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1、生物物理课1-2 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望什么是生物物理学？什么是生物物理学？生物物理学的定义是生物物理学领域几乎每一本教科书都难以回答的问题！要从物理科学与生物科学之间的关系来认识生物物理学！生物物理学的核心是生物学生物学！生物物理学的基本思路是相互作用(interactions)！G蛋白偶联受体对蛋白偶联受体对腺苷酸环化酶的腺苷酸环化酶的激活途径示意图激活途径示意图G蛋白介导的跨膜信号传导蛋白介导的跨膜信号传导Epinephrine bi
2、nds to a specific receptor.The occupied receptor causes the replacement of the GDP bound to Gs by GTP,activating Gs.GTPGDPGs(subunit)moves to adenylate cyclase and activates it.ATPcAMPAdenylate cyclase catalyzes the formation of 3,5-cyclic AMP.项目切入点生物物理学生物物理学(二二)的研究对象的研究对象生物膜的基本结构特征生物膜的基本结构特征膜主要是由脂类
3、膜主要是由脂类(lipid)(lipid)和蛋白质以和蛋白质以非共价非共价键相互作用键相互作用结合而成的二维流动体系。结合而成的二维流动体系。脂类分子呈连续的脂类分子呈连续的双分子层双分子层(bilayer)(bilayer)排列排列。膜具有膜具有双亲性双亲性(amphipathic nature(amphipathic nature)。蛋白质相对于脂双层的蛋白质相对于脂双层的不同镶嵌方式不同镶嵌方式。生物膜中各种组分的生物膜中各种组分的分布是高度不对称的分布是高度不对称的。生物膜的主要功能生物膜的主要功能它们是把细胞分割成一个个它们是把细胞分割成一个个“小室小室”(compartment)(
4、compartment)的物理屏障。的物理屏障。它们具有选择通透性。它们具有选择通透性。它们是它们是“小室小室”间传递化学信息和能量间传递化学信息和能量的介面。的介面。它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分选与定位，提供了工作平台和输运载体。选与定位，提供了工作平台和输运载体。1.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1765年年,Benjamin Franklinl将橄榄油倒入将橄榄油倒入CommenCommen池塘中，注意到由风所吹起的池塘中，注意到由风所吹起的水面微波被平息了。水面微波被平息了。l注意到同样数量的油永远覆盖同
5、样大小的面积。注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。lFranklinFranklin还计算到（根据油量和面积）油层的厚度还计算到（根据油量和面积）油层的厚度是是2525，而且，而且“它不可能扩展得更薄了。事实证明，它不可能扩展得更薄了。事实证明，用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与FranklinFranklin当时估算的一样！当时估算的一样！对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1902年，年，E.Overtonl发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；l增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速增加
6、分子的非极性基团，分子进入细胞的速度增加；度增加；l基于脂溶性物质容易透过质膜，基于脂溶性物质容易透过质膜，OvertonOverton提提出质膜是由一层薄的类脂所组成。出质膜是由一层薄的类脂所组成。l-Vjschr.Naturforsch Ges.Zurich 44(1899)88-98.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1917年，年，Langmuir 发现脂肪酸放在水和发现脂肪酸放在水和空气界面上形成单分空气界面上形成单分子膜子膜 -Langmuir film.Langmuir film.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1925年，年，E.Gorter and F.Grendel
