发生变化，才能够正确地发挥其
功能。
5.3.2.4.2 膜蛋白的分类
膜蛋白以不同的方式与脂双层联系。基于与脂双层联系的方式和密切程
度，膜蛋白可以分成三类,内在蛋白、外周蛋白和脂锚定蛋白,
1,内在蛋白或整合蛋白 （ integral proteins or intrinsic proteins）
这类蛋白插入脂双分子层，与脂双层的疏水核（ hydrophobic core）紧
密结合，整合于脂双层结构中，只有用有机溶剂（如氯仿）或去污剂（如
离子型去污剂胆酸盐,SDS、非离子型去污剂 Triton 100等），破坏了脂双
层结构才能将其从膜中分离出来。实际上，几乎所有内在蛋白都是透膜蛋
白（ transmembrane proteins），它们穿过整个脂双分子层，并且在膜的胞外
和胞质两侧都有伸出的片段（ regions或 domins）,但是它的跨膜分布是不对
称的（ asymmetrical）。有的内在蛋白仅有一个穿膜片段，只跨膜一次，称
为单一跨膜蛋白（ single-pass transmembrane protein）,这类蛋白包括许多细
胞质膜受体，它们能结合细胞膜外的配体（如生长因子、肽类激素或抗原
等）并通过跨膜片段把信息传至胞内。另有一些内在蛋白含有多次跨膜片
段，称为多次跨膜蛋白 (muiti-pass transmembraneproteins）,这类蛋白包括一
些通道蛋白和其他功能蛋白（如内质网上的信号肽 -受体颗粒的结合蛋白，
肾上腺素类激素受体，视杆细胞的光敏色素，细菌光合成反应中心的 M和 L
多肽等）。有很少数内在蛋白（如内质网膜上的细胞色素 b5,cytochrome
b5），它们也有部分肽链插入脂双层的疏水部分，但是这些蛋白并不穿透整
个膜，仅在膜的一侧表面暴露，它们埋入膜的部分是作为“锚”把该蛋白
锚定在膜上，这类蛋白称为锚定蛋白（ anchored protein或 monotopic
protein）。
内在蛋白的构象
内在蛋白和磷脂分子一样是兼性分子，即含有疏水和亲
水两类区域。与胞浆内可溶性蛋白不同，膜内在蛋白的跨膜
部分不是形成疏水核心和亲水表面，相反地，而是形成一个
由非极性氨基酸残基构成的大的外露的表面，通过这样的表
面与脂双层的脂肪酰链形成的疏水基相互作用（ hydrophobic
interactions），在保持膜通透屏障性能（ permeability）的状况
下，内在蛋白嵌入膜的脂双层“壁”中，与其周围的脂分子
直接作用,使膜更具有动态特性（ dynamic properties）。内在
蛋白的其余部分含有较多离子化和极性氨基酸残基，它们构
成蛋白的主要膜外部分，并且和脂类分子的极性头发生离子
型相互作用，在维持内在蛋白不从脂双层中脱落上发挥重要
作用。在某些情形下，这样亲水性氨基酸残基部分还形成穿
膜的亲水性通道（ an aqueous channel）。这些亲水区域具有重
要功能，它们与膜表面或亲水通道中的水溶性物质（如离子、
小分子物质、激素和其它蛋白等）发生相互作用。应当指出，
内在蛋白在脂双层膜中并不一定是被固定不动的，它们大多
能够在膜层内进行侧向运动（ move laterally）。
α-螺旋成为大多数内在蛋白跨膜片段的二级结构的优选
构象 内在蛋白跨膜片段的疏水性氨基酸侧链，在热动力
学上有利于它插入脂双层中。但是，这还不是决定内在蛋白
跨膜片段取什么样构象的全部原因。另一个决定因素是连接
各氨基酸残基的肽键（ Peptide bond），因为肽键本身是极性
的，在脂双层的疏水环境中所有肽键被驱使相互结合形成氢
键以中和它们的极性。要达到这样的结果，最通常的方法是
该片段肽段形成 α-螺旋构象。因此 α-螺旋成为大多数内在蛋白
跨膜片段的二级结构的优选构象。所有单次跨膜蛋白和许多
多次跨膜蛋白的跨膜片段都以这样的疏水 α-螺旋存在：沿着 α-
螺旋，每个氨基酸残基使 α-螺旋加长 0.15nm，一个由 20～ 30个
氨基酸残基构成的螺旋将有 3～ 4.5nm长，刚好足以穿过脂双
层疏水核，螺旋中的氨基酸残基的疏水侧链由螺旋轴向外伸
出形成疏水的表面，通过疏水键与脂肪酰链相互作用。然而，
并非所有跨膜片段都由疏水的 α-螺旋构成。
然而,并非所有跨膜片段都由疏水的 α-螺旋构成 。例如，
有的内在蛋白构成允许离子或极性溶剂通过脂双层的亲水通道，
但是构成这些亲水通道壁的肽段不是由疏水的 α-螺旋组成。它
们或者由若干 兼性 α-螺旋 构成，每个螺旋面对脂双层的一面多
含非极性氨基酸残基，它们与周围的脂双层相连系，面对通道
孔道的一面主要由极性氨基酸残基组成，而且相邻螺旋的极性
氨基酸残基之间可以产生氢键的连系。构成这些亲水通道壁的
另一种结构是以一组 β-折迭片（ β-sheet）肽段排列形成一个称
为 β-桶（ β－ barrel） 的密闭的桶体，这种类型的多次跨膜蛋白
的典型例子是孔蛋白（ porin protein）。实际上，有些蛋白
（如 K+ 通道）是由多种类型的跨膜结构片段构成的复杂的三
维结构。
膜蛋白构象和透膜结构域的确定 （ Membrane protein
conformation and identifing transmembrane domains）
原则上，一旦借助去污剂把膜蛋白从膜上分离出来，就可以采
用各种分析手段测定蛋白的氨基酸成分、分子量和氨基酸序列甚至
蛋白质的三维结构等等。也确实有很少数的膜内在蛋白被分离纯化
和测得氨基酸序列，并且通过 X-射线晶体图析方法测得原子分辨水
平的三维结构。然而，实际上要确定膜蛋白的结构信息是非常困难
的。许多重要的膜蛋白的含量非常低，难以获得足够量的蛋白来测
序，许多膜蛋白还不适宜采用通常的测序技术（高疏水性的跨膜序
列不溶于常规测序分析的水溶性介质中），而且大多数膜蛋白尚难
以获得能用于 X射线晶体图析的晶体，不过，分子生物学的进步使得
膜蛋白的氨基酸序列的确定变得容易一些，已有许多膜蛋白由相应
的克隆到的 cDNA序列确定出它们的氨基酸序列。依据已确定的氨基
酸序列，并借助其它间接的研究手段，人们预测了一系列膜蛋白的
三维结构和它们与脂双层的相互作用。最常用的鉴别跨膜片段的方
法是 hydropathy plot作图法。依据获得的氨基酸序列，沿着肽链（作
X轴），以每小片肽段（正常约 10个残基）的疏水性值（即
hydropathy index）为 Y轴作图。肽链上的疏水性片段 在 hydropathy图
中显示为正值峰，它们可能被确定为穿膜片段。
若干膜内在蛋白
细菌光合成中心 (bacterial photosynthetic reaction center,
PRC) 的三维结构是最早由 X-射线晶体图析方法在原子水平
上解析的膜蛋白之一（ 1985年 Nature 318:598）。 PRC由 L、
M和 H三个亚单位组成,L和 M亚单位多形成 5个跨膜 α-螺旋，
呈月牙状排列在膜中,而 H仅以单次跨膜 α-螺旋锚定于膜中，
即整个 PRC共含 11个跨膜 α-螺旋，跨膜 α-螺旋面向分子外的
氨基酸残基均是非极性的，它们把 PRC锚定到脂双层的疏水
核，带电荷的残基面向分子内，若干组氨酸和谷氨酸残基与
跨膜区域中心的铁离子（ Fe2+ 和 Fe3+）结合。螺旋之间相邻
区域的许多疏水氨基酸侧链借范德瓦尔氏（ Van der Waals）
力相互连系。
红细胞膜蛋白
因为红血球不含任何细胞器，其质膜易于与胞内成分
分离，是一种研究膜结构的很方便和常用的模式系统，把红
血球放入低渗溶液中，水流入红细胞内，引起细胞膨胀和崩
解，释放出胞内的血红蛋白等成分,而获得空的红血球膜或
血影泡（ ghosts）。通过调节离子强度制备的血影泡可以是
可泄露、未封闭状态的，也可以重新封合成不泄露的囊泡；
可以是保持原先内外方向（ right-side-out）的囊泡，也可以
是内翻外（ insid-out）的囊泡。利用这些不同形式的血影泡，
先经过水溶性放射性同位素或荧光探针定向标记（ vectorial
labeling）及适当的蛋白酶处理，然后将血影泡膜用去污剂
溶解，被标记的各种膜内在蛋白通过 SDS-聚丙烯酰胺凝胶
电泳被分离和检测出来，见图 6.14。从这一系列电泳图谱的
比较中，可以确定这些膜内在蛋白在膜中的侧位分布
（ Sidedness）。人红血球质膜蛋白在 SDS-聚丙烯酰胺电脉
图谱上大约显示 15条蛋白带，分子量从 15,000到 250,000，其
中三种蛋白 —血影蛋白（ spectrin）、血型糖蛋白
（ glycophorin）、和带 3蛋白（ Band 3）大约占其重量的 60%。
血型糖蛋白 A (Glycophorin A)
这是第一个测得氨基酸序列的膜内在蛋白，它由 131个氨
基酸残基组成，以均二聚体（ homodimer）形式存在。就一个
单体而言，它跨膜部分含 34个氨基酸残基（ 62-95），其中 20
个不带电荷的氨基酸残基（ 74-93）形成单一 α-螺旋,除了 1个
丝氨酸,2个苏氨酸外，其余的残基都具疏水性侧链（或如甘
氨酸，只有一个 H原子 )。细胞外侧的 N-端肽段和细胞内侧的
C-端肽段都富有带电荷的氨基酸或极性氨基酸残基，带电荷
的精氨酸、赖氨酸残基与脂双层负电性极性头形成离子键相
互作用。胞外侧肽段有 15条寡糖链共价连接于丝氨酸或苏氨
酸残基上，另有一条较长的糖链共价连接于天冬酰胺上。糖
基侧链约占整个蛋白重量的 60%。血型糖蛋白的生物功能尚
不很清楚，但是其富负电性的唾液酸糖基可能使红血球在血
流中产生相互电荷排斥而不发生凝集，另外它可能是虐原虫
的受体。血型糖蛋白有 A,B,C,D四种异构体，其中 B,C、
D三型含量很低。
带 3蛋白 （ band 3）
它的命名是基于它在 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳图谱中的
位置而定的。它由 929个氨基酸残基组成，分子量约 90,000，
每个红血球约有 106个带 3蛋白分子，它们以均二聚体形式排
列在膜中。带 3蛋白是多次跨膜蛋白，每条肽链以 α-螺旋反复
跨膜多达 14次。它在红血球的功能中起重要作用，承担 Cl－
和 HCO3－ 的跨膜被动交换（ anion transporter）。 CO2以 HCO3
－ 的形式存在于血浆中，当血流经过组织时 HCO
3
－ 与红血球
内的 Cl－ 跨膜交换进入红血球中，随血流到达肺部，红血球
内的 HCO3－ 又与胞外的 Cl－ 跨膜交换，反过来从红血球释放
出来。 HCO3－ 和 Cl－ 的相互交换，协同输运是通过带 3蛋白二
聚体中心的通道进行的。带 3蛋白在其细胞外部分只带少量
不含唾液酸的寡糖链，其 N-端片段折迭成不同的亲水结构域
（ watersolull domains）伸入胞浆，分别与细胞骨架蛋白
ankyrin,糖酵解酶和血红蛋白结合。
细菌视紫质蛋白（ Bacteriorhodopsin）和其它穿膜七次
的蛋白
细菌视紫质蛋白是一种具光合成能力的嗜盐菌的膜蛋
白，它在质膜上聚集形成一个个特别的紫斑（即紫膜）。
每个细菌视紫质蛋白分子都含有单一光吸收基团 （或生
色团 chromophore视黄醛 retinal,与脊椎动物眼睛的光接收
细胞的视紫质的生色团类似）,视黄醛共价连接于蛋白的
赖氨酸侧链上。当受到单光子激活时，激活的视黄醛立
即改变形状并引起与之接连的蛋白的一系列构象改变，
导致一个质子 H+ 从细胞内被泵出胞外，在亮光照射下，
每秒钟每个细菌视紫质蛋白分子可以泵出数百个质子。
由光驱动的质子转移建立起跨膜质子梯度反过来驱动另
一个蛋白合成 ATP。因此细菌视紫质蛋白是提供细菌能量
的太阳能转换器。
由于其兼性的性质，细菌视紫质蛋白极难结晶，无法采用
X-射线晶体图析法获得三维结构，但是该蛋白分子在天然紫
膜中排列成平面二维晶体结构，采用电镜与电子衍射分析结
合的技术（电子晶体图析）得以确定它们的三维结构和在膜
中的定向，虽然结构细节的显示度低于 X-射线衍射分析所能
达到水平，但其分辨率也达到 0.3nm。这些研究显示，每个细
菌视紫质蛋白分子折选成七个紧密包裹的 α-螺旋 (每个约含 25
个氨基酸残基 )，成束穿过脂双层。
细菌视紫质蛋白只是一个很大的内在蛋白家族中的一员，
这个家族至少已发现有 150多个成员。虽然这个家族的成员除
了个别位置上的氨基酸成分较为保守外，总体上看并不具同
源性，但是它们在结构上有一个共同的特征，就是都含有七
个穿膜肽段序列。基于这些肽段的长度（ >22个氨基酸残基）
和疏水性，它们均足以和形成七个穿过脂双层的 α-螺旋 (seven
membrane-spanuing α-helices)。这个大家族的成员包括 opsins
（一种眼睛蛋白），许多细胞表面的激素受体，特别是 G蛋白
偶联受体家族和气味分子受体（ receptors for odorous molecules）
等。
孔蛋白（ porin）
前面巳谈到有些多次跨膜蛋白的跨膜片段是以 β折迭片
(或 β-桶 )而非 α-螺旋构象穿于脂双层中。这类结构通常不适
宜用 hydropathy作图法来确定。孔蛋白是这类蛋白中了解最
清楚的。许多细菌质膜外的外膜上，往往存在一些允许分
子量少于 600的亲水溶质选择性通过的孔道，这些孔道是由
贯穿于膜的孔蛋白（ porin）形成的。借助 X-射线晶体图析
方法，原子分辨水平的细菌孔蛋白三维结构已经被确定。
孔蛋白在膜中成三聚体，每个单体形成一个贯穿膜的管状
（ tubularβbarrel），其中心有一充满水的孔道。每个 β-桶是
由 16条反平行的 β-折迭片（ antiparallelβsheet）围成的圆筒
结构。极性氨基酸侧链排列于亲水通道的内侧，而非极性
侧链伸出圆筒外侧与脂双层的疏水核相互作用。结构相关
的孔蛋白也存在于线粒体和叶绿体外膜。
2,外周蛋白或外在蛋白 （ peripheral proteins或 extrinsic proteins）
这类蛋白整个定位于脂双层的外侧或内侧，对细胞质膜来说，或
者在细胞表面或者在质膜的胞浆面，它们通过非共价的盐键或氢键不
太紧密地与外露于膜表面的脂分子的亲水极性头或内在蛋白的亲水部
分相联系，因而容易用高离子强度溶液（如 1M NaCl）或高 pH溶液将
它们从膜上分离下来。
外周蛋白可进一步分成两类，一类称之为膜联系蛋白（ associated
membrane proteins），它们结合到某些膜内在蛋白上。另一类，也是
研究得较为清楚的一类外周蛋白，称为骨架膜蛋白（ skeletal
membrane proteins），见图 6.14。它们处于质膜胞浆一侧表面，形成
纤维网架（ fibrillar network），起膜骨架作用。 它一方面为膜提供机
械性支持，另一方面也是固定膜内在蛋白的“锚钉”（ anchors）。骨
架膜蛋白一般是通过与某些膜联系蛋白结合而紧密联系到质膜内表面
的。
膜联系蛋白包括质膜内表面的一些酶和传递跨膜信号的因子等，
质膜胞外表面同样存在膜联系蛋白，但是已被明确鉴定的尚较少，包
括一些植物激素（ phytohormone）受体。线粒体内膜上细胞色素 C是
典型的膜联系蛋白。 不少外周蛋白和膜的联系并不是固定不变的，而
是一种动态联系（ dynamic relationship），它们根据细胞的状况，或
者被“召唤”结合于膜上，或者从膜上释放下来。
细胞色素 C是分子量约为 12KD的水溶性蛋白，分子表面主要是极性氨基酸
侧链而疏水性残基位于分子内部，它与线粒体内膜表面结合，成为电子传
递链的一个成员，与作为内在蛋白的其他电子传递体相互作用，其电子供
体是细胞色素 C1，电子受体是细胞色素 C氧化酶。细胞色素 C含有一个血红
素基团,它是实际的电子载体，蛋白其它部分造成适宜血红素结合与发挥功
能的环境，并提供识别和结合细胞色素 C1和细胞色素 C氧化酶的位点。
血影蛋白 （ Spectrin） 是红血球骨架膜蛋白的主要成分, 它是长约 100nm的
柔性纤维状蛋白, α,β两个亚单位肽链反平行相互绞缠, 形成伸展的异二
聚体细丝, 异二聚体头对头连接成 200nm长的四聚体, 四, 五个四聚体共
同结合到由短的微丝 （ short actin filament）, 或另外的细胞骨架蛋白 （ 包
括带 4.1 蛋白 ）, 原肌球蛋白 （ tropomyosin ） 等组成的连接复合体
（ junctional complexes） 上, 最终在质膜内表面构成可变形的网格骨架 。 血
影蛋白膜骨架除了通过与连接复合体结合连系于膜带 3蛋白和血型糖蛋白外,
还与另一个外周蛋白锚蛋白结合而间接与内在蛋白带 3蛋白连接 。 这些连接
把膜骨架结合到膜上, 这对于维持膜的完整性, 可变形性和适宜的刚性都
是很重要的, 而且这样的连接把带 3蛋白等内在蛋白锚定更加结实, 限制它
们在膜中的扩散速率 。 有些遗传性溶血性贫血患者红血球形状异常并易破
裂, 被认为正是血影蛋白或锚蛋白发生异常突变引起的 。 类似的甚至更为
精细复杂的膜骨架也存在于其它真核细胞的质膜下, 构成所谓胞浆的皮质
区 （ cortical region或 cortex） 。
3,脂锚定蛋白（ lipid-anchored proteins）
这类蛋白大多仅位于脂双层膜表面一侧，它们通过共价
键与脂双层中的脂分子相连接。也有一些内在蛋白与脂双层
膜胞浆一侧的脂分子有共价键结合，从而增加该蛋白的疏水
性，这类内在蛋白也可以认为是一种脂锚定蛋白。
有一类蛋白完全位于细胞质膜外表面，但是它们的 C-端氨基
酸通过一段短的寡糖链桥共价连接于脂双层外叶片层的磷脂
酰肌醇的头部，这段连接桥的构成为磷脂酰乙醇胺 -甘露三糖
-氨基葡萄糖。这类脂锚定蛋白叫糖基磷脂酰肌醇一锚定蛋白
（ glycosyl phosphatidyl inositol (GPI)-anchored proteins）。特
异识别并能切除肌醇磷脂的磷脂酶 C（ phospholipase C）可以
把被锚定的蛋白如 Thy-1蛋白，碱性磷酸酶和正常细胞的 PrP
搔痒蛋白等从膜上切离下来。 GPI-锚定蛋白的复杂结构是该
蛋白在 RER合成加工时就构建成的，通过把多个糖基和磷脂
酰乙醇胺依次加到磷脂酰肌醇上而构建成 GPI“锚钉”，然后
将其加到刚切去信号肽的新合成的待锚定的蛋白的 C-端氨基
酸残基上。 GPI末端磷脂酰乙醇胺的－ NH2基与肽段末端－
COOH形成酰胺键。
另一类脂锚定蛋白出现在质膜的胞浆面，共价连接于埋在
脂双层内叶片层的长烃链上。它们或者以 N端 Gly残基与脂肪
酸（如肉豆蔻酸或棕榈酸）的羧基形成酰胺键连接，或者以
C端 Cys残基与多不饱和烃链的异戊二烯基（如 15碳的法尼基
farnesyl和 20碳的拢牛儿基 geranylgernyl）形成巯醚键
(thioether linkage)连接，这类脂锚定蛋白称之为原法尼基化蛋
白（ Prenylated protein）。有些蛋白肽链中的 Cys残基也能共
价连接到棕榈酸上，称之为棕榈酸化蛋白 (palmifoylafed
proteins)，这种连接可能发生在某些内在蛋白上，也可能发
生在上述某些法尼基化和某些棕榈酰化 myristoylated protein
上，与脂双层中的脂肪酸链形成不止一个共价连接。质膜胞
浆面的脂锚定蛋白与脂的共价连接往往是在细胞处于基本种
状态下暂时产生（ transiently），至少有两种与质膜联系的蛋
白（ Src和 Ras）是发生在正常细胞恶性转化时。
5.3.3,膜的不对称性（ Asymmetry of the membrane）
膜的不对称性即膜脂和膜蛋白不对称地分布在脂双层的两
叶片层，所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生物
膜功能的重要基础。
膜脂不对称性 膜的两个叶片层由不同的脂组成，用
磷脂酶处理完整的红血球细胞，由于膜的不通透性，该酶只
能作用于膜的外侧叶片层，而无法作用于面对胞浆的另一叶
片层，结果可以发现，约 70%的 PC被酶解，而 PE和 PS分别被
水解 20%和少于 10%。通过这样的实验表明所有糖脂和几乎所
有带正电荷头部基团的 PC及鞘磷脂分布在膜的非胞浆片层，
相反的，电中性或负电性头部基团的脂如 PE,PS更多地分布
在膜的胞浆面片层。当然，不同的细胞膜，脂类的不对称分
布是不相同的。例如，通常较多分布在非胞浆面的 PC，在猪
血小板膜却主要分布在胞浆面一侧。即使同一细胞膜的不同
部位也可能有不同的脂分布
如何造成膜脂的不对称分布 还不太清楚。虽然脂类分子本
身的某些物理性质，如分子形状、带电状态有可能影响脂类分
子的在膜上的分布，但是，从根本上来说，它是细胞合成膜的
时候决定的，并受细胞生理状态影响。在细胞凋亡时，质膜的
脂类分布的不对称性将明显改变。真核细胞的大部分膜包括质
膜是在内质网（ endoplasmic reticulum ER）合成的,ER内存在
