《《生物膜系统》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《生物膜系统》PPT课件.ppt（212页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,第三章,生物膜的结构与功能,3.1生物膜功能概述(1)区隔化或房室化(compartmentalization)：生物膜是连续、环闭的薄壳体，质膜把整个细胞包裹起来，内膜系统以及核膜、线粒体膜和叶绿体膜等，把细胞分隔成相对独立的房室。在这些分隔开的区间内，各自进行着不同的生命活动。内膜实际上成为细胞向内延伸着的网络支架，把参与反应的多个元件有序地定位安置，使细胞内各种生命活动能在正确的时间和位点有组织地高效进行，把不同生化活性彼此间的干扰减少到最低。重要的酶级联反应机构大多与某种膜结构联系在一起。各类细胞的不同细胞器都具有与其功能相适应的结构、形状和机械强度，这些在很大程度上也依赖于相应膜系
2、统的组成和结构。,(2)物质的跨膜运输(transport)：作为通透性屏障，生物膜一方面防止细胞与环境之间以及细胞内各房室之间的物质自由混合，否则，结果将是灾难性的；另一方面又要维持各区间物质有控制地交流。质膜和各种内膜上都有物质运输装置，调节物质的跨膜运输也就成了这些膜系统最基本的功能之一。,(3)能量转换(energy conversion)：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电子流动，最后形成同化力(NADPH和ATP)，再经光合碳
3、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式ATP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学梯度中。这样的膜称为“能势膜”(energized membranes)，其中所储存的能量可用于驱动细胞的许多重要活性。,(4)细胞识别(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胞社会，每个细胞既是独立的生命单位，更
4、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，如有性繁殖中配子的相互
5、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，引起包括存活、分化、迁移、凋亡等在内的多种效应。图3.1列举了细胞识别的基本类型。,3.2.生物膜的化学组成与性质 生物膜是类脂与蛋白质(包括酶)通过非共价键组装成的薄片状超分子聚合体。大多数膜还含有某些糖类物质，膜上有结合态的结构水，以及某些膜蛋白结合的金属离子。膜的组成尤其是膜脂与蛋白质的比例，因膜的种类不同而有很大差别(表3.1)。通常膜中
6、蛋白质含量越多，其功能越复杂多样，如线粒体内膜蛋白质含量超过75%。同样，功能越简单的膜蛋白质含量越少，如神经髓鞘主要作用就是绝缘，只有3种蛋白，仅占膜重量的18%。,表3.1 生物膜的化学组成(%),3.2.1 膜脂 大多数动物细胞质膜约含50%的脂类，据估算一个小的动物细胞的质膜约有109个类脂分子。构成生物膜的脂类有磷脂、糖脂、胆固醇等。其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。,3.2.1.1 磷脂(phospholipids,PL)生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂：,(1)甘油磷脂(phosphoglycerides)：甘油骨架中sn-1,2位羟基分别与两个脂肪酸酯化，sn-3位
7、羟基与磷酸生成酯，就成了最简单的甘油磷脂磷脂酸(phosphatidic acid,PA)；磷脂酸的磷酸基再连接其它极性基团就形成各种甘油磷脂，如磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)和双磷脂酰甘油(diphosphatidylglycerol,DPG)或心磷脂(cardiolipin,CL)。,(2)鞘氨醇磷脂(sphi
