脂和生物膜演示文稿現在是1頁\一共有58頁\編輯于星期二（優選）脂和生物膜現在是2頁\一共有58頁\編輯于星期二

在實驗室里通過對加有卵磷脂的溶液進行超聲處理，可以形成2種不同類型的脂質聚合體－微團和由脂雙層構成的脂質小泡。

微團可包含幾個到上千個分子，是個疏水部位朝內，而親水部位朝向外側的單層球形結構。由脂雙層構成的小泡內是一個水相空間，這樣的脂雙層結構稱之脂質體，相當穩定，對許多物質是不通透的?，F在是3頁\一共有58頁\編輯于星期二現在是4頁\一共有58頁\編輯于星期二8.7膜的組成和結構脂雙層

典型脂雙層的厚度大約為5～6nm。脂雙層內的脂分子的疏水尾巴指向雙層內部，親水頭部與每一面的水相接觸。磷脂中帶正電荷和負電荷的頭部基團為脂雙層提供了兩層離子表面，雙層的內部是高度非極性的。脂質體對許多物質是不通透的，由于脂質體內部是一個水相空間，可以用來包裹藥物分子，所以利用脂質體將藥物帶到體內特定組織曾引起較大關注。

現在是5頁\一共有58頁\編輯于星期二脂雙層形成了所有生物膜的基礎，并賦予了生物膜很多的物理特性。在生物膜中，不能形成脂雙層的膽固醇和其他脂（大約占整個膜脂的30％）可以穩定地排列在其余70％磷脂組成的脂雙層中。生物膜的另一個必要成分是蛋白質，蛋白質鑲嵌在膜中或與膜表面結合，典型的含有蛋白質的生物膜的厚度大約是6～10nm。膜蛋白直接參與跨膜的分子轉運、信號轉導以及質膜和細胞骨架之間的相互作用?，F在是6頁\一共有58頁\編輯于星期二不同種類的生物的同類生物膜結構成分不同髓鞘草履蟲現在是7頁\一共有58頁\編輯于星期二同一細胞內各類細胞器的膜其脂類成分不同

細胞自身具有控制各種細胞器中脂類的種類和含量的機制鼠肝細胞卵磷脂磷脂酰乙醇胺心磷脂現在是8頁\一共有58頁\編輯于星期二

生物膜的內層和外層膜脂組成具有不對稱性。鞘磷脂和磷脂酰膽堿幾乎各占了人紅細胞質膜外層總脂含量的一半。

但它們在內膜的磷脂中所占的比例卻很少，占優勢的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。膜內層膜外層膜內層鞘磷脂磷脂酰膽堿磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸總脂量現在是9頁\一共有58頁\編輯于星期二生物膜

鑲嵌有蛋白質的脂雙層，起著分隔細胞和細胞器的作用。

1972年，JonathanSinger和GarthNicolson提出了生物膜的流動鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）：磷脂構成脂雙層；

膜蛋白看上去象是圓形的“冰山”飄浮在高度流動的脂雙層“?！敝校?/p>

內在膜蛋白插入或跨越脂雙層；

外周膜蛋白與膜表面松散連接；膜蛋白質和脂可以快速地在雙層中的每一層內側向擴散?，F在是10頁\一共有58頁\編輯于星期二生物膜示意圖外周膜蛋白內在膜蛋白內在膜蛋白錨脂蛋白糖鞘脂的寡糖鏈糖蛋白的寡糖鏈外周膜蛋白現在是11頁\一共有58頁\編輯于星期二典型的真核細胞質膜結構示意圖

生物膜主要是膜蛋白與由磷脂形成的脂雙層構成的，真核細胞質膜還有膽固醇插入脂雙層中。膜蛋白：內在膜蛋白、外周膜蛋白和脂錨定膜蛋白現在是12頁\一共有58頁\編輯于星期二膜蛋白：1、內在膜蛋白

