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1、第三章第三章 生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能生物膜系统3.1生物膜功能概述生物膜功能概述(1) )区隔化或房室化区隔化或房室化(compartmentalization)(compartmentalization)： 生生物物膜膜是是连连续续、环环闭闭的的薄薄壳壳体体，质质膜膜把把整整个个细细胞胞包包裹裹起起来来，内内膜膜系系统统以以及及核核膜膜、线线粒粒体体膜膜和和叶叶绿绿体体膜膜等等，把把细细胞胞分分隔隔成成相相对对独独立立的的房房室室。在在这这些些分分隔隔开开的的区区间间内内，各各自自进进行行着着不不同同的的生生命命活活动动。内内膜膜实实际际上上成成为为细细胞胞向向内内延延伸伸着着
2、的的网网络络支支架架，把把参参与与反反应应的的多多个个元元件件有有序序地地定定位位安安置置，使使细细胞胞内内各各种种生生命命活活动动能能在在正正确确的的时时间间和和位位点点有有组组织织地地高高效效进进行行，把把不不同同生生化化活活性性彼彼此此间间的的干干扰扰减减少少到到最最低低。重重要要的的酶酶级级联联反反应应机机构构大大多多与与某某种种膜膜结结构构联联系系在在一一起起。各各类类细细胞胞的的不不同同细细胞胞器器都都具具有有与与其其功功能能相相适适应应的的结结构构、形形状状和和机机械械强强度度，这这些些在在很很大大程程度度上上也也依依赖于相应膜系统的组成和结构。赖于相应膜系统的组成和结构。 生物
3、膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统(2)物质的跨膜运输物质的跨膜运输(transport(transport)：作作为为通通透透性性屏屏障障，生生物物膜膜一一方方面面防防止止细细胞胞与与环环境境之之间间以以及及细细胞胞内内各各房房室室之之间间的的物物质质自自由由混混合合，否否则则，结结果果将将是是灾灾难难性性的的；另另一一方方面面又又要要维维持持各各区区间间物物质质有有控控制制地地交交流流。质质膜膜和和各各种种内内膜膜上上都都有有物物质质运运输输装装置置，调调节节物物质质的的跨跨膜膜运运输输也也就就成成了了这这些些膜膜系系统统最最基基本本的的功功能之一。能之一。生物膜系统生物膜系统(3) (
4、3) 能量转换能量转换(energy conversion)(energy conversion)： 为了推动各种生命活动的进行和维持自身的结构，为了推动各种生命活动的进行和维持自身的结构，生物必须保证有足够的能量供应。在细胞的能量转换中，生物必须保证有足够的能量供应。在细胞的能量转换中，生物膜起着关键性作用。植物的叶绿体类囊体膜结合的生物膜起着关键性作用。植物的叶绿体类囊体膜结合的色素可吸收太阳光，把光能转换为光合电子传递链上的色素可吸收太阳光，把光能转换为光合电子传递链上的电子流动，最后形成同化力电子流动，最后形成同化力(NADPH(NADPH和和ATP)ATP)，再经光合碳，再经光合碳素
5、途径转换成以糖类形式储存的化学能。线粒体内膜则素途径转换成以糖类形式储存的化学能。线粒体内膜则把能源物质氧化时释放的能量转换成可以作功的能量形把能源物质氧化时释放的能量转换成可以作功的能量形式式ATPATP中的化学能。另外，当膜维持着某些特异离中的化学能。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质跨膜的浓度差时，能量就储存于它的跨膜电化子或溶质跨膜的浓度差时，能量就储存于它的跨膜电化学梯度中。这样的膜称为学梯度中。这样的膜称为“能势膜能势膜”(energized ”(energized membranes)membranes)，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多
6、重要活性。重要活性。生物膜系统生物膜系统(4)细胞识别细胞识别(cell recognition(cell recognition)细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作用，触发细胞内一系列生理生化变化，最终导致细胞的总体生物学效应相应改用，触发细胞内一系列生理生化变化，最终导致细胞的总体生物学效应相应改变，这样的过程称为细胞识别。多细胞生物是由许多种不同类型细胞组成的细变，这样的过程称为细胞识别。多细胞生物是由许多种不同类型细胞组成的细胞社会，每个细胞既是独立的生命单位，更是整体中的一员。因此要求在细胞胞社
7、会，每个细胞既是独立的生命单位，更是整体中的一员。因此要求在细胞之间建立和维持特殊的联系，以便协调运作，执行整体功能。例如，质膜上的之间建立和维持特殊的联系，以便协调运作，执行整体功能。例如，质膜上的某些离子通道或感受器蛋白能感知外部电信号；膜受体能识别并结合具有互补某些离子通道或感受器蛋白能感知外部电信号；膜受体能识别并结合具有互补结构的特殊配体分子，如激素、细胞因子、神经递质等。不同类型的细胞带有结构的特殊配体分子，如激素、细胞因子、神经递质等。不同类型的细胞带有不同的受体，能对环境中不同配体的浓度变化作出相应的响应，包括改变胞内不同的受体，能对环境中不同配体的浓度变化作出相应的响应，包括
8、改变胞内代谢；调控细胞周期或细胞分裂、分化；趋化性运动；释放某些离子或分泌某代谢；调控细胞周期或细胞分裂、分化；趋化性运动；释放某些离子或分泌某些物质；以及向细胞下达凋亡指令等。细胞表面的各种粘附分子介导细胞之间些物质；以及向细胞下达凋亡指令等。细胞表面的各种粘附分子介导细胞之间的相互识别、粘附及相互作用。包括同种同类细胞间的相互作用，如具有相同的相互识别、粘附及相互作用。包括同种同类细胞间的相互作用，如具有相同 表面特征的细胞之间通过识别、粘合、聚集成器官；同种异类细胞的相互作用，表面特征的细胞之间通过识别、粘合、聚集成器官；同种异类细胞的相互作用，如有性繁殖中配子的相互识别、粘结与融合；异
9、种异类细胞间的相互作用，如如有性繁殖中配子的相互识别、粘结与融合；异种异类细胞间的相互作用，如病原菌或寄生菌与寄主细胞间的相互识别与粘合。细胞与胞外基质之间的识别病原菌或寄生菌与寄主细胞间的相互识别与粘合。细胞与胞外基质之间的识别与粘合近年来受到特别的关注，事实上胞外基质中的许多组分还起着信息分子与粘合近年来受到特别的关注，事实上胞外基质中的许多组分还起着信息分子的作用，可通过细胞表面受体向细胞发出信号，通过信号转导系统传入细胞内，的作用，可通过细胞表面受体向细胞发出信号，通过信号转导系统传入细胞内，引起包括存活、分化、迁移、凋亡等在内的多种效应。图引起包括存活、分化、迁移、凋亡等在内的多种效
10、应。图3.13.1列举了细胞识别列举了细胞识别的基本类型。的基本类型。 生物膜系统生物膜系统细胞识别细胞识别（归类与举例）（归类与举例）对游离的大、对游离的大、小分子的识别小分子的识别神经递质神经递质激素、细胞因子激素、细胞因子抗原抗原药物药物有害物质有害物质其它其它同同种种异异类类细细胞间的识别胞间的识别单细胞生物的接合单细胞生物的接合动物的受精过程动物的受精过程植物的受粉、受精过程植物的受粉、受精过程免疫细胞的作用免疫细胞的作用同同种种同同类类细细胞间的识别胞间的识别低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集高高等等生生物物胚胚胎胎发发育育和和分分化化凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集异异种种异异
11、类类细细胞间的识别胞间的识别细菌感染和真菌感染细菌感染和真菌感染固固氮氮菌菌对对寄寄主主植植物物的的感感染染各种共生寄生过程各种共生寄生过程异异种种（异异体体）同同类类细细胞胞间间的识别的识别输血输血器官移植器官移植细胞细胞- -细胞间细胞间的识别的识别细细胞胞- -基基质质的的识识别别图图3.1 3.1 细胞对化学物质的识别细胞对化学物质的识别生物膜系统3.2.生物膜的化学组成与性质生物膜的化学组成与性质 生生物物膜膜是是类类脂脂与与蛋蛋白白质质( (包包括括酶酶) )通通过过非非共共价价键键组组装装成成的的薄薄片片状状超超分分子子聚聚合合体体。大大多多数数膜膜还还含含有有某某些些糖糖类类物
12、物质质，膜膜上上有有结结合合态态的的结结构构水水，以以及及某某些些膜膜蛋蛋白白结结合合的的金金属属离离子子。膜膜的的组组成成尤尤其其是是膜膜脂脂与与蛋蛋白白质质的的比比例例，因因膜膜的的种种类类不不同同而而有有很很大大差差别别( (表表3.1)3.1)。通通常常膜膜中中蛋蛋白白质质含含量量越越多多，其其功功能能越越复复杂杂多多样样，如如线线粒粒体体内内膜膜蛋蛋白白质质含含量量超超过过75%75%。同同样样，功功能能越越简简单单的的膜膜蛋蛋白白质质含含量量越越少少，如如神神经经髓髓鞘鞘主主要要作作用用就就是是绝绝缘缘，只只有有3 3种种蛋蛋白白，仅占膜重量的仅占膜重量的18%18%。生物膜系统生
13、物膜系统膜的类别膜的类别蛋白质蛋白质脂类脂类糖类糖类蛋白质脂蛋白质脂类类神经髓鞘神经髓鞘187930.23人红细胞质膜人红细胞质膜494381.0小小鼠鼠肝肝细细胞胞质质膜膜4452(510)0.85嗜盐菌紫膜嗜盐菌紫膜752503.0内质网膜内质网膜673302.0线粒体内膜线粒体内膜7624(12)3.2菠菠菜菜叶叶绿绿体体片片层层膜膜703002.3表3.1 生物膜的化学组成(%) 生物膜系统3.2.1膜脂膜脂大大多多数数动动物物细细胞胞质质膜膜约约含含50%50%的的脂脂类类，据据估估算算一一个个小小的的动动物物细细胞胞的的质质膜膜约约有有10109 9个个类类脂脂分分子子。构构成成生
14、生物物膜膜的的脂脂类类有有磷磷脂脂、糖糖脂脂、胆胆固固醇醇等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。3.2.1.1 3.2.1.1 磷脂磷脂(phospholipids,PL)(phospholipids,PL)生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂：氨醇磷脂： 生物膜系统生物膜系统 (1)(1)甘油磷脂甘油磷脂(phosphoglycerides)(phosphoglycerides)： 甘甘油油骨骨架架中中sn-1,2sn-1,2位位羟羟基基分分别别与与两两个个脂脂肪肪酸酸酯酯化化，sn-3sn-3位位羟羟基基与与
15、磷磷酸酸生生成成酯酯，就就成成了了最最简简单单的的甘甘油油磷磷脂脂磷磷脂脂酸酸(phosphatidic (phosphatidic acid,PA)acid,PA)；磷磷脂脂酸酸的的磷磷酸酸基基再再连连接接其其它它极极性性基基团团就就形形成成各各种种甘甘油油磷磷脂脂，如如磷磷脂脂酰酰胆胆碱碱(phosphatidylcholine, (phosphatidylcholine, PC)PC)、 磷磷 脂脂 酰酰 乙乙 醇醇 胺胺(phosphatidylethanolamine, (phosphatidylethanolamine, PE)PE)、 磷磷 脂脂 酰酰 甘甘 油油(phospha
16、tidylglycerol, (phosphatidylglycerol, PG)PG)、 磷磷 脂脂 酰酰 丝丝 氨氨 酸酸(phosphatidylserine, (phosphatidylserine, PS)PS)、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇(phosphatidylinositol, (phosphatidylinositol, PI)PI)和和 双双 磷磷 脂脂 酰酰 甘甘 油油(diphosphatidylglycerol, (diphosphatidylglycerol, DPG)DPG)或或心心磷磷脂脂(cardiolipin, (cardiolipin, CL)CL)。生物膜系统
17、生物膜系统生物膜系统生物膜系统(2)鞘氨醇磷脂鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)：由由鞘鞘氨氨醇醇的的氨氨基基连连接接长长链链脂脂肪肪酰酰链链构构成成神神经经酰酰胺胺，它它的的羟羟基基再再与与磷磷酸酸基基和和亲亲水水基基团团相相连连，就就形形成成鞘鞘氨氨醇醇磷磷脂脂，如如神神经经酰酰胺胺与与磷酸胆碱组成鞘磷脂磷酸胆碱组成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph)(sphingomyelin,Sph)(3)(3)磷脂中的脂肪酰链磷脂中的脂肪酰链： 甘甘油油磷磷脂脂和和鞘鞘氨氨醇醇磷磷脂脂都都是是两两亲亲性性分分子子，既既有有亲亲水水的的头头部部，又又有有疏疏水水的的尾尾巴巴
18、。膜膜磷磷脂脂分分子子中中的的脂脂肪肪酰酰链链都都是是长长的的不不分分枝枝的的疏疏水水性性烃烃链链。这这些些脂脂酰酰基基的的碳碳基基子子数数从从1212到到2626，双双链链数数从从0 0到到5 5。sn-sn-2 2位位通通常常是是一一个个多多烯烯脂脂酰酰基基，sn-1sn-1位位则则多多为为饱饱和和脂脂酰酰基基。天天然然脂脂酰酰链链中中的的双双键键多多为为ciscis构构型型，在在烃烃链链中中形形成成的的约约4444的的折折角角，因因而而比比相相同同碳碳原原子子数数的的饱饱和和脂脂肪肪酸酸和和transtrans构构型型的的不不饱饱和和脂脂肪肪酸酸的的烃烃链链较较短短而而分分子子覆覆盖盖面
19、面积积大大。脂脂酰酰基基烃烃链链的的长长度度和和分分子子面面积积对对生生物物膜膜的的特性有重要影响。特性有重要影响。 生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统(4)磷脂的电荷特性磷脂的电荷特性： 极性头由带负电荷的磷酸基与带电荷或不带电荷的极极性头由带负电荷的磷酸基与带电荷或不带电荷的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PCPC头部的磷酸基头部的磷酸基带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理带一个负电荷，胆碱季铵盐带一个正电荷，在生理pHpH下呈下呈电中性，是兼性离子电中性，是兼性离子(zwitterionic)(zwitterionic)。PEPE和
