生物物理課1-2課件

生物物理學(xué)(第二部分)隋森芳（2003.11.7）什么是生物物理學(xué)？生物物理學(xué)的定義是生物物理學(xué)領(lǐng)域幾乎每一本教科書都難以回答的問題！

要從物理科學(xué)與生物科學(xué)之間的關(guān)系來認(rèn)識生物物理學(xué)！

生物物理學(xué)的基本思路是

相互作用(interactions)！

G蛋白偶聯(lián)受體對腺苷酸環(huán)化酶的激活途徑示意圖G蛋白介導(dǎo)的跨膜信號傳導(dǎo)Epinephrinebindstoaspecificreceptor.TheoccupiedreceptorcausesthereplacementoftheGDPboundtoGsbyGTP,activatingGs.GTPGDPGs(asubunit)movestoadenylatecyclaseandactivatesit.ATPcAMPAdenylatecyclasecatalyzestheformationof3’,5’-cyclicAMP.項目切入點(diǎn)生物物理學(xué)(二)的研究對象生物膜的主要功能它們是把細(xì)胞分割成一個個“小室”(compartment)的物理屏障。它們具有選擇通透性。它們是“小室”間傳遞化學(xué)信息和能量的介面。它們?yōu)榈鞍踪|(zhì)的合成、加工與修飾、分選與定位，提供了工作平臺和輸運(yùn)載體。1.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1902年，E.Overton發(fā)現(xiàn)分子的極性越大，進(jìn)入細(xì)胞的速度越小；增加分子的非極性基團(tuán)，分子進(jìn)入細(xì)胞的速度增加；基于脂溶性物質(zhì)容易透過質(zhì)膜，Overton提出質(zhì)膜是由一層薄的類脂所組成。------Vjschr.NaturforschGes.Zurich44(1899)88-98.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1917年，Langmuir發(fā)現(xiàn)脂肪酸放在水和空氣界面上形成單分子膜---Langmuirfilm.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1925年，E.GorterandF.Grendel

從紅細(xì)胞膜抽提出磷脂，用表面天平測出被抽提出的磷脂鋪成單層膜時所占有面積大約是紅細(xì)胞表面積的2倍。提出雙分子類脂層是細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)。------J.Exp.Med.41(1925)439-443.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1972年，S.J.SingerandG.Nicholson，提出液體鑲嵌模型（Thefluidmosaicmodel）：強(qiáng)調(diào)膜結(jié)構(gòu)的流動性強(qiáng)調(diào)膜組分的不對稱性膜蛋白以不同鑲嵌方式與膜結(jié)合------Science175(1972)720-731.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1977年，M.K.JainandH.B.White，提出板塊模型：在流動的類脂雙分子層中存在許多大小不同，剛度較大的彼此獨(dú)立移動的類脂板塊（有序結(jié)構(gòu)板塊）。因此，膜平面實際上是由組織結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)不同的許多板塊組成。膜功能的多樣性可能與板塊的性質(zhì)和變化有關(guān)。

------Adv.LipidRes.15(1977)1-60.對生物膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1997年，K.Simons，細(xì)胞膜中的功能化筏(Functionalraftsincellmanbrane):細(xì)胞的質(zhì)膜上存在一些特殊的疇結(jié)構(gòu)域微區(qū)。它們富含糖基鞘磷脂，膽固醇和鞘磷脂，4oC不溶于非離子型去污劑Triton－X100。這種特殊的微疇結(jié)構(gòu)域提供了一個可以側(cè)向移動的平臺（筏）。一些蛋白選擇性地富集于筏上，而另一些蛋白質(zhì)則排擠出筏。功能：膜的分選與運(yùn)輸；信號傳導(dǎo)等。------Simons&Ikonen,Nature387(1997)569-572caveolin2.生物膜的基本組成生物膜的基本組成(一)細(xì)胞質(zhì)膜細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)膜與細(xì)胞骨架生物膜的基本組成細(xì)胞質(zhì)膜