有磷脂转位因子（ phospholipid translocators）或翻转酶 flippases，
它们能够特异性地将某种脂分子从膜的一个片层转位到另一个
片层。另外，某些脂类可以结合到膜的某一个片层中的特殊的
蛋白区域。反过来，这种脂的不对称分布具有重要的功能意义，
蛋白激酶 C（ protein kinase C）结合于质膜富含 PS的胞浆面片
层，它的活化需要这种负电性磷脂结合。 PI在真核细胞膜中的
含量较少，但是，主要分布在胞浆面片层，这种分布适合于位
于胞浆的特异性酶在细胞外信号的激活下将 PI切割成两个片段
（ DG 和 IP3），它们作为可扩散于胞浆的第二信使，进一步
活化相应的信号传递途径的级联反应。
内在蛋白的不对称 所有内在蛋白都不对称地结合于脂双层，
每一种膜内在蛋白分子都具有相同的、单一的、特异的定向，
它们的 N端或 C端总是伸向胞外或胞浆内。这种分布赋予膜的两
个单片层具有不同的特性。这种分布是在合成期间建立的，并
且在其存在的全过程中都维持着。 膜的不对称性在糖脂和糖蛋
白中表现最明显，它们几乎都位于膜的非胞浆面 。只有某些转
录因子和核孔复合物蛋白是定位于核基质（ nuclear matrix）和
核膜上，以单一的 O－连接方式将 N-乙酰氨基葡萄糖残基连接
于它们胞浆面的丝氨酸残基上。
除了上述利用电泳技术分析内在蛋白在脂双层膜中的定位外，应用
冰冻断裂和冰冻蚀刻技术能够通过电镜图像显示膜的两表面和内在蛋
白的分布。用尖锐的刀片将液氮或液氦温度（ -196oC和 -269 oC）冷冻
的样品断开，断面通常总是沿着膜的疏水的中部形成，使膜的两叶片
层分离，然后把重金属（如铂）蒸镀在形成的断面上，形成一层复型
膜（ Platinum replica）。在电镜下，膜内在蛋白在某一断面上往往显
示为突出的颗粒而与其相对的另一断面上造成小凹陷。习惯上面向胞
浆的膜表面称为 P面 （ Protoplasmic face），而面向非胞浆外侧的膜表
面称为 E面 （ exoplasmic face）。
5.4 生物膜的动态特性
(The dynamic nature of the biomembrane）
膜及其组成成分的运动性（ mobility）主要包括：
脂双层的流动性（ fluidity）；
蛋白质分子在膜中的运动；
完整膜或膜片段的膜流（ membrane flow）。
5.4.1脂双层的流动性 (membrane fluidity)
5.4.1.1,膜脂的流动性 （ fluidity）
膜脂的流动性 （ fluidity） 是用以描述膜的物理状态
的重要参数, 实际上, 膜脂流动性即膜的微粘性 （ viscosity
或 microviscosity ） 是 量 度 脂 质 分 子 在 膜 中 侧 向 运 动
（ Lateral motion） 的容易程度, 也可以认为是描述脂质分
子无序性时间平均值的物理量 。
影响着膜脂流动性的因素
前面巳经介绍脂双分子层的液晶特性及其相变过程。
液晶态的存在使得膜中成分的分子内和分子间的运动明显
增加,液晶态膜的微粘性在其接近极性头表面的区域最高，
而在其疏水中心区最低。人工膜和生物膜的微粘度为 0.1～
1.0泊 (poise)。前所述的影响脂双层相变温度高低的诸因素
实际上正是影响着膜脂流动性。膜脂胆固醇含量的高低，
脂肪酰链的饱和程度等都是影响流动性的主要结构因素，
而介质温度的升高是使膜流动性升高的关键环境因素，膜
平均微粘性（ ?）与温度存在下面的定量关系：
?＝ A e ?E/RT
某一特定体系的 A是一常数,E为流动液化能,R为气体常
数,T为绝对温度。介质 Ca2+,Mg2+ 等多价阳离子的存在
也有利于降低膜流动性。
5.4.1.2,膜微粘性的评价和测量 主要方法有：
1,示差扫描量热或量热天平（ differential scanning
calorimetg )法，微粘性是膜液晶结构的功能函数，从一种液晶
态转变为另一种相态所需要的能量以及相变温度能够从膜的
热变性曲线上计算出来。
2,13C核磁共振（ NMR），它测量脂分子绕 C-C键运动的自
由度（ freedom）
3,电子顺磁共振（ EPR），它测量插入膜脂双层的自旋探
针 (spin probe)旋转的自由度 (freedom of rotation)。通常将氮氧
化物 (nitroxide)探针连接到长脂肪酰链的末端。
4．荧光偏振（ Fluorescence polarization）技术，它是通过
入射的偏振光束的去偏振（ depolarization of the incident
polarized light beam），评价插入脂双层的亲脂性探针（如
DPH）荧光发散的改变程度（即荧光偏振度 P），从 P值可以
计算出微粘性 ?。脂双层微粘性越大,P值也越大。
5.4.1.3,脂质分子的运动形式
脂双层膜流动性反映脂质分了在脂双层中的分子内与分子
间的运动。膜脂分子能够发生多种形式的运动,
脂质分子内运动包括：
(1) 最常发生的脂肪酰链长轴上绕着 C-C键的 旋转 （旋转速度
为 100 皮秒）
(2) 烃链的顺式 扭结 （ cis kinks,约 1 纳秒发生一次）
(3) 脂肪酰链沿长轴向的 伸缩或弯曲 (bending)。
脂质分子间的运动包括：
(1) 整个分子绕着与膜平面垂直的轴 转动 (rotation)也称转动扩
散 (rotation diffusion）其转动速度为每 10纳秒转动 2π角度。
(2) 侧向扩散 (Lateral diffusion)，即膜脂分子在膜平面内的扩
散。这是膜脂分子最重要的运动形式，扩散速率的大小，用
扩散系数 DL(diffusion co-efficiency)表示。
侧向扩散实际上是脂质分子在脂双层液晶排列的平面内经历着
一连串从一个“晶格空间” (vacancy)到另一个“晶格空间”的
跳跃 (jumps)而产生的净转位运动 (net translocational motion)。脂
分子侧向跳跃速率为 107到 108 S-1级，但是其净位移要小得多。
脂质体和生物膜的磷脂分子的 DL一般为 10-7～ 10-8 cm2/秒, 可以
用胶体金标记到少量脂分子的极性头，然后在显微镜下直接观
察到这些标记的脂分子在膜上的侧向扩散，并记录下它们的运
动轨迹。荧光漂白恢复 (fluorescence photo-bleaching recovery,
FPA或 FRAP)技术不仅可以直接观察到脂质分子的侧向扩散,还
可以计算出 DL。
(3) 翻转 (transmembrane flip-flop)，这是指脂分子从脂双层的一
个叶片层完全翻转到另一个叶片层的运动。脂分子的跨膜翻转
最快也要花费数分钟，通常完成翻转的平衡时间从数小时到数
周。处于跨脂翻转状态的膜脂分子很少，仅占 10-15。这种翻转
之所以很困难是由于脂分子跨膜转位时其极性头要经过疏水的
内部，需要克服巨大的能障。在细胞的某种生理条件下，如膜
脂分子合成过程中，某些膜蛋白如磷脂翻转酶 (flippases)可以催
化缩短脂分子翻转的动力学过程。
5.4.1.4 脂双层流动性的重要性
膜流动性赋予膜完美的物理状态，刚柔兼备，既不过于
刚性（ rigid）又不失其有序性（ ordering）,既不变成完全的
流体（ completely fluid）又表现着适宜的柔性（ flexibility），
从而膜成分得以定向有序地组织着并具有机械性支撑能力，
而且造就膜内成分之间发生相互作用的基本条件，膜内蛋白
才可能聚集和组装，在特殊的位置形成特殊的结构，如细胞
间连接，神经细胞轴突等。膜受体与相关酶的相互作用是细
胞信号传递的关键，膜适宜的微粘性对膜受体及相关酶的构
象改变所需的活化能有调控作用。可以说许多基本的细胞过
程，包括细胞运动，细胞生长，细胞分裂，细胞内吞与外排
（分泌）等都依赖于膜的流动性。
5.4.2,膜内在蛋白的运动（ The mobility of the membrane
proteins）
既然脂双层作为镶埋其中的内在蛋白的基质，脂质分子
的物理状态同样是内在蛋白运动性的重要决定因素，阐明
内在蛋白能够在膜平面内运动正是流体镶嵌模型的基础。
膜内在蛋白的主要运动形式包括
侧向扩散运动 (Laterial diffusion)、
构象变化
以及蛋白多聚复合物的聚合和解聚等。
5.4.2.1,膜蛋白运动的显示 膜内在蛋白的运动，特别是侧
向扩散可以用多种技术予以显示和评价。
采用细胞融合（ cell fusion）显示膜蛋白的运动性 细胞融
合技术是通过加入细胞融合剂（如灭活仙台病毒，聚乙二醇
等）或施以脉冲电场等手段将不同类型或不同种系来源的两
个细胞融合为一个杂交细胞，它带有来源于两个细胞的共同
的细胞质和单一连续的质膜。例如，将标记了带有荧光红的
抗人细胞抗体的人细胞和标记了带有荧光绿的抗小鼠细胞抗
体的小鼠细胞融合，然后在荧光显微镜下观察，融合细胞膜
表面两种颜色荧光半球分别显示红色和绿色荧光，随着两种
不同颜色的荧光逐渐向另一半球扩散，大约 40分钟后，两种
颜色的荧光完全均匀地分布在整个细胞表面。在较低的温度
下，两种荧光的相对扩散和混合的速度则降低。这个实验反
映了标记有荧光抗体所结合的膜蛋白在融合细胞的质膜中的
侧向扩散过程以及随着温度而改变的膜的微粘性对膜蛋白扩
散运动的影响。
荧光漂白恢复（ fluorescence photo-bleaching recovery FPR或
fluorescence recovery after photo-bleaching,FRAP）技术
首先将细胞表面蛋白用非特异性染料如异硫氰酸荧光素或特
异性探针如荧光抗体加以标记，把标记好的细胞置于荧光显微
镜下，将一束细的聚焦的激光束短促（ 20ms~1s）辐射在细胞
膜表面，被辐射的荧光分子发生不可逆地的淬灭（ bleach），
在细胞膜表面造成一个荧光漂白区域（直径约为 1um）。如果
膜蛋白是运动着的，随着它们的无规侧向扩散运动，漂白区域
又逐渐显现出荧光（即所谓荧光漂白恢复）。通过测量荧光恢
复的速率即可直接测量可运动膜蛋白分子扩散速率（以扩散系
数 diffusion coefficient,DL表示）。荧光恢复的程度（以原初强
度百分比表示）代表了可自由扩散的被标记分子的百分比。
从荧光恢复曲线按如下公式可计算出 DL：
DL＝ (?2 / 4 ?1/2 ) rD
式中 ?为漂白斑的半径。 τ1/2为从漂白后的最小荧光值恢复到最
大荧光值的一半所需的时间,rD反映漂白斑形状几何因素的影
响，对园形漂白斑来说 rD=0.88。膜上脂质分子的扩散系数也可
以用 RFAP法测量，只是被标记的分子是脂质分子。
单颗粒示踪 （ Single Particle Tracking,SPT）
当然,FRAP技术测量的不是单个分子侧向扩散运动而
是相当数量的分子群体的扩散运动。为了追踪个别蛋白分
子或脂质分子的运动，可以采用单颗粒示踪技术，即用胶
体金颗粒标记膜蛋白分子或脂质分子，然后在配备计算机
视频反差增强录像装置的显微镜下，就可显示和记录连接
在单个分子上的胶体金颗粒的运动轨迹。
5.4.2.2,膜蛋白侧向扩散运动的类型及其控制
相当一部分蛋白可以在膜平面内发生随机的布朗运动
（ Brownian movement），扩散系数可以达到 10-9cm2/sec，但
是它们被膜骨架蛋白构成的“藩篱”所限制，无法迁移出远
于拾数微米的范围。当然这些“藩篱”也往往处于解聚与重
构的动态变化中，因此有些蛋白的扩散可以“冲出”,藩篱”
的限制。 有些蛋白可以在整个膜平面中无规则地移动，但是
它们的运动速率仅仅为 10－ 10～ 10－ 12cm2/sec，大大低于人们
预想的在人工脂膜中自由运动的速率（ 10－ 8～ 10－ 9cm2/sec），
相反地，有的蛋白被“锚定”在膜骨架上而无法作扩散运动。
其它方面的蛋白间相互作用也限制或控制着膜蛋白的运动。
在一些情况下，某些特异的蛋白的运动有高度的方向性，似
乎在膜在胞桨面有马达蛋白（ motor protein）驱动其运动。
如果膜内在蛋白含量多，分布拥挤，相邻蛋白的随机运动也
将受到限制。
显然，膜蛋白并非是自由漂游于脂双层中的小舟，它们的
运动首先由脂双层的微粘度和自身大小所决定，而蛋白间的
相互作用，尤其是膜骨架蛋白是决定它们实际运动最重要的
因素。膜蛋白的侧向运动对多成分的膜酶复合物和受体系统
的功能的发挥有重要的意义，发生这些反应的时间可以从微
秒到毫秒，距离尺度可以从数十到数百纳米。相对于侧向扩
散，膜蛋白的旋转扩散（ rotational diffusion）则更能反映脂
双层的微粘度。荧光或磷光偏振技术和 EPR技术常被用于评
价膜蛋白的旋转扩散系数（ Drot）或旋转驰豫时间 (relaxation
time,? 约为 1/2 Drot),? 通常在 ?s以上,? 愈大,旋转速率愈
慢。
5.4.3,生物膜中脂与蛋白质的相互作用（ Lipid-protein
interactions in biomembrane）
生物膜与纯脂构成的人工膜的最基本的差别就在于生物
膜中蛋白质的存在，多种多样的膜蛋白行使着重要的特有的
功能。那么，蛋白质与脂分子是怎样共同存在膜中的，它们
发生着怎样的相互作用，它们的相互作用对脂膜的结构与特
性，以及对蛋白质的结构与功能产生了怎样的影响呢？当然，
由于膜的多样性，不同膜中发生的膜脂与膜蛋白的相互作用
及其意义也有很大差别，这也可能是不同研究者的研究报告
间时有意见相左的原因之一。
相互适应和契合的构象变化
蛋白质插入脂双分子层中，首先两者都发生着 相互适应
和契合的构象变化 。蛋白质跨膜部分的肽链间形成由极性的
羰基氧原子和亚氨基的氢原子构成 α-螺旋中的氢键，这对于
使肽键得以处于脂双层疏水核心中是必不可少的。而脂双层
疏水区中的蛋白肽段，其氨基酸侧链与螺旋轴垂直并大多显
疏水性，但是由于侧链的长短不一，相对于脂分子的尺度，
蛋白螺旋表面并非平滑的圆筒而是粗糙的。因此，其柔性构
象的脂分子的烃链必须使自身适合于粗糙的蛋白表面并“填
充”于蛋白的氨基酸侧链之间，这样才不会由于表面粗糙的
蛋白的插入而使膜结构产生“孔”。但是，结构上这样的
“契合”和,捆绑”并非总是完美无缺的，在蛋白的粗糙表
面还是可能产生脂双层结构的瞬间的缺陷（ transient defects）。
因此，不难想象，当蛋白质掺入膜时，膜的 通透性会增加，
膜磷脂分子的跨膜运动 （ transmembrane movement,或 flip-
flop）速率也提高。 实际上，在膜重构实验中，可以看到这
样的现象。
蛋白质在膜中的锚定和与膜脂的相互作用在热力学上是可行的 。
实际上，脂分子与膜蛋白的相互作用不仅存在于脂双层的疏水
核心区，而且可能在膜表面和内在蛋白的膜外部分的表面之间发生。
根据“相似者相容”的规则，从热力学分析上，有理由估算 Δ脂分
子烃链结合到膜蛋白的 ΔStc 和脂分子头部基团结合到膜蛋白的 ΔStH
值较小并且是负的,它不利于它们的相互作用。但是,ΔStH不仅取决
于脂肪分子的头部基团（ ΔStH）而且取决于结合于脂双层表面的水
（ ΔSW）, 虽然 ΔSH 是负值,但是 ΔSW值有可能是一个更大的正值，因
为，磷脂头部与蛋白的结合，使得与它们结合的有序水减少。相对
疏水的蛋白表面和相对疏水的脂分子头部（如 PE）彼此能够更紧密
靠近，因为从热力学上，更倾向于从两者界面排挤出水分子。从而,
在某些环境中,产生了有利于磷脂头部与蛋白之间相互作用的自由能
降低。因此，对于膜脂分子与蛋白的结合，其总的自由能变化
ΔG(即 ΔGtH+ΔGtc) 很大程度上是取决于 ΔGtH,即取决于是否有利于脂
分子极性头结合于蛋白合适部位。由此，可以得出一个重要的结论，
调节脂分子头部与蛋白的相互作用可以调整膜中膜蛋白的聚集状态，
进而调整膜蛋白的功能。这可用以解释许多膜现象，如细胞表面受
体在配体的作用下，会发生聚集而起动信息传递的级联反应。
界面脂（ interfacial lipid ）和结合脂（ bound phospholipids）
脂分子极性头与蛋白的相互作用又可以显著增加脂质分子
“停留”于膜蛋白附近的时间或者说减少脂质分子“逃离”膜
蛋白的自由扩散。 ESR的数据表明在膜蛋白存在下，脂双层似
乎被诱导形成两个脂的“结构域”（ domains），至少，在 ESR
实验中，在短暂的时间尺度上，可以在蛋白周围检测到通常称
之为界面脂（ interfacial lipid）的存在，这一,结构域”的磷脂
与其他区域的不同，其运动受到明显的限制。这个结构域中脂
的多少与膜蛋白量和蛋白表面积成正比,ESR测量出每一个肌
质网的钙泵蛋白单体的界面域的脂分子数是 25个。 ESR测量还
表明，界面区域脂的运动特性与纯脂双层中脂的运动特性有些
不同，不能参与高度协调的相变。不过，并非所有界面脂都必
然结合到蛋白上，许多界面脂是因为蛋白的存在导致横向扩散
受到限制而被“陷入”（ trapped）脂双层和蛋白表面之间的界
面中。 结合磷脂或结合脂（ bound phospholipids）和其它界面脂
有差别，它们与非界面脂的交换要慢得多，并且能够以与膜蛋
白相似的特征速率在膜中旋转。当然，有没有界面脂的存在目
前还有不同的看法，有的研究指出界面脂的流动性与非界面脂
无差别。
膜蛋白与结合脂的一定特异性
胆固醇具有较大的与蛋白相应结构域结合的亲和力。与膜
蛋白结合的结合脂可能存在一定特异性。例如 PI特异地与血型
糖蛋白（ glycophorin A）结合，虽然,PE也带负电荷，但是它
并不结合于血型糖蛋白。 有些膜脂的存在对于某些酶的激活
是必需的。例如,β-羟丁酸脱氢酶的激活特异地要求 PC的结合。
虽然至今发现的对脂有特异要求酶不多，但是，有理由相信，
由于膜界面脂和结合脂能够结合到某些膜蛋白上，在膜通透性，
膜蛋白相互的聚集等特性与功能方面，脂与蛋白的相互作用发
挥起着重要的作用，从另一个角度看，膜蛋白的旋转运动也可
能影响非界面脂的状态。
5.5 膜融合 (Membrane fusion)
5.5.1 前言
生物膜融合是一种基本的细胞过程。 从生命起源开始就
伴随着膜融合的发生。 最初意义的细胞的产生很大程度上依
赖于包围着各种不同的简单的核苷酸和多肽的“原始膜”
(primodial membrane) 的相互融合。 同样的,这些原始细胞的
“繁殖”必然也是它们的原始的表面膜的无规分裂的结果。
随着细胞的演化，发展出细胞内膜系统,它不仅仅是简单的
胞内区间化的隔离屏障，而且是细胞进行物质能量代谢的主
要场所，它是细胞进行蛋白和其它生物大分子的合成、加工、
修饰，分拣、和包装与输运的“生产加工线”。 同时，细胞
间和细胞内膜的融合发挥着更加多样的作用，表现出更加复
杂的过程。膜的融合已不再是无序和随机发生的，而是在有
效的调控进行的。所有细胞的生命全过程都伴随着被精细控
制着的膜的融合。在特定的生理过程中，既进行着某些膜的
融合，而又避免其它无关的膜融合的发生。
表 5.9 若干与膜融合有关的细胞事件
多数细胞 胞质分裂 (cytokinesis)
内吞 (endocytosis)
外排 (exocytosis)
胞内膜“输运” （ "traffic" ）
发育期间 受精 (fertilization)
皮质区反应 (cortical teaction)
红血球,肌肉,骨的成熟
感染期间 病毒，原生动物的进入和被排出
表 5.9 显示膜融合介导许多最基本的生理过程, 这些生理过程对所
有真核细胞的生存与功能而言至关重要的 。 膜融合还是生物膜更新
重组的重要途径 。 例如中性粒细胞在 30分钟内就能通过内吞和外排
把质膜全部更换, 通过膜的更新, 膜维持其完美的弹性和功能 。 即
使在单个细胞内往往也同时发生着若干种融合, 因此为了维持细胞
的有序的功能, 避免发生混乱, 这些融合过程必然要由不同的机制
来协调控制 。 细胞的外排作用和具被膜的病毒对细胞的感染是广泛
用于膜融合研究的两个系统 。
5.5.2 膜融合的基本过程
膜融合可以分为两大类型：
（ 1）胞浆面融合 (plasmatic facesfuse,PF-type)。 如细胞
分裂外排，胞内膜泡融合和病毒出芽。
（ 2）胞外面融合 (exoplasmic facefusion,EF-型 ),如细胞
融合、内吞、和病毒－溶酶体融合。
钙离子浓度、脂的不对称性，细胞糖被的存在以及激
素等都对膜融合有显著影响。但是 PF－和 EF－型融合过
程涉及的影响因素可能相当不同。
还要指出的是膜融合并不简单意味着使两个独立分
离的膜成为单一的膜。 EF型的膜融合（如细胞融合、内
吞等）和部分 PF型膜融合（如外排、胞内膜泡融合等）
使两个膜合并成单一的膜连续体（ membrane continnum）
即所谓融合型，而病毒出芽，胞内膜泡形成（出芽）和
细胞分裂等 PF型膜融合即发生相反的分离过程，使原本