7、从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有面积大约是红细胞表面积的面积大约是红细胞表面积的2 2倍。提出双倍。提出双分子类脂层是细胞膜的基本结构。分子类脂层是细胞膜的基本结构。l-J.Exp.Med.41(1925)439-443.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1935年，年，J.F.Danielli and H.Davsonl胎鱼卵的脂滴实验：胎鱼卵的脂滴实验：l卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大大提高；大提高；l纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，
8、表面张力降低纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低大大提高；大大提高；l提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构（the unit membrane modelthe unit membrane model）.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1972年，年，S.J.Singer and G.Nicholson，提提出出液体镶嵌模型液体镶嵌模型（The fluid mosaic The fluid mosaic modelmodel）：l强调膜结构的流动性强调膜结构的流动性l强调膜组分的不对称性强调膜组分的不对称性l膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合
9、膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合 -Science 175(1972)720-731.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1977年，年，M.K.Jain and H.B.White，提提出板块模型出板块模型：l在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块组成。结构和物化性质不同的许多板块组成。l膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。关。-Ad
10、v.Lipid Res.15(1977)1-60.对生物膜结构的认识对生物膜结构的认识1997年，年，K.Simons，细胞膜中的功能化筏细胞膜中的功能化筏(Functional rafts in cell manbrane):(Functional rafts in cell manbrane):l细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，4 4o oC C不溶于非离子型去污剂不溶于非离子型去污剂TritonTritonX100X100。l这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向这种特
11、殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。l功能：膜的分选与运输；信号传导等。功能：膜的分选与运输；信号传导等。-Simons&Ikonen,Nature 387(1997)569-572caveolin2.生物膜的基本组成生物膜的基本组成生物膜的基本组成生物膜的基本组成生物膜的基本组成生物膜的基本组成(一一)细胞质膜细胞内膜系统膜与细胞骨架生物膜的基本组成生物膜的基本组成细胞质膜细胞质膜 所有细胞的表面都包围着一层膜，在动物细胞中，我所有细胞的表面都包围着一层
12、膜，在动物细胞中，我们通常将其称为质膜们通常将其称为质膜(plasma membrane)(plasma membrane)。而对于其它。而对于其它生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜(cytoplasmic membrane)(cytoplasmic membrane)、表面膜、表面膜(surface(surface membrane)membrane)、原生质膜、原生质膜(plasmalemma)(plasmalemma)等。等。这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞对所有的胞外刺激产生最初反