20、和SphSph与与PCPC电荷电荷特性相似。特性相似。PSPS头部磷酸基和丝氨酸的羧基各带一个负电荷，头部磷酸基和丝氨酸的羧基各带一个负电荷，质子化的氨基带一个正电荷，在生理条件下呈负电荷。质子化的氨基带一个正电荷，在生理条件下呈负电荷。PGPG、PIPI、DPG(CL)DPG(CL)头部磷酸基带一个负电荷，极性基团不带电，头部磷酸基带一个负电荷，极性基团不带电，因而也呈负电荷。各种磷脂的组成和极性头的结构不同，因而也呈负电荷。各种磷脂的组成和极性头的结构不同，这些差异对生物膜的功能有重要意义。磷脂实际的电荷状这些差异对生物膜的功能有重要意义。磷脂实际的电荷状况取决于环境况取决于环境pHpH与
21、其与其pIpI值之差。值之差。 生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.2.1.2糖脂糖脂(glycolipids)膜膜 糖糖 脂脂 又又 分分 成成 三三 类类 ： 甘甘 油油 糖糖 脂脂（glyceroglycolipidsglyceroglycolipids），二二酰酰基基甘甘油油糖糖基基化化的的产产物物；中中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。 甘甘油油糖糖脂脂分分子子中中甘甘油油sn-1sn-1和和sn-2sn-2位位均均被被酯酯化化，sn-3sn-3位位 连连 接接 亲亲 水水 的的 糖糖 基基
22、 ， 如如 单单 半半 乳乳 糖糖 二二 酰酰 甘甘 油油(monogalactose (monogalactose diacylglycerol,MGDG)diacylglycerol,MGDG)，头头部部为为不不带带电电荷荷的的糖糖基基。如如果果糖糖基基被被硫硫酸酸化化，在在生生理理pHpH下下会会带带负负电电荷荷，例例如如叶叶绿绿体体类类囊囊体体膜膜中中的的6-6-磺磺基基-D-D-异异鼠鼠李李糖糖二二酰酰基基甘甘油油(SQDG)(SQDG)。 中中性性糖糖鞘鞘脂脂分分子子中中鞘鞘氨氨醇醇末末端端羟羟基基氧氧与与不不带带电电荷荷的的 糖糖 基基 通通 过过 糖糖 苷苷 键键 相相 连连
23、， 如如 半半 乳乳 糖糖 脑脑 苷苷 脂脂(galactocerebroside)(galactocerebroside)。脑脑苷苷脂脂是是动动、植植物物细细胞胞质质膜膜中中主主要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。 生物膜系统生物膜系统3.2.1.3类固醇类固醇(steroids)胆胆固固醇醇(cholesterol, (cholesterol, Ch)Ch)是是最最常常见见的的类类固固醇醇，某某些些动动物物细细胞胞质质膜膜中中胆胆固固醇醇的的含含量量约约占占总总脂脂的的50%50%。胆胆固固醇醇分分子子量量相相对对较较小小，结结构构也也不不同同于于其
24、其它它膜膜脂脂，它它没没有有长长的的烃烃链链，羟羟基基构构成成它它的的亲亲水水头头，带带有有短短的的烃烃链链的的环环戊戊烷烷多多氢氢菲菲环环形形核核构构成成它它扁扁平平的的疏疏水水部部分分。大大多多数数植植物物和和细细菌菌的的质质膜膜中中不不含含胆胆固固醇醇，但但植植物物细细胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。 生物膜系统n谷固醇胆固醇 豆固醇油菜固醇谷固醇生物膜系统 类类固固醇醇是是动动、植植物物细细胞胞膜膜的的重重要要组组分分，对对膜膜的的特特 性性产产生生显显著著的的影影响响。质质膜膜中中胆胆固固醇醇含含量量大大大大高高于于内内膜膜系系统统。胆胆固固醇醇的的头头部部仅
25、仅一一个个羟羟基基，亲亲水水性性明明显显较较弱弱。在在膜膜中中，胆胆固固醇醇的的羟羟基基与与磷磷脂脂极极性性头头相相连连系系，环环戊戊烷烷多多氢氢菲菲的的四四个个环环状状结结构构及及其其连连接接的的三三个个烃烃链链与与磷磷脂脂疏疏水水尾尾巴巴平平行行排排列列，它它的的1818、1919位位两两个个-CH-CH3 3嵌嵌入入磷磷脂脂分分子子不不饱饱和和脂脂酰酰基基顺顺式式双双键键形形成成的的立立体体化化学学上上的的沟沟槽槽中中。胆胆固固醇醇一一方方面面提提高高膜膜的的刚刚性性和和微微粘粘度度，另另一一方方面面它它的的烃烃链链固固有有的的运运动动性性又又能能增增加加膜膜的的局局部部微微区区的的无无
26、序序性性，使使膜膜流流动动性性增增加加。类类固固醇醇对对膜膜的的这这种种双双向向调调整整和和稳稳定定作作用用使使生生物物膜膜在在较较宽宽的的温温度度范范围围(30(3040)40)内内行行使使功功能能。类类固固醇醇还还通通过过与与一一些些膜膜蛋蛋白白的的相相互互作作用用调调节其功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。节其功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统鼠肝细胞各种类型膜及其膜脂组成生物膜系统生物膜生物膜脂脂质质组组成成（%）PAPCPEPGPIPSDPGSph 胆固醇胆固醇 糖脂糖脂人红细胞质膜人红细胞质膜1.51918018.5017.
27、52510E.coli细胞质膜细胞质膜0065180012000人髓鞘膜人髓鞘膜0.51020008.508.52626大大鼠鼠肝肝细细胞胞质质膜膜11811-49-1430-糙面内质网膜糙面内质网膜-5516-83-36-光面内质网膜光面内质网膜-5521-6.7-1.91210-线粒体内膜线粒体内膜0.74524261182.53-线粒体外膜线粒体外膜1.330252.51323.555-核膜核膜15520-73-310-Golgi膜膜-4015-63.5-107.5-溶酶体膜溶酶体膜-2513-7-52414-表3.2 几种膜的脂质组成 生物膜系统3.2.1.4膜脂组织的多态性膜脂组织的
28、多态性生生物物膜膜3 3种种主主要要脂脂类类磷磷脂脂、糖糖脂脂和和类类固固醇醇的的分分子子结结构构相相差差甚甚远远，但但都都是是两两亲亲性性分分子子，即即同同时时具具有有亲亲水水的的头头部部和和疏疏水水的的尾尾巴巴两两部部分分。以以磷磷脂脂为为例例，当当把把磷磷脂脂加加入入水水中中，如如图图3.23.2所所示示，只只有有极极少少数数分分子子以以单单体体形形式式游游离离存存在在；在在水水空空气气界界面面上上的的磷磷脂脂倾倾向向于于形形成成单单分分子子层层，极极性性头头与与水水接接触触，疏疏水水的的尾尾巴巴伸伸向向空空气气；如如果果加加入入的的磷磷脂脂较较多多，水水空空气气界界面面已已经经达达到到
29、饱饱和和，其其余余的的磷磷脂脂就就以以微微团团或或双双分分子子层层形形式式存存在在。在在疏疏水水作作用用的的驱驱动动和和Van Van der der WaalsWaals引引力力作作用用下下，磷磷脂脂分分子子的的极极性性头头与与水水相相接接触触，疏疏水水尾尾巴巴彼彼此此靠靠近近，将将水水从从附附近近排排除除。磷磷脂脂在在水水中中形形成成脂脂双双层层结结构构是是个个自自组组装装过过程程，并并进进一一步步自自我我封封合合为为双双层层微微囊囊( (脂质体，脂质体，liposome)liposome)。生物膜系统图3.2 磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式生物膜系统生物膜系统图3.3 可能存在的几
30、种相结构生物膜系统3.2.2膜蛋白膜蛋白生生物物膜膜的的功功能能主主要要由由膜膜蛋蛋白白承承担担。膜膜蛋蛋白白与与膜膜脂脂分分子子共共同同维维持持膜膜的的完完整整性性、多多样样性性和和不不对对称称性性。通通常常，细细胞胞质质膜膜中中的的蛋蛋白白质质主主要要与与涉涉及及胞胞外外环环境境的的细细胞胞活活力力有有关关，而而细细胞胞内内膜膜系系统统的的蛋蛋白白质质则则主主要要与与代代谢谢活活动动有有关关。有有的的膜膜蛋蛋白白发发挥挥酶酶的的作作用用，有有的的膜膜蛋蛋白白行行使使信信息息传传递递或或能能量量转转换换功功能能，有有的的构构成成细细胞胞膜膜的的骨骨架架，有有的的则则参参与与细细胞胞识识别别。
31、应应当当强强调调指指出出，膜膜蛋蛋白白的的功功能能不不仅仅取取决决于于自自身身固固有有的的结结构构，生生物物膜膜构构成成的的特特殊殊环环境境对对膜膜蛋蛋白白形形成成并并保保持持正正确确的的构构象象起起着着不可或缺的作用。不可或缺的作用。生物膜系统图图3.4 3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式膜蛋白与脂双层结合的几种方式大大部部分分跨跨膜膜蛋蛋白白以以单单一一-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层或或以以多多个个-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层；这这些些单单次次通通过过或或多多次次通通过过的的蛋蛋白白，有有一一些些具具共共价价结结合合的的脂脂肪肪酸酸链链插插入入细细胞胞质质面面的的脂脂单单层层，其其他他
32、膜膜蛋蛋白白通通过过共共价价连连接接到到脂脂类类或或是是脂脂肪肪酸酸链链或或是是异异戊戊烯烯基基团团，插插入入脂脂双双层层（细细胞胞质质面面的的单单层层），或或不不常常发发生生的的，经经寡寡糖糖连连到到较较小小的的磷磷脂脂、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇，在在非非胞胞质质面面的的单单层层，许许多多蛋蛋白白质质通通过过非非共共价价键键与与其其他膜蛋白相互作用连到膜上，他膜蛋白相互作用连到膜上，和和（仿（仿B. AlbertsB. Alberts等，等，19941994）生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.2.2.1 整合蛋白(integral proteins)或内在蛋白(intrinsic protein
33、s) 整整合合蛋蛋白白一一般般约约占占膜膜蛋蛋白白的的707080%80%。这这些些膜膜蛋蛋白白嵌嵌入入脂脂双双层层，与与脂脂双双层层疏疏水水核核紧紧密密结结合合，整整合合于于脂脂双双层层结结构构之之中中，只只有有用用氯氯仿仿等等有有机机溶溶剂剂或或SDSSDS、胆胆酸酸盐盐、Triton Triton X-100X-100等等去去垢垢剂剂破破坏坏脂脂双双层层结结构构后后才才能能将将其其分分离离出出来来。多多数数整整合合蛋蛋白白都都是是跨跨膜膜蛋蛋白白(transmembrane (transmembrane proteins)proteins)，其其中中有有的的一一次次跨跨膜膜，有有的的多多
34、次次跨跨膜膜，只只有有极极少少数数整整合合蛋蛋白白以以部部分分肽肽链链插插入入脂脂双双层层疏疏水水核核，并并不不穿穿透透脂脂双双层层，仅仅在在膜膜一一侧侧暴暴露露( (如如内内质质网网膜膜上上的的细细胞胞色色素素b b5 5) )，称称为为锚锚定定蛋蛋白白(anchored(anchored或或monotopic monotopic proteins)proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体( (图图3.5)3.5)。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统光合细菌光反应中心的结构生物膜
35、系统生物膜系统生物膜系统3.2.2.2 3.2.2.2 外外 周周 蛋蛋 白白 (peripheral (peripheral proteins)proteins)或或 外外 在在 蛋蛋 白白 (extrinsic (extrinsic proteins proteins ) 这类蛋白质定位于脂双层的内侧或外侧，这类蛋白质定位于脂双层的内侧或外侧，即质膜的胞浆面或细胞表面，它们通过离子键、即质膜的胞浆面或细胞表面，它们通过离子键、氢键等非共价键不太紧密地与暴露在膜外的膜氢键等非共价键不太紧密地与暴露在膜外的膜脂分子极性头或整合蛋白的亲水部分相联系，脂分子极性头或整合蛋白的亲水部分相联系，容易用
36、离子强度较高或容易用离子强度较高或pHpH较高的溶液将它们从较高的溶液将它们从膜上分离出来。膜上分离出来。 生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统图图3.7 3.7 红细胞膜骨架各组分与质红细胞膜骨架各组分与质膜连接的示意图膜连接的示意图生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.2.2.3 3.2.2.3 脂锚定蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored proteins)(lipid-anchored proteins) 这类蛋白与外周蛋白相似，都有亲水的表面；这类蛋白与外周蛋白相似，都有亲水的表面；不同的是它们通过共价连接的脂质分子疏水链插入不同的是它们通过共价连
37、接的脂质分子疏水链插入脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧( (图图3.4)3.4)。按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几类：类： 生物膜系统图图3.4 3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式膜蛋白与脂双层结合的几种方式大大部部分分跨跨膜膜蛋蛋白白以以单单一一-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层或或以以多多个个-螺螺旋旋横横过过脂脂双双层层；这这些些单单次次通通过过或或多多次次通通过过的的蛋蛋白白，有有一一些些具具共共价价结结合合的的脂脂肪肪酸酸链链插插入入细细胞胞质质面面的的脂脂单单层层，其其他他膜膜蛋蛋白白通通过过共共