也稱為內嵌膜蛋白，插入或跨越脂雙層，含有嵌入脂雙層的疏水區。很多內在跨膜蛋白都含有一個或多個跨膜α-螺旋肽段。穿膜的內在膜蛋白通常參與生物分子跨膜轉運和信號傳遞。血型糖蛋白A是一個單次跨膜蛋白，含有一個由19個疏水氨基酸殘基組成的跨膜α-螺旋。單次跨膜蛋白大約占總膜蛋白的5～10％，受體蛋白一般都屬于這類蛋白?，F在是13頁\一共有58頁\編輯于星期二血型糖蛋白A跨膜示意圖現在是14頁\一共有58頁\編輯于星期二細菌視紫紅質蛋白是一個有7個跨膜的-螺旋肽段，每個肽段大約含有25個氨基酸殘基。視紫紅質位于嗜鹽細菌的質膜中，是一個光驅動的質子泵，利用光能產生跨膜的質子濃度梯度，提供驅動ATP合成的能量。細胞外空間細胞質現在是15頁\一共有58頁\編輯于星期二

內在膜蛋白由于嵌入在膜的脂雙層中，分離這類蛋白需要破壞蛋白和膜脂之間的疏水相互作用。通常都是使用一些比較溫和的，不會使蛋白質變性的去污劑破壞疏水相互作用，去污劑在溶解膜的過程中可以取代大多數膜脂，形成可溶性的微團。

利用可溶性蛋白純化使用過的技術（如凝膠過濾、離子交換等）將去污劑溶解的膜蛋白分離出來，純化的內在膜蛋白一般都保存在去污劑中，一旦除去去污劑，將導致不可逆的蛋白凝聚和沉淀?，F在是16頁\一共有58頁\編輯于星期二常用的溶解膜蛋白的去污劑現在是17頁\一共有58頁\編輯于星期二2、外周膜蛋白外周膜蛋白與內在膜蛋白不同，它們與膜的作用弱得多，通常都是通過離子鍵和氫鍵與膜脂的極性頭部或與內在膜蛋白伸出膜表面的部位結合。由于外周膜蛋白既沒有共價連接在脂雙層上，也沒有嵌入在脂基質中，不需要切斷共價鍵或破壞膜，只要改變離子強度或pH，就可很容易地將外周膜蛋白從膜上分離出來。

現在是18頁\一共有58頁\編輯于星期二3、脂連膜蛋白（脂錨定膜蛋白）有些膜蛋白含有共價連接的脂，通過脂將該蛋白錨定在膜上。糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白脂酰錨定蛋白異戊烯錨定膜蛋白現在是19頁\一共有58頁\編輯于星期二外周蛋白內在膜蛋白脂連膜蛋白現在是20頁\一共有58頁\編輯于星期二膜蛋白結構的預測

一般生物膜的厚度為30埃。因此連續20個具有高度疏水性的氨基酸殘基的存在是跨膜蛋白的一個證據。20x0.15nm=30埃血型糖蛋白A被預測有一個跨膜區。現在是21頁\一共有58頁\編輯于星期二膜蛋白結構的預測細菌視紫紅質蛋白被預測有7個跨膜片段。每個片段大約含有25個氨基酸殘基?，F在是22頁\一共有58頁\編輯于星期二

膜的流動性是流動鑲嵌模型的特征之一，膜的流動性指的是生物膜內分子的運動性，包括膜脂和膜蛋白在膜內的運動。8.8膜的流動性現在是23頁\一共有58頁\編輯于星期二膜脂的側向擴散：膜中的同一層脂類分子很容易與鄰近的分子交換位置，這樣的運動稱為側向運動或側向擴散。膜脂的側向運動速度非常快，在一個大約2μm長的細菌細胞中，一個磷脂分子在37℃下從一端擴散到另一端大約只需一秒鐘。橫向擴散（也稱為翻轉）：

雙層中的某一層內的脂過渡到另一層是非常慢的，大約比同一層內的任何兩個脂的交換慢109倍，要實現這一過程需要很大的激活能。在哺乳動物細胞中含有翻轉酶或轉運酶，能夠將特定的磷脂從脂雙層的一層轉移到另一層。