13、应的地方。所有的营养对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也要通过它排出细胞。要通过它排出细胞。生物膜的基本组成生物膜的基本组成细胞质膜细胞质膜一些非离子小分子如水、尿素、一些非离子小分子如水、尿素、O O2 2、COCO2 2、甘油等，、甘油等，及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。而葡萄糖而葡萄糖(glucose)(glucose)和氨基酸和氨基酸(amino acid)(amino acid)等分子的跨等分子的跨膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运
14、系统。膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如，离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如，NaNa+-K-K+-ATPATP酶是利用蛋白水解酶是利用蛋白水解ATPATP的能量把的能量把NaNa+运出细胞，把运出细胞，把 K K+运进细胞；运进细胞；CaCa2 2+ATP+ATP酶则是把酶则是把CaCa2+2+泵到胞外。泵到胞外。胰岛素胰岛素(insulin)(insulin)等多肽类激素可以与质膜外表面的等多肽类激素可以与质膜外表面的受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传递到细胞内。递到细胞内。生物膜
15、的基本组成生物膜的基本组成细胞内膜系统：细胞内膜系统：与原核细胞不同，与原核细胞不同，真核细胞具有复真核细胞具有复杂的内膜系统，杂的内膜系统，即细胞质中有许即细胞质中有许多膜性细胞器多膜性细胞器(membrane-bound(membrane-bound organelle)organelle)。细胞内膜系统细胞内膜系统：线粒体：线粒体 线粒体线粒体(mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。是真核细胞的能量转换系统。线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜(outer membrane)和内膜和内膜(inner membrane)，其直径约，
16、其直径约1 1 m m。线粒体外膜含有大量的孔道蛋白线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porin),),它们穿越磷它们穿越磷脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小于小于10kd10kd的分子是自由通透的。的分子是自由通透的。线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristae)状结构，状结构，以增加总的内表面积。以增加总的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高，按线粒体内膜蛋白质的含量很高，按重量计算，蛋白质约占重量计算，蛋白质约占7070，脂类约占，脂类约占3030。内膜上的内膜上的许多蛋白质是与其能量转换
17、功能相关的，一组是呼吸链电许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋白传递到另一个载体蛋白；另一组是白传递到另一个载体蛋白；另一组是ATPATP合成酶复合体，合成酶复合体，用于催化用于催化ATPATP的合成。的合成。细胞内膜系统细胞内膜系统：溶酶体：溶酶体溶酶体溶酶体(lysosome)是细胞内主要的消化系统，是细胞内主要的消化系统，内含大量内含大量的酸性水解酶的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等苷酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核苷
18、酸、糖脂等水解，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单体。成单体。溶酶体内水解酶的溶酶体内水解酶的最适最适pHpH值为值为5 5，这个低，这个低pHpH值微环境是值微环境是由溶酶体膜上的质子由溶酶体膜上的质子ATPATP酶维持的。酶维持的。待水解的生物大分子通过内吞小泡待水解的生物大分子通过内吞小泡(endocytic compartent)进入溶酶体。进入溶酶体。溶酶体酶在粗面内质网中合成溶酶体酶在粗面内质网中合成，溶酶体在溶酶体在trans Golgi面面形成形成。细胞内膜系统细胞内膜系统:内质网和高尔基体内质网和高尔基体 内质网和高尔基体内质网和高尔基体(Golgi apparat