所有細(xì)胞的表面都包圍著一層膜，在動物細(xì)胞中，我們通常將其稱為質(zhì)膜(plasmamembrane)。而對于其它生物體，則根據(jù)其細(xì)胞種類分別稱為細(xì)胞質(zhì)膜(cytoplasmicmembrane)、表面膜(surfacemembrane)、原生質(zhì)膜(plasmalemma)等。這層質(zhì)膜構(gòu)成了細(xì)胞質(zhì)與外環(huán)境的反應(yīng)界面，是細(xì)胞對所有的胞外刺激產(chǎn)生最初反應(yīng)的地方。所有的營養(yǎng)物質(zhì)都要經(jīng)過它進(jìn)入細(xì)胞；所有排泄、分泌的分子也要通過它排出細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：線粒體

線粒體(mitochondria)是真核細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。線粒體具有高度特異化的兩層膜結(jié)構(gòu)，即外膜(outermembrane)和內(nèi)膜(innermembrane)，其直徑約1m。線粒體外膜含有大量的孔道蛋白(porin),它們穿越磷脂雙分子層形成大的水溶性的通道。這些通道對于分子量小于10kd的分子是自由通透的。線粒體內(nèi)膜以高度折疊的形式形成嵴(cristae)狀結(jié)構(gòu)，以增加總的內(nèi)表面積。線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)的含量很高，按重量計算，蛋白質(zhì)約占70％，脂類約占30％。

內(nèi)膜上的許多蛋白質(zhì)是與其能量轉(zhuǎn)換功能相關(guān)的，一組是呼吸鏈電子傳遞酶復(fù)合體，其功能是引導(dǎo)電子有序地從一個載體蛋白傳遞到另一個載體蛋白；另一組是ATP合成酶復(fù)合體，用于催化ATP的合成。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：溶酶體

溶酶體(lysosome)是細(xì)胞內(nèi)主要的消化系統(tǒng)，內(nèi)含大量的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成單體。溶酶體內(nèi)水解酶的最適pH值為5，這個低pH值微環(huán)境是由溶酶體膜上的質(zhì)子ATP酶維持的。待水解的生物大分子通過內(nèi)吞小泡(endocytic

compartent)進(jìn)入溶酶體。溶酶體酶在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，溶酶體在transGolgi面形成。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng):內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體(Golgiapparatus)的膜將細(xì)胞質(zhì)與其圍成的腔隔開。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughendoplasmicreticulum)可能直接與核膜相連,其細(xì)胞質(zhì)面附著著大量的核糖體，是膜蛋白合成的場所?；鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)(smoothendoplasmicreticulum)則是合成膜脂的場所,包括磷脂和膽固醇?；鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體的膜上都可以進(jìn)行蛋白和脂的糖基化。 高爾基體參與蛋白質(zhì)和脂類的分選與定向運(yùn)輸。高爾基體還參與蛋白聚糖(proteoglycans)的合成,參與這些反應(yīng)的酶也主要集中于trans高爾基體的膜上。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng):膜囊泡細(xì)胞內(nèi)有許許多多的膜囊泡(membranevesicle)，它們主要參與各種各樣的運(yùn)輸過程。這些膜囊泡將蛋白和脂類運(yùn)向細(xì)胞內(nèi)的特定地點(diǎn)，同時，它們還是胞吐作用(exocytosis)和胞吞作用(endocytosis)的載體。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：核膜真核生物的遺傳物質(zhì)被核膜(nuclearmembrane)所包圍(細(xì)胞處于分裂時除外)。核膜由內(nèi)膜與外膜組成。核膜的內(nèi)外膜是連續(xù)的，這一點(diǎn)與線粒體的內(nèi)外膜分離是不同的。內(nèi)核膜上連接著染色質(zhì)(chromatin)；外核膜表面結(jié)合著核糖體(ribosome)，而且其某些區(qū)域與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)膜相連。核膜上面有核孔。核孔參與調(diào)節(jié)生物大分子在核基質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)之間的運(yùn)輸。蛋白進(jìn)入核內(nèi)是ATP依賴性過程，而且還需要特定的氨基酸定位序列。核孔直徑約７nm，允許直徑9nm以下的分子自由通過,說明核孔是有一定柔性的。生物膜的基本組成膜與細(xì)胞骨架：細(xì)胞骨架可以穩(wěn)定細(xì)胞膜,維持細(xì)胞形狀。Membrane-attachedcytoskeletalnetworksprovidemechanicalsupporttoplasmamembrane.是維持紅細(xì)胞耐性及變形性的主要組分。SDSpolyacrylamide-gelelectrophoresistheproteinsinthehumanredbloodcellmembrane紅細(xì)胞膜骨架蛋白：血影蛋白(spectrin)