38、价价连连接接到到脂脂类类或或是是脂脂肪肪酸酸链链或或是是异异戊戊烯烯基基团团，插插入入脂脂双双层层（细细胞胞质质面面的的单单层层），或或不不常常发发生生的的，经经寡寡糖糖连连到到较较小小的的磷磷脂脂、磷磷脂脂酰酰肌肌醇醇，在在非非胞胞质质面面的的单单层层，许许多多蛋蛋白白质质通通过过非非共共价价键键与与其其他膜蛋白相互作用连到膜上，他膜蛋白相互作用连到膜上，和和（仿（仿B. AlbertsB. Alberts等，等，19941994）生物膜系统生物膜系统生物膜系统图3.8 肽链通过GPI与膜结合虚线箭头所指为转肽酶作用点虚线箭头所指为转肽酶作用点生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.2.3膜糖膜糖
39、 真真核核细细胞胞质质膜膜和和内内膜膜系系统统都都有有糖糖类类分分布布，不不同同物物种种和和不不同同类类型型的的细细胞胞膜膜糖糖含含量量不不同同。质质膜膜含含糖糖约约占占膜膜重重的的2 210%10%，这这些些糖糖大大多多数数与与蛋蛋白白质质共共价价结结合合构构成成糖糖蛋蛋白白，少少数数结结合合在在脂脂类类分分子子上上构构成成糖糖脂脂。例例如如红红细细胞胞质质膜膜含含有有8%8%的的糖糖类类，其其中中约约93%93%与与蛋蛋白白质质结结合合，大大多多数数暴暴露露于于细细胞胞表表面面的的蛋蛋白白质质都都共共价价连连接接1 1个个或或多多个个寡寡糖糖链链；其其余余约约7%7%与与类类脂脂分分子子结
40、结合合，脂脂双双层层外外叶叶不不到到1%1%的的膜膜脂脂分分子子连连有有寡寡糖糖，而而且且大大多多仅仅1 1条条寡寡糖糖链链。构构成成生生物物膜膜寡寡糖糖的的单单糖糖主主要要有有9 9种种：半半乳乳糖糖、甘甘露露糖糖、岩岩藻藻糖糖、葡葡萄萄糖糖、木木糖糖、葡葡萄萄糖糖胺胺、N-N-乙乙酰酰葡葡萄萄糖糖胺胺、N-N-乙乙酰酰半半乳乳糖糖胺胺和和唾唾液液酸酸。生生物物膜膜上上的的糖糖类类几几乎乎都都定定位位于于膜膜的的非非胞胞浆浆面面，即即细细胞胞质质膜膜的的外外侧侧和和细细胞胞器器膜膜的的腔腔内内一一侧侧，在在质质膜膜外外侧侧形形成成细细胞胞外外被被或糖萼或糖萼(glycocalyx)(glyc
41、ocalyx)(图图3.9)3.9)。 生物膜系统图3.9 细胞外壳（糖萼）示意图生物膜系统生物膜系统3.3. 生物膜的结构 18931893年年，OvertonOverton用用蔗蔗糖糖溶溶液液引引起起植植物物细细胞胞的的质质壁壁分分离离表表明明了了细细胞胞膜膜的的存存在在，并并在在后后来来提提出出脂脂类类和和胆胆固固醇醇可可能能是是细细胞胞膜膜的的主主要要组组分分。19251925年年，荷荷兰兰人人GorterGorter和和GrendelGrendel根根据据对对红红细细胞胞膜膜的的研研究究提提出出了了脂脂双双分分子子层层的的概概念念，成成为为认认识识膜膜结结构构的的基基础础。19351
42、935年年，Danielli Danielli & & DavsonDavson提提出出蛋蛋白白质质- -脂脂质质- -蛋蛋白白质质的的“三三明明治治”模模型型。19641964年年RobertsonRobertson根根据据电电镜镜观观察察结结果果提提出出单单位位膜膜模模型型。这这些些模模型型以以及及其其它它许许多多有有关关研研究究，为为流流体体镶镶嵌嵌模模型型的的提提出出积积累累了了有有用用的的资资料料和和借借鉴鉴。图图3.93.9概概括括了了100100多多年年来来人人类对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。类对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。生物膜系统生物膜系统图图3.10 3.1
43、0 对生物膜结构认对生物膜结构认 识的不断丰富和深化识的不断丰富和深化生物膜系统3.3.1生物膜的生物膜的“流体镶嵌流体镶嵌”模型模型在在生生物物膜膜的的流流动动性性和和膜膜组组分分分分布布不不对对称称性性等等研研究究的的基基础础上上，19721972年年美美国国SingerSinger和和NicolsonNicolson提提出出了了生生物物膜膜的的“流流体体镶镶嵌嵌”模模型型( (图图3.11)3.11)，要要点点如下：如下： 生物膜系统生物膜系统图图3.11 3.11 Singer&Nicolson流体镶嵌模型流体镶嵌模型生物膜系统 极极性性脂脂双双分分子子层层构构成成生生物物膜膜的的基基
44、本本架架构构，膜膜蛋蛋白白镶镶嵌嵌在在其其中中。脂脂双双层层既既是是整整合合蛋蛋白白的的溶溶剂剂，又又是极性物质的扩散屏障。是极性物质的扩散屏障。 生生物物膜膜是是由由极极性性脂脂和和蛋蛋白白质质分分子子按按二二维维排排列列的的流流体体，膜膜的的结结构构组组分分在在其其中中可可以以移移动动并并聚聚集集组组装装。膜膜脂脂分分子子以以流流体体或或液液体体状状态态存存在在于于膜膜中中，能能在在其其中中进进行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。 生生物物膜膜中中蛋蛋白白质质的的分分布布不不对对称称，有有的的镶镶嵌嵌在在脂脂双双层层表表面面，有有的的
45、则则部部分分或或全全部部嵌嵌入入脂脂双双层层内内部部，有有的的则则横横跨跨整整个个膜膜。少少量量膜膜脂脂与与膜膜蛋蛋白白专专一一结结合合，是是这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。生物膜系统生物膜系统3.3.2生物膜结构的主要特征生物膜结构的主要特征“流流体体镶镶嵌嵌”模模型型虽虽然然得得到到比比较较广广泛泛的的支支持持，一一直直不不失失为为膜膜生生物物学学的的核核心心原原理理，但但仍仍存存在在许许多多局局限限性性，例例如如，很很多多实实验验表表明明，膜膜的的各各个个部部分分的的流流动动性性不不均均匀匀，在在一一定定条条件件下下有有的的处处于于液液晶晶相相，有有的的则则处
46、处于于凝凝胶胶相相，即即膜膜脂脂存存在在着着多多态态性性。在在此此基基础础上上，后后来来又又提提出出一一些些模模型型。但但是是，实实际际上上已已很很难难再再以以某某些些简简单单模模式式形形像像地地描描绘绘丰丰富富多多彩彩的的生生物物膜膜。因因此此人人们们越越来来越越关关注注与与多多样样性性的的细细胞胞功功能能和和状状态态相相适适应应的的膜膜结结构构的的多多样样性性、多多形形性性和和不不对对称称性性及及其其动动态态特特征征。下下面面将将通通过过对对膜膜结结构构主主要要特特征征的的讨讨论论充充实实和和深深化化对对生物膜结构的理解。生物膜结构的理解。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.3.2
47、.1膜的不对称性膜的不对称性 膜膜的的不不对对称称性性指指的的是是膜膜脂脂、膜膜蛋蛋白白和和糖糖类类不不对对称称地地分分布布在在脂脂双双层层的的两两叶叶片片层层。所所有有的的生生物物膜膜都都具具有有这这种种结结构构的的不不对对称称性性，这这也也是是生生物物膜膜功功能能的的重重要要基础。基础。 实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有糖脂和绝大多数糖脂和绝大多数 PC PC与与SphSph分布在膜的非胞浆片层，分布在膜的非胞浆片层，而电中性或带负电荷的膜脂如而电中性或带负电荷的膜脂如PEPE、PSPS则更多地分布则更多地分布于胞浆面片层于胞浆面片层( (图图3.1
48、2)3.12)。不同的细胞质膜脂类的不。不同的细胞质膜脂类的不对称分布亦不相同，如猪血小板膜中对称分布亦不相同，如猪血小板膜中PCPC主要分布于主要分布于胞浆面片层。胞浆面片层。生物膜系统生物膜系统生物膜系统除核膜上的某些转录因子和核孔复合物蛋白质上存在除核膜上的某些转录因子和核孔复合物蛋白质上存在朝着胞浆面的糖链，其余膜上的糖脂和糖蛋白糖链均定位朝着胞浆面的糖链，其余膜上的糖脂和糖蛋白糖链均定位于非胞浆面。鞘磷脂由于有较长而且紧密折叠的烃链，因于非胞浆面。鞘磷脂由于有较长而且紧密折叠的烃链，因此熔点较高，在与胆固结合后，在液晶态的脂双层中形成此熔点较高，在与胆固结合后，在液晶态的脂双层中形成
49、了局部固态结构，称为脂筏了局部固态结构，称为脂筏(lipid raft)(lipid raft)。脂筏直径约。脂筏直径约70nm70nm，在某些条件下可聚集成更大的结构。脂筏特异地结，在某些条件下可聚集成更大的结构。脂筏特异地结合许多膜蛋白，如合许多膜蛋白，如GPI-PrGPI-Pr和其它脂锚定蛋白等。脂筏的存和其它脂锚定蛋白等。脂筏的存在是膜不对称的又一例证。脂筏最重要的功能可能是参与在是膜不对称的又一例证。脂筏最重要的功能可能是参与细胞信号转导。例如在静止的细胞信号转导。例如在静止的T T细胞表面，多种与细胞表面，多种与T T细胞受细胞受体信号转导有关的分子组成型地结合于脂筏。当体信号转导
50、有关的分子组成型地结合于脂筏。当T T细胞受细胞受到外界刺激活化时，通过受体向胞内传递活化信号，受体到外界刺激活化时，通过受体向胞内传递活化信号，受体及辅受体、协同分子等相关的信号分子会在特定部位形成及辅受体、协同分子等相关的信号分子会在特定部位形成免疫突触结构，其中主要是由小脂筏融合成的大脂筏斑。免疫突触结构，其中主要是由小脂筏融合成的大脂筏斑。在免疫突触形成过程中，脂筏起到运输和聚集信号分子的在免疫突触形成过程中，脂筏起到运输和聚集信号分子的作用。作用。生物膜系统生物膜系统3.3.2.2生物膜的流动性生物膜的流动性 流流动动性性是是生生物物膜膜最最重重要要的的特特征征之之一一，涉涉及及膜膜
51、脂脂的的流流动动性和膜蛋白的流动性。性和膜蛋白的流动性。(1)(1)膜脂的流动性膜脂的流动性 前前面面在在膜膜脂脂组组织织多多态态性性中中已已经经提提到到，脂脂双双层层存存在在液液晶晶相相和和凝凝胶胶相相。当当膜膜从从凝凝胶胶相相转转变变为为液液晶晶相相时时，膜膜组组分分的的分分子子内内和和分分子子间间运运动动明明显显增增加加。在在生生理理条条件件下下，膜膜脂脂大大多多呈呈液液晶晶相相，当当温温度度降降低低至至相相变变温温度度（TcTc）时时，即即从从液液晶晶相相转转变变为为凝凝胶胶相相( (图图3.13)3.13)。用用示示差差扫扫描描量量热热法法、NMRNMR和和ESRESR波谱等技术可以
52、测定膜脂相变温度。波谱等技术可以测定膜脂相变温度。生物膜系统生物膜系统图图3.13 3.13 膜脂的相变膜脂的相变生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统磷磷 脂脂相变温度相变温度()()Di-14 0PC24Di-16 0PC41Di-18 0PC58Di-22 0PC75Di-18 1PC-221-18 02-18 1PC3Di-14 0PE51Di-16 0PE63Di-14 0PG23Di-16 0PG41Di-16 0PA67 表3.3 磷脂组成与相变温度的关系生物膜系统图3.14 磷脂分子运动的几种方式生物膜系统 侧侧向向扩扩散散，即即膜膜脂脂分分子子在在脂脂双双层层同同一一片片层
53、层内内与与邻邻近近分分子子进进行行换换位位，扩扩散散速速率率的的大大小小可可用用扩扩散散系系数数D DL L表表示示。在在生生物物膜膜和和人人工工膜膜都都存存在在膜膜脂脂分分子子的的侧侧向向扩扩散散，而而且且速速度度很很快快，D DL L一一般般为为10107 710108 8cmcm2 2ss1 1，表表明明膜膜脂脂的的粘粘性性约为水的约为水的100100倍。倍。 旋旋转转扩扩散散：即即膜膜脂脂分分子子从从脂脂双双层层的的一一叶叶翻翻转转到到另另一一片片层层。由由于于膜膜脂脂均均为为两两亲亲性性分分子子，这这种种翻翻转转运运动动必必须须通通过过脂脂双双层层的的疏疏水水核核，因因此此要要比比侧
54、侧向向扩扩散散慢慢得得多多。膜膜脂脂分分子子完完成成旋旋转转扩扩散散最最快快也也要要数数分分钟钟，通通常常完完成成翻翻转转的的平平均均时时间间为为数数小小时时甚甚至至数数周周。细细胞胞在在某某些些生生理理条条件件下下，如如磷磷脂脂生生物物合合成成和和膜膜的的组组装装过过程程中中，在在某某些些膜膜蛋蛋白白( (如如磷磷脂转位因子脂转位因子) )帮助下，膜脂分子的翻转过程大大加快。帮助下，膜脂分子的翻转过程大大加快。生物膜系统 脂脂酰酰基基的的异异构构化化运运动动：膜膜脂脂分分子子中中的的脂脂酰酰基基烃烃链链可可绕绕C-CC-C单单键键旋旋转转，从从而而导导致致其其构构型型发发生生转转变变。在在低
55、低温温条条件件下下，脂脂酰酰基基烃烃链链主主要要表表现现为为全全反反式式构构型型，随随着着温温度度升升高高，偏偏转转构构型型增增多多，膜膜流流动动性性增增大。大。 膜膜脂脂分分子子绕绕与与膜膜平平面面垂垂直直的的轴轴左左右右摆摆动动，其其极极性性头头部部运运动动较较快快，甘甘油油骨骨架架运运动动较较慢慢，脂脂酰基烃链部运动也较快，其尾部运动得最快。酰基烃链部运动也较快，其尾部运动得最快。 膜膜脂脂分分了了围围绕绕与与膜膜平平面面垂垂直直的的轴轴作作旋旋转运动，其转动速率约为每转运动，其转动速率约为每10ns10ns转动转动22角度。角度。生物膜系统(2)膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性 脂脂双双层
56、层可可视视为为整整合合蛋蛋白白的的分分散散介介质质，因因此此脂脂质质分分子子的的物物理理状状态态就就成成了了整整合合蛋蛋白白运运动动性性的的重重要要决决定定因因素素。膜膜整整合合蛋蛋白白的的主主要要运运动动方方式式包包括括侧侧向向扩散、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。扩散、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。生物膜系统3.3.3膜蛋白的三维结构膜蛋白的三维结构迄迄今今基基因因组组学学研研究究表表明明，各各种种生生物物基基因因组组编编码码的的蛋蛋白白质质约约有有25%25%是是膜膜蛋蛋白白，而而膜膜蛋蛋白白的的707080%80%是是整整合合蛋蛋白白。最最近近几几年年，利利用用脂脂立立方
57、方体体相相来来生生长长膜膜蛋蛋白白三三维维晶晶体体，有有望望得得到到更更多多更更好好的的膜膜蛋蛋白白单单晶晶体体，用用于于精精细细结结构构测测定定。再再结结合合使使用用新新一一代代同同步步辐辐射射光光源源，为为膜膜蛋蛋白白精精细细结结构构测测定定打打开开了了闸闸门门。现现已已测测定定的的膜膜蛋蛋白白有有细细菌菌光光合合反反应应中中心心、E.coliE.coli膜膜孔孔蛋蛋白白OmpOmp和和PhoEPhoE、麦麦芽芽糖糖孔孔蛋蛋白白、捕捕光光色色素素复复合合体体、线线粒粒体体细细胞胞色色素素c c氧氧化化酶酶、细细胞胞色色素素bcbc1 1复复合合物物、菌菌紫紫红红质质、K K+ +通通道道、