19、us)的膜将细胞质的膜将细胞质与其围成的腔隔开。与其围成的腔隔开。粗面内质网粗面内质网(rough endoplasmic reticulum)可能直接可能直接与核膜相连与核膜相连,其细胞质面附着着大量的核糖体，是其细胞质面附着着大量的核糖体，是膜膜蛋白合成的场所蛋白合成的场所。滑面内质网滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum)则是合则是合成膜脂的场所成膜脂的场所,包括磷脂和胆固醇包括磷脂和胆固醇。滑面内质网与高。滑面内质网与高尔基体的膜上都可以进行尔基体的膜上都可以进行蛋白和脂的糖基化蛋白和脂的糖基化。高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。高尔基体参与蛋白质
20、和脂类的分选与定向运输。高尔基体还参与蛋白聚糖高尔基体还参与蛋白聚糖(proteoglycans)的合成的合成,参与这些反应的酶也主要集中于参与这些反应的酶也主要集中于trans高尔基体的膜上。高尔基体的膜上。细胞内膜系统细胞内膜系统:膜囊泡膜囊泡细胞内有许许多多的膜囊泡细胞内有许许多多的膜囊泡(membrane(membrane vesicle)vesicle)，它们主要参与各种各样的运输，它们主要参与各种各样的运输过程。这些过程。这些膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞内的特定地点内的特定地点，同时，它们还是胞吐作用，同时，它们还是胞吐作用(exocytosis)(exoc
21、ytosis)和胞吞作用和胞吞作用(endocytosis)(endocytosis)的的载体。载体。细胞内膜系统细胞内膜系统：核膜：核膜 真核生物的遗传物质被核膜真核生物的遗传物质被核膜(nuclear membrane)所所包围包围(细胞处于分裂时除外细胞处于分裂时除外)。核膜由内膜与外膜组成。核膜由内膜与外膜组成。核膜的内外膜是连续的，核膜的内外膜是连续的，这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接着染色质着染色质(chromatin)；外核膜表面结合着核糖体外核膜表面结合着核糖体(ribosome)，而且其某些区域与内质网，而且其某
22、些区域与内质网(endoplasmic reticulum)膜相连膜相连。核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是ATPATP依赖性过依赖性过程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约nmnm，允许直径，允许直径9nm9nm以下的分子自由通过以下的分子自由通过,说明核孔是有说明核孔是有一定柔性的。一定柔性的。生物膜的基本组成生物膜的基本组成膜与细胞骨架：膜与细胞骨架：细胞骨架可以稳定细胞膜细胞骨架可以稳定细胞膜,维持维持细胞形
23、状。细胞形状。Membrane-attached cytoskeletal networks provide mechanical support to plasma membrane.是维是维持红细胞耐性及变形性的主要组分。持红细胞耐性及变形性的主要组分。SDS polyacrylamide-gel electrophoresisthe proteins in the human red blood cell membrane红细胞膜骨架蛋白：红细胞膜骨架蛋白：血影蛋白血影蛋白(spectrin)锚蛋白（锚蛋白（ankyrin 膜整合带膜整合带3蛋白蛋白(Band 3)血型糖蛋白血型糖蛋白(
24、glycophorin)带带4.1蛋白蛋白(band4.1)肌动蛋白肌动蛋白(actin)Spectrin molecules from human red blood cellsEach spectrin heterodimer consists of two antiparallel polypeptide chains.Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic side of the human red blood cell membrane 血影蛋白血影蛋白(spectrin)(spectrin)是红细胞中一种主要的是红细胞中一种主要