8、ngophospholipids)：由鞘氨醇的氨基连接长链脂肪酰链构成神经酰胺，它的羟基再与磷酸基和亲水基团相连，就形成鞘氨醇磷脂，如神经酰胺与磷酸胆碱组成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph)(3)磷脂中的脂肪酰链：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂都是两亲性分子，既有亲水的头部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的脂肪酰链都是长的不分枝的疏水性烃链。这些脂酰基的碳基子数从12到26，双链数从0到5。sn-2位通常是一个多烯脂酰基，sn-1位则多为饱和脂酰基。天然脂酰链中的双键多为cis构型，在烃链中形成的约44的折角，因而比相同碳原子数的饱和脂肪酸和trans构型的不饱和脂肪酸的烃链较短而分子覆盖面积大
9、。脂酰基烃链的长度和分子面积对生物膜的特性有重要影响。,(4)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性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。PC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pH下呈电中性，是兼性离子(zwitterionic)。PE和Sph与PC电荷特性相似。PS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。PG、PI、DPG(CL)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，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pH与其pI值之差。,
10、3.2.1.2 糖脂(glycolipids)膜糖脂又分成三类：甘油糖脂（glyceroglycolipids），二酰基甘油糖基化的产物；中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神经酰胺糖基化的产物。甘油糖脂分子中甘油sn-1和sn-2位均被酯化，sn-3位连接亲水的糖基，如单半乳糖二酰甘油(monogalactose diacylglycerol,MGDG)，头部为不带电荷的糖基。如果糖基被硫酸化，在生理pH下会带负电荷，例如叶绿体类囊体膜中的6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油(SQDG)。中性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羟基氧与不带电荷的糖基通过糖苷键相连，如半乳糖脑苷脂(galactocerebrosid
11、e)。脑苷脂是动、植物细胞质膜中主要的鞘脂，一般定位于脂双分子层的外叶。,3.2.1.3 类固醇(steroids)胆固醇(cholesterol,Ch)是最常见的类固醇，某些动物细胞质膜中胆固醇的含量约占总脂的50%。胆固醇分子量相对较小，结构也不同于其它膜脂，它没有长的烃链，羟基构成它的亲水头，带有短的烃链的环戊烷多氢菲环形核构成它扁平的疏水部分。大多数植物和细菌的质膜中不含胆固醇，但植物细胞质膜含有谷固醇和麦角固醇。,谷固醇,胆固醇,豆固醇,油菜固醇,谷固醇,类固醇是动、植物细胞膜的重要组分，对膜的特 性产生显著的影响。质膜中胆固醇含量大大高于内膜系统。胆固醇的头部仅一个羟基，亲水性明显
12、较弱。在膜中，胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列，它的18、19位两个-CH3嵌入磷脂分子不饱和脂酰基顺式双键形成的立体化学上的沟槽中。胆固醇一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链固有的运动性又能增加膜的局部微区的无序性，使膜流动性增加。类固醇对膜的这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽的温度范围(3040)内行使功能。类固醇还通过与一些膜蛋白的相互作用调节其功能，对膜的生物合成及细胞生长有重要的影响。,鼠肝细胞各种类型膜及其膜脂组成,表3.2 几种膜的脂质组成,3.2.1.4 膜脂组织的多态性 生物膜3种主要脂类磷脂、糖脂和
