21世纪我国生物膜研究
一.国内外研究状况
1．生物膜结构研究的进展
生物膜是由蛋白质、脂类及糖等组成的超分子体系。膜蛋白和膜脂结构研究的最新进展主要是以
下方面。（1）膜蛋白三维结构研究。膜蛋白是生物膜功能的主要体现者，可分为外周膜蛋白和内在膜
蛋白(integral membrane protein)。后者部分或全部嵌入膜内，有的则跨膜分布。真核细胞所含的蛋白
质，据估计约1/4－1/3 为内在膜蛋白。人类基因组中编码并可表达为蛋白质的基因约为30,000～
40,000，据估计，表达的蛋白质中内在膜蛋白也占1/4－1/3。因此，无论从深入解析生物膜的功能，
还是从后基因组研究考虑，内在膜蛋白三维结构的研究都是十分重要的。由于内在膜蛋白三维结构的
测定存在较多的困难，至1997年，已获得高分辨率三维结构测定结果的蛋白质总数为6300左右，其
中内在膜蛋白仅占20个。近3－5年内在膜蛋白三维结构的研究获得明显的进展。至2002年，已获
得高分辨率三维结构的蛋白质总数共计17500左右，其中内在膜蛋白已增至69个。（2）膜脂结构研
究进展。膜脂主要包括甘油脂（Glycerolipid），鞘脂（Sphingolipid）以及胆固醇（Cholesterol）。对于
甘油脂研究较多，它们不仅是生物膜结构的骨架，其中有些成员还参与了信号转导的过程。近年来的
研究肯定了大多数哺乳动物细胞质膜有微区结构存在，称为“脂筏lipid raft”和Caveolae。值得注意
的是，它们富含鞘脂和胆固醇，物理状态介于凝胶相与液晶相之间的Lo相（Liquid-ordered state）。
这些微区结构不被去垢剂所溶解，还各自含有一定量的与信号转导等功能有关的蛋白质。因此，普遍
认为，它们与信号转导以及物质的跨越细胞运送等功能有密切的关系。
2.信号转导受体的二聚体化。
林其谁教授报告指出，生物膜的流动性保证了膜上蛋白的侧向运动。膜上信号转导受体中相当一
部分以单体形式存在，如表皮生长因子(EGF)受体。有的虽有一部份可以是二(多)聚体, 但它们不是活
性二聚体, 如红细胞生成素(EPO)受体等。它们在与配基结合后，生成活性二聚体，启动了信号转导
途径。跨膜受体一般是指G蛋白偶联受体, 它们能够感受温度，味觉，光，多肽，氨基酸及其衍生物
等。通常单体与配基结合就能表现活力。但有一些G蛋白偶联受体会形成同源或异源二聚体，从而
表现出功能的多样性。
3．生物膜的单分子研究
林克椿教授报告说，研究生物单分子就是对单个分子进行成像观察,构象变化,动力学,操纵以及相
互作用的探讨,这是分子生物学深入发展的需要,代表了21世纪这一领域的前沿。研究生物单分子之所
以有可能,是近年来各种新技术陆续出现的结果。由于生物单分子具有纳米(nm)水平的尺寸,因而这类
技术都必需有nm级的分辨率。目前研究方法很多,但大体上可归纳为光学技术和扫描探针技术两大类,
以及两者间的相互结合。例如全内反射荧光显微术(TIRFM), 扫描近场光学显微术(SNOM),光钳
(Tweezer),单粒子追踪术(SPD),原子力显微术(AFM)等。近年来生物膜的单分子研究已开始取得了一些
成果.如研究膜蛋白的解折叠,受体在膜上的分布,受体-配体相互作用与信号转导,通道的结构、功能与
选择性,病毒粒子感染细胞的过程等。
二. 几个主要领域的研究进展
1．膜蛋白的结构和研究新方法
膜蛋白是生物膜功能的主要体现者。自从1986年第一个原子分辨率内在膜蛋白－光合反应中心
解析至今的14年来，目前解析的具有原子分辨率或近原子分辨率三维结构的内在膜蛋白总数不到100
个。其困难主要是：(1).天然膜蛋白含量低；(2).膜蛋白不稳定，分离、纯化比较困难；(3).膜蛋白晶
体生长困难，晶体的生长成了目前解析膜蛋白三维结构的瓶颈。冷冻电子显微术是新崛起的结构研究
技术。这种技术在研究生物大分子结构尤其是超分子体系的结构方面取得了突飞猛进的发展，逐渐成
为一种被普遍接受的公认的研究生物大分子尤其是超分子体系结构的有效手段。
2．物质跨膜运输
Ran GTP酶调控细胞核核膜和核孔复合体装配中的作用，膜融合的研究进展，在神经信号释放和
传导中的重要作用，高等植物细胞跨膜运输研究现状。有的领域在国际上还是一个待开垦的处女地，
而国内已有很好的前期工作基础。
3．受体与通道蛋白
离子通道蛋白在细胞内外生理活性物质运输、信号转导中起关键作用。目前主要集中在如下几个
方面：深刻地解析各种离子通道亚型/受体及其相关的特异性配体/调制剂的化学/基因图谱结构，它们
相互识别的结构因素和分子基础；阐明不同生理功能状态下相关离子通道/受体的组织细胞分布及其