一个连续的膜形成两个分离的膜结构。
所有类型的膜融合对于脂双层而言都发生四个基本过程,
(1) 紧密靠近 细胞间或膜泡间或细胞质膜与膜泡间都可能发生膜
融合。两个膜首先要紧密靠近，以相互接触和彼此识别 (<1.5nm)。两
个膜的接近可能是随机的，但是，通常是有方向或靶向的，甚至是有
一定路径的趋向运动。细胞骨架在膜泡定向输运中起着重要作用。要
使两个膜足够地接近和接触需要克服两个障碍，一个是有些膜蛋白外
展于膜外的部分过大，妨碍质膜的接近，因此，在融合前，这些内在
蛋白要从融合区移去；另一个更大的障碍是脂双层表面的极性的水环
境，即结合水或结构水阻止两个膜的密切接近，这种“水屏障障”可
延伸达数 nm厚，它造成的能障等同于数千个大气压。要打破这样的
能障，必须移去“水屏障”。借助化学膜融合剂可有效地把膜表面的
“水屏障” 去除。 例如聚乙二醇（ PEG）有很强的吸水能力，因此
可以有效地诱导膜融合,在生理条件下，通过什么机制克服能障或水
屏障的尚不很清楚。 可能存在某些能够诱导膜融合的蛋白装置，通
过产生强疏水性相互作用，把水排出，而使两个膜表面挤到一起。有
些插膜蛋白，如蜂毒素 (melittin)和血清白蛋白具有诱导膜融合的特性,。
也可以借助机械力克服能障，造成膜融合。电融合 (electrofusion) 就是
在交电电场作用下，细胞极化而相互靠近，然后施加高压电脉冲，克
服膜间能障，使两脂双层去稳定化并瞬间形成微细的融合孔。电融合
技术已成为细胞融合工程的重要手段。
(2)半融合（ homifusion） 即脂双层的去稳定化，一旦克服
了妨碍膜融合的能障，两脂双层将互相靠得很近，足以发生
融合。首先涉及磷脂结构的变化，可能形成某种中间状态，
比融合部位的脂双层不对称的两叶片层在两膜融合前会发生
混合，它们的脂的组成达成平衡。当然脂结构的去稳定可能
非常快或短暂，而且并非是显著的需能过程。在较高的温度
下，脂双层的构象变化明显加快。
(3)融合孔的形成 (fusion pore formation) 脂双层从中间状态
（活化状态）自发地重建脂双层结构，而形成融合孔，这是
一个自由能降低的自发过程。融合孔的形成或者说初始的融
合可能是很快的，以毫秒级计，所形成的融合孔非常狭小约
2nm大小。
(4)最后阶段，融合孔的扩宽
这是一个融合区域脂双层的重组过程，也是膜或细胞形
态重建过程，例如，以狭小融合孔连接的两个融合的成肌细
胞，从哑铃形重建成管状肌纤维细胞状态。又如分泌小泡与
质膜形成的融合孔进一步扩大，并把分泌物质排出胞外，而
原有分泌泡膜即重组入质膜。对于不同的膜融合，这一膜和
细胞形态重建过程所花费的时间差别很大，它不仅依赖于膜
的可塑性，还依赖于胞内细胞骨架的重组，而且，细胞渗透
压是膜形态重组的基本动力。
5.5.3 局部膜融合的假设 ( Focal membrane fusion concept )
运用快速冷冻断裂刻融技术的电镜观察和采用膜片电压箝位技术分析细
胞膜的电容变化 对膜融合的原初过程进行分析表明，外排分泌小泡和质膜
之间的接触面积少于 50 nm直径。而仙台病毒感染细胞时，其胞被膜与细胞
质膜的接触面积小于 20 nm。然后，两膜间形成细小的融合孔。分泌泡与质
膜间融合孔的直径为 1.8～ 5.2 nm。仙台病毒胞被与细胞质膜间的融合孔小
于 2 nm。这说明在生理条件下，膜融合的初始阶段只涉及非常局部的膜区
域（不象用 PEG人工诱导膜发生大面积的融合），这样可避免需要克服妨
碍膜融合的巨大能障。并且，融合孔的扩展并不是依赖于形成更多的融合
孔，而是已形成的细小的融合孔的扩宽和非融合区域膜的形态重建。这就
是所谓局部膜融合假说。渗透压可能为融合孔的扩展和膜形重建过程提供
重要的推动力。例如在外排过程中，融合孔形成后，仍然紧密包裹的分泌
泡内含有高浓度的内容物，造成高于细胞外液的渗透压，导致胞外水分子
流入，随着膜膨胀，使得融合孔扩张，分泌泡膜与质膜成为一体。利用仙
台病毒诱导细胞融合形成合胞体的一系列实验也表明膜融合过程本身与随
之发生的膜与细胞形态的重建是独立的两个过程。该病毒的胞被膜同时与
相邻的细胞的质膜融合,通过细小的融合孔把相邻的细胞连接一块，在实验
中可以观测到细胞聚集现象。由于成熟病毒的被膜上存在有“孔形成蛋白”
促进水大量流入细胞，引起融合孔的扩展和膨胀，最终形成合胞体。但是，
如果用早期未成熟的仙台病毒感染细胞，可以发生病毒被膜与细胞质膜的
融合和细胞的聚集，但是不会产生合胞体，因为早期仙台病毒的被膜不带
有“孔形成蛋白”。
5.5.4 膜融合装置 (membrane fusion apparatus)
十多年前，用电镜观察细胞外排过程时，就发现在膜融合早期阶段，
有些膜内在蛋白颗粒 (IMP,intramembrane particles) 与融合区（约 20～ 30nm）
紧密联系。通过对细胞外排，细胞内膜泡的融合以及病毒如流感病毒感染
细胞等膜融合过程的大量研究表明，所有生理条件下的膜融合可能都需要
一些特异的致融合蛋白（ fusogenic proteins) 的参与，来克服妨碍膜融合的
能障。在非笼形蛋白胞被的膜泡输运过程中，膜泡与靶膜的融合，不仅需
要有 ATP,GTP和 acylCoA,而且需要若干蛋白成分参与。首先，在具有
GTPase酶活性的 Rab蛋白的控制下，输运膜泡上的 v-SNARE和靶膜上 t-
SNARE相互契合，使输运膜泡选择性地锚定于靶膜上。胞浆中游离的蛋白
SNAP(soluble NSF attachment proteins)先结合到 SNAREss上，然后 NSF（ N-
ethylmaleimide-sensitive factor）蛋白结合到 SNAP上，启动膜融合装置蛋白
复合物的组装，催化膜泡－靶膜的两脂双层的融合。
最先，人们从流感病毒被膜分离到膜融合装置蛋白复合物。流感病毒被
感染细胞内吞，进入胞内体 ( endosome)，病毒被膜与胞内体融合，释放病
毒的核酸到胞浆，进行复制。催化膜融合的是病毒被膜上的 HA蛋白。这个
融合蛋白的三维结构已经由 X－射线晶体衍射分析决定。 HA蛋白进入胞内
体后，低 pH诱导其构象发生很大变化，使原先隐埋的疏水区域暴露到蛋白
表面。成簇的疏水区与两膜的脂双层相互作用，使两膜脂双层紧密接触并
发生去稳定化，最终导致病毒被膜与胞内体膜的融合。介导小鼠精子与卵
细胞膜融合的蛋白，其结构与流感 HA融合蛋白有相似的结构,。
这些例子表明，在正常条件下，细胞发生的膜融合要有特殊的蛋
白介导并且受到细胞本身的多种调控机制的严密控制。精确控制下
的有限的膜融合，保证细胞生命活动的正常进行，既维持细胞自身
的稳定和整体性，又维持细胞内各亚细胞区间的相对独立性。 在这
许多细胞调控系统中，信号传递 (signal transduction ) 是关键环节。
钙是生物膜融合的普遍诱导物，细胞间初始的细胞黏附和细胞器之
间脂双层的接合，钙离子都是介导者。在大量的生物膜融合事件中，
钙离子作为初始的触发物 (primary trigger) 起十分重要的作用。膜融
合的全过程涉及不止一条信号通路，特别是 G蛋白偶联的信号通路
如磷脂酰肌醇信号通路。通过 IP3刺激胞内钙库钙的释放，或者通过
打开细胞膜上钙通道，使胞内钙离子浓度升高,钙离子浓度的升高
激活了一系列下游事件，触发和影响着膜的融合。下图概括了若干
影响生物膜融合的典型的信号通路事件。
还应当指出，膜融合过程及其机理的研究和膜融合技术的发展将
可能应用于生物技术及其产品的开发上。例如，开发提高涉及细胞
分泌的膜融合能力的技术可以用于增加某些特殊分泌分子的生物工
程产品的产量。研究选择性抑制生物膜融合的能力有助于开发新的
避孕药物和抗病毒药物。如果能够阐明细胞选择性膜融合的调控机
制，将有助于提高靶向药物脂质体的有效性。
配体
受 体
转换器
效应器
效应分子
生物效应
membrane
1,Introduction
The Membranes form continuous sheets that form the
outer boundaries of the cells or enclose intercellular
compartments to form many organelles.
The all bio-membranes exhibit characteristic trilaminar
appearance in electron micrographs.
2,A summary of membrane function
3,The structure of the plasma membrane
4,The dynamic nature of the plasma membrane
5,Membrane fusion
§ 5,The general structure and function of the
plasma membrane
5.1,引言
生物膜概念的提出及生物膜存在的普遍性的实验观察是人
类对生命物质及细胞的认识的 重要飞跃 。 1839年 PurKinje引
入原生质（ protoplasm）这个概念以概括生命物质的基本特
性。由此产生了一个关键的问题即这个原生质是否由某种膜
包围着。一百年前，即 1895年,Overton以著名的生理实验，
即蔗糖溶液引起植物细胞的质壁分离（ plasmolysis），表明
细胞膜的存在。他进一步发现脂溶性物质比水更容易进入细
胞，基于一系列实验他提出 细胞膜（ cell membrane）必定含
有脂类物质如胆固醇或卵磷脂 （ Lecithin）。人们真正知道
细胞通过称之为质膜（ plasma membrane）的结构与其外部
环境隔离开来。实际上,这也是人们认识细胞通过其质膜与
外部环境的相互作用的开始。这里不可能详细追溯关于膜结
构与功能概念的发展历史。
但是，值得提到的是在本世纪三十年代，远在可能用电子显微镜观
察膜或用 X光衍射技术研究它的详细结构以前,1925年 E,Gorter和 E,
Grendel就提出了 双层脂叶片模型 （ Leaf lamellar model），首先提出膜
的脂双分子结构，这是被广泛证实的关于膜结构认识的基础； 1935年 H,
Davson 和 J,Danielli提出膜的蛋白质 ——磷脂 ——蛋白质,三明治”式
结构 （ Sandwith model），指出脂双分子层上有一薄片球蛋白吸附其上。
他最先试图用这个模式解释膜渗透性等膜的生理特性。这一个基本上正
确的生物膜基本结构的见解，是膜研究的一个里程碑。由于细胞膜仅仅
只有几层分子厚（ 5~10 nm），在光镜下，一直无法从细胞切片上观察
到质膜的真实面目, 事实上，又经过二十多年，即五十年代末，由于组
织样本制备与染色技术的发展，在透射电子显微镜下生物膜清楚地呈现
其简单的三层结构形态,由外侧两个暗染层和它们之间明亮的中层构成,
其厚度约 7.5nm。这种三层式膜结构不仅围着细胞外周，而且包被着或
构成着细胞内几乎所有重要的细胞器，所有这些膜（统称为生物膜
Biomembrane），不管是质膜，核膜或细胞质内膜，也不管是来自于动
物，植物或微生物，都显示这样的三层式结构。 J,D,Robertson把这样的
膜结构称之为,单位膜, Unit membrane）。虽然“单位膜”这个模式概
念随着对生物膜结构更详尽的认识，而逐渐被放弃。但是，这些重要细
胞结构的真实可见的电镜图象激起对生物膜多层结构的分子组成，进而
对生物膜的结构与功能的争论和如火如茶的研究热潮。
二十世纪 60年代后期，生物膜研究的新成果产生了 S,
Singer和 G,Nicolson的 生物膜流体镶嵌模型 （ fluid mosaic
model），一种崭新的膜结构新概念，它强调生物膜的动力学
结构（ dynamic structure）和膜脂 -膜蛋白的相互作用。 70年代
以来，随着分子生物学，细胞生物学等多学科的发展，生物膜
成为这些学科的重要研究前沿领域。生物膜的研究有了飞速的
发展和深刻的变化，形成所谓膜生物学（ Membrane Biology）。
S,Singer和 G,Nicolson对生物膜动态结构的认识的中心点是膜
基本成分脂质的流体物理状态或运动。这奠定了作为膜生物学
重要部分的膜生物物理学的基础。多种现代物理学技术的应用
和对膜物理学特性与膜功能关联的研究，大大地推动了膜生物
学的发展。用脂质作成的人工膜，主要是平面膜（ bimolecular
lipid membrane）和脂质体（ 1iposome），不仅是分子水平研究
生物膜的结构和功能的理想模型，而且可以作为药物载体或制
作生物传感器。人工膜的研究已成为膜研究中十分活跃的领域，
并且已发展为有广阔应用前景的膜生物工程。
5.2,A summary of membrane function
1) compartmentalization
2) not only providing a selectively permeable barrier to
allow regulated exchange of substances between
compartments but transporting solutes by membrane
protein carriers between compartments or inside and
outside of cells
3) responding to external signals
signal transudation,receptor,signal amplification,
and as a source of messenger molecules
4) cell junction and mediating intercellular interaction
5) locus of the biochemical activities,providing a
scaffolds to organize enzymes for effective interactions
6) The transudation and store of energy,photosynthetic
energy and convert chemical energy to ATP and solute
7) miscellaneous
5.2 生物膜功能的概述
1,区间化 （ compartmentalization）
生物膜是连续、环闭的薄壳体。质膜（ plasma membrane）
把整个细胞包裹（ enclose）起来，核膜和细胞内膜系统
（ nuclear 和 cytoplasmic membrane）以及线粒体、叶绿体
膜等把细胞分隔成一个个相对独立的区间（ internal
cellular spaces）。 在这些分隔开来的区间中，分别实施着
不同类型的特异性活力（ activity），使多种活性作用相
互干扰减少到最低。 这种区域化作用非常重要，因为这些
区间都充满了液体，如果不同空间的内容物发生混合将是
灾难性的。这也是真核细胞较之原核细胞的巨大进步。另
外，各种类型的细胞和不同的细胞器都具有与其功能相适
应的形状和机械强度，这在很大程度上也依赖于相应的膜
的组成和结构。
2,物质通透和输运 (transport)的调节
生物膜一方面防止细胞与环境之间以及细胞内各区间之间的
物质自由混合，另一方面又为各个区间的有控制的交流或通
讯提供了手段，质膜提供的是一种选择性通透的屏障，保证
适宜的物质从外环境进入细胞质而排除不适宜物质的进入。
质膜具有多种生理性输运机制（ transporting solutes），把物
质从膜的一侧输运到另一侧，不仅允许离子或其它小分子物
质顺着电化学梯度输运，而且往往能从低浓度的一侧把物质
跨膜输运到浓度高很多的另一侧。膜完备的输运机制使细胞
得以积累必需的营养物质，提供其代谢的燃料和建造新的分
子。凭借膜的选择性通透性和多种输运机制，各种离子在膜
两侧形成离子浓度梯度并造成跨膜电位差（ electric potential
difference across membrane）。膜的这种能力不仅对于可兴奋
细胞（ excitable cells）如神经肌肉细胞是至关重要的，而且
在所有细胞对环境的响应中也起重要作用。实际上各种细胞
器的生物膜都存在可以调节物质跨膜运动的调节机制 。
还有一类重要的细胞跨膜物质输运方式即 膜泡输运 （ vesicle
transport）, 被输运的物质选择性或非选择性地被包裹于囊泡
中, 并循着一定的路径, 输运于细胞器之间或细胞器与质膜之
间, 实施内吞 （ endocytosis） 或外排 （ exocytosis） 过程 。
3,对细胞外信号的响应
质膜在细胞对外部刺激的级联响应中起关键作用, 即信号
传递, 放大与转换作用 （ signal transduction and signal
amplification and conversion ）, 除了膜上某些离子通道蛋白或
感受器蛋白能感应外部电信号外, 膜上受体能结合具有互补结
构的特异分子或配体, 不同类型的细胞具有带着不同类型受体
的膜, 对环境中的不同配体能够予以识别和响应 。 在这方面,
研究最多的配体分子是激素, 生长因子和神经递质, 它们能与
质膜结合而不透过质膜 。 质膜上的受体与外部配体相互作用使
膜产生新的信号, 以刺激或抑制细胞内部活力 。 例如在膜上产
生的信号能够指示细胞, 合成更多的糖元；为细胞分裂作准备；
向高浓度颗粒性食物运动；从胞内钙库向胞浆或胞外释放钙离
子；或者向细胞下达自杀的指令 。
4,细胞间的相互作用 （ intercellular interaction）
多细胞生物是由许多不同类型的细胞组成，细胞之间要
求形成和维持特殊的联系以协调工作，执行整体功能。在活
细胞的外缘通过质膜介导多种细胞间的相互作用，如细胞间
的识别、粘附和交流物质与信息。
5,生化活性的定位 （ Locus for biochemical activities）
膜提供一种方式使细胞内进行的各种生命活动（ cellular
activities）有组织地有序地进行。细胞内膜提供细胞伸延着的
网络或支架，把参与反应的多个元件有序地定位安置，以便
于相互作用在正确的时间，正确的位点上高效地进行。细胞
那些举足轻重的级联酶反应机构大多与各种膜相连系。
6．能量转换 （ Energy conversion）
细胞或机体都是一个开放系统，存在一系列能量转换机
制，膜在细胞的能量转换中起着重要作用。光合作用中发生着
最大量的能量转换，太阳光能由膜结合的色素吸收并转换为以
碳氢化合物形式储存的化学能。膜还涉及从碳氢化合物或脂肪
到 ATP的能量转换。在真核细胞中，执行这些能量转换的机构是
叶绿体膜和线粒体膜。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质
跨越膜两侧表面的浓度差时，能量即储蓄于它的跨膜电化学梯
度中，膜就成为储存能量的场所（ Site of energy storage）或者成
为,能势膜,（ energized membranes）。如同储蓄于电池中的能
量一样，这些能量反过来用于驱动细胞的许多重要活性。
7,其他
机械强度
绝缘
细胞运动
,5.3 An overview of the structure of the plasma
membrane
Investigation of cell membrane in early years
1925 E.Gorter & E,Grendel Leaf lamellar model
1935 H.Davson & J,Danielli Sandwith model
1959 J.D,Robertson The concept of the unit membrane
1972 S.J,Singer & G,Nicolson Fluid-mosaic model
In fluid-mosaic model,the proteins occur as a <mosaic
> of discontinuous particles that penetrate deeply into,and
even completely through,the lipid sheet,Most importantly,
the fluid-mosaic model presents cellular membranes as
dynamic structure in which the components are mobile and
capable of coming together to engage in various types of
transient or semipermanent interactions.