13、类固醇的分子结构相差甚远，但都是两亲性分子，即同时具有亲水的头部和疏水的尾巴两部分。以磷脂为例，当把磷脂加入水中，如图3.2所示，只有极少数分子以单体形式游离存在；在水空气界面上的磷脂倾向于形成单分子层，极性头与水接触，疏水的尾巴伸向空气；如果加入的磷脂较多，水空气界面已经达到饱和，其余的磷脂就以微团或双分子层形式存在。在疏水作用的驱动和Van der Waals引力作用下，磷脂分子的极性头与水相接触，疏水尾巴彼此靠近，将水从附近排除。磷脂在水中形成脂双层结构是个自组装过程，并进一步自我封合为双层微囊(脂质体，liposome)。,图3.2 磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式,图3.3 可能
14、存在的几种相结构,3.2.2 膜蛋白 生物膜的功能主要由膜蛋白承担。膜蛋白与膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。通常，细胞质膜中的蛋白质主要与涉及胞外环境的细胞活力有关，而细胞内膜系统的蛋白质则主要与代谢活动有关。有的膜蛋白发挥酶的作用，有的膜蛋白行使信息传递或能量转换功能，有的构成细胞膜的骨架，有的则参与细胞识别。应当强调指出，膜蛋白的功能不仅取决于自身固有的结构，生物膜构成的特殊环境对膜蛋白形成并保持正确的构象起着不可或缺的作用。,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白，有一些具共价结合的脂
15、肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到脂类或是脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B.Alberts等，1994）,3.2.2.1 整合蛋白(integral proteins)或内在蛋白(intrinsic proteins)整合蛋白一般约占膜蛋白的7080%。这些膜蛋白嵌入脂双层，与脂双层疏水核紧密结合，整合于脂双层结构之中，只有用氯仿等有机溶剂或SDS、胆酸盐、Triton X-100等去垢剂破坏脂双层结构后才能将其分离出来。多数整合
16、蛋白都是跨膜蛋白(transmembrane proteins)，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有极少数整合蛋白以部分肽链插入脂双层疏水核，并不穿透脂双层，仅在膜一侧暴露(如内质网膜上的细胞色素b5)，称为锚定蛋白(anchored或monotopic proteins)。有的跨膜蛋白亚基进一步聚集成寡聚体(图3.5)。,光合细菌光反应中心的结构,3.2.2.2 外周蛋白(peripheral proteins)或外在蛋白(extrinsic proteins)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、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
17、或整合蛋白的亲水部分相联系，容易用离子强度较高或pH较高的溶液将它们从膜上分离出来。,图3.7 红细胞膜骨架各组分与质膜连接的示意图,3.2.2.3 脂锚定蛋白(lipid-anchored proteins)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脂双层，被锚定在脂双层膜表面一侧(图3.4)。按照与脂质锚链的结合方式这类蛋白又分为以下几类：,图3.4 膜蛋白与脂双层结合的几种方式大部分跨膜蛋白以单一-螺旋横过脂双层或以多个-螺旋横过脂双层；这些单次通过或多次通过的蛋白，有一些具共价结合的脂肪酸链插入细胞质面的脂单层，其他膜蛋白通过共价连接到脂类或是
18、脂肪酸链或是异戊烯基团，插入脂双层（细胞质面的单层），或不常发生的，经寡糖连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞质面的单层，许多蛋白质通过非共价键与其他膜蛋白相互作用连到膜上，和（仿B.Alberts等，1994）,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,3.2.3 膜糖 真核细胞质膜和内膜系统都有糖类分布，不同物种和不同类型的细胞膜糖含量不同。质膜含糖约占膜重的210%，这些糖大多数与蛋白质共价结合构成糖蛋白，少数结合在脂类分子上构成糖脂。例如红细胞质膜含有8%的糖类，其中约93%与蛋白质结合，大多数暴露于细胞表面的蛋白质都共价连接1个或多个寡糖链；其余约7%与类脂分子结合
