1、n 主要内容主要内容：1）生物膜功能的概述；2）生物膜的结构与功能；3）生物膜中脂与蛋白质的相互作用；4）脂类及蛋白质分子的运动n 赵南明、周海梦，生物物理学，第二部分。高等教育出版社，2003。课程内容介绍课程内容介绍p 思考题思考题：n 生物膜的主要功能有哪些？n 生物膜的结构特征与功能的关系？n 脂质体的概念和用途？n 膜脂质分子和蛋白质的运动形式有哪几种？20世纪世纪60年代后期，生物膜研究的新年代后期，生物膜研究的新成果产生了成果产生了 S.Singer和和 G.Nicolson的的生物膜流体镶嵌模型生物膜流体镶嵌模型（fluid mosaic model），强调生物膜的动力学结构和
2、），强调生物膜的动力学结构和膜脂膜蛋白的相互作用。这奠定了膜脂膜蛋白的相互作用。这奠定了作为膜生物学重要部分的膜生物物理作为膜生物学重要部分的膜生物物理学的基础。学的基础。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。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，大大地椎动了膜生物学的发展。6.1 6.1 生物膜功能的概述生物膜功能的概述 (1)区间化区间化：质膜把整个细胞包裹起来，核膜和细胞内膜系统以及线粒体、叶绿体膜等把细胞分隔成一个个相对独立的区间。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。使多种活性作用相互干扰
3、减少到最低。区间化区间化：(2)物质通透和输运的调节物质通透和输运的调节：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人细胞质而排除不适宜物质的进入。(3)对细胞外信号的响应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。质膜上的受体与外部配体（激素、生长因子和神经递质）相互作用使膜产生新的信号，以刺激或抑制细胞内部活力。(4)细胞间的相互作用细胞间的相互作用：如细胞间的识别、粘附和交流物质与信息。物质通透和输运的调节物质通透和输运的调节：对细胞外信号的响应对细胞外信号的响应：细胞间的相互作用细胞间的相互作用：(5)生化活性的定位生化活
4、性的定位：膜提供一种方式使细胞内进行的各种生命活动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。(6)能量转换：能量转换：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。Granum,叶绿体基粒;Thylakoid,类囊体生化活性的定位生化活性的定位：能量转换：能量转换：6.2 生物膜的结构 6.2.1 生物膜的“流体镶嵌模型”SSinger和GNicolson提出生物
5、膜流体镶嵌模型 在流体镶嵌模型中，脂分子是以流体状态或液态存在于膜中，脂分子是以流体状态或液态存在于膜中，能够在其中作旋转或侧向运动能够在其中作旋转或侧向运动。膜蛋白颗粒不连续地镶嵌于脂双分子层中，穿入或完全透过膜蛋白颗粒不连续地镶嵌于脂双分子层中，穿入或完全透过脂片层脂片层。不同功能的蛋白质漂浮于二维的流体中，所以被称之为流体镶嵌模型。在流体镶嵌模型中，最重要的是生物膜以动态结构存在，进行各种类型的暂时或永久的相互作用。6.2.2 6.2.2 生物膜的化学组成及其在膜中的结构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，膜成分主要是通过非共价结合类脂蛋白质聚合体，膜成分主
6、要是通过非共价结合组装成薄的片层结构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。在原核细胞与真核细胞之间，不同组织类型（如肌肉、软骨等）的细胞之间，不同细胞器（内质网、高尔基体等）的膜之间；膜蛋白与膜脂的比例变动是相当大的。6.2.2.1 6.2.2.1 膜脂膜脂(membrane lipid)(membrane lipid)大多数动物细胞的质膜约含50的类脂分子。构成生物膜的脂类有3类：磷脂磷脂、胆固醇胆固醇和糖脂糖脂，其中以磷脂最为丰富。磷脂磷脂(phospholipids)(phospholipids)分为磷酸甘油酯和鞘磷脂类分为磷酸甘油酯和鞘磷脂类。磷酸甘油
7、酯的结构极性脂类(polar lipid)磷脂磷脂 类固醇类固醇糖脂糖脂磷脂 在脂肪酰链中，双链可以有两种几何构型异构体，即双链可以有两种几何构型异构体，即顺式顺式(cis)(cis)和和反反式式(trans)(trans)，前者双链两旁的H分布在双链同侧，后者则分别位于两侧。磷酸甘油脂肪酰链的双键往往取磷酸甘油脂肪酰链的双键往往取ciscis构型构型。cis构型的不饱和脂肪酰链比起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，链长短而分子覆盖面积大。链长和分子面积对生物膜的特性有重要影响。链长和分子面积对生物膜的特性有重要影响。顺式顺式反式反式磷脂的电荷特性磷脂的电荷特性 磷脂