現在是24頁\一共有58頁\編輯于星期二

側向擴散橫向擴散膜脂在脂雙層膜中的擴散現在是25頁\一共有58頁\編輯于星期二膜流動性也取決于膜脂組成和結構，由帶有單一磷脂構成的脂雙層在低溫時處于一種有序的凝膠相，脂酰鏈呈現伸展的構象，此時的VanderWaals接觸最大，形成晶體排列。當脂雙層被加熱時，發生了類似于晶體融解的相轉換，形成液晶相，此時的膜脂是高度無序的，脂酰鏈之間松散。因為脂?；臒N鏈并沒有象低溫時那樣伸展，所以在相轉換期間，脂雙層的厚度大約減少了15％。

相轉換溫度現在是26頁\一共有58頁\編輯于星期二有序的凝膠相無序的液晶相加熱冷卻現在是27頁\一共有58頁\編輯于星期二

由單一類型磷脂做成的脂雙層的熱吸收曲線有一很陡的峰，峰頂對應的溫度稱為相轉換溫度，也稱為熔點（Tm）?，F在是28頁\一共有58頁\編輯于星期二向磷脂中加入膽固醇，脂雙層相變溫度沒變，但熱吸收曲線的峰變寬，變平緩。這是由于膽固醇打亂了伸展的脂酰鏈的有序組裝，阻止形成凝膠相，增加了膜的流動性，使脂雙層在較低溫度下就開始相變，熱吸收曲線像個丘陵，而不是一個陡峰。現在是29頁\一共有58頁\編輯于星期二

同時膽固醇的剛性環結構也會限制其它膜脂酰鏈的運動，降低膜流動性。因而膽固醇的存在有助于維護動物細胞膜流動性的恒定。

不飽和脂肪酸中順式雙鍵使得脂酰鏈產生一個扭轉，可增加脂雙層的流動性，降低相轉換溫度。

18：0二硬脂酰脂雙層的相轉換溫度是54℃，而18：1二油酰磷脂酰膽堿的脂雙層的相轉換溫度卻是－20℃。增加飽和脂肪酸鏈長會增加VanderWaals相互作用，可以穩定凝膠相，使相轉換溫度增高，同時使脂雙層的流動性降低。

現在是30頁\一共有58頁\編輯于星期二

對于許多生物來說，膜的流動性是相對恒定的。維持膜流動性恒定很重要，因為流動性的變化會影響膜蛋白質的催化功能。通過改變膜脂中不飽和與飽和脂肪酸殘基比例可以調節膜的流動性，例如當細菌在低溫下生長時，就會通過增加不飽和脂酰基來維持膜的流動性。大多數溫血生物都維持著恒定體溫，膜中不飽和與飽和脂?；谋壤兓苄　，F在是31頁\一共有58頁\編輯于星期二

生物體在不同溫度下如何保持其膜流動性的相對穩定？現在是32頁\一共有58頁\編輯于星期二膜蛋白在脂雙層中的側向擴散的實驗證明用特異抗人細胞膜上的蛋白的抗體標記人細胞，用特異抗小鼠細胞膜上的蛋白的抗體標記小鼠細胞。抗人抗體和抗鼠抗體分別標記不同顏色的熒光。進行小鼠細胞和人細胞融合實驗。通過免疫熒光顯微鏡觀察兩種標記的細胞融合后細胞膜上膜蛋白是否在脂雙層中移動。開始兩種標記顏色并沒有混合，大約在融合后40分鐘，觀察到細胞表面出現顏色混合，說明膜蛋白快速地在脂雙層中擴散了。現在是33頁\一共有58頁\編輯于星期二人工誘導細胞融合膜蛋白側向擴散人細胞鼠細胞現在是34頁\一共有58頁\編輯于星期二光漂白熒光恢復技術測量膜蛋白擴散速度