表达水平；离子通道/受体和递质物质调控生物信息传递的细胞与分子机制和整合特征等。专家们介
绍了膜受体与受体药理学及神经突触生理学方面的研究进展，心肌细胞的Ca2+通道及钙信号。
4．信号跨膜转导
从美国西南医学中心回国参加本次会议的屠亚平博士介绍了有关G 蛋白信号调节蛋白 ( RGS)
方面的研究进展。一研究员又着重介绍了脂质筏和质膜微囊（Caveolae）在细胞信号转导中的作用。
孙大业院士介绍了植物细胞信号转导。
5． 光合膜的研究
线粒体和叶绿体是细胞内能量代谢的中心。光合能量转换是在类囊体膜上进行的，其过程主要由
光系统I 和II、细胞色素b/f、ATP合酶和NAD(P)H脱氢酶（NDH）等蛋白复合体承担。它们的结构
和功能是当前国际研究的热点。光合膜脂是生物膜系统中最为特殊的脂类，这些脂不但是光合膜的结
构成分，它们还可能与膜蛋白有着特异性结合，在光合作用中起重要作用。
6． 生物膜与细胞凋亡
线粒体不仅是细胞能量代谢的中心，同时也是细胞凋亡的调节中心。有位研究员介绍了细胞凋亡
的发生机理，国内外研究进展。线粒体能释放多种凋亡诱导分子，如细胞色素C，凋亡诱导因子（AIF）
等，通过细胞内一系列级联反应，引起细胞的凋亡。细胞凋亡在多种疾病，如肿瘤、神经退行性疾病、
心脏病、免疫疾病、和爱滋病等疾病的发生中起重要作用。目前细胞凋亡研究主要集中在细胞凋亡信
号转导、细胞凋亡调节的分子机制。
7. 生物膜与医学
生物膜/膜蛋白的变化与多种疾病直接相关。线粒体基因组的变异及其编码的氧化磷酸化酶蛋白
结构和功能的缺陷和失控都涉及心血管病，老年痴呆，帕金森氏等神经退行性疾病，糖尿病，肿瘤以
及衰老和细胞死亡等医学问题，形成了一个线粒体医学新领域。有证据表明中枢神经系统内胆固醇的
循环、平衡与退行性神经疾病，如老年痴呆症和 Niemann－Pick type C 的病变机制有关。
8. 新技术在生物膜研究中的应用
生物膜是蛋白质、脂类及糖等组成的超分子体系，这些分子间存在非常复杂的相互作用。不断涌
现的新技术在生物膜研究中起关键作用。生物膜的单分子研究，利用分子探针在光学水平研究分子间
相互作用，光学和光谱学方法在生物膜研究中的应用，蛋白质构架运动的快速光谱研究，生物信息学
（基因网络和系统生物学）等。
9． 仿生物膜的研究
生物膜形状的液晶模型理论研究，功能薄膜模拟生物膜研究，仿生膜的研究进展等。
三、我国膜生物学研究的策略和建议：
在后基因组时代，面对各学科的飞速发展和高、新、尖技术的广泛应用，膜生物学作为一个交叉
学科，应加强合作和交叉。要有超前思维，做一两件标志性大事，以整体提升膜生物学研究的水平。
膜蛋白质组的研究，要关注膜蛋白的结晶和结构解析，膜蛋白的功能和膜蛋白－膜脂的相互作用
的研究，选取有重要功能和与重要疾病相关的膜蛋白作为研究对象。
分子（蛋白与蛋白、蛋白与膜脂等）之间的相互作用是生命活动的基础，也是生物膜研究的核心
内容。膜受体与配体，离子通道与离子，不同信号分子在膜水平的作用等都是生命科学的热点问题，
也是膜生物学的中心课题。特别值得注意的是膜微区（Lipid Microdomain）,脂筏（lipid raft）和Caveolae
的研究。
总结
1．生物的基本结构和功能单位是细胞，生物膜是细胞的基本结构。生物体内许多重要过程（如
物质运送、能量转换、信号传递，细胞识别、细胞凋亡、细胞免疫、神经传导和代谢调控）以及激素
和药物作用、肿瘤等疾病的发生等无不与生物膜有关。生物膜研究不仅具有重要的理论意义而且在工、
农、医实践方面也有广阔的应用前景。
2．生物膜研究需要多学科交叉，出席这次会议有生物化学、生物物理、生物信息、化学生物学、
医学、化学、物理、植物生理化学、稀土生物无机化学、细胞生物学等方面的专家。从不同角度共同
探讨生物膜的发展，学科交叉的特色反映得更为突出。
3．生物膜研究发展很快，我国虽有一定的基础，但与国际先进水平还有不小的差距。今后我国
生物膜研究要有超前思维，找出影响发展的‘瓶颈’，搞好规划，建立相应的技术平台，以整体提升
膜生物学研究的水平。
4．生物膜研究范围很广，热点问题很多，当考虑我国21世纪生物膜研究规划时，应该重视，应
用基础与应用开发相结合。要重视生物膜研究的一些基础问题，例如，膜蛋白、膜脂的结构与功能，
膜脂－膜蛋白的相互作用等。
5．生物膜研究需要多学科交叉，需要各种高新技术的广泛应用，更需要有创新技术的建立与发
展。希望有一定措施，鼓励进行这方面的探索。
6.他认为膜生物学研究还与应用密切相关。特别值得关注的是利用生物膜/仿生膜技术作药物的靶
向运输或药物的缓释胶囊的研究在国内已有较好的基础，这方面无疑将会对进入WTO以后的我国药
物行业产生积极的影响。