58、CaCa2+2+泵泵等等。下下面面以以嗜嗜盐盐菌菌菌菌紫紫质质为为例例，展展示示膜膜整整合合蛋蛋白白三三维维结构的一些特点。结构的一些特点。生物膜系统图图3.15嗜盐菌菌紫质的一级结构及其在膜上的分布嗜盐菌菌紫质的一级结构及其在膜上的分布生物膜系统生物膜系统图图3.163.16 菌紫质在嗜盐菌膜上以三聚体形式有序分菌紫质在嗜盐菌膜上以三聚体形式有序分布布生物膜系统图图3.17 3.17 嗜盐菌菌紫质参与嗜盐菌菌紫质参与组成组成H H+ +通道的有关基团的三维分通道的有关基团的三维分布示意图布示意图生物膜系统3.3.4人工膜人工膜（artificiallipidmembrane） 1970197
59、0年年代代以以来来，人人工工膜膜的的制制备备技技术术与与应应用用不不断断发发展展，日日益益发发展展为为一一项项生生物物高高技技术术。人人工工膜膜主主要要包包括括双双分分层层平平面面膜、脂质体和单层膜或膜、脂质体和单层膜或LBLB膜。膜。（1 1）平面双分子膜（）平面双分子膜（planar bilayer lipid membromeplanar bilayer lipid membrome） 常常用用合合成成类类脂脂及及其其衍衍生生物物或或从从天天然然材材料料中中抽抽提提的的类类脂脂混混合合物物作作为为制制备备平平面面双双分分子子膜膜的的材材料料。先先将将类类脂脂材材料料溶溶于于适适当当的的有
60、有机机溶溶剂剂，取取一一玻玻璃璃槽槽，用用聚聚四四氟氟乙乙烯烯隔隔板板分分隔隔为为两两个个小小室室，隔隔板板上上有有一一小小圆圆孔孔（直直径径1mm1mm），加加入入预预先先放放制制的的水水溶溶液液，再再向向隔隔板板小小孔孔内内加加一一滴滴类类脂脂溶溶液液，即即可可形形成成脂脂双双分分子子层层。还还可可制制备备脂脂双双层层内内外外两两叶叶片片层层脂脂质质组组分分不不对对称称膜膜，以以便便更更好好地地摹摹拟拟生生物物膜膜，嵌嵌入入某某些些功功能能性性蛋蛋白白分分子子，即即可可用用于于研研究究膜膜电电位位，跨跨膜膜的的pHpH梯梯度度、离离子子通通道道、生物电子能量传递与转换等生物膜功能。生物电子
61、能量传递与转换等生物膜功能。生物膜系统生物膜系统（2）脂质体脂质体（liposomes） 人人工工脂脂双双层层膜膜形形成成的的圆圆球球状状膜膜泡泡，在在膜膜研研究究中中具具有有不不可可估估量量的的价价值值。把把功功能能蛋蛋白白嵌嵌入入脂脂质质体体，形形成成各各种种重重建建的的膜膜系系统统，可可以以在在比比天天然然膜膜简简单单得得多多的的条条件件下下对对它它们们的的功功能能进进行行研研究究。脂脂质质体体还还被被用用作作DNADNA和和许许多多药药物物的的载载体体，同同时时在在脂脂质质体体膜膜上上嵌嵌入入单单克克隆隆抗抗体体或或其其它它靶靶细细胞胞受受体体专专一一的的配配体体，不不仅仅提提高高了了
62、脂脂质质体体的的靶靶向向特特异异性性和和与与靶靶细细胞胞结结合合的的效效率率，而而且且可可以以有有效效地地降降低低与与非非靶靶细细胞胞的的结结合合，降降低低药药物物的的细细胞胞毒毒性性，是是运运送送基基因因治治疗疗药药物物和和抗抗癌药的理想剂型。常用的脂质体有以下癌药的理想剂型。常用的脂质体有以下3 3种：种：生物膜系统脂质体类型脂质体类型单层脂质体单层脂质体大单层脂质体大单层脂质体多层脂质体多层脂质体结构结构直径（直径（nmnm）包装率包装率（%）稳定性稳定性30500.1差差150100050（超声法）（超声法）中等中等500300012（冻融法）（冻融法）好好50（冻融法）（冻融法）好好
63、表3.5 三种常用脂质体性质比较生物膜系统（3）LBLB膜膜（Langmuir-Blodgettmembrane）：）： 把把磷磷脂脂溶溶于于易易挥挥发发的的有有机机溶溶剂剂，然然后后滴滴加加于于水水溶溶液液表表面面并并使使之之在在水水表表面面上上扩扩展展，待待有有机机溶溶剂剂挥挥发发后后，用用一一可可移移动动杆杆条条沿沿水水面面把把表表面面的的磷磷脂脂分分子子往往一一侧侧压压缩缩，即即可可得得到到亲亲水水头头在在水水相相、疏疏水水的的烃烃链链朝朝向向空空气气的的磷磷脂脂单单分分子子层层，即即LBLB膜膜。LBLB膜膜不不仅仅用用于于研研究究膜膜的的表表面面化化学学和和磷磷脂脂分分子子间间相相
64、互互作作用用，而而且且是是研研究究药药物物、多多肽肽等等与与脂脂类类相相互互作作用用的的有有力力手手段段。另另外外，LBLB膜膜还还被被用用来来进进行行蛋蛋白白质质二二维维晶晶体体的的构构建建与与结结构构分分析析。LBLB膜膜和和双双分分子子层层脂脂膜膜在在生生物物传传感感器器和和生生物物电电子子器件的研制中有独特的应用前景。器件的研制中有独特的应用前景。生物膜系统物质跨膜运输物质跨膜运输生物膜系统3.4物质跨膜运输物质跨膜运输活活细细胞胞必必须须不不断断地地与与环环境境进进行行物物质质交交换换，真真核核细细胞胞内内各各房房室室之之间间同同样样也也存存在在跨跨膜膜的的物物质质交交换换，这这种种
65、交交换换是是高高度度选选择择性性的的，使使细细胞胞保保持持动动态态的的恒恒定定，这这对对于于保保证证生生命命活活动动的的正正常进行极为重要。常进行极为重要。生物膜系统3.4.1.1被动运输（被动运输（passivetransport） 生生物物膜膜具具有有半半透透膜膜的的性性质质。膜膜上上有有许许多多由由膜膜蛋蛋白白构构成成的的直直径径约约1nm1nm的的微微孔孔，如如细细菌菌外外膜膜上上孔孔蛋蛋白白三三聚聚体体形形成成的的微微孔孔允允许许分分子子量量小小于于600600的的亲亲水水中中性性溶溶质质通通过过；真真核核细细胞胞质质膜膜上上有有32kDa32kDa通通道道蛋蛋白白六六聚聚体体形形成
66、成跨跨膜膜的的微微孔孔，允允许许分分子子量量小小于于2kDa2kDa的的亲亲水水中中性性溶溶质质通通过过。又又如如在在哺哺乳乳动动物物红红细细胞胞等等高高度度水水可可渗渗透透的的膜膜上上存存在在水水通通道道蛋蛋白白四四聚聚体体构构成成的的通通道道，每每个个亚亚单单位位包包括括6 6个个跨跨膜膜螺螺旋旋，含含有有一一个个沙沙漏漏样样多多水水微微孔孔。另另外外，膜膜脂脂的的流流动动性性还还在在膜膜上上造造成成许许多多统统计计学学上上的的微微孔孔。这这样样，水水、气气体体、以以及及其其它它小小分分子子物物质质就就可可以以借借助助于于膜膜两两侧侧浓浓度度（活活度度）差差顺顺着着化化学学势势差差从从高高
67、浓浓度度一一侧侧自自发发地地扩扩散散到到低低浓浓度度一一侧侧，无无需需另另外外消消耗耗能能量量，称称为为被被动动运运输输或或扩扩散散传传送送，包包括括简简单单扩扩散散和和促促进进扩扩散散。物物质质经经被被动动运运输输的的速速率率既既依依赖赖于于该该物物质质在在膜膜两两侧侧的的浓浓度度差差，又又与与其其分分子子量量大小、电荷以及在脂双层中的溶解性有关大小、电荷以及在脂双层中的溶解性有关。生物膜系统生物膜系统Structure of bacterial porin生物膜系统-溶血毒素的结构 孔蛋白充满水的亲水通道和大的疏水外周生物膜系统水通道蛋白（aquaporin）的结构示意图生物膜系统生物膜系
68、统（1）简单扩散简单扩散（simplediffusion）物物质质经经由由亲亲水水通通道道或或膜膜脂脂流流动动造造成成的的在在分分子子间间瞬瞬时时出出现现的的微微孔孔，从从高高浓浓度度一一侧侧自自由由扩扩散散到到低低浓浓度度一一侧侧。如如果果被被运运输输的的是是非非极极性性物物质质或或非非解解离离极极性性分分子子，该该过过程程的的自自由由能能变变化化用用下下式式表示：表示：G=2.3RTLogS0S0式式中中SS0 0 和和SS0 0 分分别别代代表表扩扩散散开开始始时时膜膜两两侧侧溶溶质质的的浓浓度度，当当SS0 0 / / SS0 0 11时时，G0G0，溶溶质质扩扩散散方方向向为为S S
69、0 0 S S0 0 ；当当SS0 0 / / SS0 0 =1=1时时，G=0G=0，无无扩扩散散。人人工工膜膜扩扩散散试试验验表表明明，非非极极性性物物质质易易通通过过简简单单扩扩散散跨跨膜膜转转位位。非非解解离离极极性性分分子子如如乙乙醇醇和和脲脲等等也也能能很很快快通通过过，分分子子量量大大一一些些的的甘甘油油通通过过较较慢慢，分分子子量量比比甘甘油油大大一一倍倍的的葡葡萄萄糖糖竞竞不不能能通通过过。此此外外，膜膜的的流流动动性性愈愈大大简简单扩散愈易，因此影响膜流动性的因素都影响简单扩散。单扩散愈易，因此影响膜流动性的因素都影响简单扩散。生物膜系统生物膜系统 式中Z为溶质净电荷，F为
70、Faraday常数， 为跨膜电位。在这种情况下，溶质的扩散方向既取决于浓度差，又与所带电荷多少和跨膜电位有关。带电荷的溶质无论大小，均不能经简单扩散通过人工脂双层膜。（2）促进扩散（facilitated diffusion） 糖、氨基酸、核苷酸、羧酸等代谢物和金属离子，能以比简单扩散快得多的速率顺着浓度梯度跨膜运输，这是由于膜上有帮助其通过的特异的运输蛋白，因此称为促进扩散。参与促进扩散的重要的运输蛋白有门通道和载体蛋白。如果溶质带电荷，又存在跨膜电位时，上式可改写成： 生物膜系统生物膜系统 门通道（门通道（gated channelsgated channels）：门通道也是跨膜的蛋白复合
71、）：门通道也是跨膜的蛋白复合物；只在特定刺激下瞬时开放。有些门通道的开关与信号分子物；只在特定刺激下瞬时开放。有些门通道的开关与信号分子- -受受体作用相偶联，称为激动剂或配体门通道，如乙酰胆碱受体。另一体作用相偶联，称为激动剂或配体门通道，如乙酰胆碱受体。另一类是所谓电位门通道（类是所谓电位门通道（voltage gated channelvoltage gated channel）。当膜两侧某种）。当膜两侧某种离子浓度改变时，或其它刺激引起电位改变时，导致通道蛋白构象离子浓度改变时，或其它刺激引起电位改变时，导致通道蛋白构象变化，打开通道。门通道能自发地快速关闭，开放时间常常只有几变化，打
72、开通道。门通道能自发地快速关闭，开放时间常常只有几毫秒，让一些离子、代谢物等溶质顺着浓度梯度迅速地通过细胞膜。毫秒，让一些离子、代谢物等溶质顺着浓度梯度迅速地通过细胞膜。细胞膜上存在多种门通道，例如植物细胞质膜至少有细胞膜上存在多种门通道，例如植物细胞质膜至少有3 3种种K K+ +通道：内通道：内整流整流K K+ +通道、外整流通道、外整流K K+ +通道和电位不敏感通道和电位不敏感K K+ +通道。当膜受到刺激后，通道。当膜受到刺激后，这些通道常常按一定的顺序依次开启和关闭。例如神经肌肉接头处，这些通道常常按一定的顺序依次开启和关闭。例如神经肌肉接头处，当神经冲动传递到突触前终末时，由于膜
73、去极化使突触前膜中的电当神经冲动传递到突触前终末时，由于膜去极化使突触前膜中的电位门控位门控CaCa2+2+通道开放，通道开放，CaCa2+2+的流入促使突触释放贮藏在突触小泡内的的流入促使突触释放贮藏在突触小泡内的乙酰胆碱。乙酰胆碱快速扩散通过突触间隙，与肌细胞质膜上的受乙酰胆碱。乙酰胆碱快速扩散通过突触间隙，与肌细胞质膜上的受体结合，这个受体是乙酰胆碱门控的体结合，这个受体是乙酰胆碱门控的NaNa+ +-K-K+ +通道，开启后通道，开启后NaNa+ +进入细进入细胞，胞，K K+ +流出；质膜的去极化又促使电位门控流出；质膜的去极化又促使电位门控NaNa+ +通道开启，更多的通道开启，更
74、多的NaNa+ +进入细胞，结果肌浆网膜超极化导致电位门控进入细胞，结果肌浆网膜超极化导致电位门控CaCa2+2+通道开放，通道开放，CaCa2+2+从肌浆网进入细胞质，刺激肌肉收缩。这个过程在不到从肌浆网进入细胞质，刺激肌肉收缩。这个过程在不到1 1秒钟内完秒钟内完成，至少涉及成，至少涉及4 4套不同的门通道顺序地开启和关闭。套不同的门通道顺序地开启和关闭。生物膜系统电压门控钾离子通道的结构 （a）每个亚基有6个跨膜螺旋，其中S4为膜电压探测器。（b）在膜中排列的模式图，只显示出三个亚基。生物膜系统电压门控钾离子通道的构象状态生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统 载体蛋白（载体蛋白（ca
75、rrier proteinscarrier proteins）：与通道不同，）：与通道不同，载体蛋白并未在膜上形成跨膜通道。载体蛋白具有高度载体蛋白并未在膜上形成跨膜通道。载体蛋白具有高度的特异性，只能与某一类型或某一种物质暂时性可逆结的特异性，只能与某一类型或某一种物质暂时性可逆结合，通过引发构象变化，把物质从高浓度一侧运到膜的合，通过引发构象变化，把物质从高浓度一侧运到膜的另一侧。例如红细胞质膜上的葡萄糖载体，只结合另一侧。例如红细胞质膜上的葡萄糖载体，只结合D-D-葡葡萄糖而不结合萄糖而不结合L-L-葡萄糖。载体蛋白的促进扩散速率与所葡萄糖。载体蛋白的促进扩散速率与所运输溶质浓度的关系呈
76、双曲线，也有竞争性或非竞争性运输溶质浓度的关系呈双曲线，也有竞争性或非竞争性抑制剂，这些均与酶相似，因而也被称为透性酶（图抑制剂，这些均与酶相似，因而也被称为透性酶（图3.183.18）。但是载体蛋白并不是酶，因为它并不与溶质共）。但是载体蛋白并不是酶，因为它并不与溶质共价结合，溶质跨膜后没有发生实质性改变。价结合，溶质跨膜后没有发生实质性改变。 生物膜系统载体蛋白介导的运输载体蛋白介导的运输通道蛋白介导的运输通道蛋白介导的运输Km被运输物质的浓度被运输物质的浓度0Vmax12Vmax图图3.18 3.18 载体蛋白介导的运输速率与载体蛋白介导的运输速率与 通道蛋白介导的运输速率比较通道蛋白介
77、导的运输速率比较生物膜系统Model of glucose transport by GLUT1生物膜系统生物膜系统Structure of GLUT1生物膜系统葡萄糖载体蛋白结构模式图生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统图图3.19 3.19 线粒体内膜的线粒体内膜的ATP/ADPATP/ADP交换体交换体二二聚聚体体蛋蛋白白执执行行线线粒粒体体内内的的ATPATP对对在在细细胞胞质质中中由由代代谢谢反反应应所所形形成成的的ADPADP的交换。膜电位（内为负）有利于这一交换反应的进行的交换。膜电位（内为负）有利于这一交换反应的进行ADP3ATP4生物膜系统图3.20 线粒体内膜ATP/A