錨蛋白（ankyrin〕

膜整合帶3蛋白(Band3)

血型糖蛋白(glycophorin)

帶4.1蛋白(band4.1)

肌動蛋白(actin)SpectrinmoleculesfromhumanredbloodcellsEachspectrinheterodimerconsistsoftwoantiparallelpolypeptidechains.Spectrin-basedcytoskeletononthecytoplasmicsideofthehumanredbloodcellmembrane

血影蛋白(spectrin)是紅細(xì)胞中一種主要的膜連接蛋白(membrane-associatedprotein)。已經(jīng)有證據(jù)表明，血影蛋白可能通過三種方式非價鍵的與質(zhì)膜結(jié)合。血影蛋白可以通過錨蛋白（ankyrin）與膜整合蛋白帶3蛋白(Band3)連接，從而橋連到膜上。帶3蛋白是鑲嵌在質(zhì)膜上的內(nèi)在蛋白。錨蛋白的N端與帶3蛋白結(jié)合，其另一端與血影蛋白結(jié)合。血影蛋白還可以通過帶4.1蛋白(band4.1)與膜上的血型糖蛋白(glycophorin)連接。此外，血影蛋白還可以直接與質(zhì)膜內(nèi)表面的帶有負(fù)電荷的絲氨酸磷脂(PS)結(jié)合。

正常紅細(xì)胞的外形呈雙凹型，當(dāng)病變時，如一些溶血性貧血癥，紅細(xì)胞可呈現(xiàn)異常的形態(tài):球形(遺傳性球形紅細(xì)胞增多癥，hereditaryspherocytosisHS)，橢圓形(遺傳性橢圓形紅細(xì)胞增多癥，hereditaryelliptocytosisHE)，卵圓形(遺傳性卵圓形紅細(xì)胞增多癥，hereditaryovalocytosisHO)這些病人紅細(xì)胞形態(tài)變化的原因，多是由于先天性膜骨架蛋白缺失或變異所致。球形,HS(hereditaryspherocytosis):spectrin，ankyrin,橢圓形,HE(hereditaryelliptocytosis):spectrin,Band4.1,glycorin卵圓形,HO(hereditaryovalocytosis):Band3整合素蛋白與細(xì)胞骨架的結(jié)合：很多細(xì)胞外基質(zhì)分子中含有RGD（Arg－Gly－Asp）序列，這是整合素蛋白的一個通用識別序列。與胞外基質(zhì)分子的結(jié)合，可以引起整合素蛋白的聚集以及細(xì)胞骨架的組裝。很多胞質(zhì)蛋白參與了細(xì)胞骨架的重組過程，如talin，paxillin，vinculin等，它們可以與整合素蛋白亞基的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域相互作用，同時又可以與actin纖維結(jié)合，將整合素蛋白與細(xì)胞骨架連接起來。Amodelforhowtransmembranelinkerglycoproteinsintheplasmamembraneconnectintracellularmatrixatafocalcontact.生物膜的基本組成(二)膜脂磷脂糖脂固醇膜蛋白膜脂細(xì)胞中含有兩種脂類。一種屬非極性脂質(zhì)，如由脂肪酸與甘油酯化所形成的三酯。它們是一類疏水的脂質(zhì)，稱為真脂。另一類屬極性脂質(zhì)，這種脂質(zhì)分子具有一個親水的頭部（即極性端）和一個疏水的尾部（即非極性端），具有雙親性（amphipathic或amphiphilic）的特點(diǎn)，這種脂質(zhì)稱為類脂。生物膜中的脂類，大都是極性脂質(zhì)，主要包括三種類型：磷脂（phosnholipid）、固醇（sterol）和糖脂（glycolipid）。l微米×l微米面積的類脂雙層膜（lipidbilayer）大約有5×106個類脂分子。1)磷脂