5.3.1 生物膜的“流体镶嵌模型,
1972年 S.J singer 和 G.Nicolson提出生物膜流体镶嵌模型，二十多
年来，通过大量实验研究，人们对生物膜结构的认识不断地丰富
和深化，但是这一生物膜动态结构的概念一直不失为膜生物学的
核心原理（ Central dogma）。在流体镶嵌模型中，如同以往的模
式，脂双分子层仍被看作为膜的核心层，但是脂分子是以流体状
态或液态存在于膜中，能够在其中作旋转（ rotation）或侧向运动
（ moving laterally）（图 6.2）。在这一模型中，膜蛋白颗粒不连
续地镶嵌于脂双分子层中，深深地穿入或完全透过脂片层。这个
模型描绘这样一个图象，即不同功能的蛋白质漂浮（ floating）于
二维的流体中（ two-dimensional 1iquid），所以被称之为流体镶
嵌模型。在流体镶嵌模型中，最重要的是细胞膜是以动态结构
（ dynamic structure）存在，膜的结构成分在其中可以移动并能
够聚集组装在一起，进行各种类型的暂时或永久的相互作用。后
来，人们在此基础上，又提出一些进一步的假设式模型。但是，
实际上人们已经很难再以某些简单的模式去描绘如此丰富多彩的
生物膜。人们越来越关注与多种多样的细胞功能和状态相适应的
膜结构的多样性、多形性和不对称性及其动态特性。
5.3.2 生物膜的化学组成及其在膜中的结构
所有生物膜都是类脂 —蛋白质聚合体（ 1ipid-protein
assemblies），膜成分 主要是通过非共价结合 组装成薄的片层结
构。除了类脂和蛋白质，大多数生物膜还含有某些糖类化合物。
膜上含有结合状态的结构水，并存在与某些膜蛋白结合的金属
离子。不仅在原核细胞与真核细胞之间，不同组织类型（如肌
肉、肝脏、软骨等等）的细胞之间，而且在不同细胞器（质膜、
内质网、高尔基体等等）的膜之间，膜蛋白与膜脂的比例变动
是相当大的。这样的差别是与各种膜执行其特殊功能密切相关
的。例如线粒体内膜含有电子传递链的蛋白载体，其膜蛋白的
比例较之其他膜要高得多。神经髓鞘在神经纤维外造成电绝缘
层，它由厚厚的高电阻的脂质层构成，仅含少量的蛋白质。
All membranes are lipid-protein assemblies holding together in
a thin sheet by mainly non-covalent bonds,They also contain
carbohydrates,The ratio of lipid to protein varies considerably
depending on the type of cellular membrane,the type of organism,
and the type of cells,
表 5.1 膜的化学组成（％）
膜的类别 蛋白质 脂类 糖类 蛋白质 /脂类
髓鞘 18 79 3 0.23
质膜
血小板 33－ 42 50－ 51 7.5
人工红细胞 49 43 8 1.0
大鼠肝细胞 46 42 （ 5－ 10） 0.9
盐杆菌紫膜 75 25 0
内质网膜 67 33 2.0
线粒体内膜 76 24 （ 1－ 2） 3.2
菠菜叶绿体片层 70 30 0
5.3.2.1 The composition of membrane lipids
Phospholipid
posphoglycerides( PC,PS,PI,PE,Cl etc.)
sphingolipids
Glycolipids
neutralglycolipids(cerebroside etc.)
acidid glycolipids(gangliosides etc.)
glyceroglycolipids
Cholesterol
There are ~50% of lipid molecules,5x106/μ 2,
109/per cell in the plasma membrane in some animal
cells
5.3.2.1 膜脂 （ membrane lipid）
大多数动物细胞的质膜约含 50%的类脂分子，一个小的动
物细胞的质膜大约有 109个类脂分子。构成生物膜的脂类有
三类：磷脂、糖脂和胆固醇，其中以磷脂最为丰富。
5.3.2.1.1磷脂（ phospholipids）
磷脂 分为
磷酸甘油脂
鞘磷脂类
1,磷酸甘油脂 （ phosphoglycerides）
膜磷脂中磷酸甘油脂的含量最多，不像三脂酰甘油酯
（ triglycerides）有 3条脂肪酰链，磷酸甘油脂是二脂酰甘油
脂（ diglyceride），甘油骨架只有两个羟基被脂肪酸酯化，
第三个羟基被连有其它基团的磷酸基酯化，所有这些与磷
酸基团相连的基团分子量均很小而且有亲水性，常见的基
团有胆碱（ choline），乙醇胺（ ethanolamin），丝氨酸
（ Serine）或肌醇（ inositol）。还有一种磷酸甘油脂，即心
磷脂或二磷脂酰甘油是两个磷脂酸分子分别连接到另一个
甘油分子的 1位或 3位羟基上（ sn-1,sn-3）
R1
R2
P X
Phosphoglycerides
R-CO-NH-
P X
Sphigosine
Sphingolipids Oli
R1
R2
G
Mono
Glycolipids
acidic glycolipids(gangliosides etc.)
neutralglycolipids(cerebroside etc.)
glyceroglycolipids
X
Sphigosine
Gly
cer
ol
Sphigosine
R-CO-NH-
G
2,鞘氨醇磷脂 （ sphingophospholipids）
另一类含量较少的膜磷脂是鞘脂类，它们是鞘氨醇
（ sphingosine，具有一条长疏水性烃链的氨基醇）的衍生物。
鞘氨醇上的氨基连接着一条长的疏水性脂肪酰链构成神经酰胺
(ceramide），鞘氨醇上的羟基再被带有亲水性基团的磷酸基
（ -Pi-X）酯化，就构成鞘氨醇磷脂。如取代基团（ -Pi-X）是
磷酰胆碱（ Phosphorylcholine）就构成鞘磷脂（ sphingomyelin）
3,磷脂分子中的脂肪酰链 （ Fatty acid composition）
膜磷脂分子中的脂肪酰链是长的不分枝的疏水性烃链。这
些膜脂肪酸可能是饱和的，单不饱和的或多不饱和的。磷酸甘
油脂通常含有一条不饱和（ sn-2)的脂肪酰链和一条饱和的脂肪
酰链。这些脂肪酰链的碳原子数可以从 12到 26，双键数目可以
从 0到 5。因此，多种多样的膜脂肪酸赋予各种膜磷脂特性上的
相当大的差异。
少数例外，如具有分枝的脂肪酰链或带有环丙烷环结构的烃
链。又如缩醛磷脂（ plasmalogen）与磷脂酰乙醇胺结构很相似，
但是甘油骨架 sn-2通过一个不饱和醚键 〔 而不是酯键 〕 相连接,
表 5.2 游离脂肪酸及其分子式
饱和脂肪酸 系统名 分子式
月桂酸 Lauric n-Dodecanoic CH3(CH2)10COOH
肉豆蔻酸 Myristic n-Tetradecanoic CH3(CH2)12COOH
棕榈酸 Palmitic n-Hexadecanoic CH3(CH2)14COOH
硬脂酸 Stearic n-Octadecanoic CH3(CH2)16COOH
花生酸 Arachidic n-Eicosanoic CH3(CH2)18COOH
木蜡酸 Lignoceric n-Tetracosanoic CH3(CH2)22COOH
不饱和脂肪酸 分子式
棕榈油酸 Palmitoleic CH3(CH2)5CH＝ CH(CH2)7COOH
油酸 Oleic CH3(CH2)7CH = CH(CH2)7COOH
亚油酸 Linoleic CH3(CH2)4CH=CHCH2CH= CH(CH2)7COOH
亚麻酸 linolenic CH3CH2CH=CHCH2CH= CHCH2CH= CH (CH2)7COOH
花生四烯酸 Arachidonic CH3(CH2)4(CH=CHCH)3CH= CH (CH2)3COOH
在脂肪酰链中，双键可以有两种几何构型异构体 (isomers）,
即顺式（ cis）和反式（ trans），前者双健两旁的 H分布在双键
同侧，后者则分别位于两侧。磷酸甘油脂肪酰链的双键往往
取 cis构型。从主体结构看,cis构型导致烃链在该处形成约 44o
的折角（ bend或 Kink）,而相应 trans脂肪酰链则是直线链状。
因此,cis构型的不饱和脂肪酰链与相同碳原子数的饱和脂肪
酰链和 trans构型的不饱和脂肪酰链比较，链长短而分子复盖
面积大。链长和分子面积对生物膜的特性有重要影响。
表 6.3 不同构型脂肪酸的物理尺寸
脂肪酸 双链位置 链长 (nm) 分子面积 (nm2) 构型
硬脂酸 18,0 2.1 0.20
反油酸 18,1*（ trans） 1.9 0.23
亚油酸 18,2（ cis） 1.3 0.82
4,磷脂的电荷特性
磷脂的极性头（ polar headgroup）由带负电荷的磷酸基及带
电荷或不带电荷的极性基团组成。磷脂极性头决定整个磷脂的
电荷特性。磷脂酰胆碱分子的磷酸基和胆碱的季胺基各带一个
负电荷和一个正电荷，因此，它是一种兼性分子 (Zwitterionic），
在生理条件下，它通常呈电中性（ electroneutral）。磷脂酰乙醇
胺在生理条件下也是电中性兼性分子，带一个正电荷的质子化
的氨基。磷脂酰丝氨酸，除了带负电荷的磷酸基外，还有另一
个带负电荷的羧基和一个带正电荷的质子化氨基，因此在生理
条件下，它呈负电性（ anionic）。磷脂酰肌醇，磷脂酰甘油，
和二磷脂酰甘油即心磷脂都属于负电性磷脂，所带的糖基不带
正电荷，无法中和磷酸基的负电荷。见图 6.3。
各种膜磷脂成分由于其极性头的结构不同，表现了不一样
的行为，这种差异对于膜功能有很重要的意义。应当指出，作
为兼性分子的磷脂，其真实的电荷状况还依赖于环境的 pH，即
pH与 pI（等电点）之差值，表 所列的净电荷是在中性 pH下的
电荷状况。
5.3.2.1.2,糖脂（ glycolipid）
膜糖脂又分成三类：中性糖鞘脂、酸性糖鞘脂和甘油糖脂。
前两类膜糖脂都是神经酰胺的衍生物，但是中性糖鞘脂分子中
的鞘氨醇的未端羟基被不带电荷的亲水性糖基所酯化，如取代
糖基为半乳糖，则构成半乳糖脑苷脂；而酸性糖鞘脂分子中的
鞘氨醇的未端羟基被含有唾液酸（ sialic acid）或硫酸的糖基所
酯化，前者构成神经节苷脂（ ganglioside），后者构成硫酸糖
鞘脂 (sulfoglycosphingolipids)。神经节苷脂是最复杂的糖脂，因
其寡糖链带有一个或多个唾液酸，整个分子带负电荷。神经节
苷脂在神经细胞的质膜中含量最丰富，约占总脂的 5－ 10 %。
多数细胞的质膜也含有少量神经节苷脂。至今已鉴定出 40多种
神经节苷脂。另一类膜糖脂是甘油糖脂（ glyceroglycolipid），
和磷酸甘油脂一样是二脂酰甘油脂，都带有长的疏水性的脂肪
酰链。但是其甘油骨架的第三个羟基不是被磷酸基酯化，而是
被亲水的极性糖基所取代，由于糖脂极性头结构的改变而形成
一系列不同的衍生物。
5.3.2.1.3,类固醇（ steroids）
某些膜还含有另一种类脂成分类固醇（ steroids）。胆固醇
（ cholesterol）是哺乳动物细胞质膜最常见的类固醇，某些动物
细胞的质膜含有占类脂总量 50%的胆固醇。胆固醇由一个平面
融合的 4环核（ fused-ring nucleus）、一个极性羟基和一条烃链
构成。胆固醇与上述其他脂分子的结构差别很大，分子量比其
他膜脂小，没有长的脂肪酰链。大多数植物细胞和所有细菌细
胞的质膜不含胆固醇，但是植物细胞膜含有谷固醇和麦角固醇。
表 5.4 一些生物膜的膜脂组成 (%)
类脂 生物膜
髓鞘 叶绿体 红细胞 线粒体
磷脂 32 10 55 95
胆固醇 25 0 25 5
鞘脂类 31 0 18 0
糖脂 0 41 0 0
其它 12 50 2 0
各种生物膜的膜脂组成存在较大差异，甚至一个细胞
不同位置的膜脂组成也可能不同，双片层两叶脂分布不对
称：
所有生物膜都含有磷脂,三酰甘油不在膜上。
真核细胞都含有胆固醇，细菌不含有胆固醇。
某些重要的膜脂 的性质或在膜结构与功能上的作用
磷脂酰胆碱 （ phosphatidylcholine,PC）或称卵磷脂 (Lecithin)
对动物和植物细胞膜而言,PC都是最丰富的一类磷脂。 PC
都具有胆碱极性头，但是其两条脂肪酰链却呈现广泛的非均一
性，因此 PC组成上并非总是单一形式的分子。
磷脂酰乙醇胺 （ phosphatidylethundamine,PE ）或称脑磷脂
（ cephaline） PE也是电中性磷脂。
磷脂酰丝氨酸 (phosphatidylserine,PS )
PS是许多生物膜中占有突出位置的酸性磷脂，它对 Ca2+ 有
高亲合力。与 Ca2+ 协同作用参与膜融合,PKL激活和调节细胞
自稳等生理过程。 PS也是用于研究脂－蛋白质相互作用的重要
模式分子。
磷脂酰肌醇 (phosphatidylinositides,PI )
这组磷脂包括 PI,PIP（ phosphatidy-linositolphosphate）和
PIP2（ phosphatidyl -inositoltrisphosphate）。 PIP,PIP2是 PI
的肌醇基磷酸化衍生物。随着磷酸化程度的提高和 pH的升
高，这些磷脂呈现更强的负电性。这组磷脂只占膜脂的 10
－ 15%，但是在若干重要的细胞生理调节过程中起着重要作
用。如与 Ca2+,Mg2+ 等二价离子的静电交联（ electrostatic
cross-linking）、信号传递、蛋白激酶的激活等等。同时，
由于它们大多存在于膜脂双分子层内叶，对负的跨膜电势
的形成有贡献。 PI的另一个重要功能是把某些膜外周蛋白锚
定于质膜外侧。
溶血磷脂 (Lyso-phospholipid,Lyso-PL)
溶血磷脂 (如 Lyso-PC) 是相应的磷酸甘油脂，在磷酯酶 A2的作用
下，移去 sn-2脂肪酰链而形成，磷酯分子从双疏水尾巴（脂肪酰链）
变为单疏水尾巴，整个分子成圆锥体形状。这可能导致形成非脂双分
子层的微团（ micelles）或六角形构象 I (hexagonal I configuration),或
者可能在脂双分子层的重构（ remodeling）中成为“转角石”（ corner
stones），它们很可能涉及膜融合以及高曲率膜表面（如叶绿体类囊
体膜、内质网膜）的构建。细胞为适应环境（特别是植物为适应温度
的变化）通过磷酯酶对磷脂分子进行重新“剪裁”（ retailoring），移
去 sn-2或者 sn-1位脂肪酰链，不仅减少一条疏水尾巴，而且改变磷脂
分子的饱和度而获得合适的膜流动性。膜脂分子的这种重新剪裁还能
引起膜通透性、膜电位的改变，并且由于膜的相态及表面张力的改变
而导致膜蛋白（如 Na+/K+ ATPase,H+ ATPase）的活性的变化。
心磷脂
（ cardiolipin CL）或二磷脂酰甘油 （ diphosphatidylglycerol DPD）
这是一种仅有的带四条脂肪酰链的磷脂，只存在于线粒体，尤其是线
粒体内膜。因为 CL有两个磷酸基呈强负电性。 CL与蛋白分子异常紧
密的联系可能与其在线粒体中的重要生理活动有关。
叶绿体特异甘油脂 （ Chloroplast-specific glycerolipids）
叶绿体膜（包括外被膜，类囊体膜）非常不同于其他细胞膜，
一般它们的磷脂含量较低，特别是完全缺少 PE，而典型地具有高含
量的甘油糖脂，主要有两类，一类是半乳糖甘油脂（ galactolipids 或
galactosyldiacylglyceride,GDG），另一类是硫代鞘糖脂，如硫酸脑
苷脂（ Sulfolipids,SQDG）。半乳糖甘油脂其极性头没有带电荷的
磷酸基而代之极性单半乳糖基（ MGDG）或半乳糖二糖基
（ DGDG），因此呈电中性。半乳糖甘油脂的两条脂肪酰链大多均
为多不饱和烃长链。半乳糖甘油脂与磷脂不同，置于水溶液中不取
叶片层构象（ Layered configuration）而组装成反台锥体构象
（ inverted cubic phase），这被认为在形成内囊体膜曲面时起重要作
用。硫酸脑苷脂在结构上与单半乳糖甘油脂相似，但是在半乳糖基
上连有负电性硫酸基（ SO3－ ），因此 SQDG具有明显的阴离子和亲
水性。 SQDG主要存在于叶绿体基质类囊体膜，在某些动物的中心
神经系统和蚁类中也有发现。
鞘脂类（ Sphingolipids） 有三类主要的鞘脂类,
脑苷脂（ Cerebrosides CER)
神经节苷脂（ ganglisoides GM )
鞘磷脂（ Sphingomyelins Sph）
前两种属于糖脂，后一种属磷脂，但它们都具有一个极性（ D-
半乳糖、葡萄糖、磷酰胆碱或磷脂酰乙醇胺）和两条非极性尾（鞘
氨醇及其衍生物和脂肪酰长链）。脑苷脂呈电中性，极性头不含磷
酸基而代之半乳糖或葡萄糖，一般位于脂双分了层的外叶，是动植
物细胞细胞膜中最主要的鞘脂类。神经节苷脂也不带磷酸基，但是
含有一个由多个六碳糖基（其中构成的很大的极性头，有的六碳糖
基还连接有唾液酸，唾液酸在中性 pH下呈负电性。神经节苷脂在膜
中含量很低，但是膜脂重要的组成成分。霍乱毒素，破伤风毒素等
在膜上的受体结合反应均被认为可能涉及神经节苷脂。有一种致死
性遗传病－ Tay-sachs病就是缺乏一种氨基己糖酯酶，不能把神经节
苷脂 GM2加工成 GM3。在动物脑中神经节苷脂占灰质的 6%。鞘磷脂
与 PC,PE相似，极性头部磷酸基连接着胆碱或乙醇胺，整个分子
呈电中性。动物细胞的多数膜都含有 Sph，尤其是神经细胞的髓鞘 。
鞘脂类在生物膜中起显著的增强其刚性的作用 （ rigidificating）, 这
方面的作用仅次于类固醇 。 这种作用是由于其分子中的两条疏水性
链大多是高饱和度烃链, 而且链较长, 尤其是比鞘氨醇烃链更长的
脂肪酰链可能伸入膜脂两单分子叶片层之间增加脂双分子层的稳定
性, 而鞘氨醇氨基与脂肪酸羧基形成的酰胺键 （ -CO-NH-) 非常倾向
于形成氢键, 这又可以稳定膜蛋白 。
有趣的是膜鞘脂类的含量与 细胞衰老 相关, 在天然膜中 PC和 Sph存
在着如下关系
PC + Sph = K K为常数
PC与 Sph之间的比例随着年龄而变化, 在年轻组织中, PC/ Sph>1，
而老化组织中 PC/Sph<1。 在脑和神经组织,随着年老, Sph增加, 组
织硬度增高 。
类固醇 (sterols)
类固醇作为动物和植物细胞膜的重要组成成分对膜的特性有令人感兴
趣的生物物理影响。胆固醇在细胞膜上的分布是很不均一的，在质膜中胆
固醇的含量要大大高于细胞器膜。类固醇同样是兼性分子，在低浓度下能
够形成微团，与磷脂分子不同，它的亲水部分（单 － OH基团）的亲水性明
显地弱，即使在高摩尔浓度下也不可能单独形成脂双分子层。类固醇在生
物膜中的分子排列是极性羟基与磷脂的极性头相连系，环戊烷多氢菲
(Cyclopentanoperhydrophenantrene) 骨架的 A.B.C.D环和与之连接的分枝脂肪
烃链与磷脂的脂肪酰链平行排列，其 18,19位的甲基嵌入磷脂分子中不饱
和脂肪酰链由 cis C=C键形成的立体化学上的沟槽 （ lefts）中。由于类固醇