78、DP交换体作用的分子机制模型二聚体蛋白可能仅有一个腺核苷酸的结合位点。当它面对膜的外表面时，结合位点对ADP有高的亲和力（如图中五角形），而对ATP有低的亲和性（如图中的直角形）。当它面对膜内表面时，则相反。结合位点的这两种状态可相互转变，这表明交换体蛋白具有不同的构象生物膜系统 离离子子载载体体（ionophoresionophores）：离离子子载载体体是是一一类类可可溶溶于于脂脂双双层层的的小小分分子子疏疏水水物物质质，它它们们通通过过增增加加脂脂双双层层对对离离子子的的透透性性以以被被动动运运输输方方式式运运输输离离子子。离离子子载载体体大大部部分分由由微微生生物物合合成成，已已广广泛
79、泛用用于于增增加加各各类类膜膜对对一一些些特特殊殊离离子子的的透透性性，其其中中有有些些已已被被用用作作抗抗生生素素。离离子子载载体体可可分分为为移移动性离子载体和形成通道的离子载体两类动性离子载体和形成通道的离子载体两类 短杆菌肽A生物膜系统生物膜系统缬氨霉素生物膜系统3.4.1.2 主主 动动 运运 输输 （ activetransport） 生生活活细细胞胞中中多多数数物物质质的的浓浓度度与与环环境境中中显显然然不不同同，无无论论是是动动、植植物物细细胞胞还还是是细细菌菌，细细胞胞内内、外外都都存存在在着着离离子子浓浓度度差差，如如淡淡水水丽丽藻藻细细胞胞内内K K+ +浓浓度度比比周周
80、围围水水环环境境中中高高10651065倍倍，人人红红细细胞胞K K+ +浓浓度度比比血血浆浆K K+ +高高3030倍倍，细细胞胞内内氨氨基基酸酸的的浓浓度度比比胞胞外外高高1010倍倍以以上上。说说明明细细胞胞必必须须经经常常逆逆着着浓浓度度梯梯度度选选择择性性地地吸吸收收或或排排出出这这些些物物质质，同同时时伴伴随随能能量量的的消消耗，称为主动运输。耗，称为主动运输。生物膜系统（1）初级主动运输初级主动运输（primaryactivetransport） 初级主动运输系统直接通过初级主动运输系统直接通过ATPATP等高能化合物提供等高能化合物提供能量，推动离子和某些代谢物的主动运输。能量
81、，推动离子和某些代谢物的主动运输。 Na Na+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase（或称钠钾泵）（或称钠钾泵） 几乎所有几乎所有的细胞都有的细胞都有NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase活力，可把细胞内的活力，可把细胞内的NaNa+ +泵出泵出细胞外，同时又把细胞外的细胞外，同时又把细胞外的K K+ +泵入细胞内。泵入细胞内。NaNa+ +-K-K+ +- -ATPaseATPase是四聚体（是四聚体（2 22 2），跨膜的），跨膜的亚基（约亚基（约120 120 kDakDa）含有）含有8 8个跨膜螺旋；个跨膜螺旋；亚基（亚基（35 kDa35 kDa）有寡糖链
82、，）有寡糖链，与与亚基间易形成交联。亚基间易形成交联。NaNa+ +- K- K+ +- ATP ase- ATP ase的的ATPATP水解水解部位和部位和NaNa+ +结合部位在膜的胞液一侧，而结合部位在膜的胞液一侧，而K K+ +和强心类固醇和强心类固醇抑制剂结合部位在细胞外表面（图抑制剂结合部位在细胞外表面（图3.213.21）。）。生物膜系统生物膜系统图3.21 Na+-K+泵的亚基结构及其取向示意图生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统 NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase的的工工作作原原理理目目前前普普遍遍认认可可构构象象变变化化假假说说。即即在在
83、正正常常情情况况下下NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase（E E1 1构构象象），在在MgMg2+2+存存在在下下（不不需需要要K K+ +）与与膜膜内内侧侧NaNa+ +结结合合而而激激活活ATPaseATPase活活性性，将将ATPATP的的-磷磷酸酸基基转转移移到到一一个个AsnAsn残残基基上上，形形成成磷磷酸酸化化的的E E1 1-P-P中中间间体体，导导致致的的构构象象变变化化使使其其对对NaNa+ +的的亲亲和和力力降降低低，把把NaNa+ +释释放放到到细细胞胞外外，同同时时酶酶变变为为E E2 2-P-P构构象象。E E2 2-P-P与与细细胞胞质质膜膜外
84、外侧侧的的K K+ +结结合合（不不需需要要NaNa+ +和和MgMg2+2+）后后促促使使酶酶去去磷磷酸酸化化，又又恢恢复复原原来来的的E E1 1构构象象，把把K K+ +释释放到胞液中。上述放到胞液中。上述NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase工作原理可表示如下：工作原理可表示如下：E1ATP3Na+内内E1Na3+ATPE1P（Na3+）ADPNa+外外E*P（Na2+）2K内内E2K2+ATP2K+外外ATPEK2+E2PK2+E2PPi2Na+外外E2P（Na2+）生物膜系统 自自然然界界存存在在三三种种类类型型的的离离子子泵泵： P P型型离离子子泵泵，像像Na
85、Na+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase一一样样，通通常常由由1 1条条肽肽链链组组成成，通通过过磷磷酸酸化化导导致致E E1 1-E-E2 2构构象象变变化化，促促进进离离子子的的跨跨膜膜运运输输； F F型型离离子子泵泵，如如线线粒粒体体和和叶叶绿绿体体的的ATPATP合合酶酶，是是多多亚亚基基组组成成的的复复合合物物，能能利利用用跨跨膜膜质质子子梯梯度度合合成成ATPATP； V V型型离离子子泵泵，如如酵酵母母空空泡泡、动动物物细细胞胞溶溶酶酶体体和和植植物物细细胞胞液液泡泡膜膜上上的的H H+ +- -ATPaseATPase，也也是是多多亚亚基基复复合合物物，其其功功能
86、能是是水水解解ATPATP促促进进质质子子的的主主动动运运输输。表表3.43.4总总结结了了这三类离子泵的一些基本性质。这三类离子泵的一些基本性质。生物膜系统生物膜系统生物膜系统Ca-ATPase的结构生物膜系统生物膜系统离子泵类型离子泵类型亚基组成亚基组成功能功能催化机制催化机制抑制剂抑制剂实例实例P型型单肽链单肽链水解水解ATPE1-E2构象变化构象变化VO3-Ca2+-ATPase乌本苷乌本苷Na+-K+-ATPaseF型型多亚基多亚基合成合成ATP结合变构结合变构寡霉素，寡霉素，DCCDF1-F0-ATPase表表3.4三种离子泵的一些性质三种离子泵的一些性质V型型多亚基多亚基水解水解
87、ATP结合变构结合变构NEM，NO3-V-ATPase生物膜系统 细细菌菌结结合合蛋蛋白白传传送送系系统统 革革兰兰氏氏阴阴性性细细菌菌具具有有周周质质结结合合蛋蛋白白传传递递系系统统，主主动动运运输输一一些些糖糖、氨氨基基酸酸、磷磷酸酸盐盐等等。例例如如E.coliE.coli的的麦麦芽芽糖糖运运输输系系统统至至少少需需要要4 4种种不不同同的的蛋蛋白白质质（图图3.223.22）：外外层层脂脂质质和和脂脂多多糖糖膜膜上上的的lam lam B B 蛋蛋白白形形成成了了让让麦麦芽芽糖糖通通过过的的孔孔隙隙；肽肽多多糖糖到到质质膜膜之之间间的的周周质质蛋蛋白白E E可可结结合合麦麦芽芽糖糖；跨
88、跨膜膜蛋蛋白白F F和和G G构构成成质质膜膜上上的的通通道道，E E可可与与通通道道组组分分结结合合。质质膜膜内内侧侧的的K K蛋蛋白白可可与与G G结结合合，不不仅仅是是这这个个透透性性酶酶的的组组分分，还还能能调调节节运运送送速速率率。这这个个运运输输过过程程需需要要消消耗耗高高能能化化合合物物，因因为为磷磷酸酸盐盐强强烈抑制这种主动传送。烈抑制这种主动传送。生物膜系统图图3.22 3.22 革兰氏阴性细菌革兰氏阴性细菌麦芽糖结合蛋白传送反应麦芽糖结合蛋白传送反应xpx+piPeripheral prctein生物膜系统生物膜系统（ 2 2） 次次 级级 主主 动动 运运 输输 （ se
89、condary secondary active active transporttransport） 次次级级主主动动运运输输系系统统并并不不直直接接通通过过水水解解ATPATP提提供供能能量量来来推推动动，而而是是依依赖赖于于以以离离子子梯梯度度形形式式贮贮存存的的能能量量。例例如如一一些些动动物物细细胞胞质质膜膜上上有有NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase和和透透性性酶酶组组成成这这样样的的协协同同运运输输系系统统，细细胞胞就就能能依依靠靠细细胞胞外外高高浓浓度度的的NaNa+ +离离子子顺顺着着电电化化学学梯梯度度驱驱动动糖糖和和氨氨基酸逆着浓度梯度进入细胞。类似的
90、系统见表基酸逆着浓度梯度进入细胞。类似的系统见表3.53.5。生物膜系统中性氨基酸中性氨基酸Na+真核细胞真核细胞葡萄葡萄糖糖Na+某些动物细胞（肠、肾等）某些动物细胞（肠、肾等）乳糖乳糖H+E. coliE. coli等细菌等细菌二羧酸二羧酸H+E. coli脯氨酸脯氨酸H+E. coli谷氨酸谷氨酸Na+E. coliE. coli和嗜盐菌和嗜盐菌蜜二糖蜜二糖Na+E. coliE. coli和鼠伤寒沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌表表3.5某些次级主动传送系统某些次级主动传送系统 底物底物共同传递的离子共同传递的离子生物组织生物组织丙氨酸丙氨酸H+嗜热菌嗜热菌PSPS3 3生物膜系统生物膜系统细
91、胞外高浓度的Na+驱动肠粘膜上皮细胞共同运输体吸收葡萄糖 生物膜系统E.coli 的乳糖吸收由跨膜质子浓度梯度驱动生物膜系统基基团团转转位位（group group translocationtranslocation） 有有些些细细菌菌摄摄入入糖糖时时需需进进行行磷磷酸酸化化反反应应，以以糖糖- -磷磷酸酸形形式式进进入入细细胞胞，称称为为基基团团转转位位。如如细细菌菌的的磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸：糖糖- -磷磷酸酸转转位位系系统统（PTSPTS）由由三三种种酶酶（E E、E E、E E）和和热热稳稳定定蛋蛋白白（HPrHPr）组组成成，其其中中E E和和HPrHPr均均为为可可溶溶
92、性性蛋蛋白白，E E为为跨跨膜膜蛋蛋白白，E E结结合合于于膜膜内内侧侧（图图3.233.23），通通过以下反应把糖摄入细胞过以下反应把糖摄入细胞内：内：HPrP+糖（外）糖（外）E（E）HPr+糖糖-P（内）（内）EP+HPrHPrP+EE+PEPEP+丙酮酸丙酮酸 E E和和E E对对所所运运输输的的糖糖专专一一，E E和和HPrHPr则则无无此此种种专专一一性性。E. E. colicoli中中发发现现有有7 7种种E E，分分别别对对葡葡萄萄糖糖、甘甘露露糖糖、果果糖糖、N-N-乙乙酰酰葡葡萄萄糖糖胺胺、甘甘露露醇醇、葡葡萄萄糖糖醇醇和和半半乳乳糖糖醇醇专专一一。细细菌菌中中的的脂脂肪
93、肪酸酸、嘌嘌呤呤和和嘧嘧啶啶等等的的运运输输可可能能也也是是通过基团转位机制进行的。通过基团转位机制进行的。 生物膜系统图图3.23 3.23 细菌糖细菌糖- -磷酸转位系统图解磷酸转位系统图解（E、E糖底物专一性在右上角注明）糖底物专一性在右上角注明）PEPPEP生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.4.2大分子的跨膜运输大分子的跨膜运输 生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖等大分子，在细胞内，不同的细胞器、房室之间也有多糖等大分子，在细胞内，不同的细胞器、房室之间也有大分子的跨膜转位。几乎所有的蛋白质都是在胞液中的核大分子的跨膜转位。
94、几乎所有的蛋白质都是在胞液中的核糖体上合成的。新生多肽链的氨基酸序列中不仅包含指导糖体上合成的。新生多肽链的氨基酸序列中不仅包含指导它折叠的立体化学密码，还包含指导其分拣、加工、包装、它折叠的立体化学密码，还包含指导其分拣、加工、包装、靶向和定位的信息。依靠这些信息和有关分子的协助，新靶向和定位的信息。依靠这些信息和有关分子的协助，新生多肽链才能正确地折叠、加工、运输、到位、在指定的生多肽链才能正确地折叠、加工、运输、到位、在指定的时空发挥应有的功能。这个过程涉及的蛋白质发生突变，时空发挥应有的功能。这个过程涉及的蛋白质发生突变，就会影响功能蛋白的分拣、加工、包装、靶向和定位，从就会影响功能蛋
95、白的分拣、加工、包装、靶向和定位，从而影响其生理功能，甚至造成严重后果。因此，阐明大分而影响其生理功能，甚至造成严重后果。因此，阐明大分子跨膜运输的机制具有重大的理论意义与应用前景，已成子跨膜运输的机制具有重大的理论意义与应用前景，已成为新的热门研究领域。蛋白质的跨膜运输有三种不同的基为新的热门研究领域。蛋白质的跨膜运输有三种不同的基本途径（图本途径（图3.243.24）：）：生物膜系统细细胞胞核核过过氧氧物物酶酶体体内内质质网网高高尔尔基基器器细细胞胞溶溶质质细细胞胞表表面面分分泌泌囊囊泡泡质质体体溶溶酶酶体体胞胞内内体体线线粒粒体体外排外排内吞内吞囊泡运输囊泡运输跨膜转位跨膜转位孔门运输孔
96、门运输图图3.24蛋白质运输路线示意图蛋白质运输路线示意图生物膜系统3.4.2.1新生肽链经由内质网膜转位新生肽链经由内质网膜转位 粗粗糙糙型型内内质质网网上上的的核核糖糖体体合合成成的的蛋蛋白白质质可可分分为为两两类类，一一类类与与ERER膜膜结结合合，留留在在内内质质网网或或经经内内质质网网系系统统投投送送成成为为质质膜膜和和其其它它细细胞胞器器的的膜膜蛋蛋白白；另另一一类类则则进进入入内内质质网网腔腔，经经一一系系列列加加工工、修修饰饰、包包装装、投投送送，进进入入溶溶酶酶体体、质质膜膜或或分分泌泌到到细细胞胞外外。二二者者均均经经相相同同的的转转运运机机制制跨跨越越内内质质网网膜膜。此