含有磷酸基團(tuán)的脂類稱為磷脂。它們是生物膜中最重要的脂類。磷脂分子都含有親水的極性頭部和疏水尾鏈。這兩部分通過甘油骨架或神經(jīng)鞘氨醇(sphingosine)骨架相連接，甘油骨架在原核和真核細(xì)胞膜中都廣泛存在，而神經(jīng)鞘氨醇骨架則主要存在于動物中。以甘油為骨架的磷脂即甘油分子中三個羥基有兩個與高級脂肪酸形成酯，另一個與磷酸衍生物形成酯：其中R1、R2為脂肪酸碳?xì)滏?。根?jù)X的成分不同，可以形成不同的磷脂。(1)磷脂酸膽堿（phosphatidylcholine，PC）磷脂酸膽堿亦稱卵磷脂(lecithin)。它是動物細(xì)胞膜中含量最豐富的磷脂，約占膜脂的40－50％。磷脂酰膽堿有控制動物機(jī)體代謝，防止脂肪肝形成的作用(?)。(2)磷脂酸乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）

X＝－CH2CH2N＋H2磷脂酸乙醇胺又稱腦磷脂（cephalin）。它是細(xì)菌細(xì)胞膜的主要磷脂，其脂肪酸碳?xì)滏湶伙柡统潭缺攘字Ｄ憠A高。磷脂酰乙醇胺與血液凝結(jié)有關(guān)。(3)磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷脂酰肌醇的含量一般為5—10％。它在神經(jīng)組織（主要在髓鞘）中含量較高。據(jù)報道，它在細(xì)胞信息傳遞過程中起著重要的作用。(4)磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS）磷脂酰絲氨酸廣泛分布于各類細(xì)胞膜系中，但其濃度通常低于磷脂總量的10％。在中性pH時，帶負(fù)電荷。(5)磷脂酸（phosphatidicacid，PA）

X＝－H

磷脂酸在上述磷脂的生物合成中起著關(guān)鍵作用。它分布廣泛，以低濃度（占全部磷脂含量的1－5%）存在許多組織之中。(6)磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol，PG）

磷脂酸甘油的含量變化很大，在動物細(xì)胞膜系中含量很低，在植物細(xì)胞膜中一般高達(dá)20—30％的含量（葉綠體中為40—60％）。革蘭氏陽性細(xì)菌中則高達(dá)70％。它也是二磷脂酸甘油生物合成的前體。(7)二磷脂酸甘油（diphosphatidylglycerol，DPG）二磷脂酸甘油是由二個磷脂酸（phosphatedcacid）分別與甘油縮合而成，亦稱心磷脂（cardiolipin，CL）。它主要存在于線粒體、葉綠體和許多細(xì)菌中,特別于線粒體內(nèi)膜。這種磷脂由于只帶磷酸基團(tuán)而帶負(fù)電荷。A:PCB:PEC:PSD:PIE:PGF:DPG以神經(jīng)鞘氨醇為骨架的磷脂神經(jīng)鞘氨醇(sphinogsine)的C－2上的氨基(-NH2)與脂肪酸(R)縮合生成神經(jīng)鞘脂類(sphingolipid),C－l上的羥基與磷酸衍生物(X)縮合即生成磷酸神經(jīng)鞘脂類(phosphasphingolipid):若:X＝磷脂膽堿(PC)，則生成神經(jīng)鞘磷脂(sphingomyelin,SM).

若:X＝－H,則生成神經(jīng)酸胺（ceramide）。2)糖脂

糖脂（glycolipids）廣泛分布于動物、植物和微生物細(xì)胞的膜系中。它是生物膜中的寡糖與脂質(zhì)結(jié)合形成的一種類脂。糖脂中類脂的極性頭部基團(tuán)是通過糖苷鍵與糖分予相連，而不是象磷脂那樣通過磷酸酯鍵相連接。生物膜中的糖脂只存在于脂雙層的外層表面，一般不超過脂分子的10％。

糖脂分為糖鞘脂和甘油醇糖脂兩類。糖鞘脂類(glycosphingolipids)動物細(xì)胞中的糖脂主要以糖鞘脂類的形式存在。這類糖脂包括兩個種類,腦苷類脂和神經(jīng)節(jié)苷脂。由于糖鞘脂在質(zhì)膜的外單層含量很高，這就有助于質(zhì)膜表面通過寡糖鏈部分與外源配體相互作用，或起著調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)受體的作用。再者，鞘糖脂可作為胚胎細(xì)胞分化的標(biāo)記物，被其他細(xì)胞的表面所識別，這是細(xì)胞識別和分化的重要基礎(chǔ)。最近，還發(fā)現(xiàn)其在蛋白分選中起作用。