8、的极性头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。磷脂极性头决磷脂极性头决定整个磷脂的电荷特性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，它是一种兼性分子，在生理条件下，它通常呈电中性。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。各种膜磷脂成分由于其极性头的结构不同，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有很重要的意义。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
9、。类固醇类固醇 The discoveries concerning the mechanism and regulation of the cholesterol and fatty acid metabolism 环戊烷多氢菲几种重要的膜脂成分重要膜脂的性质与功能：重要膜脂的性质与功能：磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱PCPC 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺PEPE 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸PSPS是许多生物膜中占有突出位置的酸性磷脂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、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
10、肌醇磷脂酰肌醇PI PI 这组磷脂包括这组磷脂包括PIPI、PIPPIP和和PIP2(PIPIP2(PI的肌醇基磷酸化衍生的肌醇基磷酸化衍生物物)。这组磷脂只占膜脂的1015，但是在若干重要的细胞生理调节过程中起着重要作用，如:1)1)与与CaCa2+2+、MgMg2+2+等二价离子的静电交联、信号传递等。等二价离子的静电交联、信号传递等。2)2)由于它们大多存在子膜脂双分子层内叶，对负的跨膜电势的形成有由于它们大多存在子膜脂双分子层内叶，对负的跨膜电势的形成有贡献。贡献。3)3)另一个重要功能是把某些膜外周蛋白锚定于质膜外侧。另一个重要功能是把某些膜外周蛋白锚定于质膜外侧。溶血磷脂溶血磷脂(
11、LysoPL)(LysoPL)由相应的磷酸甘油酯在磷酿酶A2的作用下，移去sn2脂肪酰链而形成，磷脂分子从双疏水尾巴(脂肪酰链)变为单疏水尾巴，这可能导致形成非脂双分子层的微团或六角形构象，或者可能在脂双分子层的重构中成为“转角石”，它们很可能涉及膜融合以及高曲率膜表面它们很可能涉及膜融合以及高曲率膜表面(如叶绿体如叶绿体类囊体脂、内质网膜类囊体脂、内质网膜)的构建的构建。细胞为适应环境(特别是植物为适应温度的变化)通过磷脂酶对磷脂分子进行重新“剪裁”，移去sn-2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脂分子的这种重新剪
12、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的活性的变化蛋白的活性的变化。心磷脂(Cardiolipin,diphosphatidylglycerol),存在于线粒体中.鞘脂类鞘脂类(sphingolipid)(sphingolipid)有3类主要的鞘脂类：脑苷脂、神经节苷脂和鞘磷脂脑苷脂、神经节苷脂和鞘磷脂。鞘脂类在生物膜中起显著的增强其刚性的作用。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人膜脂两单分子叶片层之间增加脂双分子层的稳
13、定性，而鞘氨醇氨基与脂肪酸羧基形成的酰胺键(CONH)非常倾向于形成氢键，这又可以稳定膜蛋白。膜鞘脂类的含量与细胞衰老相关，在天然膜中PC和鞘磷脂Sph存在着如下关系:Pc与Sph之间的比例随着年龄而变化，在年轻组织中，PCSph1，而老化组织中PCSph1。在脑和神经组织中，随着逐渐老化，Sph增加，组织硬度增高。类固醇类固醇膜类固醇含量直接影响膜的通透性和稳定性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、蛋白的功能，如调节某些离子、胸腺素、葡萄糖的输运、葡萄糖的输运、ATPATPADPA
14、DP变换、变换、NaNa+K K+ATPaseATPase活性等活性等。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。6.2.2.2 6.2.2.2 膜脂的结构特性与膜脂的组织膜脂的结构特性与膜脂的组织 膜脂最基本的特性是具有双亲媒性双亲媒性(又称兼性又称兼性)和自组装能力自组装能力；膜脂的3种主要成分磷脂、糖脂和类固醇磷脂、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。膜结构的基础是建立在膜脂主要成分磷脂的兼性特性上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
15、分子能够以物理的而非化学的联系自组装自组装（self-assemble）成各种膜样微结构(microstructures)。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(hydrophobic effect)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，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、糖基分子共连接形成超聚合物，介导和调控生命过程。双亲媒性双亲媒性(又称兼性又称兼性)自组装能力自组装能力 相结构相结构 脂双层相脂双层相(lipid bilayer(lipid bilayer，lamellar phase)lam