骨架是刚性平面，类固醇一方面提高膜的刚性和微粘度（ microviscosity），
另一方面疏水的分支脂肪烃链固有的运动性又增加膜局部微区的无序性
（ disorder），而产生相反影响使流动性增加。因此类固醇被认为对膜起着
双向调整和稳定的“缓冲剂”作用 (hemeostatic and stabilizing buffereffect)，
使细胞膜能在较宽的温度范围内（ 30℃ ~ 40℃ ）行使功能。一般说来，类固
醇对膜脂施以特别的有序化影响。因此，膜类固醇含量直接影响膜的通透
性和稳定性。类固醇还通过与膜蛋白的相互作用调整膜蛋白的功能。如调
节某些离子、胸腺素、葡萄糖的输运,ATP/ADP变换,GABA摄入,Na+/
K+ ATPase活性等。某些膜受体的作用如乙酰胆碱受体，也受膜胆固醇水平
的影响，胆固醇与膜蛋白的作用还被认为是膜类固醇对膜生物合成及细胞
生长具有重要影响的因素。
5.3.2.2 膜脂的结构特性与膜脂的组织 （ Structural
properties of membrane lipid and organization of membrane ）
5.3.2.2.1 膜脂最基本的特性是具有双亲媒性（又称兼性
amphipathic）和自组装能力 -生命为什麽选择 膜脂
膜脂的三种主要成分磷脂、糖脂和类固醇之间，分子结构相差甚远，
但是都是 兼性分子，这是它们的基本共同点 。 按照生物物理的定义，所谓
兼性分子是该分子同时具有疏水（ hydrophobic）和亲水（ hydrophilic）两
部分。膜结构的基础是建立在膜脂主要成分磷脂的兼性特性上。 磷脂兼性
分子能够以物理的而非化学的联系自组装（ self-assemble）成各种膜样微结
构（ microstructures）。这些结构，包括微团、膜泡（ Vesicles）、脂质体
（ liposomes）、微管状（ microtules）和脂双层（ bilayers）等，构成具有油
样区（ oil-like regions）和较大界面（ interfacialarens）的微相
（ microphases）。这些二维分子聚集体把暴露于水并与水不溶混的烃链面
积减少到最小。推动兼性分子形成这些微结构的强推动力称之为疏水基相
互作用（ hydvophobic effect），疏水的烃链被从水相中排斥开，而使水分
子之间形成更强的氢键。膜参与的许多生物过程都利用了兼性分子的特性。
在生物过程中,膜脂兼性分子能持续从一种微结构向另一种微结构转化
（ transform），以便对浓度,pH、离子强度和温度的精细变化作出响应。 膜
磷脂和糖脂等兼性分子还与蛋白质、糖基以及类固醇分子共连接
（ conjunction）形成超聚合物（ Super assemblies），介导和调控生命过程。
5.3.2.2.2,相结构（ phase structures）
生物膜基本上是脂双层（ lipid bilayers）结构，即双磷脂分
子层。但是各种生物膜的相结构成分（ phase composition）并
不是单一形式（ Uniform），任何给定的膜也不都是仅以脂双
层结构存在。某一膜内有可能同时存在几种相结构，膜脂分子
（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相结构：
脂双层构象（ Bilayers configuration）
a,液晶或流体相（ Liquid-crystalline or fluid phase）（ L-á）
b,固相或凝胶相（ solid or gel phase）（ L-β）
非脂双层构象（ non-bilayers configuration）
a,六角形 HI (Hexagonal)相
b,倒六角形 HII（ inverted Hexagonal）相
c,立方体（ II）相
d,倒立方体（ III）相
混合相（ mixed phases） 例如在一些膜中，某些区域可能
是 L-α脂双层构象，而另外的相结构可能分散其间。
1,脂质分子在水化状态下的可能聚集形式
在无水情况下，磷脂分子以多脂双层规则地堆积着呈
晶态，并可受热熔化成为分子无序排列的液态。在有水条
件下，即磷脂被水化时，依介质的不同，磷脂取不同的聚
集形式。在水溶性介质中，磷脂分子可以单分子、单层、
微团、以及脂双层等形式存在，或几种形式共存。在含水
的非极性介质中，磷脂分子可以倒微团（ inverted micelle）
形式存在。当它在空气中形成气泡时，形成倒脂双层
（ inverted bilayers），磷脂的尾部朝空气，两层磷脂的极性
头部相对，中间夹着一层水。
临界微团浓度（ critical micelle concentration CMC）把
脂质分散于水溶液时，一旦浓度达 CMC，脂质分子即发生
聚集。形成微团的脂质的 CMC约为 10-5M，形成脂双层的脂
质的 CMC约为 10-10M。具有两条烃链的磷脂分子则形成脂
双层。在平衡态时，脂质单分子和聚集形式的脂质分子之
间处于动态平衡。
从热力学角度，当一种脂质分子进入聚集状态，其每个分子的自由
能（ free energy）最小。大致可认为脂质分子的相互作用自由能
（ interaction energy）包含两项，一项反映疏水的烃链对水的排斥（ The
advoidance of water by hydrocarbon chains），一项反映带电的表面基团的
相互排斥。前者是界面张力（ interfacial tension），其作用使每个脂质分
子的表面积最小化，而后者的作用则是扩张表面。 脂质分子的相互作用
自由能取决于若干因素：分子尺寸、链间相互作用力、链的柔韧性、极
性头和周围电介质的相互作用（ interactions between the head
groups and the amibient electrolyte）以及在高浓度时发生的聚集颗
粒之间的相互作用。 分子结构与其倾向选择的微团形式存在某种联系，
不同大小的极性头和不同数目与长度的疏水链，即不同的分子形状形成
相应不同的微团形状。堆积参数 ρ(Packing parameter）用以定量地描述具
有一定形状的单个脂质分子的结构
ρ＝ υ/LA0
A0是平均表面积（头部基团在介面处的面积）,L为平均长度（烃链的
长度）,υ为平均分子体积。堆积参数 ρ可以作为脂质聚集态的判据：
ρ<1/2的脂质分子一般具有相对宽的极性头，有近于圆锥体或截头圆锥
（ truncated cone）形状，一般形成典型球形微团（ globular micelle）或筒
状微团（ cylindrical micelle）。 ρ为 1/2~1，脂质分子呈截头圆锥形状或筒
状，它们不适合于形成微团而必然堆积成脂双层囊泡或平面脂双层。
ρ>1，脂质分子的极性头相对较小，而有长的烃链，分子呈倒截头圆
锥，在高脂质浓度下，倾向于形成倒微团（ inverted micelles）。
卵磷脂和溶血卵磷脂都具有相同大小极性头（ A0=70?2），但是
前者链体积为 70?3，链长 17.5?，相应的堆积参数 ρ=0.85，根据这一判
据卵磷脂最倾向于形成半径 108?含有 3000个分子的脂双层囊泡。而后
者只有单条烃链，链体积小，相应的堆积参数 ρ=0.42，因此溶血卵磷
脂则形成只含 186个分子的小微团。这些分散的不同类型微结构的脂
质聚集体，随着浓度的增大，可以进一步形成更大的不同的聚集态或
组织结构，或称之成相过程（ phasing）。例如，微团形成六角形结构，
排列成 Hexagonal I (HI) 相，倒微团形成倒六角形结构，排列成
Hexagonal II（ HII）相。不同的条件（如浓度,pＨ、离子强度和温度
等）都会引起实际分子堆积参数（或者分子“形状” ）的变化，而形
成不同的聚集态或相。例如 PE在 pH<7.4时头部 -NH2质子化,水化度降
低,A0减小,ρ>1，形成 HII相。当 pH为 8-9时，头部 -NH2去质子化，
水化度增高,A0 增大,ρ＝～ 1，形成稳定的脂双层。所谓脂多型性
（ lipid polymorphism），不仅是指不同分子形状的脂质分子可以自组
装成不同类型的聚集态或相，而且也指同一脂质分子在不同条件下可
能形成不同的聚集态或相。在生理病理过程中，脂多型性对于生物膜
的功能有重要意义 。
2,脂双层相（ Bilayers或 Lamellar phase）
对生物膜而言，脂双层是由膜脂分子（尤其是磷脂 〕 形
成的最主要的相结构，早期量热计的数据提供了一些生物膜
存在磷脂双分子层的证据。 X射线衍射数据真正建立了跨磷
脂双分子层的电子密度纵剖面图，在 DPPC凝胶相脂双层两侧
磷酸之间的宽度大约为 46 ?,膜的厚度随脂质分子的不饱和
度的增加而减小，在某些情况下，脂质分子极性头结构的改
变及由此引起水化度的变化都足以使脂双层结构发生改变。
可以以液晶相或凝胶相存在。细胞膜的脂双层结构对细胞的
结构与功能有巨大影响。由于脂双层固有的自发组装的特性，
细胞膜总是连续的“没破裂”,而且无游离边缘的结构，在
细胞内形成广延的相互联系的网络。由于脂双层的柔韧性，
生物膜是可变形的 (deformable)，它们总的形状是可以变化的，
特别是在细胞运动或分裂期间。脂双层结构使得细胞膜在细
胞分泌、分裂和受精等过程中可以发生融合（ fusion）或拆分
(splitting)。实际上，脂双层结构的膜的自发产生是细胞演化
中最基本的早期步骤。
1) 液晶或流体相（ liquid crystalline or fluidphase）
液晶相是具有生机活力的细胞，特别是“年轻”细胞
的典型的细胞膜相结构。由于脂肪酰链具有运动自由度
（ motional freedom），脂双层膜是比较柔韧的，镶嵌其中
的蛋白质，象脂质海洋中的小船，得以实施最大的生物活
性。从人工膜测得的数据表明，磷脂在膜中有高的侧向运
动自由度，每秒钟磷脂分子与其临近分子交换位置达 106 次。
不饱和脂肪酰链含量越高，流体相越大，不饱和脂肪酰链
的 cis双健造成键的扭曲 (kinks),增加柔韧性（ pliability）。
然而，脂双层的液晶态是相对于真正的固态和液态而言，
并不是真正液态，液态的运动是各向同性（ isotropic），即
在任一方向的运动都可能是等同的，而作为二维流体的液
晶态至少有一维方向具有固态样的有序性。脂质分子能在
平行于膜表面的膜平面中相当自由和快速地转位，但是，
脂质分子不倾向于在垂直于脂双层平面的方向进行转位或
者说不易于从膜向外伸出或滑出。
2) 凝胶或固态相（ The gel or solid phases）
处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结,几乎完
全失去运动自由性，而取硬棒样形状，即全反构象。 膜变得更
具刚性而失去柔韧性。并且镶嵌于脂双层中的蛋白质不再能够
运动。凝胶相的膜对物理性协迫 (stress) 失去适应性，而易于形
成渗漏（ leak），造成膜通透性及其功能的损害。衰老或不完
善的细胞膜往往表现为典型的凝胶相。
3) 脂双层中磷脂分子的构象 （ lipid conformation in membranes）
磷脂分子在脂双层膜中的构象是 磷脂分子大体垂直于膜表面,因此，
它可能具有的运动方式是容易绕着垂直于膜表面的纵轴旋转。实际上脂肪
酰链大约有 20o～ 30o的倾斜,，在脂双层膜中，磷脂分子是一种双平面结构
（ biplanar structure），有点象是弯曲的手掌（见图），极性亲水头和磷酸
颈部（ phosphate neckgroup）以及连接于甘油骨架 sn-2位的脂肪酰链的 1# 和
2# 碳原子共同处于一个平行于膜表面的平面上，而非极性的脂肪酰链处于
与该平面垂直的另一个平面上。两条疏水尾部的不等长，它们伸入脂层内
部的深度就不一样，因此两个叶片层的疏水尾部可能交迭（ overlap），起
到稳定两个单叶片层偶合的脂双层的作用，形象地描述脂双层中单叶片层
（ monolayer leaflet）磷脂分子的构象，它们就象一叶漂浮于海洋中带篷的
小舟，船体代表亲水的极性头。处于水的介质平面上，每只小舟上可以想
象带有两支桅杆，一支竖直的，另一支是弯曲的。磷脂分子处于脂双层相
的凝胶态和液晶态时，脂肪酰链分别取 全反构象（ all trans）和扭曲构象
（ gauche） 。脂肪酰链全反构象能量状态低，整个链似圆柱形，直径约为
0.42nm，扭曲构象具有较高的能量，烃链扭曲，横切面增大，直径约为
0.46nm,C－ C单链转动时受到较大的位阻。在发生液晶态和凝胶态间的转变
时,这两种构象迅速异构化。因此由 X衍射测得的 DPPC脂双层两叶片层磷酸
基之间的距离 (~4.6nm)小于脂双层厚度的理论值（约 6nm ），从测量脂双层
间电容数值 C(C= K,K为常数,?为介电常数 )，计算膜的厚度 L也可证明这
一点。
3,非脂双层构象 (non-bilayer conformation)
1) 六角形相 (Hexagonal phase) 脂双层构象作为生物膜脂构象的主
要模式并不能把它理解为一种惰性的一成不变的结构。在某些条
件下，如温度、细胞间二价离子浓度、以及组织或细胞间水化程
度等，可能产生非脂双层构象的六角形（ HI HII）相结构。六角
形 II（ HII）相是最常见的非脂双层相结构，在这种结构中，磷脂
分子组装成管状，，极性头部朝向充盈水的管腔，疏水尾部朝外，
中间形成水溶性通道（ channel ）。由于疏水表面的相互作用，
这些“管”倾向于以六角形排列紧密堆积。
2) 立方体相 （ cubic phase） 生物膜立方体相的形状是球形 （ spheres）
而不是长筒形 （ cylinders）, 它近乎 各向同性相 （ isotropic
phase） 。 立方体相主要也表现为倒立方体相 （ inverted cubic
phase III 相 ） 。 它似乎是在外界环境胁迫或衰老过程中 Lα向 HII 相
变过程中的中间形式 （ intermediary formation） 。 有证据表明, III
同样可能参与高曲率曲面生物膜 （ 如内囊体膜, 高尔基器膜 ） 的
形成, 以及膜孔, 具包被膜凹陷和膜通道的形成 。 叶绿体膜含有
约 50％ 的半乳糖苷脂 （ galactolipid MGDG）, 倾向于造成 III 相
从而介导典型的高曲率叶绿体膜的形成 。
4,相变 (phase Transition) 和相分离 (phase Separation)
1) 凝胶相到液晶相的相变 (gel-to-liquid Crystalline phase
transition) 这是保持脂双层结构状态下的相的改变，是用于
决定生物膜相状态的最通用的手段之一，测定它的相变温度
(transition temperature,Tt ),Tt被定义为显示出从液晶态到凝胶态
的相特点 (initial signs of phase) 开始改变的最低温度，高于 Tt脂
双层处于液晶相，反之处于凝胶相。高 Tt的生物膜比低 Tt的生物
膜在生理学上对外环境的协迫更为敏感。相变温度主要依赖于膜
成分的组成及它们相互的组织状况，这些因素主要有：
(1) 磷脂脂肪烃链的结构 不同磷脂的相变温度是很不相同的，
具有不同脂肪酰链的 PC形成的脂双层其 Tt可以从低于 0℃ 到高于
0℃ 。 (2) 极性头的性质 在所有常见的磷脂中,PE具有最高的
Tt，其顺序为 PE> PS>PC≥PG，与极性头基团的结构及其特性相
关的还有其水化程度和介质 pH。 (3) 膜的磷脂组成 纯磷脂相
变温度范围很窄，混合磷脂的相变温度取决于各磷脂的结构之间
的差别，一般来说结构差别大的磷脂组成的混合磷脂相变范围要
宽。
2) 片层脂双层相和六角形相之间的相变（ lamellar
Hexagonal phase transition）
这种相变与凝胶相和液晶相之间的相变不同。尤其是在
相变的动力学方面，这种相变的发生要慢得多，特别是从
六角形相到片层脂双层相的转变。在人工脂的实验中，常
常要求相当长的孵育时间（数小时到数天），而从片层脂
双层相到六角形相的相变的发生则很迅速，在数秒或数分
钟内即可实现。这种相变之所以较慢，是因为在相变过程
中磷脂分子要进行根本性的重排。
3) 相分离（ phase separation）
相分离或者混合相（ mixed phase） 即在给定的膜内发生
或存在相态各不相同的不同微区（ domains）。对于两种磷脂
组成的人工膜，当温度处于两种磷脂相变温度之间时，即可
发生相分离，即一种磷脂处于液晶相，另一种磷脂却处于凝
胶相，两相共存。基于不同的条件和过程，或者凝胶态象小
岛一样漂浮于液晶态海洋中，或者液晶态象小岛一样漂浮于
凝胶态海洋中，在两相共存时两相间会形成围绕“小岛”的
界面脂薄层（ inferfacial lipid）。生物膜发生相分离的生理意
义是多方面的。如老的细胞膜发生典型的相分离导致膜的泄
漏（ leak），预示细胞的死亡。另一方面，有序的不同膜相区
域的共存，在某些情况下却是有益的。典型的例子是类囊体
膜，类囊体膜含有相当量的被认为并不取脂双层构象的糖脂
（如 MGDG）和 PE，这对于光合成是很重要的。
5.3.2.2.3,人工膜（ Artificial lipid membrane）
从 70年代以来，人工膜日益发展为一项生物高技术。,人工膜
主要分为两大类，一类是双分子层脂膜（ Bilayer Lipid
membrane,BLM），它包括平面双分子膜和脂质体。另一类由
脂单分子层组成,称为单层膜或 Langmuir-Blodgett 膜（ LB膜）。
1,平面双分子膜（ planar bilayer lipid membrane,PBLM） 平
面双分子膜或平板膜往往也简称为 BLM。制作 BLM即是制作分
隔两个水溶液相的厚度小于 l0nm的人造双分子层脂膜，它可以
用一糸列方法来实现，包括刷涂技术，浸涂技术，吹泡技术以
及单分子技术等。在理论上和实验上,BLM的制备是很简单的，
然而它涉及了由适宜的兼性化合物（如磷脂）稳定的两个共存
油 /水界面（或一个双表面）的生成。 能否成功制备一个稳定
BLM的关键，是形成双分子层脂膜溶液（ BLM生成溶液 ）的
适当配分。广泛用于形成 BLM膜的材料包括：合成类脂、氧化
胆固醇、表面活性剂、类胡萝卜素以及脑、鸡蛋、大豆、叶绿
体、线粒体、红细胞和细菌等的类脂抽提物等等。
2,脂质体（ Liposomes）
脂质体是人工脂双层膜形成的圆球状膜泡（ spherical vesicles），
借助不同的制备方法可以制备不同结构的脂质体。在膜研究中，膜蛋
白可以插入脂质体，使对于它们的功能研究能在比天然膜简单得多的
环境下进行。脂质体可以作为 DNA或各种药物的载体，即将 DNA或药
物包装于脂质体的囊泡中，再运载到体内的靶细胞。例如，囊肿纤维
化（ cystic fibrosis CF）是一种粘液分泌异常的疾病，特别常见于呼吸
道，形成非常浓和粘稠的粘液，很难由肺经气道排出，该病的分子基
础是肺泡上皮细胞表面囊肿纤维化跨膜传导调控因子（ cysticfibrosis
transmembrane conductance regulator CFTR）,氯离子通道蛋白基因发生
突变，造成 CFTR氯离子通道缺乏或活性很低。带治疗用的“目的”基
因的载体药物易于通过呼吸而达到靶细胞。脂质体就是一种很好的载
