生物化学：第09章 脂类与生物膜第02节-3

1、二、生物膜的分子结构 （一）生物膜分子间作用力 疏水力、静电力、范德华力 （二）生物膜结构的主要特征 1. 膜组分的不对称分布 膜脂不对称 糖链常分布在细糖链常分布在细 胞膜外表面胞膜外表面 血型糖蛋白血型糖蛋白 Glycophorin A 15 O-link,1 N- link 膜蛋白不对称膜蛋白不对称 2. 生物膜的流动性生物膜的流动性 流动性是生物膜结构的主要特征。流动性是生物膜结构的主要特征。 （1）膜脂的流动性）膜脂的流动性 膜质分子的流动: 侧向扩散 酰基侧链的热运动 不能跨脂双层 脂肪酸链处于有序的刚性状态时(晶胶态),全 部C-C键为trans构象; 生理条件下，生物膜中的膜脂

2、分子处于相对 无序的液体状态时(呈液晶态)，在不断地运动 着。 膜脂流动性受温度的影响：膜脂流动性受温度的影响： 膜脂分子在一定温度下，可以从晶胶态转变为 液晶态，这种变化叫做膜脂的相变。发生相变 的特定温度叫相变温度（Tc）。 相变温度 晶胶态 液晶态 膜脂流动性受脂肪酸组成和胆固醇的控制膜脂流动性受脂肪酸组成和胆固醇的控制. 1 磷脂分子中，脂肪酸碳氢链长度和不饱和 度与生物膜流动性有关； 脂肪酸链长时,C-C倾向于trans构象，使脂双层 易处于晶胶态;反之易处于液晶态; 双键(Cis)的弯曲干扰高度有序结构的形成,因 此含双键多的有利于脂双层处于液晶态. 2 胆固醇对生物膜的物理状态有

3、双重调节双重调节作用。 在相变温度以上，胆固醇可以降低膜的流动性 和通透性，从而使膜趋向于晶胶态； 在相变温度以下，胆固醇可以降低磷脂分子间 的有序排列，保持膜的流动性。 膜脂流动性影响内在蛋白的构象和功能. *细胞膜流动性异常病 急性淋巴细胞白血病（细胞膜流动性变高） 克山病 （心肌线粒体膜流动性变低） *植物膜脂流动性影响植物抗冷性. 抗冷植物线粒体膜流动性高。 （2）膜蛋白的运动性 膜蛋白运动方式：侧向扩散、旋转扩散 膜蛋白运动的证据： 1970 Frye and Edidin 间接免疫荧光标记和细 胞融合实验 人、鼠细胞融合： 间接免疫荧光标记两 种细胞表面特异抗原； 细胞融合初期，杂

4、合 细胞两半呈现两种不 同颜色荧光； 保温一定时间后，2 种颜色的荧光点均匀 分布。 证明膜蛋白可以在脂双层中运动. 光漂白荧光恢复法 （fluorescence photobleaching recovery； FPR） 膜脂流动性影响膜内在蛋白的嵌入深度， 从而影响蛋白质构象和功能。 三、生物膜的结构模型 （一）脂双层模型（lipid bilayer model） Gorter and Grendel（1925） 双亲性的磷脂分子以尾对尾形成连续的双分子层， 作为生物膜的主体。 脂双层是生物膜的基本结构。 脂双层特点: 脂双层的形成是一个快速的自组装(self- assembly)过程,疏

5、水力是主要的驱动力; 脂双层结构是非共价的协同结构(cooperative structure)； 脂双层是一个自我封闭 (self-sealing)的连续 系统， 破损后可自我修复； 脂双层对离子和大多数极性分子高度不透 (highly impermeable). （二）“三明治”模型 Danielli and Davson（1935） 推测蛋白质在生物膜上的存在状态。 蛋白质-脂质-蛋白质 局限性 （三）单位膜模型（unit membrane model） Robertson 50年代 中间浅色区3.5nm，两面为 2.0nm深色区域。 强调“三明治”结构的普遍性。 局限性： 大多数膜蛋白

6、不易分离，蛋白质并非全分布 在外层； 膜两侧膜脂分子和膜蛋白是不对称的。 （四）流动镶嵌模型（fluid mosaic model） Singer and Nicholson（1972） 是目前普遍接受的膜结构理论。 基于两个实验证据： 生物膜流动性 膜组分分布不对称性 Singer and Nicholson（1972）流动镶嵌模型 膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体，膜蛋白 分布具有不对称性，有的蛋白质镶嵌在脂双层表面， 有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整个膜。 Major features: 1. Most of the membrane phospholipid and gl

7、ycolipid molecules are arranged in a bilayer. This lipid bilayer has a dural role: it is both a solvent for integral membrane proteins and a permeability barrier. 2. A small proportion of membrane lipids interact specifically with particular membrane proteins and may be essential for their function.

8、 3. Membrane proteins are free to diffuse laterally in the lipid matrix unless restricted by special interaction,whereas they are not free to rotate from one side of a membrane to the other. 流动镶嵌模型特征: 1 大多数磷脂和糖脂分子以脂双层形式排列. 脂双层有双重作用:既作为膜内在蛋白的溶剂, 又是渗透屏障. 2 少数膜质分子可能为实现其功能而与膜蛋 白发生专一的相互作用. 3 膜蛋白可以在膜脂基质中自

9、由侧向扩散(除 非受到特殊限制),但它们不能从膜的一侧旋转 到另一侧. （五）板块镶嵌模型 Jain and White（1977） 生物膜的各组分存在着一定的结构和功能联 系，整个膜分成组成、结构不同、大小不同、 流动性不同的板块。 生物膜是具有不同流动性的板块相互拼凑起 来的动态结构。 强调了生物膜结构和功能的局域化特点。 （六）功能筏模型（functional rafts） Simons & Ikonen（1997，Nature 387:569） 细胞膜上有一种由鞘脂和胆固醇集结而成的 复合体，它们可以作为连接蛋白质的平台 （platforms），在脂双层中运动，以执行膜 生物功能。 这

10、种富含糖脂、不被去污剂溶解的复合体就 叫做功能筏。 Detergent-insoluble glycolipid-enriched complex（DIGs） 生物膜的共性 1 生物膜是一种6-10nm厚的片层结构，有封 闭的边界； 2 生物膜主要由脂类和蛋白质组成，还含有 一些与脂类和蛋白质分子连接的糖类； 3 膜脂分子很小，具有双亲性，它们在水溶 液中形成极性分子的屏障脂双层； 4 膜的特异功能是通过特异蛋白质实现的； 5 膜是非共价的集合体； 6 生物膜结构是不对称的； 7 生物膜是流动的结构（由蛋白质和脂类分 子排列成的二维液体）； 8 大多数膜是极化的（electrically polarized）。 Na+,K+-泵 所有细胞存在 离子梯度差 网架支撑流动膜模型 唐孝威院士 由膜骨架组成的纤维网架，为镶嵌有膜蛋白的 两维溶液提供支撑，并且两者结合成整体。 在这个模型中，脂双层和膜骨架网架是细胞膜 的不可分割的部分，它们偶联在一起，形成了 整体结构。 生物膜结构理论还在发展完善中！ 讨论 复习题 讨论生物膜的化学组成 讨论生物膜的结构特点 如何证明膜蛋白的流动性