25、的膜连接蛋白膜连接蛋白(membrane-associated protein)(membrane-associated protein)。已经有证据表明，血影蛋白可能通过三种方式已经有证据表明，血影蛋白可能通过三种方式非价键的与质膜结合。非价键的与质膜结合。血影蛋白可以通过锚蛋白（血影蛋白可以通过锚蛋白（ankyrinankyrin）与膜）与膜整合蛋白带整合蛋白带3 3蛋白蛋白(Band 3)(Band 3)连接，从而桥连到膜连接，从而桥连到膜上。带上。带3 3蛋白是镶嵌在质膜上的内在蛋白。锚蛋蛋白是镶嵌在质膜上的内在蛋白。锚蛋白的白的N N端与带端与带3 3蛋白结合，其另一端与血影蛋白蛋白
26、结合，其另一端与血影蛋白结合。结合。血影蛋白还可以通过带血影蛋白还可以通过带4.14.1蛋白蛋白(band4.1)(band4.1)与与膜上的血型糖蛋白膜上的血型糖蛋白(glycophorin)(glycophorin)连接。连接。此外，血影蛋白还可以直接与质膜内表面的此外，血影蛋白还可以直接与质膜内表面的带有负电荷的丝氨酸磷脂带有负电荷的丝氨酸磷脂(PS)(PS)结合。结合。正常红细胞的外形呈双凹型，正常红细胞的外形呈双凹型，当病变时，如一当病变时，如一些溶血性贫血症，红细胞可呈现异常的形态些溶血性贫血症，红细胞可呈现异常的形态:球形球形(遗传性球形红细胞增多症，遗传性球形红细胞增多症，he
27、reditary spherocytosis HS)，椭圆形椭圆形(遗传性椭圆形红细胞增多症，遗传性椭圆形红细胞增多症，hereditary elliptocytosis HE)，卵圆形卵圆形(遗传性卵圆形红细胞增多症，遗传性卵圆形红细胞增多症，hereditary ovalocytosis HO)这些病人红细胞形态变化的原因，多是由于这些病人红细胞形态变化的原因，多是由于先天性膜骨架蛋白缺失或变异所致先天性膜骨架蛋白缺失或变异所致。球形球形,HS(hereditary spherocytosis):spectrin，ankyrin,椭圆形椭圆形,HE(hereditary elliptocy
28、tosis):spectrin,Band 4.1,glycorin卵圆形卵圆形,HO (hereditary ovalocytosis):Band 3 整合素蛋白与细胞骨架的结合整合素蛋白与细胞骨架的结合：很多细胞外基质分子中含有：很多细胞外基质分子中含有RGD（ArgGlyAsp）序列，）序列，这是整合素蛋白的一个通用识别序列。与胞外基质分子的结合，可以引起整合素蛋白的聚集这是整合素蛋白的一个通用识别序列。与胞外基质分子的结合，可以引起整合素蛋白的聚集以及细胞骨架的组装。很多胞质蛋白参与了细胞骨架的重组过程，如以及细胞骨架的组装。很多胞质蛋白参与了细胞骨架的重组过程，如talin，paxil
29、lin，vinculin等，它们可以与整合素蛋白等，它们可以与整合素蛋白 亚基的胞质结构域相互作用，同时又可以与亚基的胞质结构域相互作用，同时又可以与actin纤维结纤维结合，将整合素蛋白与细胞骨架连接起来。合，将整合素蛋白与细胞骨架连接起来。A model for how transmembrane linker glycoproteins in the plasma membrane connect intracellular matrix at a focal contact.生物膜的基本组成生物膜的基本组成(二二)膜脂l磷脂l糖脂l固醇膜蛋白膜脂膜脂 细胞中含有两种脂类。一种属非极性脂
30、质，如由脂肪酸与甘油酯化所形成的三酯。它们是一类疏水的脂质，称为真脂。另一类属极性脂质，这种脂质分子具有一个亲水的头部（即极性端）和一个疏水 的 尾 部（即 非 极 性 端），具 有 双 亲 性（amphipathic或amphiphilic）的特点，这种脂质称为类脂。生物膜中的脂类，大都是极性脂质，主要包括三种类型：磷脂（phosnholipid）、固醇（sterol）和糖脂（glycolipid）。l微米l微米面积的类脂双层膜（lipid bilayer）大约有5 106个类脂分子。1)1)磷脂磷脂 含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生物膜中最重要的脂类
31、。物膜中最重要的脂类。磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏水尾链。这两部分通过水尾链。这两部分通过甘油骨架甘油骨架或或神经鞘神经鞘氨醇氨醇(sphingosine)(sphingosine)骨架相连接，甘油骨架骨架相连接，甘油骨架在原核和真核细胞膜中都广泛存在，而神在原核和真核细胞膜中都广泛存在，而神经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。以甘油为骨架的磷脂以甘油为骨架的磷脂即甘油分子中三个羟基有两个与高级脂肪酸形成酯，另一个与磷酸衍生物形成酯：其中R1、R2为脂肪酸碳氢链。根据X的成分不同，可以形成不同的磷脂。(1)磷脂酸胆碱（磷脂酸胆碱（