体，当包装有编码正常 CFTR基因的 DNA脂质体，吸入气道和肺泡时，
脂质体和上皮细胞质膜融合而把其中的 DNA输运至有基因缺乏的上皮
细胞内。脂质体作为药物特别是基因药物运送载体有其长处，如高的
目的基因运载率；被包装于内的 DNA可以避免被核酸酶降解；通过同
时引入靶向“引航”分子（特异性抗体分子或其它细胞受体的特异配
体分子），可以提高脂质体的靶向特异性和与靶细胞反应的有效率，
脂质体具有较低的细胞毒性。
脂质体的类型
(a)水溶液中的磷脂分子团；
(b)球形脂质体；
(c)平面脂质体膜；
(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图
有三类脂质体常被采用，
大单层脂质体 （ large unilamellar vesicles LUV），直径大于
150nm。制备方法有去污剂透折法，反向蒸发技术和注入法等。
其中反向蒸发法较为方便，即在溶有过量有机溶剂的磷脂中加
水溶液，然后减压蒸馏蒸去有机溶剂，得直径大于 150nm的大
单层脂质体囊泡，最后可用 Sepharacyl 1000层析分离获得大小
均一的 LUV。
小单层脂质体 （ small unilamellar vesicles SUV），直径约
30～ 50nm。制备方法多用超声法。通过 sepharose 4B凝胶过滤
获得均一大小的 SUV。
多层脂质体（ multilamellar vesicles MLV） 由多层同心双
分子层脂膜组成，呈洋葱样结构，层与层之间夹有 5～ 50?m厚
的水层。制备 MLV的经典方法是将纯的磷脂溶于氯仿或甲醇等
有机溶剂中，然后抽去有机溶剂，磷脂在玻璃容器表面干燥成
薄膜，再加入适量缓冲溶液，最后经过 vortexing振荡形成
MLV悬浮液。目前 MLV也多采用超声法制备，但是超声处理
时间要短于制备 SUV,MLV直径大于 500nm。
表 5.8 SUV, LUV 和 MLV脂质体性质比较
结构 类型 直径 (nm) 包裹率 (%) 稳定性
SUV 30-50 0.1 差
LUV 150-1000 ～ 50 中等
MLV 500-3000 1-2 (超声法 ) 好
50 (冻融法 ) 好
2,LB膜 ( Langmuir-Blodgett膜 )
早在本世纪初 Irving Langmuir 就用后来被人称为 Langmuri
槽的装置制备单分子层脂膜 。 方法是将磷脂溶于易挥发的有机
溶剂 （ 如己烷 ） 中,然后滴加于水溶液表面并使之在水表面上扩
展, 有机溶剂挥发后, 沿水平面,用一可移动的条杆把水表面
上的脂分子往一侧压缩至尽可能小的面积, 脂分子在水平面上
紧密排列, 形成亲水头在水相, 疏水的烃链指向空气的脂单分
子层, 即 LB膜 。
Gorter和 Grende利用这个方法证明,红细胞膜包含的脂足以
形成相当于两倍红细胞表面积的单分子层脂膜, 他们在 1925年
提出, 天然生物膜的结构本质是脂双分子层 。
LB膜技术发展很快, 不仅用于研究脂膜的表面化学和膜磷
脂分子间的相互作用, 而且是研究药物, 多肽等与脂相互作用
的有力手段 。 另一方面的重要发展是利用 LB膜进行蛋白质二
维晶体的构建和结构分析 。 LB膜以及前面介绍的 PBLM,结合
X衍射, 光学以及同位素等技术正日益发展为研制生物传感器
和生物电子器件的重要方向, 有独特的应用前景 。 例如：嗜盐
菌的紫膜和大豆磷脂铺成多层 LB膜, 用琼脂糖作软接触, 可记
录到跨膜的 500mv 光电压信号, 并且具有 ps到 ms级光电响应特
5.3.2.3 膜糖类 （ membrane carbohydrate）
真核细胞的质膜表面都含有糖类化合物，它们共价连接于
膜脂或膜蛋白上。质膜糖基含量约占膜重量的 2－ 10%,不同物
种和细胞类型的膜糖含量不同。红细胞膜含有约 8%的糖类，
其中约 7% 共价连接于脂分子上，形成糖脂类,93%共价连接
于蛋白分子上，形成糖蛋白（ glycoproteins）。从另一个角度
说，大多数暴露于细胞表面的蛋白质都带有糖基，通常接多
个寡糖链，而脂双层外叶的脂分子连有寡糖链的不到 1%的，
而且大多仅连有一条寡糖链。生物膜上的糖类几乎总是被定
位于膜的非胞浆面（ face away from the cytosol），在质膜上,
它们位于细胞质膜外侧，在细胞表面形成细胞外被（ cell coat）
或糖萼（ glycocalyx），可用电子染料钌红（ ruthenium red）
着色，在电镜下能观察到细胞外被层。在细胞器膜上，糖类
则面向细胞器的腔内一侧。糖蛋白中的糖类以短的有分枝的
寡糖链形式存在，每条链少于 15个单糖基。
糖蛋白中的糖类以短的有分枝的寡糖链形式存在，每条链
少于 15个单糖基。在自然界中存在的 100多种糖基中，只有 9种
糖基出现在膜糖链中，其中中性糖有葡萄糖、甘露糖、半乳糖、
岩藻糖、木糖等，氨基糖有乙酰氨基葡萄糖、乙酰氨基半乳糖、
氨基糖酸（唾液酸和羟乙酰神经氨酸）。但大多不含糖醛酸。
唾液酸通常连接于寡糖链端部。寡糖链主要以 N－糖苷键和 O
－糖苷键两种方式连接于蛋白分子的若干不同氨基酸残基
上。
糖链具有高极性甚至负电性，膜表面糖链的存在使与之连
接的膜蛋白不易从脂双层中滑出或翻跟斗，有利于膜蛋白膜蛋
白三维结构的稳定和有效正确地的定向，定位与抛锚。糖基构
建糖链，能够进行多样化的排列组合，在糖蛋白和糖脂分子中
形成复杂的，具有巨大信息量的多样化基团结构，例如一个三
糖链就可以有 1958 种结构形式。因此，糖蛋白、糖脂均具有
多方面的功能，膜糖类的多样性或非均一性，是造成膜不对称
性的重要原因之一，并且在细胞与细胞间，细胞与环境间的特
异性识别和相互作用中起重要作用。
红细胞质膜糖脂的糖链结构，是短而有分技的五聚糖或六
聚糖链，它决定 ABO血型。 A血型者有一种特异糖基转移酶，
可将 N-乙酰半乳糖胺（ GalNAc）加到膜糖脂糖链末端,B血型
者相应的酶则将半乳糖（ Gal）加到链的末端,AB血型者同时
具有这两种特异性的酶，而 O血型者则缺乏这两种酶，其膜糖
脂糖链末端没有 GalNAc，也设有 Gal。上皮细胞的膜糖脂总是
分布在顶端表面，有助于细胞免受外部低 pH和降解酶等严厉条
件的损伤。带电荷的膜糖脂如神经节苷脂可能改变跨膜电场和
改变膜外表的离子如 Ca2＋ 的浓度。
某些感染性疾病涉及膜糖脂的作用。霍乱毒素（ cholera
toxin）和流感病毒首先与细胞膜表面神经节苷脂
（ ganagliosides）结合而进入靶细胞。如果说膜糖脂可能作为
病原物进入细胞之“门”,那末在正常生物细胞功能上，它们
则可能作为细胞外基质的细胞受体。某些遣传性或基因变异性
疾病也表现出膜糖脂、糖蛋白的异常，如肿瘤细胞，膜糖脂结
构可能发生变化。 Tay-scche病患者缺乏催化切去 GM2上末端
GalNAc的酶，造成 GM2积累使胎儿死亡。
5.3.2.4 膜蛋白 （ Membrane proteins）
不同类型的细胞和细胞器的膜蛋白的种类和数量是非常
不同的。例如，以质量计算，作为神经细胞轴突的电绝缘层
的鞘膜，其蛋白含量小于 25 %，通常细胞质膜的蛋白含量约
为 50 %，而涉及能量转换的线粒体和叶绿体内膜含有将近 75
%的蛋白。一种细胞膜可含有十多种甚至多于五十种蛋白。
由于脂分子比蛋白分子小得多，因此膜脂分子要远多于膜蛋
白分子，它们的分子数之比约为 50:1。 12~50 more different
proteins in a cell membrane and sidedness of membrane proteins.
5.3.2.4.1,膜蛋白的功能 （ Functions of membrane proteins）
生物膜的四种主要组分中的两种成分，水和兼性脂，即可单独构成人工
半透膜，它也具有细胞膜的许多功能与特性,例如这种脂双层膜封合严密,
足以防止质子和其它离子的泄漏，并可以象生物膜一样产生电势差（膜电
压）和进行融合。不少生物膜的特性能够用脂双分子层囊泡或脂质体加以
模拟。
但是，膜蛋白与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。在
实现生物膜极为多样的功能中,膜蛋白起着不可代替甚至关键的作用。
细胞膜的许多特性与功能是无法由单纯的脂双分子层膜来实现的,例如,
能量驱动的离子跨膜输运、受体介导的膜事件、膜成分的合成,ATP的合成、
分泌等生物膜的特性与功能是脂双分子层膜本身无法实现的。 一般说来，
细胞质膜的蛋白，主要与涉及胞外环境的细胞活力有关，而细胞内膜系统
的蛋白则主要与代谢活力有关。有的膜蛋白质发挥酶的作用（如 3-磷酸甘油
醛脱氢酶，乙酰胆硷脂酶，核苷酸环化酶等），有的作为输运载体（通道、
载体和离子泵），有的蛋白行使信息传递者或能量转导者的功能，还有的
蛋白构成细胞膜骨架（如 红细胞的 spectrin）等等。
应当指出，在结构与功能的联系上，不仅取决于膜蛋白自身固有的结
构,而且由于膜脂的影响，某些蛋白结构发生变化，才能够正确地发挥其
功能。
5.3.2.4.2 膜蛋白的分类
膜蛋白以不同的方式与脂双层联系。基于与脂双层联系的方式和密切程
度，膜蛋白可以分成三类,内在蛋白、外周蛋白和脂锚定蛋白,
1,内在蛋白或整合蛋白 （ integral proteins or intrinsic proteins）
这类蛋白插入脂双分子层，与脂双层的疏水核（ hydrophobic core）紧
密结合，整合于脂双层结构中，只有用有机溶剂（如氯仿）或去污剂（如
离子型去污剂胆酸盐,SDS、非离子型去污剂 Triton 100等），破坏了脂双
层结构才能将其从膜中分离出来。实际上，几乎所有内在蛋白都是透膜蛋
白（ transmembrane proteins），它们穿过整个脂双分子层，并且在膜的胞外
和胞质两侧都有伸出的片段（ regions或 domins）,但是它的跨膜分布是不对
称的（ asymmetrical）。有的内在蛋白仅有一个穿膜片段，只跨膜一次，称
为单一跨膜蛋白（ single-pass transmembrane protein）,这类蛋白包括许多细
胞质膜受体，它们能结合细胞膜外的配体（如生长因子、肽类激素或抗原
等）并通过跨膜片段把信息传至胞内。另有一些内在蛋白含有多次跨膜片
段，称为多次跨膜蛋白 (muiti-pass transmembraneproteins）,这类蛋白包括一
些通道蛋白和其他功能蛋白（如内质网上的信号肽 -受体颗粒的结合蛋白，
肾上腺素类激素受体，视杆细胞的光敏色素，细菌光合成反应中心的 M和 L
多肽等）。有很少数内在蛋白（如内质网膜上的细胞色素 b5,cytochrome
b5），它们也有部分肽链插入脂双层的疏水部分，但是这些蛋白并不穿透整
个膜，仅在膜的一侧表面暴露，它们埋入膜的部分是作为“锚”把该蛋白
锚定在膜上，这类蛋白称为锚定蛋白（ anchored protein或 monotopic
protein）。
内在蛋白的构象
内在蛋白和磷脂分子一样是兼性分子，即含有疏水和亲
水两类区域。与胞浆内可溶性蛋白不同，膜内在蛋白的跨膜
部分不是形成疏水核心和亲水表面，相反地，而是形成一个
由非极性氨基酸残基构成的大的外露的表面，通过这样的表
面与脂双层的脂肪酰链形成的疏水基相互作用（ hydrophobic
interactions），在保持膜通透屏障性能（ permeability）的状况
下，内在蛋白嵌入膜的脂双层“壁”中，与其周围的脂分子
直接作用,使膜更具有动态特性（ dynamic properties）。内在
蛋白的其余部分含有较多离子化和极性氨基酸残基，它们构
成蛋白的主要膜外部分，并且和脂类分子的极性头发生离子
型相互作用，在维持内在蛋白不从脂双层中脱落上发挥重要
作用。在某些情形下，这样亲水性氨基酸残基部分还形成穿
膜的亲水性通道（ an aqueous channel）。这些亲水区域具有重
要功能，它们与膜表面或亲水通道中的水溶性物质（如离子、
小分子物质、激素和其它蛋白等）发生相互作用。应当指出，
内在蛋白在脂双层膜中并不一定是被固定不动的，它们大多
能够在膜层内进行侧向运动（ move laterally）。
α-螺旋成为大多数内在蛋白跨膜片段的二级结构的优选
构象 内在蛋白跨膜片段的疏水性氨基酸侧链，在热动力
学上有利于它插入脂双层中。但是，这还不是决定内在蛋白
跨膜片段取什么样构象的全部原因。另一个决定因素是连接
各氨基酸残基的肽键（ Peptide bond），因为肽键本身是极性
的，在脂双层的疏水环境中所有肽键被驱使相互结合形成氢
键以中和它们的极性。要达到这样的结果，最通常的方法是
该片段肽段形成 α-螺旋构象。因此 α-螺旋成为大多数内在蛋白
跨膜片段的二级结构的优选构象。所有单次跨膜蛋白和许多
多次跨膜蛋白的跨膜片段都以这样的疏水 α-螺旋存在：沿着 α-
螺旋，每个氨基酸残基使 α-螺旋加长 0.15nm，一个由 20～ 30个
氨基酸残基构成的螺旋将有 3～ 4.5nm长，刚好足以穿过脂双
层疏水核，螺旋中的氨基酸残基的疏水侧链由螺旋轴向外伸
出形成疏水的表面，通过疏水键与脂肪酰链相互作用。然而，
并非所有跨膜片段都由疏水的 α-螺旋构成。
然而,并非所有跨膜片段都由疏水的 α-螺旋构成 。例如，
有的内在蛋白构成允许离子或极性溶剂通过脂双层的亲水通道，
但是构成这些亲水通道壁的肽段不是由疏水的 α-螺旋组成。它
们或者由若干 兼性 α-螺旋 构成，每个螺旋面对脂双层的一面多
含非极性氨基酸残基，它们与周围的脂双层相连系，面对通道
孔道的一面主要由极性氨基酸残基组成，而且相邻螺旋的极性
氨基酸残基之间可以产生氢键的连系。构成这些亲水通道壁的
另一种结构是以一组 β-折迭片（ β-sheet）肽段排列形成一个称
为 β-桶（ β－ barrel） 的密闭的桶体，这种类型的多次跨膜蛋白
的典型例子是孔蛋白（ porin protein）。实际上，有些蛋白
（如 K+ 通道）是由多种类型的跨膜结构片段构成的复杂的三
维结构。
膜蛋白构象和透膜结构域的确定 （ Membrane protein
conformation and identifing transmembrane domains）
原则上，一旦借助去污剂把膜蛋白从膜上分离出来，就可以采
用各种分析手段测定蛋白的氨基酸成分、分子量和氨基酸序列甚至
蛋白质的三维结构等等。也确实有很少数的膜内在蛋白被分离纯化
和测得氨基酸序列，并且通过 X-射线晶体图析方法测得原子分辨水
平的三维结构。然而，实际上要确定膜蛋白的结构信息是非常困难
的。许多重要的膜蛋白的含量非常低，难以获得足够量的蛋白来测
序，许多膜蛋白还不适宜采用通常的测序技术（高疏水性的跨膜序
列不溶于常规测序分析的水溶性介质中），而且大多数膜蛋白尚难
以获得能用于 X射线晶体图析的晶体，不过，分子生物学的进步使得
膜蛋白的氨基酸序列的确定变得容易一些，已有许多膜蛋白由相应
的克隆到的 cDNA序列确定出它们的氨基酸序列。依据已确定的氨基
酸序列，并借助其它间接的研究手段，人们预测了一系列膜蛋白的
三维结构和它们与脂双层的相互作用。最常用的鉴别跨膜片段的方
法是 hydropathy plot作图法。依据获得的氨基酸序列，沿着肽链（作
X轴），以每小片肽段（正常约 10个残基）的疏水性值（即
hydropathy index）为 Y轴作图。肽链上的疏水性片段 在 hydropathy图
中显示为正值峰，它们可能被确定为穿膜片段。
若干膜内在蛋白
细菌光合成中心 (bacterial photosynthetic reaction center,
PRC) 的三维结构是最早由 X-射线晶体图析方法在原子水平
上解析的膜蛋白之一（ 1985年 Nature 318:598）。 PRC由 L、
M和 H三个亚单位组成,L和 M亚单位多形成 5个跨膜 α-螺旋，
呈月牙状排列在膜中,而 H仅以单次跨膜 α-螺旋锚定于膜中，
即整个 PRC共含 11个跨膜 α-螺旋，跨膜 α-螺旋面向分子外的
氨基酸残基均是非极性的，它们把 PRC锚定到脂双层的疏水
核，带电荷的残基面向分子内，若干组氨酸和谷氨酸残基与
跨膜区域中心的铁离子（ Fe2+ 和 Fe3+）结合。螺旋之间相邻
区域的许多疏水氨基酸侧链借范德瓦尔氏（ Van der Waals）
力相互连系。
红细胞膜蛋白
因为红血球不含任何细胞器，其质膜易于与胞内成分
分离，是一种研究膜结构的很方便和常用的模式系统，把红
血球放入低渗溶液中，水流入红细胞内，引起细胞膨胀和崩
解，释放出胞内的血红蛋白等成分,而获得空的红血球膜或
血影泡（ ghosts）。通过调节离子强度制备的血影泡可以是
可泄露、未封闭状态的，也可以重新封合成不泄露的囊泡；
可以是保持原先内外方向（ right-side-out）的囊泡，也可以
是内翻外（ insid-out）的囊泡。利用这些不同形式的血影泡，
先经过水溶性放射性同位素或荧光探针定向标记（ vectorial
labeling）及适当的蛋白酶处理，然后将血影泡膜用去污剂
溶解，被标记的各种膜内在蛋白通过 SDS-聚丙烯酰胺凝胶
电泳被分离和检测出来，见图 6.14。从这一系列电泳图谱的
比较中，可以确定这些膜内在蛋白在膜中的侧位分布
（ Sidedness）。人红血球质膜蛋白在 SDS-聚丙烯酰胺电脉
图谱上大约显示 15条蛋白带，分子量从 15,000到 250,000，其
中三种蛋白 —血影蛋白（ spectrin）、血型糖蛋白
（ glycophorin）、和带 3蛋白（ Band 3）大约占其重量的 60%。
血型糖蛋白 A (Glycophorin A)
这是第一个测得氨基酸序列的膜内在蛋白，它由 131个氨
基酸残基组成，以均二聚体（ homodimer）形式存在。就一个
单体而言，它跨膜部分含 34个氨基酸残基（ 62-95），其中 20
个不带电荷的氨基酸残基（ 74-93）形成单一 α-螺旋,除了 1个
丝氨酸,2个苏氨酸外，其余的残基都具疏水性侧链（或如甘
氨酸，只有一个 H原子 )。细胞外侧的 N-端肽段和细胞内侧的
C-端肽段都富有带电荷的氨基酸或极性氨基酸残基，带电荷
的精氨酸、赖氨酸残基与脂双层负电性极性头形成离子键相
互作用。胞外侧肽段有 15条寡糖链共价连接于丝氨酸或苏氨
酸残基上，另有一条较长的糖链共价连接于天冬酰胺上。糖
基侧链约占整个蛋白重量的 60%。血型糖蛋白的生物功能尚
不很清楚，但是其富负电性的唾液酸糖基可能使红血球在血
流中产生相互电荷排斥而不发生凝集，另外它可能是虐原虫
的受体。血型糖蛋白有 A,B,C,D四种异构体，其中 B,C、
D三型含量很低。
带 3蛋白 （ band 3）
它的命名是基于它在 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳图谱中的
位置而定的。它由 929个氨基酸残基组成，分子量约 90,000，
每个红血球约有 106个带 3蛋白分子，它们以均二聚体形式排
列在膜中。带 3蛋白是多次跨膜蛋白，每条肽链以 α-螺旋反复
跨膜多达 14次。它在红血球的功能中起重要作用，承担 Cl－
和 HCO3－ 的跨膜被动交换（ anion transporter）。 CO2以 HCO3
－ 的形式存在于血浆中，当血流经过组织时 HCO
3
－ 与红血球
内的 Cl－ 跨膜交换进入红血球中，随血流到达肺部，红血球
内的 HCO3－ 又与胞外的 Cl－ 跨膜交换，反过来从红血球释放
出来。 HCO3－ 和 Cl－ 的相互交换，协同输运是通过带 3蛋白二