16、ellar phase)对生物膜而盲，脂双层是由膜脂分子(尤其是磷脂)形成的最主要的相结构 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，膜的厚度随脂质分子的不饱和度的增加而减小。由于脂双层固有的自发组装的特性，生物膜总是连续的由于脂双层固有的自发组装的特性，生物膜总是连续的“没破裂没破裂”，而且无游离边缘的结构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。生物膜的脂双层结构对细胞的结构与功能有巨大影响。由于脂双层的柔韧性，生物膜是可变形的，由于脂双层的柔韧性，生物膜是可变形的，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。脂双层结构使得生物膜在细胞分泌、分裂等过
17、程中可以发生融合或拆分。(1)(1)液晶或流体相液晶或流体相 液晶相是具有生机活力的细胞，特别是“年轻”细胞的典型的生物膜相结构。由于脂肪酰链具有运动自由度，脂双层膜是比较柔韧的，镶嵌其中的蛋白质，如脂质海洋中的小船，得以实施最大的生物活性。(2)(2)凝胶或固态凝胶或固态 相处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结”几乎完全失去运动自由性。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失去适应性，而易于形成渗漏，造成膜通透性及其功能的损害。衰老或不完善的生物膜往往表现为典型的凝胶相。相变和相分离相变和相分离1）凝胶相到液晶相的相变相变温度相变温度
18、T Tt t高相变温度的生物膜对外界胁迫高相变温度的生物膜对外界胁迫更敏感，嗜冷生物？更敏感，嗜冷生物？影响脂双层膜的凝胶相到液晶相相变温度的因素：磷脂脂肪烃链的结构；极性头的性质；膜的磷脂组成；2）片层脂双层相和六角形相之间的相变3 3）相分离（混合相）的概念）相分离（混合相）的概念人工膜人工膜 人工膜在制备技术及其作为研究生物膜的物化特性和生理功能的理想模型方面不断发展，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双分子层脂膜(bilayer lipid membrane(bilayer lipid membrane，BLM)，它包括平面双分子膜和脂质体；另一类是由脂
19、单分子层组成，称为单层膜或lang muir-Blodgett 膜(LB膜)。脂质体(liposomes)脂质体是人工脂双层膜形成的圆球状膜泡，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，脂质体有不可估量的价值:1 1）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）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多的环境下进行。2 2）脂质体可以作为）脂质体可以作为DNADNA或各种药物的载体，即将或各种药物的载体，即将DNADNA或药物包装于脂质体或药物包装于脂质体的囊泡中，再运载到体内的靶细胞的囊泡中，再运载到体内的靶细胞。(1)大单层
20、脂质体(large unilamellar vesicles，LUV)，直径大于150 nm。制备方法有去污剂透析法、反向蒸发法和注入法等。(2)小单层脂质体(small unilamellar vesicles，SUV)，直径约30-50 nm。制备方法多用超声法。(3)多层脂质体(Mutilamellar vesicles，MLV),由多层同心双分子层脂膜组成，层与层之间夹有550微米厚的水层。目前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500 nm。LBLB膜膜 脂分子在水平面上紧密排列，形成亲水头在水相，流水的烃链指向空气的脂单分子层，即LB膜。LB膜技术不
21、仅用于研究脂膜的表面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，化学和膜磷脂分子间的相互作用，而且是研究药物、多肽等与脂相互而且是研究药物、多肽等与脂相互作用助有力手段。另一方而的重要作用助有力手段。另一方而的重要发展是前部分已经介绍的利用发展是前部分已经介绍的利用LBLB膜膜进行蛋白质二维晶体的构建和结构进行蛋白质二维晶体的构建和结构分析。分析。6.2.2.3 膜糖类膜糖类 真核细胞的质膜表面都含有糖类化台物，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210，不同物种和细胞类型的膜糖含量不同。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