首先將培養細胞的內在膜蛋白熒光標記，然后將標記的細胞在顯微鏡下用強熒光脈沖束照射被固定的細胞的某一部分，處于這部分的熒光分子會發生不可逆的漂白，結果在該照射部分留下了一個漂白的空斑。現在是35頁\一共有58頁\編輯于星期二光漂白熒光恢復技術測量膜蛋白擴散速度

被漂白分子擴散出漂白區，而周圍未受激光照射的熒光分子擴散進入漂白區，漂白區熒光恢復。熒光恢復速率取決于熒光標記膜蛋白的擴散速率。

證明膜蛋白能夠側向運動，也提供了一個直接測量膜蛋白的擴散速率的方法?，F在是36頁\一共有58頁\編輯于星期二某些膜蛋白的移動受到一定的限制

紅細胞的外周蛋白主要位于紅細胞膜的表面，并編織成纖維狀的骨架結構,以維持紅細胞的形態,限制膜整合蛋白的移動?，F在是37頁\一共有58頁\編輯于星期二生物膜的分離通過差速離心可以將質膜和胞內膜與各種細胞器分開。

細胞通過勻漿或超聲破碎，可以將質膜和內質網膜以及高爾基體膜縮成直徑不到0.5μm的封閉泡。每種膜的密度不同，可以通過庶糖密度梯度離心將不同的膜分開。差速離心庶糖密度梯度離心現在是38頁\一共有58頁\編輯于星期二生物膜是一個雙層脂質結構紅細胞的質膜

紅細胞不含有核或其他的內部細胞器，紅細胞是質膜的最便利的來源。在低滲溶液中裂解，通過洗滌將胞質蛋白除去，

可以獲得大量的無其他細胞污染的質膜(稱為紅細胞“血影）。

現在是39頁\一共有58頁\編輯于星期二溶質的跨膜運動

一些疏水的、小的非極性分子可以自由地擴散通過細胞膜，但是對大多數帶電的和極性的分子來說，脂雙層是幾乎不可逾越的壁壘，這些物質進出質膜必須要通過膜的一些轉運途徑來完成，主要有被動轉運和需要能量支持的主動轉運，二者需轉運蛋白協助完成。現在是40頁\一共有58頁\編輯于星期二單向轉運S1和S2同向轉運S1和S2反向轉運

轉運蛋白對轉運的分子是特異的，最簡單的一類轉運蛋白只攜帶一種類型的溶質跨膜轉運，稱為單向轉運。許多轉運蛋白可進行兩種溶質的協同轉運，即兩種溶質同向轉運或反向轉運。現在是41頁\一共有58頁\編輯于星期二8.9跨膜轉運1、被動轉運（簡單擴散+易化擴散）易化擴散：利用載體，特定的小分子或離子從高濃度流向低濃度。小分子和離子的跨膜轉運借助于膜孔蛋白和通道蛋白、載體蛋白以及離子載體。（1）通道蛋白和膜孔蛋白通道蛋白和膜孔蛋白是帶有中央親水通道的跨膜蛋白。術語膜孔蛋白常用于細菌；術語通道蛋白常用于動物，通道蛋白對某些離子高度特異。

大小、電荷和幾何形狀都合適的溶質可以沿著由高到低的濃度梯度經通道快速地擴散。

現在是42頁\一共有58頁\編輯于星期二

革蘭氏陰性菌的外膜富含膜孔蛋白，能夠使細胞外的離子和許多小的極性溶質進入細胞內。研究表明，膜孔蛋白或是單體，或是由相同亞基組成的三聚體，每個亞基由16～18股反向平行β-折疊片構成一個反平行β-桶，桶中間為一個小的極性溶質可通行的通道。