糖鞘脂類(glycosphingolipids)(1)腦苷類脂(cerebroside)糖分子與神經(jīng)鞘脂類的末端羥甲基，通過糖苷鍵相連接，這類糖脂呈電中性。如半乳糖神經(jīng)酰胺,它是腦中重要的類脂成分，也廣泛分布于哺乳動物細(xì)胞膜系中:(2)神經(jīng)節(jié)苷脂（ganglioside)在這類化合物中，與神經(jīng)鞘脂類相連的部分含有1個或多個唾液酸殘基(sialicacidresidues),也稱為N－乙酸神經(jīng)氨酸(N－acetylneuraminicacid，NANA).神經(jīng)節(jié)甘脂屬于酸性糖脂，帶負(fù)電，主要存在于許多動物細(xì)胞，特別是神經(jīng)細(xì)胞的外膜中。它是細(xì)胞表面負(fù)電荷主要來源。NANA:sialicacid,Gal:galactose,Glc:glucose,GalNac:N-acetylgalactosamine.

Right:thestructureofsialicacid3)固醇（sterol）(1)動物固醇(zoosterol)

膽固醇(cholesterol)是最重要的一種動物固醇。由于膽結(jié)石幾乎完全是由膽固醇組成的，膽固醇的名稱也由此而來。膽固醇是雙親性分子。其一端帶有一個極性親水羥基，另一端含疏水碳?xì)滏湣?/p>

膽固醇在哺乳類的質(zhì)膜中含量豐富。此外，高爾基體膜、溶酶體膜中含量也很豐富。而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜及線粒體膜中含量少。(2)植物固醇（phytosterol）常見的高等植物細(xì)胞膜中的固醇是豆固醇（stigmasterol）和谷固醇（sitosterol），它們分別存在于大豆、麥芽中。植物固醇是植物細(xì)胞的重要組分，不能為動物所吸收利用。它們通常在C－24上和（或）在C－22上有雙鍵。膽固醇的確切的生理功能還不十分清楚!

已知與生物膜的相行為，流動性，膜的分選與運(yùn)輸。

膜中膽固醇含量與細(xì)胞老化(aging)有一定關(guān)聯(lián)。

膜的不對稱性膜組成的不對稱性有些細(xì)胞是有極性的，如上皮細(xì)胞。細(xì)胞膜的橫向不對稱性，即內(nèi)外兩個片層的組成不同。細(xì)胞膜的側(cè)向分布的不對稱性，即二維平面內(nèi)膜組分的分布是不均一的。不同細(xì)胞器中脂類組成是不同的。質(zhì)膜可劃分成不同的功能區(qū)

上皮細(xì)胞的質(zhì)膜可劃分成形態(tài)不同功能區(qū)域。上皮細(xì)胞（如腸和腎臟上皮細(xì)胞）的質(zhì)膜被緊密連接（tightjunction）分隔為頂生結(jié)構(gòu)域(apicaldomain)和基底結(jié)構(gòu)域(basolateraldomain)。膜組成側(cè)向分布的不對稱性