聚体中心的通道进行的。带 3蛋白在其细胞外部分只带少量
不含唾液酸的寡糖链，其 N-端片段折迭成不同的亲水结构域
（ watersolull domains）伸入胞浆，分别与细胞骨架蛋白
ankyrin,糖酵解酶和血红蛋白结合。
细菌视紫质蛋白（ Bacteriorhodopsin）和其它穿膜七次
的蛋白
细菌视紫质蛋白是一种具光合成能力的嗜盐菌的膜蛋
白，它在质膜上聚集形成一个个特别的紫斑（即紫膜）。
每个细菌视紫质蛋白分子都含有单一光吸收基团 （或生
色团 chromophore视黄醛 retinal,与脊椎动物眼睛的光接收
细胞的视紫质的生色团类似）,视黄醛共价连接于蛋白的
赖氨酸侧链上。当受到单光子激活时，激活的视黄醛立
即改变形状并引起与之接连的蛋白的一系列构象改变，
导致一个质子 H+ 从细胞内被泵出胞外，在亮光照射下，
每秒钟每个细菌视紫质蛋白分子可以泵出数百个质子。
由光驱动的质子转移建立起跨膜质子梯度反过来驱动另
一个蛋白合成 ATP。因此细菌视紫质蛋白是提供细菌能量
的太阳能转换器。
由于其兼性的性质，细菌视紫质蛋白极难结晶，无法采用
X-射线晶体图析法获得三维结构，但是该蛋白分子在天然紫
膜中排列成平面二维晶体结构，采用电镜与电子衍射分析结
合的技术（电子晶体图析）得以确定它们的三维结构和在膜
中的定向，虽然结构细节的显示度低于 X-射线衍射分析所能
达到水平，但其分辨率也达到 0.3nm。这些研究显示，每个细
菌视紫质蛋白分子折选成七个紧密包裹的 α-螺旋 (每个约含 25
个氨基酸残基 )，成束穿过脂双层。
细菌视紫质蛋白只是一个很大的内在蛋白家族中的一员，
这个家族至少已发现有 150多个成员。虽然这个家族的成员除
了个别位置上的氨基酸成分较为保守外，总体上看并不具同
源性，但是它们在结构上有一个共同的特征，就是都含有七
个穿膜肽段序列。基于这些肽段的长度（ >22个氨基酸残基）
和疏水性，它们均足以和形成七个穿过脂双层的 α-螺旋 (seven
membrane-spanuing α-helices)。这个大家族的成员包括 opsins
（一种眼睛蛋白），许多细胞表面的激素受体，特别是 G蛋白
偶联受体家族和气味分子受体（ receptors for odorous molecules）
等。
孔蛋白（ porin）
前面巳谈到有些多次跨膜蛋白的跨膜片段是以 β折迭片
(或 β-桶 )而非 α-螺旋构象穿于脂双层中。这类结构通常不适
宜用 hydropathy作图法来确定。孔蛋白是这类蛋白中了解最
清楚的。许多细菌质膜外的外膜上，往往存在一些允许分
子量少于 600的亲水溶质选择性通过的孔道，这些孔道是由
贯穿于膜的孔蛋白（ porin）形成的。借助 X-射线晶体图析
方法，原子分辨水平的细菌孔蛋白三维结构已经被确定。
孔蛋白在膜中成三聚体，每个单体形成一个贯穿膜的管状
（ tubularβbarrel），其中心有一充满水的孔道。每个 β-桶是
由 16条反平行的 β-折迭片（ antiparallelβsheet）围成的圆筒
结构。极性氨基酸侧链排列于亲水通道的内侧，而非极性
侧链伸出圆筒外侧与脂双层的疏水核相互作用。结构相关
的孔蛋白也存在于线粒体和叶绿体外膜。
2,外周蛋白或外在蛋白 （ peripheral proteins或 extrinsic proteins）
这类蛋白整个定位于脂双层的外侧或内侧，对细胞质膜来说，或
者在细胞表面或者在质膜的胞浆面，它们通过非共价的盐键或氢键不
太紧密地与外露于膜表面的脂分子的亲水极性头或内在蛋白的亲水部
分相联系，因而容易用高离子强度溶液（如 1M NaCl）或高 pH溶液将
它们从膜上分离下来。
外周蛋白可进一步分成两类，一类称之为膜联系蛋白（ associated
membrane proteins），它们结合到某些膜内在蛋白上。另一类，也是
研究得较为清楚的一类外周蛋白，称为骨架膜蛋白（ skeletal
membrane proteins），见图 6.14。它们处于质膜胞浆一侧表面，形成
纤维网架（ fibrillar network），起膜骨架作用。 它一方面为膜提供机
械性支持，另一方面也是固定膜内在蛋白的“锚钉”（ anchors）。骨
架膜蛋白一般是通过与某些膜联系蛋白结合而紧密联系到质膜内表面
的。
膜联系蛋白包括质膜内表面的一些酶和传递跨膜信号的因子等，
质膜胞外表面同样存在膜联系蛋白，但是已被明确鉴定的尚较少，包
括一些植物激素（ phytohormone）受体。线粒体内膜上细胞色素 C是
典型的膜联系蛋白。 不少外周蛋白和膜的联系并不是固定不变的，而
是一种动态联系（ dynamic relationship），它们根据细胞的状况，或
者被“召唤”结合于膜上，或者从膜上释放下来。
细胞色素 C是分子量约为 12KD的水溶性蛋白，分子表面主要是极性氨基酸
侧链而疏水性残基位于分子内部，它与线粒体内膜表面结合，成为电子传
递链的一个成员，与作为内在蛋白的其他电子传递体相互作用，其电子供
体是细胞色素 C1，电子受体是细胞色素 C氧化酶。细胞色素 C含有一个血红
素基团,它是实际的电子载体，蛋白其它部分造成适宜血红素结合与发挥功
能的环境，并提供识别和结合细胞色素 C1和细胞色素 C氧化酶的位点。
血影蛋白 （ Spectrin） 是红血球骨架膜蛋白的主要成分, 它是长约 100nm的
柔性纤维状蛋白, α,β两个亚单位肽链反平行相互绞缠, 形成伸展的异二
聚体细丝, 异二聚体头对头连接成 200nm长的四聚体, 四, 五个四聚体共
同结合到由短的微丝 （ short actin filament）, 或另外的细胞骨架蛋白 （ 包
括带 4.1 蛋白 ）, 原肌球蛋白 （ tropomyosin ） 等组成的连接复合体
（ junctional complexes） 上, 最终在质膜内表面构成可变形的网格骨架 。 血
影蛋白膜骨架除了通过与连接复合体结合连系于膜带 3蛋白和血型糖蛋白外,
还与另一个外周蛋白锚蛋白结合而间接与内在蛋白带 3蛋白连接 。 这些连接
把膜骨架结合到膜上, 这对于维持膜的完整性, 可变形性和适宜的刚性都
是很重要的, 而且这样的连接把带 3蛋白等内在蛋白锚定更加结实, 限制它
们在膜中的扩散速率 。 有些遗传性溶血性贫血患者红血球形状异常并易破
裂, 被认为正是血影蛋白或锚蛋白发生异常突变引起的 。 类似的甚至更为
精细复杂的膜骨架也存在于其它真核细胞的质膜下, 构成所谓胞浆的皮质
区 （ cortical region或 cortex） 。
3,脂锚定蛋白（ lipid-anchored proteins）
这类蛋白大多仅位于脂双层膜表面一侧，它们通过共价
键与脂双层中的脂分子相连接。也有一些内在蛋白与脂双层
膜胞浆一侧的脂分子有共价键结合，从而增加该蛋白的疏水
性，这类内在蛋白也可以认为是一种脂锚定蛋白。
有一类蛋白完全位于细胞质膜外表面，但是它们的 C-端氨基
酸通过一段短的寡糖链桥共价连接于脂双层外叶片层的磷脂
酰肌醇的头部，这段连接桥的构成为磷脂酰乙醇胺 -甘露三糖
-氨基葡萄糖。这类脂锚定蛋白叫糖基磷脂酰肌醇一锚定蛋白
（ glycosyl phosphatidyl inositol (GPI)-anchored proteins）。特
异识别并能切除肌醇磷脂的磷脂酶 C（ phospholipase C）可以
把被锚定的蛋白如 Thy-1蛋白，碱性磷酸酶和正常细胞的 PrP
搔痒蛋白等从膜上切离下来。 GPI-锚定蛋白的复杂结构是该
蛋白在 RER合成加工时就构建成的，通过把多个糖基和磷脂
酰乙醇胺依次加到磷脂酰肌醇上而构建成 GPI“锚钉”，然后
将其加到刚切去信号肽的新合成的待锚定的蛋白的 C-端氨基
酸残基上。 GPI末端磷脂酰乙醇胺的－ NH2基与肽段末端－
COOH形成酰胺键。
另一类脂锚定蛋白出现在质膜的胞浆面，共价连接于埋在
脂双层内叶片层的长烃链上。它们或者以 N端 Gly残基与脂肪
酸（如肉豆蔻酸或棕榈酸）的羧基形成酰胺键连接，或者以
C端 Cys残基与多不饱和烃链的异戊二烯基（如 15碳的法尼基
farnesyl和 20碳的拢牛儿基 geranylgernyl）形成巯醚键
(thioether linkage)连接，这类脂锚定蛋白称之为原法尼基化蛋
白（ Prenylated protein）。有些蛋白肽链中的 Cys残基也能共
价连接到棕榈酸上，称之为棕榈酸化蛋白 (palmifoylafed
proteins)，这种连接可能发生在某些内在蛋白上，也可能发
生在上述某些法尼基化和某些棕榈酰化 myristoylated protein
上，与脂双层中的脂肪酸链形成不止一个共价连接。质膜胞
浆面的脂锚定蛋白与脂的共价连接往往是在细胞处于基本种
状态下暂时产生（ transiently），至少有两种与质膜联系的蛋
白（ Src和 Ras）是发生在正常细胞恶性转化时。
5.3.3,膜的不对称性（ Asymmetry of the membrane）
膜的不对称性即膜脂和膜蛋白不对称地分布在脂双层的两
叶片层，所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生物
膜功能的重要基础。
膜脂不对称性 膜的两个叶片层由不同的脂组成，用
磷脂酶处理完整的红血球细胞，由于膜的不通透性，该酶只
能作用于膜的外侧叶片层，而无法作用于面对胞浆的另一叶
片层，结果可以发现，约 70%的 PC被酶解，而 PE和 PS分别被
水解 20%和少于 10%。通过这样的实验表明所有糖脂和几乎所
有带正电荷头部基团的 PC及鞘磷脂分布在膜的非胞浆片层，
相反的，电中性或负电性头部基团的脂如 PE,PS更多地分布
在膜的胞浆面片层。当然，不同的细胞膜，脂类的不对称分
布是不相同的。例如，通常较多分布在非胞浆面的 PC，在猪
血小板膜却主要分布在胞浆面一侧。即使同一细胞膜的不同
部位也可能有不同的脂分布
如何造成膜脂的不对称分布 还不太清楚。虽然脂类分子本
身的某些物理性质，如分子形状、带电状态有可能影响脂类分
子的在膜上的分布，但是，从根本上来说，它是细胞合成膜的
时候决定的，并受细胞生理状态影响。在细胞凋亡时，质膜的
脂类分布的不对称性将明显改变。真核细胞的大部分膜包括质
膜是在内质网（ endoplasmic reticulum ER）合成的,ER内存在
有磷脂转位因子（ phospholipid translocators）或翻转酶 flippases，
它们能够特异性地将某种脂分子从膜的一个片层转位到另一个
片层。另外，某些脂类可以结合到膜的某一个片层中的特殊的
蛋白区域。反过来，这种脂的不对称分布具有重要的功能意义，
蛋白激酶 C（ protein kinase C）结合于质膜富含 PS的胞浆面片
层，它的活化需要这种负电性磷脂结合。 PI在真核细胞膜中的
含量较少，但是，主要分布在胞浆面片层，这种分布适合于位
于胞浆的特异性酶在细胞外信号的激活下将 PI切割成两个片段
（ DG 和 IP3），它们作为可扩散于胞浆的第二信使，进一步
活化相应的信号传递途径的级联反应。
内在蛋白的不对称 所有内在蛋白都不对称地结合于脂双层，
每一种膜内在蛋白分子都具有相同的、单一的、特异的定向，
它们的 N端或 C端总是伸向胞外或胞浆内。这种分布赋予膜的两
个单片层具有不同的特性。这种分布是在合成期间建立的，并
且在其存在的全过程中都维持着。 膜的不对称性在糖脂和糖蛋
白中表现最明显，它们几乎都位于膜的非胞浆面 。只有某些转
录因子和核孔复合物蛋白是定位于核基质（ nuclear matrix）和
核膜上，以单一的 O－连接方式将 N-乙酰氨基葡萄糖残基连接
于它们胞浆面的丝氨酸残基上。
除了上述利用电泳技术分析内在蛋白在脂双层膜中的定位外，应用
冰冻断裂和冰冻蚀刻技术能够通过电镜图像显示膜的两表面和内在蛋
白的分布。用尖锐的刀片将液氮或液氦温度（ -196oC和 -269 oC）冷冻
的样品断开，断面通常总是沿着膜的疏水的中部形成，使膜的两叶片
层分离，然后把重金属（如铂）蒸镀在形成的断面上，形成一层复型
膜（ Platinum replica）。在电镜下，膜内在蛋白在某一断面上往往显
示为突出的颗粒而与其相对的另一断面上造成小凹陷。习惯上面向胞
浆的膜表面称为 P面 （ Protoplasmic face），而面向非胞浆外侧的膜表
面称为 E面 （ exoplasmic face）。
5.4 生物膜的动态特性
(The dynamic nature of the biomembrane）
膜及其组成成分的运动性（ mobility）主要包括：
脂双层的流动性（ fluidity）；
蛋白质分子在膜中的运动；
完整膜或膜片段的膜流（ membrane flow）。
5.4.1脂双层的流动性 (membrane fluidity)
5.4.1.1,膜脂的流动性 （ fluidity）
膜脂的流动性 （ fluidity） 是用以描述膜的物理状态
的重要参数, 实际上, 膜脂流动性即膜的微粘性 （ viscosity
或 microviscosity ） 是 量 度 脂 质 分 子 在 膜 中 侧 向 运 动
（ Lateral motion） 的容易程度, 也可以认为是描述脂质分
子无序性时间平均值的物理量 。
影响着膜脂流动性的因素
前面巳经介绍脂双分子层的液晶特性及其相变过程。
液晶态的存在使得膜中成分的分子内和分子间的运动明显
增加,液晶态膜的微粘性在其接近极性头表面的区域最高，
而在其疏水中心区最低。人工膜和生物膜的微粘度为 0.1～
1.0泊 (poise)。前所述的影响脂双层相变温度高低的诸因素
实际上正是影响着膜脂流动性。膜脂胆固醇含量的高低，
脂肪酰链的饱和程度等都是影响流动性的主要结构因素，
而介质温度的升高是使膜流动性升高的关键环境因素，膜
平均微粘性（ ?）与温度存在下面的定量关系：
?＝ A e ?E/RT
某一特定体系的 A是一常数,E为流动液化能,R为气体常
数,T为绝对温度。介质 Ca2+,Mg2+ 等多价阳离子的存在
也有利于降低膜流动性。
5.4.1.2,膜微粘性的评价和测量 主要方法有：
1,示差扫描量热或量热天平（ differential scanning
calorimetg )法，微粘性是膜液晶结构的功能函数，从一种液晶
态转变为另一种相态所需要的能量以及相变温度能够从膜的
热变性曲线上计算出来。
2,13C核磁共振（ NMR），它测量脂分子绕 C-C键运动的自
由度（ freedom）
3,电子顺磁共振（ EPR），它测量插入膜脂双层的自旋探
针 (spin probe)旋转的自由度 (freedom of rotation)。通常将氮氧
化物 (nitroxide)探针连接到长脂肪酰链的末端。
4．荧光偏振（ Fluorescence polarization）技术，它是通过
入射的偏振光束的去偏振（ depolarization of the incident
polarized light beam），评价插入脂双层的亲脂性探针（如
DPH）荧光发散的改变程度（即荧光偏振度 P），从 P值可以
计算出微粘性 ?。脂双层微粘性越大,P值也越大。
5.4.1.3,脂质分子的运动形式
脂双层膜流动性反映脂质分了在脂双层中的分子内与分子
间的运动。膜脂分子能够发生多种形式的运动,
脂质分子内运动包括：
(1) 最常发生的脂肪酰链长轴上绕着 C-C键的 旋转 （旋转速度
为 100 皮秒）
(2) 烃链的顺式 扭结 （ cis kinks,约 1 纳秒发生一次）
(3) 脂肪酰链沿长轴向的 伸缩或弯曲 (bending)。
脂质分子间的运动包括：
(1) 整个分子绕着与膜平面垂直的轴 转动 (rotation)也称转动扩
散 (rotation diffusion）其转动速度为每 10纳秒转动 2π角度。
(2) 侧向扩散 (Lateral diffusion)，即膜脂分子在膜平面内的扩
散。这是膜脂分子最重要的运动形式，扩散速率的大小，用
扩散系数 DL(diffusion co-efficiency)表示。
侧向扩散实际上是脂质分子在脂双层液晶排列的平面内经历着
一连串从一个“晶格空间” (vacancy)到另一个“晶格空间”的
跳跃 (jumps)而产生的净转位运动 (net translocational motion)。脂
分子侧向跳跃速率为 107到 108 S-1级，但是其净位移要小得多。
脂质体和生物膜的磷脂分子的 DL一般为 10-7～ 10-8 cm2/秒, 可以
用胶体金标记到少量脂分子的极性头，然后在显微镜下直接观
察到这些标记的脂分子在膜上的侧向扩散，并记录下它们的运
动轨迹。荧光漂白恢复 (fluorescence photo-bleaching recovery,
FPA或 FRAP)技术不仅可以直接观察到脂质分子的侧向扩散,还
可以计算出 DL。
(3) 翻转 (transmembrane flip-flop)，这是指脂分子从脂双层的一
个叶片层完全翻转到另一个叶片层的运动。脂分子的跨膜翻转
最快也要花费数分钟，通常完成翻转的平衡时间从数小时到数
周。处于跨脂翻转状态的膜脂分子很少，仅占 10-15。这种翻转
之所以很困难是由于脂分子跨膜转位时其极性头要经过疏水的
内部，需要克服巨大的能障。在细胞的某种生理条件下，如膜
脂分子合成过程中，某些膜蛋白如磷脂翻转酶 (flippases)可以催
化缩短脂分子翻转的动力学过程。
5.4.1.4 脂双层流动性的重要性
膜流动性赋予膜完美的物理状态，刚柔兼备，既不过于
刚性（ rigid）又不失其有序性（ ordering）,既不变成完全的
流体（ completely fluid）又表现着适宜的柔性（ flexibility），
从而膜成分得以定向有序地组织着并具有机械性支撑能力，
而且造就膜内成分之间发生相互作用的基本条件，膜内蛋白
才可能聚集和组装，在特殊的位置形成特殊的结构，如细胞
间连接，神经细胞轴突等。膜受体与相关酶的相互作用是细
胞信号传递的关键，膜适宜的微粘性对膜受体及相关酶的构
象改变所需的活化能有调控作用。可以说许多基本的细胞过
程，包括细胞运动，细胞生长，细胞分裂，细胞内吞与外排
（分泌）等都依赖于膜的流动性。
5.4.2,膜内在蛋白的运动（ The mobility of the membrane
proteins）
既然脂双层作为镶埋其中的内在蛋白的基质，脂质分子
的物理状态同样是内在蛋白运动性的重要决定因素，阐明
内在蛋白能够在膜平面内运动正是流体镶嵌模型的基础。
膜内在蛋白的主要运动形式包括
侧向扩散运动 (Laterial diffusion)、
构象变化
以及蛋白多聚复合物的聚合和解聚等。
5.4.2.1,膜蛋白运动的显示 膜内在蛋白的运动，特别是侧
向扩散可以用多种技术予以显示和评价。
采用细胞融合（ cell fusion）显示膜蛋白的运动性 细胞融
合技术是通过加入细胞融合剂（如灭活仙台病毒，聚乙二醇
等）或施以脉冲电场等手段将不同类型或不同种系来源的两
个细胞融合为一个杂交细胞，它带有来源于两个细胞的共同
的细胞质和单一连续的质膜。例如，将标记了带有荧光红的
抗人细胞抗体的人细胞和标记了带有荧光绿的抗小鼠细胞抗
体的小鼠细胞融合，然后在荧光显微镜下观察，融合细胞膜
表面两种颜色荧光半球分别显示红色和绿色荧光，随着两种
不同颜色的荧光逐渐向另一半球扩散，大约 40分钟后，两种
颜色的荧光完全均匀地分布在整个细胞表面。在较低的温度
下，两种荧光的相对扩散和混合的速度则降低。这个实验反