現在是43頁\一共有58頁\編輯于星期二

動物中有許多通道蛋白，對某些離子具有高度特異性。某些通道連續開放，而另外一些則有“門”，響應某些刺激或開或關。這類通道蛋白主要有兩種：配體-門（ligand-gated)離子通道：其開關是響應一個特殊的化學信號。電壓-門（voltage-gated)離子通道：其開關是響應膜的電特性的變化。應力-門（stretch-gated）通道：響應膜內的張力或膨脹壓的變化現在是44頁\一共有58頁\編輯于星期二乙酰膽堿受體：配體-門離子通道釋放的乙酰膽堿與受體結合，打開離子通道突觸囊泡（a）在靜止狀態，通道關閉，后突觸神經元的外側帶有更多的正電荷，而內側帶有更多的負電荷，形成一個膜電位，（b）當電脈沖到達前突觸神經元時，前突觸神經元釋放乙酰膽堿,乙酰膽堿與后突觸神經元的受體結合，使得離子通道打開，使得鈉離子沿濃度梯度擴散，當離子進入細胞后，膜去極化。現在是45頁\一共有58頁\編輯于星期二（2）載體蛋白載體蛋白是跨膜蛋白分子，能與特定分子結合，通過改變自身構象使這些分子通過膜。

現在是46頁\一共有58頁\編輯于星期二葡萄糖結合轉運釋放恢復紅細胞葡糖轉運蛋白轉運葡萄糖過程

葡糖轉運蛋白存在兩種構象：朝向細胞外表面的對葡萄糖高親和性的的構象；朝向細胞內表面的對葡萄糖低親和性的構象。葡萄糖從血液經葡萄糖轉運蛋白沿著葡萄糖濃度梯度降低方向進入紅細胞內。現在是47頁\一共有58頁\編輯于星期二被動轉運蛋白的另一個例子是人紅細胞膜的氯離子-碳酸氫根離子交換蛋白，又叫陰離子交換蛋白，執行二氧化碳和氯離子一對一的交換。為了通過血液轉運CO2至肺部排出，在組織里，CO2首先通過擴散進入紅細胞，然后在碳酸酐酶催化下轉換為可在血液中轉運的溶解性更高的碳酸形式（HCO3－）。碳酸氫根與來自血液的Cl-經陰離子交換蛋白交換排出紅細胞。當碳酸氫根隨著血液到達肺時，HCO3－經陰離子交換蛋白重新進入紅細胞，而Cl－從紅細胞中排出。碳酸在碳酸酐酶催化下重新生成CO2，擴散出紅細胞，進入血液，最終經肺排放掉。陰離子交換蛋白使得HCO3－和Cl－的交換非?？臁，F在是48頁\一共有58頁\編輯于星期二血液血液現在是49頁\一共有58頁\編輯于星期二（3）離子載體離子載體也是按照被動轉運方式轉運離子的。離子載體是小的疏水性分子，可溶于膜脂雙層中。離子載體包括載體性離子載體和通道形成性離子載體。大部分離子載體是微生物合成的，其中有些已被用作抗生素。纈氨霉素就是一種載體性離子載體。纈氨霉素在膜的一側結合K＋，然后順著電化學梯度通過脂雙層，到了膜的另一側釋放K＋。纈氨霉素可使K+的擴散速率提高105倍，但是它不能有效地提高Na+的擴散速度。

現在是50頁\一共有58頁\編輯于星期二（a）載體性離子載體通過脂雙層擴散轉運離子；現在是51頁\一共有58頁\編輯于星期二（b）通道形成性離子載體通過跨膜通道轉運離子現在是52頁\一共有58頁\編輯于星期二

短桿菌肽A是一種通道形成性離子載體，由15個L和D氨基酸殘基交替排列組成的線性多肽，可抑制革蘭氏陽性菌。所有殘基都是疏水的。兩個短桿菌肽A以頭對頭方式（即N端對N端）方式形成二聚體，在膜中形成一個離子通道，可通過K＋、Na＋和H＋等離子。現在是53頁\一共有58頁\編輯于星期二2、主動轉運主動轉運在能量驅動下可以逆濃度梯度或電位梯度轉運生物分子，主動轉運可利用不同形式的能源，常用腺苷三磷酸（ATP）。

主動轉運的兩種形式初級主動轉運：直接利用ATP

次級主動轉運：依靠存儲在離子濃度梯度中的能量完成轉運現在是54頁\一共有58頁\編輯于星期二初級主動轉運以Na+