22、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。寡糖、多糖研究的复杂性6.2.2.4 6.2.2.4 膜蛋白膜蛋白 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。一种生物膜可含有10多种至50多种蛋白。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。1，2 整合蛋白；整合蛋白；3，4 脂锚定蛋白；脂锚定蛋白；5，6 外周蛋白外周蛋白 膜蛋白的功能膜蛋白的功能（1 1）与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。）与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。（2 2）一般说来，细胞质膜的蛋白，主要与涉及胞外
23、环境的细胞活力有关，）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，而细胞内膜系统的蛋白则主要与代谢活力有关，（3 3）发挥酶的作用）发挥酶的作用(如如33磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶)，（4 4）作为输运载体）作为输运载体(通道、载体和离子泵通道、载体和离子泵)，（5 5）信息传递者或能量转导者的功能，）信息传递者或能量转导者的功能，（6 6）构成细胞膜骨架等。）构成细胞膜骨架等。1内在蛋白或整合蛋白 这类蛋白插入脂双分子层，与脂双层的疏水核紧密结合，整合于脂双层结构中，只有用有机溶剂（如氯仿)或去污剂(如胆酸盐等)，破坏脂双层结构
24、才能将其从膜中分离出来。单一跨膜蛋白，这类蛋白包括许多细胞质膜受体，它们能结合质膜外的配体(如生长因子、激素或抗原等)并通过跨膜片段把信息传至胞内。多次跨膜蛋白，包括一些通道蛋白和其他功能蛋白(如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）。膜蛋白的提取、功能和结构分析：Triton X-100，Na2CO3等去污剂；蛋白质组学，结构生物学。Bing Tian,et al,细菌视紫质蛋白细菌视紫质蛋白(bacteriorhodopsin)(bacteriorhodopsin)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
25、)。每个细菌视紫质蛋白分子都含有单一光吸收基因（或生色团，视黄醛），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井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，但是采用电镜与电子衍射分析结合的技术得以确定它们的三维结构和在膜中的定向。每个细菌视紫质蛋白分子折叠成7个紧密包裹的螺
26、旋(每个约合25个氨基酸残基)，成束穿过脂双层。跨膜片断的判断方法跨膜片断的判断方法 Hydropathy计算法 已有生物信息学软件：TMHMM,http:/www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/Psort,http:/www.psort.org/Sequence Number of predicted TMHs:11 2外周蛋白或外在蛋白(peripheral 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非共价的盐键或氢键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
27、的亲水部分相联系，容易用高离子强度溶液(如NaCl)或高PH溶液将它们从膜上分离下来。（1）膜联系蛋白膜联系蛋白：包括质膜内表面的一些酶和传递跨膜信号的因子等。如线粒体内膜上细胞色素C。（2）骨架膜蛋白骨架膜蛋白：如血影蛋白是红血球骨架膜蛋白的主要成分。3 3脂锚定蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)(lipid-anchored protein)这类蛋白大多仅位于脂双层膜表面一侧，它们通过共价键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，从而增加该蛋白的琉水性，这类内在蛋白也可以认为是一种脂锚定蛋白。6.2.3 膜的不对称
28、性 膜的不对称性是指膜脂和脂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。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。应用冰冻断裂和冰冻蚀刻技术能够通过电镜图象显示膜的两表面和内在蛋白的分布应用冰冻断裂和冰冻蚀刻技术能够通过电镜图象显示膜的两表面和内在蛋白的分布。用。用尖锐的刀片将液氮或液氨温度尖锐的刀片将液氮或液氨温度(-196(-196 0 0C1C1和和 -269-269 0 0C)C)冷冻
29、的样品断开，断面通常总是沿冷冻的样品断开，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(如铂如铂)蒸镀在形成的断面蒸镀在形成的断面上，形成一层复型膜。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上，形成一层复型膜。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 P面，而面向非胞浆面，而面向非胞浆外侧的膜表面称为外侧的膜表面称为E E面。面。6.3 脂类及蛋白质分子的运动（生物膜的