LipiddomainsDependingonwhetherthedomainsonbothsurfacescolocalize,fourdiscretebilayerthicknessescouldbepresentinthesemembranes.Lateralsortingofmembraneproteins膜脂內(nèi)外分布的不對稱性脂的類型內(nèi)側(cè)外側(cè)鞘磷脂1783磷脂酰膽堿2674磷脂酰乙醇胺7723磷脂酰絲氨酸95<5糖脂<595膜脂內(nèi)外分布的不對稱性外層glycolipidsPhosphatidylcholine(PC)Cholesterol內(nèi)層phosphatidylserine(PS)phosphatidyl-ethanolamine(PE)phosphatidylinositol(PI)由于脂分子不能自發(fā)地在單層與單層之間以適當(dāng)?shù)乃俣确D(zhuǎn)，這種不對稱可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成時已經(jīng)開始了。脂雙層的不對稱性有重要的生物學(xué)功能!不同細(xì)胞器膜的脂類組成不同大鼠肝臟，PL:磷脂，C:膽固醇，G:糖脂，其它脂未標(biāo)記。不同細(xì)胞器膜的磷脂組成不同大鼠肝臟：PC，PE，SM,PS，PI，CL不同細(xì)胞器膜脂組成特點(diǎn)質(zhì)膜：PC，SM，glycolipids,Chol.線粒體內(nèi)膜：幾乎不含Chol.,富含CL核膜/ER/線粒體外膜：脂類組成類似Golgi膜：介于ER與質(zhì)膜之間老化過程膜脂的變化紅細(xì)胞老化過程膜脂的變化人紅細(xì)胞有壽命大約為120天，兔約為20天，狗約為100天。人紅細(xì)胞大約每天更新率為2×1011，細(xì)胞存活時間受許多因素影響。老化紅細(xì)胞消亡有兩條途徑：一個是老化細(xì)胞自身破溶；另一個是被吞噬細(xì)胞含噬。無論是自溶或被含噬都與膜結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。成熟的紅細(xì)胞在血液中占絕大多數(shù)，它們無核、自身無修復(fù)能力，易被檢測。紅細(xì)胞老化過程膜脂的變化△密度梯度離心：老化的紅細(xì)胞的密度比年輕者高.△老化細(xì)胞膜表面抗原的變化.△老化細(xì)胞膜滲透脆性高.△C/P比值變化：0.78±0.09正常0.96±0.09老化△脂雙層不對稱性：老化過程，PC、PE，SM兩側(cè)分布無顯著變化，而PS原來幾乎全部在內(nèi)側(cè)，老化后有10％翻向外側(cè)。老化細(xì)胞的骨架蛋白變化與PS結(jié)合松弛，造成PS外翻，同時造成細(xì)胞形狀改變！△表面電荷：sialicacid,PS.Age-dependentchangesofsphingomyelinandphosphatidylcholineinhumanaorta.Phospholipidandcholesterolcontentinratheartsasafunctionofage.Alterationoflipidcompositionduringphysiologicalprocesses,suchasagingalterationoflipidcomposition

cholesterol/phospholipids:cholesterol

sphingomyelin/PC:sphingomyelin

saturated/unsaturated:saturated膜蛋白膜蛋白1)膜外周蛋白2)通過一段疏水肽鏈插入脂雙層中，從而拋錨在膜上3)膜整合蛋白(膜內(nèi)在蛋白)4)膜外周結(jié)構(gòu)域與特定的糖脂或脂肪酸形成共價連接將蛋白拋錨在膜上膜蛋白鑲嵌方式

第一類是膜外周蛋白(peripheralmembraneproteins,extrinsicmembraneproteins)這些蛋白主要通過靜電作用與磷脂的極性頭部或其它膜蛋白相結(jié)合。適當(dāng)加大溶液中的離子強(qiáng)度，可以使這一類蛋白從膜上脫落下來(easilydetachedwithouttheuseofdetergent)。如細(xì)胞色素Ｃ和ATP合成酶的F1亞基，它們沒有疏水片斷使之錨定于脂雙層。一些胞外基質(zhì)與細(xì)胞膜外表面的結(jié)合，以及一些骨架蛋白與細(xì)胞膜胞質(zhì)面的結(jié)合都可以屬于第一類膜蛋白。

Someproteinsexhibitbothasoluteandamembrane-boundform.

如；谷氨酸脫氫酶(glutamatedehydrogenase)屬于mitochodrialsolublematrixenzymes

的一種,在生理條件下結(jié)合于線粒體內(nèi)膜的cardiolipin，活性被抑制。在離子濃度提高時，如NH4+濃度升高，該蛋白從膜上脫下而成為toactivateglutamateformation.ThecurrentsewingmachinemodelSecAbindsfunctionallyandwithhighaffinityatsitesofSecYEGDFplusacidicphospholipid(Stage1).ThisbindingoftheSecB-preproteincomplexactivatesSecA(Stage2).ATPbinding(Stage3)drivestheinsertionofa30-kDadomainofSecAinto,andpartiallyacross,themembrane(Stage4).ThisSecAinsertionisaccompaniedbytheinsertionofa“l(fā)oop”ofabout25aminoacylresiduesofthepreproteinacrossthemembrane.HydrolysisofasecondATParenecessaryforSecAdeinsertion(Stage5).WhenSecAisinthedeinsertedstate,itcanexchangefreelywithcytosolicSecA.SecAcanrebindtoSecYEGDF(Stage1`),associatewiththetranslocationintermediate(Stage2`),andbindATP(Stage3`)andinsert(Stage4`).