32、phosphatidylcholine，PC）磷脂酸胆碱亦称卵磷脂(lecithin)。它是动物细胞膜中含量最丰富的磷脂，约占膜脂的4050。磷脂酰胆碱有控制动物机体代谢，防止脂肪肝形成的作用(?)。(2)磷脂酸乙醇胺（磷脂酸乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）XCH2CH2NH2 磷脂酸乙醇胺又称脑磷脂（cephalin）。它是细菌细胞膜的主要磷脂，其脂肪酸碳氢链不饱和程度比磷脂酰胆碱高。磷脂酰乙醇胺与血液凝结有关。(3)磷脂酰肌醇（磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷脂酰肌醇的含量一般为510。它在神经组织（主要在髓鞘）中含量较高。据报
33、道，它在细胞信息传递过程中起着重要的作用。(4)磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）磷脂酰丝氨酸广泛分布于各类细胞膜系中，但其浓度通常低于磷脂总量的10。在中性pH时，带负电荷。(5)磷脂酸（磷脂酸（phosphatidic acid，PA）XH 磷脂酸在上述磷脂的生物合成中起着关键作用。它分布广泛，以低浓度（占全部磷脂含量的15%）存在许多组织之中。(6)磷脂酰甘油（磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol，PG）磷脂酸甘油的含量变化很大，在动物细胞膜系中含量很低，在植物细胞膜中一般高达2030的含量（叶绿体中为 4060）。革兰氏阳性细菌中则
34、高达 70。它也是二磷脂酸甘油生物合成的前体。(7)二磷脂酸甘油（二磷脂酸甘油（diphosphatidylglycerol，DPG）二磷脂酸甘油是由二个磷脂酸（phosphatedc acid）分别与甘油缩合而成，亦称心磷脂（cardiolipin，CL）。它主要存在于线粒体、叶绿体和许多细菌中,特别于线粒体内膜。这种磷脂由于只带磷酸基团而带负电荷。A:PCB:PEC:PSD:PIE:PGF:DPG以神经鞘氨醇为骨架的磷脂以神经鞘氨醇为骨架的磷脂神经鞘氨醇(sphinogsine)的C2上的氨基(-NH2)与脂肪酸(R)缩合生成神经鞘脂类(sphingolipid),Cl上的羟基与磷酸衍生物
35、(X)缩合即生成磷酸神经鞘脂类(phosphasphingolipid):若:X磷脂胆碱(PC)，则生成神经鞘磷脂神经鞘磷脂(sphingomyelin,SM).若:XH,则生成神经酸胺（神经酸胺（ceramide）。2)2)糖脂糖脂 糖糖脂脂（glycolipidsglycolipids）广广泛泛分分布布于于动动物物、植植物物和和微微生生物物细细胞胞的的膜膜系系中中。它它是是生生物物膜膜中中的的寡寡糖糖与与脂脂质质结结合合形形成成的的一一种种类类脂脂。糖糖脂脂中中类类脂脂的的极极性性头头部部基基团团是是通通过过糖糖苷苷键键与与糖糖分分予予相相连连，而而不不是是象象磷磷脂脂那那样样通通过过磷磷
36、酸酸酯酯键键相相连连接接。生生物物膜膜中中的的糖糖脂脂只只存存在在于于脂脂双双层层的的外外层层表表面面，一一般般不不超过脂分子的超过脂分子的1010。糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类。糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类。糖鞘脂类糖鞘脂类(glycosphingolipids)(glycosphingolipids)动动物物细细胞胞中中的的糖糖脂脂主主要要以以糖糖鞘鞘脂脂类类的的形形式式存存在在。这这类类糖糖脂脂包包括括两两个个种种类类,脑脑苷苷类类脂脂和和神神经经节苷脂节苷脂。由于糖鞘脂在质膜的外单层含量很高，这就由于糖鞘脂在质膜的外单层含量很高，这就有助于质膜表面通过寡糖链部分与外源配体相有助于质
37、膜表面通过寡糖链部分与外源配体相互作用，或起着调节蛋白质受体的作用。再者，互作用，或起着调节蛋白质受体的作用。再者，鞘糖脂可作为胚胎细胞分化的标记物，被其他鞘糖脂可作为胚胎细胞分化的标记物，被其他细胞的表面所识别，这是细胞识别和分化的重细胞的表面所识别，这是细胞识别和分化的重要基础。最近，还发现其在蛋白分选中起作用。要基础。最近，还发现其在蛋白分选中起作用。糖鞘脂类糖鞘脂类(glycosphingolipids)(glycosphingolipids)(1)脑苷类脂脑苷类脂(cerebroside)糖分子与神经鞘脂类的末端羟甲基，通过糖苷键相连接，这类糖脂呈电中性。如半乳糖神经酰胺,它是脑中重