19、，脂双层外叶不到1%的膜脂分子连有寡糖，而且大多仅1条寡糖链。构成生物膜寡糖的单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。生物膜上的糖类几乎都定位于膜的非胞浆面，即细胞质膜的外侧和细胞器膜的腔内一侧，在质膜外侧形成细胞外被或糖萼(glycocalyx)(图3.9)。,图3.9 细胞外壳（糖萼）示意图,3.3.生物膜的结构 1893年，Overton用蔗糖溶液引起植物细胞的质壁分离表明了细胞膜的存在，并在后来提出脂类和胆固醇可能是细胞膜的主要组分。1925年，荷兰人Gorter和Grendel根据对红细胞膜的研究提出了脂双分子层的概
20、念，成为认识膜结构的基础。1935年，Danielli&Davson提出蛋白质-脂质-蛋白质的“三明治”模型。1964年Robertson根据电镜观察结果提出单位膜模型。这些模型以及其它许多有关研究，为流体镶嵌模型的提出积累了有用的资料和借鉴。图3.9概括了100多年来人类对膜结构的认识、不断丰富和深化的历程。,图3.10 对生物膜结构认 识的不断丰富和深化,3.3.1 生物膜的“流体镶嵌”模型 在生物膜的流动性和膜组分分布不对称性等研究的基础上，1972年美国Singer和Nicolson提出了生物膜的“流体镶嵌”模型(图3.11)，要点如下：,图3.11 Singer&Nicolson 流
21、体镶嵌模型,极性脂双分子层构成生物膜的基本架构，膜蛋白镶嵌在其中。脂双层既是整合蛋白的溶剂，又是极性物质的扩散屏障。生物膜是由极性脂和蛋白质分子按二维排列的流体，膜的结构组分在其中可以移动并聚集组装。膜脂分子以流体或液体状态存在于膜中，能在其中进行侧向扩散和旋转扩散。所以，生物膜是动态结构。生物膜中蛋白质的分布不对称，有的镶嵌在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入脂双层内部，有的则横跨整个膜。少量膜脂与膜蛋白专一结合，是这些膜蛋白发挥作用不可或缺的。,3.3.2 生物膜结构的主要特征“流体镶嵌”模型虽然得到比较广泛的支持，一直不失为膜生物学的核心原理，但仍存在许多局限性，例如，很多实验表明，膜的各
22、个部分的流动性不均匀，在一定条件下有的处于液晶相，有的则处于凝胶相，即膜脂存在着多态性。在此基础上，后来又提出一些模型。但是，实际上已很难再以某些简单模式形像地描绘丰富多彩的生物膜。因此人们越来越关注与多样性的细胞功能和状态相适应的膜结构的多样性、多形性和不对称性及其动态特征。下面将通过对膜结构主要特征的讨论充实和深化对生物膜结构的理解。,3.3.2.1 膜的不对称性 膜的不对称性指的是膜脂、膜蛋白和糖类不对称地分布在脂双层的两叶片层。所有的生物膜都具有这种结构的不对称性，这也是生物膜功能的重要基础。实验证明，以红细胞质膜为例，几乎所有糖脂和绝大多数 PC与Sph分布在膜的非胞浆片层，而电中性
23、或带负电荷的膜脂如PE、PS则更多地分布于胞浆面片层(图3.12)。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PC主要分布于胞浆面片层。,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了局部固态结构，称为脂筏(lipid raft)。脂筏直径约70nm，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GPI-Pr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细胞信号转导。例如在静止的T细胞表
24、面，多种与T细胞受体信号转导有关的分子组成型地结合于脂筏。当T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。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。,3.3.2.2 生物膜的流动性 流动性是生物膜最重要的特征之一，涉及膜脂的流动性和膜蛋白的流动性。(1)膜脂的流动性 前面在膜脂组织多态性中已经提到，脂双层存在液晶相和凝胶相。当膜从凝胶相转变为液晶相时，膜组分的分子内和分子间运动明显增加。在生理条件下，膜脂大多呈液晶相，当温度降低至相变温度（Tc）时，即从液晶相转变为凝胶