30、动态特性）膜及其组成成分的运动性主要包括：脂双层的流动性；蛋白脂双层的流动性；蛋白质分子在膜中的运动；完整膜或膜片段的膜流质分子在膜中的运动；完整膜或膜片段的膜流。6.3.1 6.3.1 脂双层的流动性脂双层的流动性 膜脂的流动性：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。膜脂的流动性是用以描述膜的物理状态的重要参数，实际上，膜脂流动脂流动性即膜的性即膜的微粘性微粘性(viscosity(viscosity或或microviscosity)microviscosity)是量度脂质分子在膜中侧向运动的容易程度，也可以认为是描述脂质分子无序性时间平均值的物理量。液晶态膜的微粘性在其接
31、近极性头表面的区域最高，而在其疏水中心区最低。膜微粘性的评价和测量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法示差扫描量热或量热天平法，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交温度能够从膜的热变性曲线上计算出来。(2)核磁共振核磁共振(NMR)(NMR)，它测量脂分子绕cc键运动的自由度。(3)电子顺磁共振电子顺磁共振(EPR)(EPR)，它测量插入膜脂双层的自旋探针(spin probe)旋转的自由度。通常将氮氧化物探针连接到长脂肪酰链的末端。(4)荧光偏振技术荧光偏振技术，它是通过入射的偏振光束的去偏振，评价插入脂双层的亲脂性探针荧
32、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。脂质分子的运动形式脂质分子的运动形式 脂双层膜流动性反映脂质分子在脂双层中的分子内与分子间的运动。脂双层膜流动性反映脂质分子在脂双层中的分子内与分子间的运动。脂质分子内运动包括脂质分子内运动包括：(1)(1)最常发生的脂肪酰链长轴上绕着最常发生的脂肪酰链长轴上绕着cccc键的旋转；键的旋转；(2)(2)烃链的顺式扭结；烃链的顺式扭结；(3)(3)脂肪酰链沿长抽向的伸缩或弯曲。脂肪酰链沿长抽向的伸缩或弯曲。脂质分子间的运动包括：脂质分子间的运动包括：(1)(1)整个分子绕着与膜平面垂直的轴转动，也称转动扩散。整个分子绕着与膜平面垂直的轴
33、转动，也称转动扩散。(2)(2)侧向扩散，即膜脂分子在膜平而内的扩散。这是膜脂分子最重要的运动形式，扩散侧向扩散，即膜脂分子在膜平而内的扩散。这是膜脂分子最重要的运动形式，扩散速率的大小，用扩散系数速率的大小，用扩散系数DLDL表示。侧向扩散实际上是脂质分子在脂双层液晶排列的平表示。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面内经历着一连串从一个“晶格空间晶格空间”到另一个到另一个“晶格空间晶格空间“的跳跃而产生的净转位的跳跃而产生的净转位运动。运动。(3)(3)翻转，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。翻转，这是指脂分子从脂双层的一个叶片层完
34、全翻转到另一个叶片层的运动。脂双层流动性的重要性：脂双层流动性的重要性：1 1）膜流动性赋予膜完美的物理状态，刚柔兼备，既不变成完全的流体）膜流动性赋予膜完美的物理状态，刚柔兼备，既不变成完全的流体又表现着适宜的柔性，从而膜成分得以定向有序地组织着并具有机械性又表现着适宜的柔性，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，脂内蛋白支撑能力，而且造就膜内成分之间发生相互作用的基本条件，脂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、神经细胞突触等。经细胞突触等。2
35、 2）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）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。许多基本的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。许多基本的细胞过程，包括细胞运动、细胞生长、细胞分裂等都依赖于膜的流动性。细胞过程，包括细胞运动、细胞生长、细胞分裂等都依赖于膜的流动性。膜内在蛋白的运动膜内在蛋白的运动 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是内在蛋白运动性的重要决定因素。膜内在蛋白的主要运动形式包括侧向扩散运动、构象变化以及蛋白多聚侧向扩散运动、构象变化以及蛋白多聚复合物的
36、聚合和解聚复合物的聚合和解聚等。荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术：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辐射在质膜表面，被辐射的荧光分子发生不可逆地淬灭，在质膜表面造成一个荧光漂白区域。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。膜蛋白侧向扩散运动的类型及控制膜蛋白侧向扩散运动的类型及控制 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