97、此类类蛋蛋白白质质的的新新生生肽肽链链N-N-端端有有引引导导其其跨跨越越内内质质网网膜膜的的信信号号肽肽（signal signal sequencesequence）。信信号号肽肽一一般般由由10104040个个氨氨基基酸酸组组成成，氨氨基基端端至至少少有有一一个个带带正正电电荷荷的的氨氨基基酸酸，中中部部为为10101515个个残残基基组组成成的的高高度度疏疏水水的的肽肽段段，如如果果其其中中某某个个疏疏水水残残基基被被亲亲水水残残基基取取代代，信信号号肽肽就就会会丧丧失失其其功功能能。信信号号肽肽C-C-端端有有可可被被信信号号肽肽酶识别的水解位点，此酶识别的水解位点，此 位点上游常有
98、一段疏水性较强的位点上游常有一段疏水性较强的5 5肽，肽，其其-1-1和和-3-3位位常常为为小小侧侧链链氨氨基基酸酸（如如AlaAla）（见见图图3.253.25）。有有的的蛋白质（如卵清蛋白）的信号肽位于肽链中部，但功能相同。蛋白质（如卵清蛋白）的信号肽位于肽链中部，但功能相同。生物膜系统生物膜系统人生长激素人生长激素MATGSRTSLLLAFGLLCLPWLQEGSAFPT人胰岛素原人胰岛素原MALWMR LLPLLALLALWGPDPAAAFVN牛血白蛋白原牛血白蛋白原MKWVTFISLLLFSSAYSRGF小鼠抗体小鼠抗体H链链MKVLSLLYLLTAIPHIMSDVQ水溶菌酶水溶菌
99、酶MK SLLILVLCFLP KLAALGKVF蜂毒蛋白蜂毒蛋白MKFLVNVALVFMVVYISYIYAAPE果蝇胶蛋白果蝇胶蛋白MKLLVVAVIACMLIGFADPASGCKD玉米蛋白玉米蛋白19MAAKIFCLIMLLGLSASAATASIF图图3.25一些真核细胞新生肽链一些真核细胞新生肽链N-端的信号肽氨基酸序列端的信号肽氨基酸序列（碱性氨基酸残基用斜体表示，中部疏水片段的疏水氨基酸残基用底纹表示碱性氨基酸残基用斜体表示，中部疏水片段的疏水氨基酸残基用底纹表示）切点生物膜系统（1 1）新生多肽链转位进入内质网腔的步骤：）新生多肽链转位进入内质网腔的步骤： N- N-端的信号肽与胞
100、液中信号肽识别颗粒（端的信号肽与胞液中信号肽识别颗粒（signal signal recognition particle, SRPrecognition particle, SRP）结合。）结合。SRPSRP分子量约分子量约325 325 kDakDa，由，由7 S RNA7 S RNA（300nt300nt）与）与6 6种不同的多肽组成。种不同的多肽组成。SRPSRP的一端识别并结合信号肽，另一端则与核糖体结合并暂时的一端识别并结合信号肽，另一端则与核糖体结合并暂时中断肽链合成。中断肽链合成。 SRP- SRP-核糖体复合体移动到内质网膜外表面，并与核糖体复合体移动到内质网膜外表面，并与那
101、里的那里的SRPSRP受体或称停泊蛋白（受体或称停泊蛋白（docking proteindocking protein）相结合。）相结合。SRPSRP受体是内质网膜整合蛋白，由受体是内质网膜整合蛋白，由亚单位（亚单位（69 kDa69 kDa）和）和亚单位（亚单位（30 kDa30 kDa）组成，它一旦与）组成，它一旦与SRP-SRP-核糖体复合体结核糖体复合体结合，即可释放合，即可释放SRPSRP并恢复肽链合成。并恢复肽链合成。SRPSRP和和SRPSRP受体中各有受体中各有一条肽链含有一条肽链含有GTPGTP结合域，通过结合域，通过GTPGTP的结合与水解引发的构的结合与水解引发的构象变化
102、，完成象变化，完成SRPSRP与其受体的结合与其受体的结合- -解离循环。解离循环。生物膜系统 SRP SRP受体近旁有核糖体受体和蛋白转移器。受体近旁有核糖体受体和蛋白转移器。蛋白转移器由两个膜整合蛋白蛋白转移器由两个膜整合蛋白ribophorinribophorin和和组成，构成一个跨膜通道。当组成，构成一个跨膜通道。当SRP-SRP-核糖体复合体核糖体复合体与与SRPSRP受体结合时，核糖体即可与其受体蛋白结受体结合时，核糖体即可与其受体蛋白结合，同时新生肽链弯曲插入转移器通道。随着肽合，同时新生肽链弯曲插入转移器通道。随着肽链合成的进行，肽链逐渐进入内质网腔，直到羧链合成的进行，肽链逐
103、渐进入内质网腔，直到羧基端通过，再由内质网膜内表面上的信号肽酶将基端通过，再由内质网膜内表面上的信号肽酶将信号肽切除。切下的片段在内质网腔内进一步降信号肽切除。切下的片段在内质网腔内进一步降解为氨基酸。上述过程总结于图解为氨基酸。上述过程总结于图3.263.26。生物膜系统生物膜系统（2 2）转转移移的的多多肽肽链链整整合合到到内内质质网网膜膜的的机机制制。单单跨跨膜膜蛋蛋白白可可通通过过伴伴翻翻译译插插入入与与内内质质网网膜膜整整合合。这这类类蛋蛋白白新新生生肽肽链链N-N-端端有有信信号号肽肽，又又有有停停止止转转移移肽肽（stop-transfer stop-transfer pepti
104、depeptide）或或停停止止转转移移信信号号（stop- stop- transfer transfer signalsignal），它它也也是是肽肽链链中中的的疏疏水水片片段段。信信号号肽肽是是其其开开始始转转移移的的信信号号，随随着着肽肽链链延延伸伸，停停止止转转移移肽肽进进入入转转移移器器并并与与其其结结合合，转转移移器器随随即即钝钝化化停停止止转转位位过过程程。肽肽链链合合成成完完成成之之后后停停止止转转移移肽肽就就成成了了跨跨膜膜片片段段，C-C-端端在在胞胞液液一一侧侧，N-N-端端在在膜膜内内侧侧。如如果果信信号号肽肽在在肽肽链链内内部部则则称称为为内内部部开开始始转转移移肽
105、肽（internal internal start-transfer start-transfer pertidepertide），它它同同样样可可被被SRPSRP识识别别并并引引导导核核糖糖体体与与内内质质网网膜膜结结合合，然然后后启启动动肽肽链链跨跨膜膜转转位位。当当内内部部开开始始转转移移肽肽到到达达转转移移器器时时，即即保保留留在在脂脂双双层层中中形形成成单单一一的的跨跨膜膜-螺螺旋旋。如如果果内内部部开开始始转转移移肽肽疏疏水水核核心心之之前前比比其其后后（羧羧基基端端）有有更更多多的的带带正正电电荷荷的的氨氨基基酸酸，则则按按羧羧基基端端朝朝向向内内质质网网腔腔插插入入，氨氨基基端
106、端留留在在胞胞液液面面（图图3.27A3.27A）。如如果果内内部部开开始始转转移移肽肽疏疏水水核核心心之之后后比比其其前前（氨氨基基端端）有有更更多多的的带带正正电电荷荷的的氨氨基基酸酸，则则以以氨氨基基端端朝朝向向内内质质网网腔腔插插入入，把把羧羧基基端端留留在在胞胞液液面面（图图3.27B3.27B）。生物膜系统生物膜系统图图3.27 3.27 具有内具有内部开始转移肽的部开始转移肽的膜蛋白与内质网膜蛋白与内质网膜的整合膜的整合生物膜系统3.4.2.2蛋白质跨膜转位进入线粒体和叶绿体蛋白质跨膜转位进入线粒体和叶绿体线线粒粒体体含含有有数数百百种种蛋蛋白白质质，只只有有极极少少数数由由线线
107、粒粒体体DNADNA编编码码，在在线线粒粒体体内内合合成成并并从从衬衬质质一一侧侧嵌嵌入入内内膜膜。大大多多数数线线粒粒体体蛋蛋白白是是由由核核基基因因编编码码的的，由由细细胞胞质质中中游游离离的的核核糖糖体体以以前前体体的的形形式式合合成成，再再运运送送至至线线粒粒体体。完完成成运运输输需需要要前前体体蛋蛋白白带带有有运运输输信信号号的的特特殊殊肽肽段段，膜膜上上专专一一的的转转位位复复合物以及细胞溶胶和线粒内的分子伴侣之间的协同配合。合物以及细胞溶胶和线粒内的分子伴侣之间的协同配合。（1 1）线粒体前体蛋白的导肽：）线粒体前体蛋白的导肽： 通通过过线线粒粒体体被被膜膜的的蛋蛋白白质质前前体
108、体N-N-端端有有20208080个个氨氨基基酸酸组组成成的的导导肽肽（leader leader sequencesequence或或tragetting tragetting sequence)sequence)。导导肽肽的的作作用用与与信信号号肽肽相相同同，但但它它富富含含带带正正电电荷荷的的氨氨基基酸酸和和亲亲水水的的丝丝氨氨酸酸、苏苏氨氨酸酸，不不含含或或几几乎乎不不含含有带负电荷的氨基酸（图有带负电荷的氨基酸（图3.283.28）。）。生物膜系统生物膜系统MLFNLKILLNNAAFRNGHNFMVRNFRCG-QPLQNKMLS SLRQS SIRFFKPAT TRT TLCSS
109、RYLLQQ人人鸟鸟氨氨酸酸转转氨氨甲甲酰酰酶酶（衬质中）（衬质中）酵酵母母细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶亚基亚基（内膜中）（内膜中）酵母孔蛋白（外膜中）酵母孔蛋白（外膜中）MS SPPYVS SDIS SRNINDLLNKDFYHAT TPAAF-DVQTTTTTTANGIKFS SLKAKQPVK酵母细胞色素酵母细胞色素C1（膜间隙中）（膜间隙中）MFS SNLS SKRWAQRT TLS SKS SFYST TAT TGAAS SKS S-GKLT TQKLVT TAGVAAAGIT TASTSTLLYADS S-LT TAEAMT TA图3.28 几个线粒体前体蛋白几个线粒体前体蛋白N-
110、端的导肽氨基酸序列端的导肽氨基酸序列碱碱性性氨氨基基酸酸残残基基用用斜斜体体表表示示，丝丝氨氨酸酸和和苏苏氨氨酸酸残残基基用用黑黑体体字字表表示示，箭箭头头表表示切点示切点生物膜系统（2 2）线粒体膜上的转位复合物：）线粒体膜上的转位复合物： 线线粒粒体体两两层层膜膜拥拥有有各各自自的的前前体体蛋蛋白白转转位位复复合合物物，分分别别为为外外膜膜转转位位复复合合物物（TOMTOM）和和内内膜膜转转位位复复合合物物（TIMTIM）。尽尽管管有有关关TOMTOM和和TIMTIM复复合合物物的的研研究究主主要要是是用用酵酵母母和和脉脉孢孢菌菌完完成成的的，现现已已证证实实其其结结果果同同样样适适用用于
111、于哺哺乳乳动动物物。TOMTOM复复合合物物至至少少有有8 8种种组组分分；TIMTIM复复合合物物至至少少涉涉及及5 5种种组组分分。这这些些组组分分有有的的具具有有识识别别导导肽肽的的受受体体功功能能，有有的的构构成成允允许许前前体体蛋蛋白白通通过过或或嵌嵌入入的的跨跨膜膜通通道道或或通通用用内内嵌嵌孔孔隙隙（general general insertion insertion pore, pore, GIPGIP），有有的的则则是是定定向向运运输输驱驱动动系系统统的的组组成成部部分分以以及及分分子子伴伴侣侣。表表3.63.6和和3.73.7列列举举了了酵酵母母线线粒粒体体TOMTOM和
112、和TIMTIM复复合合物物已已知知的的组组分分、功功能和对生存的必要性。能和对生存的必要性。生物膜系统生物膜系统表表3.6酵母线粒体外膜转位复合物的组分酵母线粒体外膜转位复合物的组分组分组分其它名称其它名称已知的功能已知的功能对生存的对生存的必必要要性性Tom20MOM19,Mas20p表面受体表面受体aTom22MOM22,Mas22p表面受体，可能是通道的组分表面受体，可能是通道的组分+Tom70MOM72,Mas70p表面受体表面受体Tom71Tom72表面受体表面受体Tom37Mas37pTom70的辅助蛋白，的辅助蛋白，Tom40MOM38,Isp42GIP组分组分+Tom6ISP6
113、p,Mos8b可能是通道的组分，与可能是通道的组分，与Tom40与前体蛋白与前体蛋白相互作用相互作用Tom7MOM7GIP组分？组分？Tom5MOM8aGIP组分？组分？a.不能在非发酵碳源上生长不能在非发酵碳源上生长生物膜系统生物膜系统表表3.7酵母线粒体内膜转位复合物的组分酵母线粒体内膜转位复合物的组分组分组分其它名称其它名称已知的功能已知的功能对生存的对生存的必必要要性性Tim23Mas6p,MIM23输入通道的组分，依赖输入通道的组分，依赖的导肽结合调节通道的导肽结合调节通道+Tim17MIM17,Sms1输入通道的组分输入通道的组分+Tim44Mpi1p,Isp45与与输输入入通通道
114、道结结合合，以以依依赖赖ATP的的方方式式与与mtHsp70结结合；定向运输驱动系统的组分合；定向运输驱动系统的组分+mtHsp70Ssc1pDnaK型型分分子子伴伴侣侣；促促进进衬衬质质中中蛋蛋白白质质的的输输入入、折折叠叠、组装和降解；与组装和降解；与Tim44相互作用相互作用+MGE1Mge1p, m GropE,Yge1p辅辅分分子子伴伴侣侣，在在大大多多数数情情况况下下与与mtHsp70合合作作；衬衬质中的核苷酸交换因子质中的核苷酸交换因子+生物膜系统生物膜系统(3)分子伴侣分子伴侣： 细细胞胞溶溶胶胶和和线线粒粒体体衬衬质质中中的的分分子子伴伴侣侣在在蛋蛋白白质质前前体体运运输输中
115、中发发挥挥多多方方面面的的作作用用。首首先先，这这些些前前体体从从核核糖糖体体上上合合成成完完毕毕后后，必必须须与与胞胞液液中中的的Hsp70Hsp70结结合合，防防止止其其错错误误折折叠叠或或被被降降解解，使使之之保保持持伸伸展展状状态态以以便便能能通通过过线线粒粒体体膜膜上上的的孔孔道道。其其次次，当当导导肽肽经经由由通通道道进进入入衬衬质质时时，mt mt Hsp70Hsp70可可识识别别并并与与之之结结合合，通通过过水水解解ATPATP提提供供驱驱动动力力使使前前体体蛋蛋白白不不断断地地跨跨膜膜进进入入线线粒粒体体衬衬质质。最最后后，完完全全进进入入衬衬质质之之后后，前前体体蛋蛋白白还
116、还要要在在mt mt Hsp70Hsp70和和mt mt Hsp60Hsp60等分子伴侣的帮助下切除导肽、正确地折叠和组装。等分子伴侣的帮助下切除导肽、正确地折叠和组装。 线线粒粒体体前前体体蛋蛋白白的的输输入入是是个个需需要要多多种种蛋蛋白白质质参参与与的的、多多步步骤骤耗耗能能的的复复杂杂过过程程。图图3.293.29简简要要地地概概括括了蛋白质输进线粒体衬质（基质）的过程。了蛋白质输进线粒体衬质（基质）的过程。生物膜系统图3.29 蛋白质进入线粒体衬质示意图图示在细胞质中合成的带有N-端导肽的前体蛋白进入线粒体的主要过程与步骤：与细胞溶胶中的分子伴侣Hsp70结合，使前体蛋白保持伸展状态