25、相(图3.13)。用示差扫描量热法、NMR和ESR波谱等技术可以测定膜脂相变温度。,图3.13 膜脂的相变,表3.3 磷脂组成与相变温度的关系,图3.14 磷脂分子运动的几种方式,侧向扩散，即膜脂分子在脂双层同一片层内与邻近分子进行换位，扩散速率的大小可用扩散系数DL表示。在生物膜和人工膜都存在膜脂分子的侧向扩散，而且速度很快，DL一般为107108cm2s1，表明膜脂的粘性约为水的100倍。旋转扩散：即膜脂分子从脂双层的一叶翻转到另一片层。由于膜脂均为两亲性分子，这种翻转运动必须通过脂双层的疏水核，因此要比侧向扩散慢得多。膜脂分子完成旋转扩散最快也要数分钟，通常完成翻转的平均时间为数小时甚至
26、数周。细胞在某些生理条件下，如磷脂生物合成和膜的组装过程中，在某些膜蛋白(如磷脂转位因子)帮助下，膜脂分子的翻转过程大大加快。,脂酰基的异构化运动：膜脂分子中的脂酰基烃链可绕C-C单键旋转，从而导致其构型发生转变。在低温条件下，脂酰基烃链主要表现为全反式构型，随着温度升高，偏转构型增多，膜流动性增大。膜脂分子绕与膜平面垂直的轴左右摆动，其极性头部运动较快，甘油骨架运动较慢，脂酰基烃链部运动也较快，其尾部运动得最快。膜脂分了围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动，其转动速率约为每10ns转动2角度。,(2)膜蛋白的运动性 脂双层可视为整合蛋白的分散介质，因此脂质分子的物理状态就成了整合蛋白运动性的重要决
27、定因素。膜整合蛋白的主要运动方式包括侧向扩散、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。,3.3.3 膜蛋白的三维结构 迄今基因组学研究表明，各种生物基因组编码的蛋白质约有25%是膜蛋白，而膜蛋白的7080%是整合蛋白。最近几年，利用脂立方体相来生长膜蛋白三维晶体，有望得到更多更好的膜蛋白单晶体，用于精细结构测定。再结合使用新一代同步辐射光源，为膜蛋白精细结构测定打开了闸门。现已测定的膜蛋白有细菌光合反应中心、E.coli膜孔蛋白Omp和PhoE、麦芽糖孔蛋白、捕光色素复合体、线粒体细胞色素c氧化酶、细胞色素bc1复合物、菌紫红质、K+通道、Ca2+泵等。下面以嗜盐菌菌紫质为例，展示膜整合蛋白三维
28、结构的一些特点。,图3.15 嗜盐菌菌紫质的一级结构及其在膜上的分布,图3.16 菌紫质在嗜盐菌膜上以三聚体形式有序分布,图3.17 嗜盐菌菌紫质参与组成H+通道的有关基团的三维分布示意图,3.3.4 人工膜（artificial lipid membrane）1970年代以来，人工膜的制备技术与应用不断发展，日益发展为一项生物高技术。人工膜主要包括双分层平面膜、脂质体和单层膜或LB膜。（1）平面双分子膜（planar bilayer lipid membrome）常用合成类脂及其衍生物或从天然材料中抽提的类脂混合物作为制备平面双分子膜的材料。先将类脂材料溶于适当的有机溶剂，取一玻璃槽，用聚四
29、氟乙烯隔板分隔为两个小室，隔板上有一小圆孔（直径1mm），加入预先放制的水溶液，再向隔板小孔内加一滴类脂溶液，即可形成脂双分子层。还可制备脂双层内外两叶片层脂质组分不对称膜，以便更好地摹拟生物膜，嵌入某些功能性蛋白分子，即可用于研究膜电位，跨膜的pH梯度、离子通道、生物电子能量传递与转换等生物膜功能。,（2）脂质体（liposomes）人工脂双层膜形成的圆球状膜泡，在膜研究中具有不可估量的价值。把功能蛋白嵌入脂质体，形成各种重建的膜系统，可以在比天然膜简单得多的条件下对它们的功能进行研究。脂质体还被用作DNA和许多药物的载体，同时在脂质体膜上嵌入单克隆抗体或其它靶细胞受体专一的配体，不仅提高了
30、脂质体的靶向特异性和与靶细胞结合的效率，而且可以有效地降低与非靶细胞的结合，降低药物的细胞毒性，是运送基因治疗药物和抗癌药的理想剂型。常用的脂质体有以下3种：,（3）LB膜（Langmuir-Blodgett membrane）：把磷脂溶于易挥发的有机溶剂，然后滴加于水溶液表面并使之在水表面上扩展，待有机溶剂挥发后，用一可移动杆条沿水面把表面的磷脂分子往一侧压缩，即可得到亲水头在水相、疏水的烃链朝向空气的磷脂单分子层，即LB膜。LB膜不仅用于研究膜的表面化学和磷脂分子间相互作用，而且是研究药物、多肽等与脂类相互作用的有力手段。另外，LB膜还被用来进行蛋白质二维晶体的构建与结构分析。LB膜和双分