38、要的类脂成分，也广泛分布于哺乳动物细胞膜系中:(2)神经节苷脂（神经节苷脂（ganglioside)在这类化合物中，与神经鞘脂类相连的部分含有1个或多个唾液酸残基(sialic acid residues),也称为N乙酸神经氨酸(Nacetylneuraminic acid，NANA).神经节甘脂属于酸性糖脂，带负电，主要存在于许多动物细胞，特别是神经细胞的外膜中。它是细胞表面负电荷主要来源。NANA:sialic acid,Gal:galactose,Glc:glucose,GalNac:N-acetylgalactosamine.Right:the structure of sialic
39、acid 3)3)固醇（固醇（sterolsterol）(1)动动 物物 固固 醇醇(zoosterol)胆胆固固醇醇(cholesterol)是最重要的一种动物固醇。由于胆结石几乎完全是由胆固醇组成的，胆固醇的名称也由此而来。胆固醇是双亲性分子。其一端带有一个极性亲水羟基，另一端含疏水碳氢链。胆固醇在哺乳类的质膜中含量丰富。此外，高尔基体膜、溶酶体膜中含量也很丰富。而在内质网膜及线粒体膜中含量少。(2)植物固醇（植物固醇（phytosterol）常 见 的 高 等 植 物 细 胞 膜 中 的 固 醇 是 豆 固 醇（stigmasterol）和谷固醇（sitosterol），它们分别存在于大
40、豆、麦芽中。植物固醇是植物细胞的重要组分，不能为动物所吸收利用。它们通常在C24上和（或）在 C22上有双键。胆固醇的确切的生理功能还不十分清胆固醇的确切的生理功能还不十分清楚楚!已知与生物膜的相行为，流动性，膜的分选与已知与生物膜的相行为，流动性，膜的分选与运输。运输。膜中胆固醇含量与细胞老化膜中胆固醇含量与细胞老化(aging)有一定关有一定关联。联。膜的不对称性膜的不对称性膜组成的不对称性膜组成的不对称性有些细胞是有极性的，如上皮细胞。细胞膜的横向不对称性，即内外两个片层的组成不同。细胞膜的侧向分布的不对称性，即二维平面内膜组分的分布是不均一的。不同细胞器中脂类组成是不同的。质膜可划分成
41、不同的功能区质膜可划分成不同的功能区 上皮细胞的质膜上皮细胞的质膜可划分成形态不同可划分成形态不同功能区域。功能区域。上皮细胞（如肠和上皮细胞（如肠和肾脏上皮细胞）的肾脏上皮细胞）的质膜被质膜被紧密连接紧密连接（tight tight junctionjunction）分隔为）分隔为顶生结构域顶生结构域(apical domain)(apical domain)和和基底结构域基底结构域(basolateral(basolateral domain)domain)。膜组成侧向分布的不对称性膜组成侧向分布的不对称性Lipid domainsDepending on whether the doma
42、ins on both surfaces colocalize,four discrete bilayer thicknesses could be present in these membranes.Lateral sorting of membrane proteins膜脂内外分布的不对称性膜脂内外分布的不对称性脂的类型脂的类型内侧内侧外侧外侧鞘磷脂鞘磷脂1783磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱2674磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺7723磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸955糖脂糖脂595膜脂内外分布的不对称性膜脂内外分布的不对称性外层l glycolipidslPhosphatidylcholine(PC)l
43、Cholesterol内层lphosphatidylserine(PS)lphosphatidyl-ethanolamine(PE)lphosphatidylinositol(PI)由于脂分子不能自发地在单层与单层之间以适当的速度翻转，由于脂分子不能自发地在单层与单层之间以适当的速度翻转，这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。脂双层的不对称性有重要的生物学功能脂双层的不对称性有重要的生物学功能!不同细胞器膜的不同细胞器膜的脂类脂类组成不同组成不同大鼠肝脏，大鼠肝脏，PL:磷脂，磷脂，C:胆固醇，胆固醇，G:糖脂，其它脂未标记。糖脂，其它脂未标记。不同细