(J.Biol.Chem,1996,271,29514-29516)第二類膜蛋白是通過一段疏水肽鏈插入脂雙層中，從而拋錨在膜上。

目前尚未得到確鑿的證據(jù)證明這一類蛋白的疏水片斷插入膜的外單層中。但實驗表明，影響膜功能的一些毒素（如蜂毒素）可能部分插入膜的外表面。Thepossiblebindingmodelsofmelittinonthemembranes

Bouma等人根據(jù)ApoH的晶體結(jié)構(gòu)提出了ApoH的膜結(jié)合模型。Bouma等人發(fā)現(xiàn)ApoH的第五結(jié)構(gòu)域有一塊面積約為2000平方埃的正電區(qū)。這一區(qū)域含有12個Lys,1Arg和1His（圖B）。這個正電荷區(qū)域與負(fù)電磷脂的負(fù)電荷相互作用，而Ser311-Ser-Leu-Ala-Phe-Trp-Lys317則插入膜中，Trp316就位于ApoH與膜結(jié)合的界面處。載脂蛋白H的膜結(jié)合模型(A) (B)ApoH在膜表面有兩種狀態(tài)的模型圖(Wangetal.Biophysical.J.2002)第三類和第四類膜蛋白都是膜整合蛋白(膜內(nèi)在蛋白)，transmembraneprotein,integralmembraneprotein.

膜整合蛋白含有較大的極性氨基酸序列位于胞外或胞漿側(cè)，分別與膜脂的極性頭部及細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境發(fā)生相互作用。這些胞外和胞漿結(jié)構(gòu)域通過一條或幾條跨過膜脂雙分子層的疏水肽段（通常20－30氨基酸殘基）相連接。其中含有一條跨膜序列的屬于第三類膜蛋白，含有多條跨膜序列的屬于第四類膜蛋白。

紅細(xì)胞膜上的血型糖蛋白以及很多膜上的受體都只有一條跨膜序列，屬于第三類膜蛋白。

-domain-domainStructureofinsulinreceptoraccordingtoSuietal.(Biochemistry1988).Thedistributionofdomainsof-helical,-sheet,andrandom-coilstructureaspredictedbytheprobabilisticmethod.extracellular:913a.a.Inbilayer:23a.a.Cytoplasm:423a.a.一些通道蛋白或離子泵則屬于第四類膜蛋白。這類蛋白中，一般含有幾段疏水片段，可以多次跨膜。如紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白(Band3)就是通過七條跨膜片段而形成的陰離子通道蛋白。細(xì)菌視紫紅質(zhì)(Bacteriorhodopsin,bR)是嗜鹽細(xì)菌的紫膜上光驅(qū)動的質(zhì)子泵，它也有七段跨膜區(qū),膜內(nèi)的跨膜序列均呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)。由于跨膜蛋白在膜中有確定的取向，它們呈現(xiàn)出一種功能的不對稱性。

這些蛋白只有用適當(dāng)?shù)娜ノ蹌┎拍軓哪ど先芙庀聛?。嗜鹽菌(Halobacteriumhalobiumlivinginsaltwaterpoolswheretheyexposedtoalargeamountofsunlight)的質(zhì)膜上存在膜片(patch),稱之為紫膜(purplemembrane)。紫膜是一種光能轉(zhuǎn)換膜,只含有一種蛋白：視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsinBR),248a.a.,MW26,000BR占紫膜總量的75％。BR利用光能驅(qū)使質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移形成重要的電化學(xué)梯度，這種電化學(xué)梯度存儲的能量用于合成ATP。ThestructureofoneBRmoleculeanditsrelationshiptothelipidbilayer.

all-trans-retinal*11-cis-retinal什么作用使七段螺旋在膜中穩(wěn)定締合連接多肽對bR有穩(wěn)定作用？No!蛋白水解酶的裂解實驗表明，連接多肽的裂解并未改變蛋白二維晶體的衍射圖樣。極性相互作用可能對bR的穩(wěn)定性有貢獻(xiàn)?Possible!中子衍射實驗表明，各螺旋段的極性基團(tuán)指向分子內(nèi)部，極性基團(tuán)在非極性中的相互作用可能對結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用。偶極作用可使取向反平行的兩段螺旋有相互吸引趨勢。脂相的堆積效應(yīng)?Possible!幾何不匹配誘導(dǎo)的相分離Howfreeze-fractureelectronmicroscopyprovidesimagesofthehydrophobicinteriorofthecytoplasmichalfofthebilayer(Pface)andtheexternal