映了标记有荧光抗体所结合的膜蛋白在融合细胞的质膜中的
侧向扩散过程以及随着温度而改变的膜的微粘性对膜蛋白扩
散运动的影响。
荧光漂白恢复（ fluorescence photo-bleaching recovery FPR或
fluorescence recovery after photo-bleaching,FRAP）技术
首先将细胞表面蛋白用非特异性染料如异硫氰酸荧光素或特
异性探针如荧光抗体加以标记，把标记好的细胞置于荧光显微
镜下，将一束细的聚焦的激光束短促（ 20ms~1s）辐射在细胞
膜表面，被辐射的荧光分子发生不可逆地的淬灭（ bleach），
在细胞膜表面造成一个荧光漂白区域（直径约为 1um）。如果
膜蛋白是运动着的，随着它们的无规侧向扩散运动，漂白区域
又逐渐显现出荧光（即所谓荧光漂白恢复）。通过测量荧光恢
复的速率即可直接测量可运动膜蛋白分子扩散速率（以扩散系
数 diffusion coefficient,DL表示）。荧光恢复的程度（以原初强
度百分比表示）代表了可自由扩散的被标记分子的百分比。
从荧光恢复曲线按如下公式可计算出 DL：
DL＝ (?2 / 4 ?1/2 ) rD
式中 ?为漂白斑的半径。 τ1/2为从漂白后的最小荧光值恢复到最
大荧光值的一半所需的时间,rD反映漂白斑形状几何因素的影
响，对园形漂白斑来说 rD=0.88。膜上脂质分子的扩散系数也可
以用 RFAP法测量，只是被标记的分子是脂质分子。
单颗粒示踪 （ Single Particle Tracking,SPT）
当然,FRAP技术测量的不是单个分子侧向扩散运动而
是相当数量的分子群体的扩散运动。为了追踪个别蛋白分
子或脂质分子的运动，可以采用单颗粒示踪技术，即用胶
体金颗粒标记膜蛋白分子或脂质分子，然后在配备计算机
视频反差增强录像装置的显微镜下，就可显示和记录连接
在单个分子上的胶体金颗粒的运动轨迹。
5.4.2.2,膜蛋白侧向扩散运动的类型及其控制
相当一部分蛋白可以在膜平面内发生随机的布朗运动
（ Brownian movement），扩散系数可以达到 10-9cm2/sec，但
是它们被膜骨架蛋白构成的“藩篱”所限制，无法迁移出远
于拾数微米的范围。当然这些“藩篱”也往往处于解聚与重
构的动态变化中，因此有些蛋白的扩散可以“冲出”,藩篱”
的限制。 有些蛋白可以在整个膜平面中无规则地移动，但是
它们的运动速率仅仅为 10－ 10～ 10－ 12cm2/sec，大大低于人们
预想的在人工脂膜中自由运动的速率（ 10－ 8～ 10－ 9cm2/sec），
相反地，有的蛋白被“锚定”在膜骨架上而无法作扩散运动。
其它方面的蛋白间相互作用也限制或控制着膜蛋白的运动。
在一些情况下，某些特异的蛋白的运动有高度的方向性，似
乎在膜在胞桨面有马达蛋白（ motor protein）驱动其运动。
如果膜内在蛋白含量多，分布拥挤，相邻蛋白的随机运动也
将受到限制。
显然，膜蛋白并非是自由漂游于脂双层中的小舟，它们的
运动首先由脂双层的微粘度和自身大小所决定，而蛋白间的
相互作用，尤其是膜骨架蛋白是决定它们实际运动最重要的
因素。膜蛋白的侧向运动对多成分的膜酶复合物和受体系统
的功能的发挥有重要的意义，发生这些反应的时间可以从微
秒到毫秒，距离尺度可以从数十到数百纳米。相对于侧向扩
散，膜蛋白的旋转扩散（ rotational diffusion）则更能反映脂
双层的微粘度。荧光或磷光偏振技术和 EPR技术常被用于评
价膜蛋白的旋转扩散系数（ Drot）或旋转驰豫时间 (relaxation
time,? 约为 1/2 Drot),? 通常在 ?s以上,? 愈大,旋转速率愈
慢。
5.4.3,生物膜中脂与蛋白质的相互作用（ Lipid-protein
interactions in biomembrane）
生物膜与纯脂构成的人工膜的最基本的差别就在于生物
膜中蛋白质的存在，多种多样的膜蛋白行使着重要的特有的
功能。那么，蛋白质与脂分子是怎样共同存在膜中的，它们
发生着怎样的相互作用，它们的相互作用对脂膜的结构与特
性，以及对蛋白质的结构与功能产生了怎样的影响呢？当然，
由于膜的多样性，不同膜中发生的膜脂与膜蛋白的相互作用
及其意义也有很大差别，这也可能是不同研究者的研究报告
间时有意见相左的原因之一。
相互适应和契合的构象变化
蛋白质插入脂双分子层中，首先两者都发生着 相互适应
和契合的构象变化 。蛋白质跨膜部分的肽链间形成由极性的
羰基氧原子和亚氨基的氢原子构成 α-螺旋中的氢键，这对于
使肽键得以处于脂双层疏水核心中是必不可少的。而脂双层
疏水区中的蛋白肽段，其氨基酸侧链与螺旋轴垂直并大多显
疏水性，但是由于侧链的长短不一，相对于脂分子的尺度，
蛋白螺旋表面并非平滑的圆筒而是粗糙的。因此，其柔性构
象的脂分子的烃链必须使自身适合于粗糙的蛋白表面并“填
充”于蛋白的氨基酸侧链之间，这样才不会由于表面粗糙的
蛋白的插入而使膜结构产生“孔”。但是，结构上这样的
“契合”和,捆绑”并非总是完美无缺的，在蛋白的粗糙表
面还是可能产生脂双层结构的瞬间的缺陷（ transient defects）。
因此，不难想象，当蛋白质掺入膜时，膜的 通透性会增加，
膜磷脂分子的跨膜运动 （ transmembrane movement,或 flip-
flop）速率也提高。 实际上，在膜重构实验中，可以看到这
样的现象。
蛋白质在膜中的锚定和与膜脂的相互作用在热力学上是可行的 。
实际上，脂分子与膜蛋白的相互作用不仅存在于脂双层的疏水
核心区，而且可能在膜表面和内在蛋白的膜外部分的表面之间发生。
根据“相似者相容”的规则，从热力学分析上，有理由估算 Δ脂分
子烃链结合到膜蛋白的 ΔStc 和脂分子头部基团结合到膜蛋白的 ΔStH
值较小并且是负的,它不利于它们的相互作用。但是,ΔStH不仅取决
于脂肪分子的头部基团（ ΔStH）而且取决于结合于脂双层表面的水
（ ΔSW）, 虽然 ΔSH 是负值,但是 ΔSW值有可能是一个更大的正值，因
为，磷脂头部与蛋白的结合，使得与它们结合的有序水减少。相对
疏水的蛋白表面和相对疏水的脂分子头部（如 PE）彼此能够更紧密
靠近，因为从热力学上，更倾向于从两者界面排挤出水分子。从而,
在某些环境中,产生了有利于磷脂头部与蛋白之间相互作用的自由能
降低。因此，对于膜脂分子与蛋白的结合，其总的自由能变化
ΔG(即 ΔGtH+ΔGtc) 很大程度上是取决于 ΔGtH,即取决于是否有利于脂
分子极性头结合于蛋白合适部位。由此，可以得出一个重要的结论，
调节脂分子头部与蛋白的相互作用可以调整膜中膜蛋白的聚集状态，
进而调整膜蛋白的功能。这可用以解释许多膜现象，如细胞表面受
体在配体的作用下，会发生聚集而起动信息传递的级联反应。
界面脂（ interfacial lipid ）和结合脂（ bound phospholipids）
脂分子极性头与蛋白的相互作用又可以显著增加脂质分子
“停留”于膜蛋白附近的时间或者说减少脂质分子“逃离”膜
蛋白的自由扩散。 ESR的数据表明在膜蛋白存在下，脂双层似
乎被诱导形成两个脂的“结构域”（ domains），至少，在 ESR
实验中，在短暂的时间尺度上，可以在蛋白周围检测到通常称
之为界面脂（ interfacial lipid）的存在，这一,结构域”的磷脂
与其他区域的不同，其运动受到明显的限制。这个结构域中脂
的多少与膜蛋白量和蛋白表面积成正比,ESR测量出每一个肌
质网的钙泵蛋白单体的界面域的脂分子数是 25个。 ESR测量还
表明，界面区域脂的运动特性与纯脂双层中脂的运动特性有些
不同，不能参与高度协调的相变。不过，并非所有界面脂都必
然结合到蛋白上，许多界面脂是因为蛋白的存在导致横向扩散
受到限制而被“陷入”（ trapped）脂双层和蛋白表面之间的界
面中。 结合磷脂或结合脂（ bound phospholipids）和其它界面脂
有差别，它们与非界面脂的交换要慢得多，并且能够以与膜蛋
白相似的特征速率在膜中旋转。当然，有没有界面脂的存在目
前还有不同的看法，有的研究指出界面脂的流动性与非界面脂
无差别。
膜蛋白与结合脂的一定特异性
胆固醇具有较大的与蛋白相应结构域结合的亲和力。与膜
蛋白结合的结合脂可能存在一定特异性。例如 PI特异地与血型
糖蛋白（ glycophorin A）结合，虽然,PE也带负电荷，但是它
并不结合于血型糖蛋白。 有些膜脂的存在对于某些酶的激活
是必需的。例如,β-羟丁酸脱氢酶的激活特异地要求 PC的结合。
虽然至今发现的对脂有特异要求酶不多，但是，有理由相信，
由于膜界面脂和结合脂能够结合到某些膜蛋白上，在膜通透性，
膜蛋白相互的聚集等特性与功能方面，脂与蛋白的相互作用发
挥起着重要的作用，从另一个角度看，膜蛋白的旋转运动也可
能影响非界面脂的状态。
5.5 膜融合 (Membrane fusion)
5.5.1 前言
生物膜融合是一种基本的细胞过程。 从生命起源开始就
伴随着膜融合的发生。 最初意义的细胞的产生很大程度上依
赖于包围着各种不同的简单的核苷酸和多肽的“原始膜”
(primodial membrane) 的相互融合。 同样的,这些原始细胞的
“繁殖”必然也是它们的原始的表面膜的无规分裂的结果。
随着细胞的演化，发展出细胞内膜系统,它不仅仅是简单的
胞内区间化的隔离屏障，而且是细胞进行物质能量代谢的主
要场所，它是细胞进行蛋白和其它生物大分子的合成、加工、
修饰，分拣、和包装与输运的“生产加工线”。 同时，细胞
间和细胞内膜的融合发挥着更加多样的作用，表现出更加复
杂的过程。膜的融合已不再是无序和随机发生的，而是在有
效的调控进行的。所有细胞的生命全过程都伴随着被精细控
制着的膜的融合。在特定的生理过程中，既进行着某些膜的
融合，而又避免其它无关的膜融合的发生。
表 5.9 若干与膜融合有关的细胞事件
多数细胞 胞质分裂 (cytokinesis)
内吞 (endocytosis)
外排 (exocytosis)
胞内膜“输运” （ "traffic" ）
发育期间 受精 (fertilization)
皮质区反应 (cortical teaction)
红血球,肌肉,骨的成熟
感染期间 病毒，原生动物的进入和被排出
表 5.9 显示膜融合介导许多最基本的生理过程, 这些生理过程对所
有真核细胞的生存与功能而言至关重要的 。 膜融合还是生物膜更新
重组的重要途径 。 例如中性粒细胞在 30分钟内就能通过内吞和外排
把质膜全部更换, 通过膜的更新, 膜维持其完美的弹性和功能 。 即
使在单个细胞内往往也同时发生着若干种融合, 因此为了维持细胞
的有序的功能, 避免发生混乱, 这些融合过程必然要由不同的机制
来协调控制 。 细胞的外排作用和具被膜的病毒对细胞的感染是广泛
用于膜融合研究的两个系统 。
5.5.2 膜融合的基本过程
膜融合可以分为两大类型：
（ 1）胞浆面融合 (plasmatic facesfuse,PF-type)。 如细胞
分裂外排，胞内膜泡融合和病毒出芽。
（ 2）胞外面融合 (exoplasmic facefusion,EF-型 ),如细胞
融合、内吞、和病毒－溶酶体融合。
钙离子浓度、脂的不对称性，细胞糖被的存在以及激
素等都对膜融合有显著影响。但是 PF－和 EF－型融合过
程涉及的影响因素可能相当不同。
还要指出的是膜融合并不简单意味着使两个独立分
离的膜成为单一的膜。 EF型的膜融合（如细胞融合、内
吞等）和部分 PF型膜融合（如外排、胞内膜泡融合等）
使两个膜合并成单一的膜连续体（ membrane continnum）
即所谓融合型，而病毒出芽，胞内膜泡形成（出芽）和
细胞分裂等 PF型膜融合即发生相反的分离过程，使原本
一个连续的膜形成两个分离的膜结构。
所有类型的膜融合对于脂双层而言都发生四个基本过程,
(1) 紧密靠近 细胞间或膜泡间或细胞质膜与膜泡间都可能发生膜
融合。两个膜首先要紧密靠近，以相互接触和彼此识别 (<1.5nm)。两
个膜的接近可能是随机的，但是，通常是有方向或靶向的，甚至是有
一定路径的趋向运动。细胞骨架在膜泡定向输运中起着重要作用。要
使两个膜足够地接近和接触需要克服两个障碍，一个是有些膜蛋白外
展于膜外的部分过大，妨碍质膜的接近，因此，在融合前，这些内在
蛋白要从融合区移去；另一个更大的障碍是脂双层表面的极性的水环
境，即结合水或结构水阻止两个膜的密切接近，这种“水屏障障”可
延伸达数 nm厚，它造成的能障等同于数千个大气压。要打破这样的
能障，必须移去“水屏障”。借助化学膜融合剂可有效地把膜表面的
“水屏障” 去除。 例如聚乙二醇（ PEG）有很强的吸水能力，因此
可以有效地诱导膜融合,在生理条件下，通过什么机制克服能障或水
屏障的尚不很清楚。 可能存在某些能够诱导膜融合的蛋白装置，通
过产生强疏水性相互作用，把水排出，而使两个膜表面挤到一起。有
些插膜蛋白，如蜂毒素 (melittin)和血清白蛋白具有诱导膜融合的特性,。
也可以借助机械力克服能障，造成膜融合。电融合 (electrofusion) 就是
在交电电场作用下，细胞极化而相互靠近，然后施加高压电脉冲，克
服膜间能障，使两脂双层去稳定化并瞬间形成微细的融合孔。电融合
技术已成为细胞融合工程的重要手段。
(2)半融合（ homifusion） 即脂双层的去稳定化，一旦克服
了妨碍膜融合的能障，两脂双层将互相靠得很近，足以发生
融合。首先涉及磷脂结构的变化，可能形成某种中间状态，
比融合部位的脂双层不对称的两叶片层在两膜融合前会发生
混合，它们的脂的组成达成平衡。当然脂结构的去稳定可能
非常快或短暂，而且并非是显著的需能过程。在较高的温度
下，脂双层的构象变化明显加快。
(3)融合孔的形成 (fusion pore formation) 脂双层从中间状态
（活化状态）自发地重建脂双层结构，而形成融合孔，这是
一个自由能降低的自发过程。融合孔的形成或者说初始的融
合可能是很快的，以毫秒级计，所形成的融合孔非常狭小约
2nm大小。
(4)最后阶段，融合孔的扩宽
这是一个融合区域脂双层的重组过程，也是膜或细胞形
态重建过程，例如，以狭小融合孔连接的两个融合的成肌细
胞，从哑铃形重建成管状肌纤维细胞状态。又如分泌小泡与
质膜形成的融合孔进一步扩大，并把分泌物质排出胞外，而
原有分泌泡膜即重组入质膜。对于不同的膜融合，这一膜和
细胞形态重建过程所花费的时间差别很大，它不仅依赖于膜
的可塑性，还依赖于胞内细胞骨架的重组，而且，细胞渗透
压是膜形态重组的基本动力。
5.5.3 局部膜融合的假设 ( Focal membrane fusion concept )
运用快速冷冻断裂刻融技术的电镜观察和采用膜片电压箝位技术分析细
胞膜的电容变化 对膜融合的原初过程进行分析表明，外排分泌小泡和质膜
之间的接触面积少于 50 nm直径。而仙台病毒感染细胞时，其胞被膜与细胞
质膜的接触面积小于 20 nm。然后，两膜间形成细小的融合孔。分泌泡与质
膜间融合孔的直径为 1.8～ 5.2 nm。仙台病毒胞被与细胞质膜间的融合孔小
于 2 nm。这说明在生理条件下，膜融合的初始阶段只涉及非常局部的膜区
域（不象用 PEG人工诱导膜发生大面积的融合），这样可避免需要克服妨
碍膜融合的巨大能障。并且，融合孔的扩展并不是依赖于形成更多的融合
孔，而是已形成的细小的融合孔的扩宽和非融合区域膜的形态重建。这就
是所谓局部膜融合假说。渗透压可能为融合孔的扩展和膜形重建过程提供
重要的推动力。例如在外排过程中，融合孔形成后，仍然紧密包裹的分泌
泡内含有高浓度的内容物，造成高于细胞外液的渗透压，导致胞外水分子
流入，随着膜膨胀，使得融合孔扩张，分泌泡膜与质膜成为一体。利用仙
台病毒诱导细胞融合形成合胞体的一系列实验也表明膜融合过程本身与随
之发生的膜与细胞形态的重建是独立的两个过程。该病毒的胞被膜同时与
相邻的细胞的质膜融合,通过细小的融合孔把相邻的细胞连接一块，在实验
中可以观测到细胞聚集现象。由于成熟病毒的被膜上存在有“孔形成蛋白”
促进水大量流入细胞，引起融合孔的扩展和膨胀，最终形成合胞体。但是，
如果用早期未成熟的仙台病毒感染细胞，可以发生病毒被膜与细胞质膜的
融合和细胞的聚集，但是不会产生合胞体，因为早期仙台病毒的被膜不带
有“孔形成蛋白”。
5.5.4 膜融合装置 (membrane fusion apparatus)
十多年前，用电镜观察细胞外排过程时，就发现在膜融合早期阶段，
有些膜内在蛋白颗粒 (IMP,intramembrane particles) 与融合区（约 20～ 30nm）
紧密联系。通过对细胞外排，细胞内膜泡的融合以及病毒如流感病毒感染
细胞等膜融合过程的大量研究表明，所有生理条件下的膜融合可能都需要
一些特异的致融合蛋白（ fusogenic proteins) 的参与，来克服妨碍膜融合的
能障。在非笼形蛋白胞被的膜泡输运过程中，膜泡与靶膜的融合，不仅需
要有 ATP,GTP和 acylCoA,而且需要若干蛋白成分参与。首先，在具有
GTPase酶活性的 Rab蛋白的控制下，输运膜泡上的 v-SNARE和靶膜上 t-
SNARE相互契合，使输运膜泡选择性地锚定于靶膜上。胞浆中游离的蛋白
SNAP(soluble NSF attachment proteins)先结合到 SNAREss上，然后 NSF（ N-
ethylmaleimide-sensitive factor）蛋白结合到 SNAP上，启动膜融合装置蛋白
复合物的组装，催化膜泡－靶膜的两脂双层的融合。
最先，人们从流感病毒被膜分离到膜融合装置蛋白复合物。流感病毒被
感染细胞内吞，进入胞内体 ( endosome)，病毒被膜与胞内体融合，释放病
毒的核酸到胞浆，进行复制。催化膜融合的是病毒被膜上的 HA蛋白。这个
融合蛋白的三维结构已经由 X－射线晶体衍射分析决定。 HA蛋白进入胞内
体后，低 pH诱导其构象发生很大变化，使原先隐埋的疏水区域暴露到蛋白
表面。成簇的疏水区与两膜的脂双层相互作用，使两膜脂双层紧密接触并
发生去稳定化，最终导致病毒被膜与胞内体膜的融合。介导小鼠精子与卵
细胞膜融合的蛋白，其结构与流感 HA融合蛋白有相似的结构,。
这些例子表明，在正常条件下，细胞发生的膜融合要有特殊的蛋
白介导并且受到细胞本身的多种调控机制的严密控制。精确控制下
的有限的膜融合，保证细胞生命活动的正常进行，既维持细胞自身
的稳定和整体性，又维持细胞内各亚细胞区间的相对独立性。 在这
许多细胞调控系统中，信号传递 (signal transduction ) 是关键环节。
钙是生物膜融合的普遍诱导物，细胞间初始的细胞黏附和细胞器之
间脂双层的接合，钙离子都是介导者。在大量的生物膜融合事件中，
钙离子作为初始的触发物 (primary trigger) 起十分重要的作用。膜融
合的全过程涉及不止一条信号通路，特别是 G蛋白偶联的信号通路
如磷脂酰肌醇信号通路。通过 IP3刺激胞内钙库钙的释放，或者通过
打开细胞膜上钙通道，使胞内钙离子浓度升高,钙离子浓度的升高
激活了一系列下游事件，触发和影响着膜的融合。下图概括了若干
影响生物膜融合的典型的信号通路事件。
还应当指出，膜融合过程及其机理的研究和膜融合技术的发展将
可能应用于生物技术及其产品的开发上。例如，开发提高涉及细胞
分泌的膜融合能力的技术可以用于增加某些特殊分泌分子的生物工
程产品的产量。研究选择性抑制生物膜融合的能力有助于开发新的
避孕药物和抗病毒药物。如果能够阐明细胞选择性膜融合的调控机
制，将有助于提高靶向药物脂质体的有效性。
配体
受 体
转换器
效应器
效应分子
生物效应