44、胞器膜的不同细胞器膜的磷脂磷脂组成不同组成不同大鼠肝脏：大鼠肝脏：PC，PE，SM,PS，PI，CL不同细胞器膜脂组成特点不同细胞器膜脂组成特点质膜：质膜：PC，SM，glycolipids,Chol.线粒体内膜：几乎不含线粒体内膜：几乎不含Chol.,富含富含CL核膜核膜/ER/线粒体外膜：脂类组成类似线粒体外膜：脂类组成类似Golgi膜：介于膜：介于ER与质膜之间与质膜之间老化过程膜脂的变化老化过程膜脂的变化红细胞老化过程膜脂的变化红细胞老化过程膜脂的变化人红细胞人红细胞有寿命大约为有寿命大约为120120天，兔约为天，兔约为2020天，天，狗约为狗约为100100天。天。人红细胞大约每天
45、更新率为人红细胞大约每天更新率为2102101111，细胞存活，细胞存活时间受许多因素影响。时间受许多因素影响。老化红细胞消亡有两条途径：一个是老化细胞老化红细胞消亡有两条途径：一个是老化细胞自身破溶；另一个是被吞噬细胞含噬。无论是自身破溶；另一个是被吞噬细胞含噬。无论是自溶或被含噬都与膜结构的改变有关。自溶或被含噬都与膜结构的改变有关。成熟的红细胞在血液中占绝大多数，它们无核、成熟的红细胞在血液中占绝大多数，它们无核、自身无修复能力，易被检测。自身无修复能力，易被检测。红细胞老化过程膜脂的变化红细胞老化过程膜脂的变化密度梯度离心：老化的红细胞的密度比年轻者高密度梯度离心：老化的红细胞的密度比
46、年轻者高.老化细胞膜表面抗原的变化老化细胞膜表面抗原的变化.老化细胞膜老化细胞膜渗透脆性高渗透脆性高.C/PC/P比值变化：比值变化：0.780.78 0.09 0.09 正常正常 0.96 0.96 0.09 0.09 老化老化脂双层不对称性：脂双层不对称性：老化过程，老化过程，PC、PE，SM两侧两侧分布无显著变化，而分布无显著变化，而PS原来几乎全部在内侧，老化原来几乎全部在内侧，老化后有后有10翻向外侧。老化细胞的骨架蛋白变化与翻向外侧。老化细胞的骨架蛋白变化与PS结合松弛，造成结合松弛，造成PS外翻，同时造成细胞形状改变！外翻，同时造成细胞形状改变！表面电荷：表面电荷：sialic
47、acid,PS.sialic acid,PS.Age-dependent changes of sphingomyelin and phosphatidylcholine in human aorta.Phospholipid and cholesterol content in rat hearts as a function of age.Alteration of lipid composition during physiological processes,such as agingalteration of lipid composition cholesterol/phospho
48、lipids:cholesterol sphingomyelin/PC:sphingomyelin saturated/unsaturated:saturated 膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白1)膜外周蛋白膜外周蛋白2)通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而 抛锚在膜上抛锚在膜上3)膜整合蛋白膜整合蛋白(膜内在蛋白膜内在蛋白)4)膜外周结构域与特定的糖脂膜外周结构域与特定的糖脂或脂肪酸形或脂肪酸形 成共价连接将蛋白抛锚在膜上成共价连接将蛋白抛锚在膜上膜蛋白镶嵌方式膜蛋白镶嵌方式 第一类是第一类是膜外周蛋白膜外周蛋白(peripheral membrane protei
49、ns,extrinsic membrane proteins)这些蛋白主要通过静电作用与磷脂的极性头这些蛋白主要通过静电作用与磷脂的极性头部或其它膜蛋白相结合。部或其它膜蛋白相结合。适当加大溶液中的离子适当加大溶液中的离子强度，可以使这一类蛋白从膜上脱落下来强度，可以使这一类蛋白从膜上脱落下来(easily detached without the use of detergent)。如细胞色素和如细胞色素和ATPATP合成酶的合成酶的F1F1亚基，它们亚基，它们没有疏水片断使之锚定于脂双层。一些胞外基质没有疏水片断使之锚定于脂双层。一些胞外基质与细胞膜外表面的结合，以及一些骨架蛋白与细与细胞
50、膜外表面的结合，以及一些骨架蛋白与细胞膜胞质面的结合都可以属于第一类膜蛋白。胞膜胞质面的结合都可以属于第一类膜蛋白。Some proteins exhibit both a solute and a membrane-bound form.如；谷氨酸脱氢酶如；谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase)属于属于mitochodrial soluble matrix enzymes 的一种的一种,在生理条件下结合于线粒体内膜的在生理条件下结合于线粒体内膜的cardiolipin，活性被抑制。在离子浓度提高时，如活性被抑制。在离子浓度提高时，如NH4+NH4+浓度升浓度升高，该蛋