117、；前体蛋白-Hsp70与外膜转位复合物中的受体组分结合；前体蛋白横跨内外膜转位复合物形成的通道，该过程需要跨膜电位；前体蛋白与mt Hsp结合，利用ATP水解提供的能量驱动前体蛋白继续输入，并防止其聚集或进行错误折叠；与mt Hsp70解离，再与mt Hsp60结合，在水解ATP的情况下折叠、组装至最终成为成熟构型；切除导肽，成熟的蛋白质保留在衬质中。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统叶绿体蛋白质前体的跨膜转位生物膜系统3.4.2.3核质运输（核质运输（nucleocytoplasmictransport） 细细胞胞核核是是真真核核细细胞胞最最大大的的细细胞胞器器，DNADNA的的复复制
118、制、基基因因转转录录、RNARNA的的转转录录后后加加工工等等重重要要反反应应均均发发生生在在核核内内，因因此此是是细细胞胞生生命命活活动动的的控控制制中中心心。细细胞胞核核各各种种结结构构蛋蛋白白、染染色色质质蛋蛋白白、核核酸酸生生物物合合成成涉涉及及的的各各种种酶酶和和蛋蛋白白质质因因子子、基基因因表表达达调调控控所所需需的的转转录录因因子子辅辅活活化化子子、辅辅阻阻遏遏子子等等，都都是是在在细细胞胞质质合合成成的的，必必须须运运输输入入核核。另另一一方方面面，在在核核内内合合成成和和组组装装的的核核糖糖体体亚亚基基、mRNAmRNA与与蛋蛋白白质质组组装装成成的的信信息息体体（infor
119、mosomeinformosome）等等要要输输出出到到细细胞胞质质发发挥挥作作用用。还还有有许许多多蛋蛋白白质质，如如一一些些分分子子伴伴侣侣、载载体体、受受体体和和转转录录因因子子等等，在在细细胞胞质质与与核核之之间间不不断断穿穿梭梭。因因此此，核核质质运运输输以以很很高高的的水水平平运运行行，据据保保守守的的估估计计，在在一一个个生生长长着着的的哺哺乳乳动动物物细细胞胞中中，每分钟经核质运输的大分子超过每分钟经核质运输的大分子超过10106 6个。个。生物膜系统生物膜系统（1）核输入：核输入： 输输入入细细胞胞核核的的蛋蛋白白质质内内有有一一段段特特殊殊的的氨氨基基酸酸序序列列作作为为输
120、输入入信信号号，称称为为核核定定位位信信号号（nuclear nuclear localization localization signal, signal, NLSNLS）。例例如如，病病毒毒SV40SV40的的TAgTAg蛋蛋白白126126P PKKKRKKKKRKV V132132是是其其NLSNLS的的最最小小单单位位；核核糖糖体体L29L29和和多多瘤瘤病病毒毒TAgTAg蛋蛋白白的的NLSNLS由由分分开开的的两两段段富富含含碱碱性性氨氨基基酸酸的的片片段段组组成成，它它们们分分别别是是K KH HRKRKHPGHPGK KTRTRK KH HR RG G和和VSVSRKRRK
121、RP PR RPAPPAPKKKKA AR REDED。芳芳烃烃受受体体核核转转位位子子的的NLSNLS除除两两段段分分开开的的碱碱性性序序列列外外，还还需需要要二二者者之之间间的的一一段段酸酸性性序序列列。迄迄今今已已知知的的NLSNLS都都是是短短序序列列，一一般般不不超超过过8 81010个个残残基基；碱碱性性氨氨基基酸酸（K K和和R R）比比例例高高；在在多多肽肽链链中中没没有有特特定定的的位位点点，常常在在分分子子表表面面；在在同同一一蛋蛋白白中中可可多多次出现，而且表现出一定的加合效应。次出现，而且表现出一定的加合效应。生物膜系统（2）核输出核输出： 与核输入形成对照，输出的多为
122、巨大的核蛋白颗粒与核输入形成对照，输出的多为巨大的核蛋白颗粒（RNPRNP），如摇蚊幼虫唾液腺编码的），如摇蚊幼虫唾液腺编码的mRNAmRNA（353540kb40kb）与）与500500多个蛋白结合，形成多个蛋白结合，形成50nm50nm的颗粒，转位时打开成为直的颗粒，转位时打开成为直径约径约25nm25nm的颗粒，可能是的颗粒，可能是NPCNPC最大输出尺寸。对蛋白质等最大输出尺寸。对蛋白质等大分子上核输出信号大分子上核输出信号(nuclear export signal, NES)(nuclear export signal, NES)所知所知有限，如有限，如Usn RNAUsn RNA
123、上单甲基鸟苷帽子可能是已知的最简单上单甲基鸟苷帽子可能是已知的最简单的的NESNES。马感染性贫血病病毒（。马感染性贫血病病毒（EIAVEIAV）RevRev蛋白的蛋白的NESNES为为GPLESGQWCRVLRQSLPEGPLESGQWCRVLRQSLPE。这些。这些NESNES常常是接应蛋白的结合部常常是接应蛋白的结合部位。已鉴定的输出素（位。已鉴定的输出素（exportinexportin）为）为CRM1CRM1CAS, CRM1CAS, CRM1与与NPCNPC的的CANCANNup 214Nup 214相结合；相结合；CASCAS以一种依赖以一种依赖RanGTPRanGTP的方的方式
124、与输入素式与输入素结合。核输入和核输出可能的过程见图结合。核输入和核输出可能的过程见图3.303.30。生物膜系统生物膜系统 核孔复合物结构侧视图生物膜系统生物膜系统核孔复合物结构俯视图生物膜系统生物膜系统 核孔蛋白在核孔两侧多数呈对称分布，少数呈不对称分布。生物膜系统生物膜系统图图3.30 3.30 核质运输示意图核质运输示意图RanGTP在核内促进输出复合物的组装和输入复合物的解离。输出货物的释放和使输入素恢复活性构象都需要Ran结合的GTP水解，细胞溶质中的Ran BP1和NPC结合的Ran BP2以及Ran GAP1可活化Ran的GTPase活性，促进GTP水解。生物膜系统 - Imp
125、ortin生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统3.4.2.4泡囊运输（泡囊运输（vesicletraffic）蛋蛋白白质质等等生生物物大大分分子子通通过过质质膜膜进进出出细细胞胞（内内吞吞外外排排），以以及及经经由由内内质质网网-Golgi-Golgi器器运运输输到到质质膜膜和和其其它它内内膜膜系系统统，均均需需依依赖赖有有被被泡泡囊囊运运输输（coated coated vesicle vesicle traffictraffic）系系统统（见见图图3.243.24）。泡泡囊囊运运输输过过程程可可划划分分成成三三个个阶阶段段： 货货物物在在供供体体膜膜上上聚
126、聚集集，膜膜发发生生凹凹陷陷，出出芽芽，形形成成有有被被小小泡泡； 运运输输小小泡泡在在细细胞胞内内定定向向转转移移（靶靶向向）；小小泡泡停停靠靠在在受受体体膜膜（靶靶膜膜）上上，拆拆卸卸外外被被，小小泡泡膜膜与与靶靶膜膜融融合合，释释放放出出内内涵涵物物，完完成成货货物物运运送送。泡泡囊囊在在介介导导蛋蛋白白质质运运输输时时保保持持了了膜膜的的不不对对称称性性，出出芽芽时时小小泡泡的的胞胞液液面面就就是是供供体体膜膜的的胞胞液液面面，与与受受体体膜膜融融合合时时小小泡泡的的胞胞液液面面又成了受体膜的胞液面。又成了受体膜的胞液面。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统 生物膜系统图图3.31
127、 Golgi 3.31 Golgi 器结构模式图器结构模式图生物膜系统生物膜系统泡囊运输蛋白在膜房室之间的移动生物膜系统溶酶体蛋白的泡囊运输生物膜系统图图3.32 Golgi 器结构模式图生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统 接接合合蛋蛋白白或或适适配配素素（adaptinadaptin）：接接合合蛋蛋白白复复合合物物（AP2AP2和和AP1AP1）的的功功能能是是促促进进网网格格蛋蛋白白三三叉叉辐辐射射体体组组装装成成网网格格状状笼笼子子。AP2AP2由由adaptin-adaptin-（100kDa100kDa）、adaptin-adaptin-22（100 100 kDak
128、Da）、22（50 50 kDakDa）和和22（17kDa17kDa）组组成成；APAP1 1则则由由adaptin-adaptin-和和11（100100115kDa115kDa）以以及及11（47 47 kDakDa）和和11（19 19 kDakDa）组组成成，分分别别参参与与内内吞吞小小泡泡和和trans-Golgitrans-Golgi网网到到溶溶酶酶体体的的运运输输小小泡泡外外被被的的组装（图组装（图3.323.32）。）。生物膜系统 COP COP包被蛋白：有两种非网格蛋白型的包被蛋白包被蛋白：有两种非网格蛋白型的包被蛋白被分别命名为被分别命名为COPCOP和和COPCOP。C
129、OPCOP由由（160kDa160kDa）、）、（）（）（110kDa110kDa）、）、（97kDa97kDa）和）和（61kDa61kDa）亚）亚基组成，在外被组装之前，基组成，在外被组装之前，COPCOP的这些亚基（的这些亚基（、）与另外）与另外3 3种小蛋白（种小蛋白（p36p36、p35p35和和p20p20）先）先组装成组装成14S14S的的coatomercoatomer，然后再组装成，然后再组装成GolgiGolgi器内外区间器内外区间运输小泡的外被。运输小泡的外被。CopCop由由Sec 23pSec 23p、Sec 24pSec 24p、Sec Sec 13p13p和和p1
130、50p150组成，参与组成，参与ERER到到GolgiGolgi体的运输小泡外被的组体的运输小泡外被的组装。装。 lace-likelace-like包包被被蛋蛋白白：可可能能是是trans-Golgitrans-Golgi网到质膜运输小泡外被的主要组分。网到质膜运输小泡外被的主要组分。生物膜系统生物膜系统ER蛋白的回收生物膜系统（2 2）小小分分子子G G蛋蛋白白：是是控控制制泡泡囊囊运运输输的的多多功功能能分分子子开开关。关。 Sar1 Sar1：调节：调节ERER膜小泡出芽。膜小泡出芽。 ArfArf：至至少少已已发发现现6 6个个成成员员，控控制制COPCOP外外被被的组装。的组装。
131、RabRabYPTYPT：仅仅在在哺哺乳乳动动物物中中鉴鉴定定出出的的成成员员已已超超过过3030个个，具具有有多多种种功功能能。如如Rab1Rab1YPT1YPT1Rab2Rab2涉涉及及ERER和和GolgiGolgi器器运运输输；Rab3Rab3调调节节分分泌泌途途径径；Rab4Rab4、5 5、6 6、7 7对内吞途径进行调控。对内吞途径进行调控。 Dynamin Dynamin家族：涉及囊泡的形成。家族：涉及囊泡的形成。 Rac/CDC42Rac/CDC42和和RhoRho家家族族：参参与与细细胞胞骨骨架架组组装装的调控，间接调节泡囊形成。的调控，间接调节泡囊形成。生物膜系统生物膜系
132、统（3）有关的其它蛋白：有关的其它蛋白：如如N-ethylmaleimide N-ethylmaleimide sensitive sensitive factorfactor（NSFNSF）、soluble soluble NSF NSF attachment attachment proteinsproteins（SNAPsSNAPs）、target target membrane membrane SNAPs SNAPs receptorsreceptors（t-SNAREst-SNAREs）、vesicle vesicle SNAPs SNAPs receptorsreceptors（
133、 v-SNAREsv-SNAREs） 、 ADP-ribosylation ADP-ribosylation factorfactor（ARFARF）、GTPGTPGDP GDP exchange exchange proteinsproteins（GEFsGEFs）、GDP GDP dissociation dissociation inhibitorsinhibitors（GDIsGDIs）、GTPase GTPase activation activation proteinsproteins（GAPsGAPs）和）和Hsc70Hsc70等。等。以以 受受 体体 介介 导导 的的 内内
134、吞吞 （ receptor-mediated receptor-mediated endocytosisendocytosis）为例，说明泡囊运输的步骤（图）为例，说明泡囊运输的步骤（图3.333.33）。生物膜系统生物膜系统图图3.33 3.33 网格蛋白包被的小泡特环驱动受体介导的内吞网格蛋白包被的小泡特环驱动受体介导的内吞生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统 接接合合蛋蛋白白复复合合物物AP2AP2被被募募集集到到质质膜膜内内侧侧，停停靠靠在在synptotagminsynptotagmin上；上； AP2AP2在在质质膜膜内内侧侧自自动动群群集集，并并募募集集网网格格蛋蛋白白三叉辐
135、射体组装成网格状结构；三叉辐射体组装成网格状结构； dynamindynamin被被募募集集到到AP2-AP2-网网格格蛋蛋白白网网格格上上，弯弯曲，形成有被小窝；曲，形成有被小窝； 受受体体自自动动聚聚集集到到有有被被小小窝窝（有有的的受受体体在在结结合合配体时才聚集到有被小窝）；配体时才聚集到有被小窝）； 配配体体与与受受体体结结合合，触触发发有有被被小小窝窝内内陷陷（开开始始出出芽芽），通通过过一一个个狭狭口口粘粘在在质质膜膜内内侧侧，dynamindynamin在在缺缺口口上上重新分配；重新分配；生物膜系统生物膜系统 膜膜的的外外叶叶开开始始融融合合，小小泡泡出出芽芽，这这个个过过程程
136、需需水水解解ATPATP和和GTPGTP； 释释放放网网格格蛋蛋白白，Hsc70Hsc70和和auxilinauxilin介介导导外外被被的拆卸，这个过程也要水解的拆卸，这个过程也要水解ATPATP； 释释放放AP2AP2，失失去去外外被被的的内内吞吞小小泡泡与与胞胞内内体体融融合合，释释放放出出所所结结合合的的配配体体。内内吞吞小小泡泡与与初初级级溶溶酶酶体体融融合合形形成成次次级级溶溶酶酶体体，其其中中的的水水解解酶酶可可将将配配体体降降解解。含含有有受受体体的的小小泡泡可可与与质质膜膜融融合合，使使受受体体循循环环使使用用，或或将受体溶酶体降解。将受体溶酶体降解。生物膜系统生物膜系统3.