37、到10-9 cm2/s，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。有些蛋白可以在整个膜平面中无规则地移动，相反地,有的蛋白被“锚定”在膜骨架上而无法作扩散运动。其他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，似乎在膜的胞浆面有马达蛋白(motor protein)驱动其运动。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。6.4 生物膜中脂与蛋白质的相互作用生物膜中脂与蛋白质的相互作用 蛋白质与脂分子是怎样
38、共同存在膜中的，它们发生看怎样的相互作用，它们的蛋白质与脂分子是怎样共同存在膜中的，它们发生看怎样的相互作用，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呢?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极性的羰基氧原子和亚氨基的氢原子构成螺旋中的氢键螺旋中的氢键这对于肽键能够处于这对于肽键能够处于脂双层疏水核心中是必不
39、可少的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，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，由于侧链的长短不一，蛋白螺旋表面并非平滑而是租糙的。由于侧链的长短不一，蛋白螺旋表面并非平滑而是租糙的。因此，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租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”并非总是完美元缺的，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。因此，当蛋白当蛋白质掺入膜时，膜的通透性会增加，脂磷脂分子的跨膜运动
40、速率也提高质掺入膜时，膜的通透性会增加，脂磷脂分子的跨膜运动速率也提高。热力学分析：产生了有利于磷脂头部与蛋白之间相互作用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的自由能降低.膜脂分子与蛋白的作用总的自由能变化很大膜脂分子与蛋白的作用总的自由能变化很大程度上取决于程度上取决于GtH,GtH,即取决于是否有利于即取决于是否有利于脂质分子极性头部结合与蛋白合适的部位脂质分子极性头部结合与蛋白合适的部位.调节膜脂分子与蛋白的作用可以调整膜蛋白调节膜脂分子与蛋白的作用可以调整膜蛋白的聚集状态的聚集状态,进而调整膜蛋白的功能进而调整膜蛋白的功能,如信如信息传递的级联反应息传递的级联反应;膜融合
41、1)1)生物学意义生物学意义 生物膜融合是一种基本的细胞过程生物膜融合是一种基本的细胞过程,是生命活动主要生理学过程是生命活动主要生理学过程之一，比如，胞外分泌、细胞之间的信号传导、病毒感染等都涉之一，比如，胞外分泌、细胞之间的信号传导、病毒感染等都涉及到融合过程及到融合过程.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的核苷酸和多肽的“原始膜原始膜”相互融合相互融合。同样，这些原始细胞的“繁殖”必然也是它们原始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它不仅仅是简单的胞内
42、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.它它是细胞进行蛋白和其他生物大分子的合成、加工、修饰、分拣、是细胞进行蛋白和其他生物大分子的合成、加工、修饰、分拣、包装与输运的包装与输运的“生产加工线生产加工线”。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，而是在有效调膜的融合已不再是无序和随机发生的，而是在有效调控中进行控中进行。所有细胞的生命全过程都伴随着被精细控制着的膜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。融合。由于融合过程非常短暂，只有几毫秒，很难直接对
43、其进行观察。由于融合过程非常短暂，只有几毫秒，很难直接对其进行观察。德国Max Planck研究所研究人员和法兰西医学院研究人员，利用瞬时分辨率为50s的设备对巨大油脂囊泡（giant lipid vesicles）的融合过程进行监控。研究结果刊登于PNAS。膜融合的分子机制膜融合的分子机制:（a）测微尺下观察到的融合过程；）测微尺下观察到的融合过程；（b）和（）和（c）关于分子重排假说：）关于分子重排假说：（b）为配基介导融合（）为配基介导融合（c）为电融）为电融合合.膜融合的基本过程：膜融合的基本过程：(1)紧密靠近；紧密靠近；化学膜融合剂化学膜融合剂,聚乙二醇；聚乙二醇；电融合电融合 (2)半融合；半融合；(3)融合孔的形成；融合孔的形成；(4)融合孔的扩宽；融合孔的扩宽；研究意义：不论不论 是生命科学还是生物工程学，控制膜融合都有很多利用价值，如是生命科学还是生物工程学，控制膜融合都有很多利用价值，如药物传递、基因转移等。药物传递、基因转移等。）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，特有助于提高靶向药物脂质体的有效性。Thanks！Email：