137、5生物膜在能量转换中的功能 生生活活细细胞胞为为了了维维持持自自身身结结构构的的完完整整性性并并推推动动各各种种生生命命活活动动正正常常进进行行，必必须须利利用用能能量量作作功功。生生物物体体系系是是一一个个开开放放体体系系，其其特特点点就就是是与与周周围围环环境境不不断断进进行行物物质质交交换换和和能能量量交交换换。光光合合生生物物吸吸收收光光能能再再将将它它转转变变成成化化学学能能，并并把把这这些些化化学学能能贮贮藏藏在在能能源源化化合合物物中中。异异养养生生物物通通过过代代谢谢把把能能源源化化合合物物中中的的能能量量释释放放出出来来加加以以利利用用，将将其其转转换换成成机机械械功功或或供
138、供给给生生物物合合成成等等需需能能反反应应。线线粒粒体体内内膜膜、叶叶绿绿体体类类囊囊体体膜膜和和细细菌菌的的质质膜膜正正是是上上述述能能量量转转换换的的主主要要场场所所，从从而而成成为为研研究究生生物物能能量量代代谢谢的的中中心心。ATPATP是是细细胞胞进进行行各各种种生生命命活活动动最最主主要要的的直直接接能能源源，被被视视为为生生物物体体内内的的能能量量通通货货。因因此此，阐阐明明ATPATP合合成成的的分分子子机机制制是是生生物物能能学学最最关关键键的的课课题题。下下面面介介绍有关绍有关ATPATP合酶作用机制的进展。合酶作用机制的进展。生物膜系统生物膜系统3.5.1ATPATP合酶
139、合酶ATPATP合合酶酶广广泛泛存存在在于于线线粒粒体体、叶叶绿绿体体、原原核核藻藻、异异养养菌菌和和光光合合细细菌菌中中，是是生生物物体体能能量量代代谢谢的的关关键键酶酶，在在跨跨膜膜质质子子电电化化学学势势的的推推动动下下催催化化ATPATP的的合合成成，因因而而又又称称H H+ +-ATPase-ATPase。不不同同来来源源的的ATPATP合合酶酶具具有有大大体体相相同同的的亚亚基基组组成成和和结结构构，例例如如都都是是由由突突出出于于膜膜外外的的F F1 1和和嵌嵌入入膜膜内内的的F FO O两两部部分分组组成成；F F1 1部部分分由由、和和55种种亚亚基基组组成成，有有6 6个个
140、核核苷苷酸酸结结合合位位点点，其其中中3 3个个为为催催化化位位点点，催催化化ATPATP的的水水解解或或合合成成；F FO O是是一一个个疏疏水水蛋蛋白白复复合合体体，形形成成跨跨膜膜的的H H+ +通通道道。不不同同来来源源的的F F1 1尤其是尤其是F FO O组成有所不同（表组成有所不同（表3.83.8）。）。生物膜系统表表3.8不同来源不同来源ATP合酶的亚基组成合酶的亚基组成来源来源F1FOE.coli33ab2c1012叶绿体叶绿体3312线粒体线粒体33oscp亚基亚基6、亚基、亚基4、亚基、亚基9、亚基、亚基8、IF1因子因子B、F6、亚基、亚基d、p9、p15生物膜系统生物
141、膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统图图3.34F1-F0ATPase的结构与催化机制示意图的结构与催化机制示意图生物膜系统生物膜系统 E.coliE.coli F FO O由由a a、b b、c c三三种种亚亚基基组组成成。a a亚亚基基至至少少含含有有5 5个个跨跨膜膜螺螺旋旋，其其中中第第四四个个-螺螺旋旋上上的的Arg Arg 210210是是H H+ +转转移移所所必必需需的的。b b亚亚基基只只有有一一个个跨跨膜膜区区，b b2 2有有一一个个很很长长的的亲亲水水头头部部，卷卷曲曲成成螺螺旋旋状状态态延延伸伸进进入入F F1 1部部分分并并与与亚亚基基接接触触。
142、c c亚亚基基由由两两个个跨跨膜膜的的-螺螺旋旋和和一一个个突突出出的的细细胞胞质质侧侧膜膜外外小小环环组组成成一一个个发发夹夹结结构构。电电镜镜观观察察显显示示，10101212个个c c亚亚基基在在膜膜内内形形成成一一个个环环状状结结构构。c c亚亚基基第第二二个个跨跨膜膜螺螺旋旋上上的的Asp Asp 6161是是F FO O的的H H+ +结结合合位位点点，通通过过质质子子化化去去质质子子化化循循环环转运转运H H+ +。生物膜系统生物膜系统3.5.2 3.5.2 氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制 19611961年年，MitchellMitchell提提出出化化学学渗渗透透假假说
143、说，认认为为能能源源物物质质氧氧化化时时高高能能电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递激激活活O O2 2，生生成成了了H H2 2O O，同同时时推推动动H H+ +从从线线粒粒体体内内膜膜内内侧侧转转移移到到外外侧侧，建建立立跨跨膜膜的的H H+ +电电化化学学梯梯度度，再再由由这这种种跨跨膜膜的的H H+ +电电化化学学势势驱驱动动F F1 1-F-F0 0 ATPaseATPase合合成成ATPATP。化化学学渗渗透透假假说说得得到到许许多多实实验验证证据据的的支支持持，较较好好地地解解决决了了呼呼吸吸链链（和和光光合合链链）电电子子传传递递怎怎样样偶偶联联ATPATP合合成成的的问问题题。
144、但但是是化化学学渗渗透透假假说说为为泛泛醌醌在在电电子子传传递递中中作作用用提提出出的的Q Q循循环环还还有有待待进进一一步步证证明明；化化学学渗渗透透假假说说的的基基础础是是膜膜的的完完整整性性，而而类类囊囊体体膜膜并并未未形形成成闭闭合合的的基基粒粒；据据测测定定，线线粒粒体体内内膜膜两两侧侧0.14V0.14V，pH1.4pH1.4，这这样样的的电电化化学学势势大大约约可可合合成成1 1分子分子ATPATP，而实际上每生成，而实际上每生成1 1分子分子H H2 2O O合成合成3 3分子分子ATPATP。生物膜系统生物膜系统3.5.3ATPATP合成的分子机制合成的分子机制3.5.3.1
145、 3.5.3.1 结结合合变变化化机机制制（binding binding change change mechanism, mechanism, BCMBCM） 19771977年年，BoyerBoyer，P.D.P.D.基基于于当当时时的的实实验验观观察察提提出出结结合合变变化化机机制制，预预言言H H+ +的的跨跨膜膜转转运运启启动动并并驱驱动动ATPATP合合酶酶的的构构象象变变化化，导导致致催催化化部部位位对对底底物物（ADP+PADP+Pi i）的的亲亲和和力力改改变变以以促促进进ATPATP的的生生成成与与释释放放。BCMBCM首首先先认认为为ATPATP合合成成所所需需的的能能
146、量量原原则则上上用用于于促促进进酶酶上上紧紧密密结结合合的的ATPATP的的释释放放和和ADP+PADP+Pi i的的结结合合；其其次次，在在ATPATP形形成成过过程程中中，F F1 1-ATPase-ATPase上各催化部位高度协同地顺序起作用。上各催化部位高度协同地顺序起作用。生物膜系统图图3.35 ATP3.35 ATP合酶合酶的结合变化机制的的结合变化机制的发展发展（a）早早期期的的两两部部位位交交替替作作用用的的结结合合变变化化模模型型；（b）三三部部位位交交替替作作用用的的结结合合变变化化模模型型，O代代表表无无核核苷苷酸酸结结合合的的空空部部位位；T代代表表紧紧密密结结合合部部
147、位位；L代代表表松松散散结结合合部部位位；（c）三三部部位位交交替替作作用用的的结结合合变变化化模模型型，强强调调亚亚基基构构象象变变化化循循环环中中亚亚基基与与亚亚基基和和单单个个小小亚亚基基、之之间间的的作作用用；（d）发发展展了了的的BCM，强强调调F1上上一一个个亚亚基基经经历历三三种种构构象象状状态态与与H+跨跨膜膜转转运运和和核核苷苷酸结合之间的关系。酸结合之间的关系。生物膜系统3.5.3.2 3.5.3.2 旋转催化机制（旋转催化机制（rotation catalysis rotation catalysis mechanismmechanism） BCMBCM主主要要涉涉及及F
148、 F1 1上上三三个个催催化化部部位位在在ATPATP合合成成中中的的构构象象变变化化，并并未未解解决决这这个个复复杂杂的的多多酶酶复复合合体体中中单单个个小小亚亚基基的的作作用用。考考虑虑到到三三个个催催化化部部位位依依次次参参与与催催化化，BoyerBoyer提提出出了了旋旋转转催催化化机机制制。以以E.coliE.coli ATPATP合合酶酶为为例例，腔腔内内H H+ +在在跨跨膜膜H H+ +电电化化学学势势的的推推动动下下进进入入F F0 0，与与位位于于膜膜脂脂双双层层中中的的c c亚亚基基C-C-端端氨氨基基酸酸残残基基特特异异结结合合，导导致致c c亚亚基基构构象象发发生生改
149、改变变；通通过过F F0 0的的H H+ +转转化化成成扭扭力力矩矩推推动动位位于于F F0 0与与F F1 1之之间间的的“转转子子”和和亚亚基基旋旋转转：在在和和亚亚基基的的旋旋转转调调节节下下，F F1 1中中亚亚基基上上的的核核苷苷酸酸催催化化结结合合位位点点附附近近发发生生构构象象改改变变，与与ATPATP相相互互作作用用的的氢氢键键、疏疏水水作作用用、盐盐键键等等消消失失或或减减弱弱，使使ATPATP从从酶酶上上释释放到膜外。放到膜外。 旋旋转转催催化化机机制制得得到到越越来来越越多多的的实实验验证证据据的的支支持持，其中最重大的突破有以下三项工作：其中最重大的突破有以下三项工作：
150、生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统图图3.36 Cross3.36 Cross实验室为证明旋转实验室为证明旋转催化机制设计的实验示意图催化机制设计的实验示意图1 1制备制备D380 C-FD380 C-F1 1；2 2形成形成-间二硫键，间二硫键，获得获得D380 C/C87-FD380 C/C87-F1 1；3 3亚基解离；亚基解离；4 4与与放射性标记的放射性标记的亚基混合重组；亚基混合重组；5 5还原还原-间二硫键；间二硫键；6 6加入加入MgATPMgATP使酶催化；使酶催化；7 7再氧化再氧化使形成使形成-间二硫键；间二硫键；8 8解离，分析解离，分析-中中
151、的放射性。的放射性。生物膜系统 （2 2）JungeJunge实实验验室室制制备备了了亚亚基基C-C-端端被被专专一一性性荧荧光光染染料料曙曙红红-5-5-顺顺丁丁烯烯二二酰酰亚亚胺胺共共价价标标记记的的酶酶，将将其其固固定定在在Sephadex Sephadex DEAE-A50DEAE-A50上上，经经荧荧光光漂漂白白后后跟跟踪踪荧荧光光偏偏振振吸吸收收变变化化的的弛弛豫豫过过程程，以以检检测测标标记记的的亚亚基基相相对对于于固固定定的的（）3 3的的缓缓慢慢转转动动。当当把把底底物物ATPATP换换成成非非水水解解类类似似物物AMP-PNPAMP-PNP时时，这这种种弛弛豫豫现现象象消消
152、失失。亚亚基基旋旋转转的的弛弛豫豫时时间间约约100ms100ms，与与同同样样条条件件下下酶酶的的催催化化周周转转时间相近。时间相近。生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统生物膜系统Supplementary References1. Atlanta Cook, Fulvia Bono, Martin Jinek, and Elena Conti, Structural Biology of Nucleccytoplasmic Transport, Annu. Rev. Biochem.,2007,76: 64771 2. Walter Neupett and Johannes M. Herrmann,Translocation of Proteins into Mitochondria, Annu. Rev. Biochem. 2007,76:723493. Arnold J. M. Driessen and Nico Nouwen，Protein Translocation Across theBacterial Cytoplasmic Membrane，Annu.Rev.Biochem.2008,77：64367生物膜系统生物膜系统The End生物膜系统