31、子层脂膜在生物传感器和生物电子器件的研制中有独特的应用前景。,物质跨膜运输,3.4物质跨膜运输 活细胞必须不断地与环境进行物质交换，真核细胞内各房室之间同样也存在跨膜的物质交换，这种交换是高度选择性的，使细胞保持动态的恒定，这对于保证生命活动的正常进行极为重要。,3.4.1.1 被动运输（passive transport）生物膜具有半透膜的性质。膜上有许多由膜蛋白构成的直径约1nm的微孔，如细菌外膜上孔蛋白三聚体形成的微孔允许分子量小于600的亲水中性溶质通过；真核细胞质膜上有32kDa通道蛋白六聚体形成跨膜的微孔，允许分子量小于2kDa的亲水中性溶质通过。又如在哺乳动物红细胞等高度水可渗透
32、的膜上存在水通道蛋白四聚体构成的通道，每个亚单位包括6个跨膜螺旋，含有一个沙漏样多水微孔。另外，膜脂的流动性还在膜上造成许多统计学上的微孔。这样，水、气体、以及其它小分子物质就可以借助于膜两侧浓度（活度）差顺着化学势差从高浓度一侧自发地扩散到低浓度一侧，无需另外消耗能量，称为被动运输或扩散传送，包括简单扩散和促进扩散。物质经被动运输的速率既依赖于该物质在膜两侧的浓度差，又与其分子量大小、电荷以及在脂双层中的溶解性有关。,Structure of bacterial porin,-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,水通道蛋白（aquaporin）的结构示意图,（1）简单扩散（
33、simple diffusion）物质经由亲水通道或膜脂流动造成的在分子间瞬时出现的微孔，从高浓度一侧自由扩散到低浓度一侧。如果被运输的是非极性物质或非解离极性分子，该过程的自由能变化用下式表示：,G=2.3RTLog,S0 S0,式中S0和S0分别代表扩散开始时膜两侧溶质的浓度，当S0/S01时，G0，溶质扩散方向为S0 S0；当S0/S0=1时，G=0，无扩散。人工膜扩散试验表明，非极性物质易通过简单扩散跨膜转位。非解离极性分子如乙醇和脲等也能很快通过，分子量大一些的甘油通过较慢，分子量比甘油大一倍的葡萄糖竞不能通过。此外，膜的流动性愈大简单扩散愈易，因此影响膜流动性的因素都影响简单扩散。
34、,式中Z为溶质净电荷，F为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：,门通道（gated channels）：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
35、通道的开关与信号分子-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。另一类是所谓电位门通道（voltage gated channel）。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3种K+通道：内整流K+通道、外整流K+通道和电位不敏感K+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，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Ca2+通道
36、开放，Ca2+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体结合，这个受体是乙酰胆碱门控的Na+-K+通道，开启后Na+进入细胞，K+流出；质膜的去极化又促使电位门控Na+通道开启，更多的Na+进入细胞，结果肌浆网膜超极化导致电位门控Ca2+通道开放，Ca2+从肌浆网进入细胞质，刺激肌肉收缩。这个过程在不到1秒钟内完成，至少涉及4套不同的门通道顺序地开启和关闭。,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。,电压门控钾离子通道的构象状态,载体蛋白（carrier pr
37、oteins）：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另一侧。例如红细胞质膜上的葡萄糖载体，只结合D-葡萄糖而不结合L-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3.18）。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。,图3.18 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,Model of glucose transport by GLUT1,St
38、ructure of GLUT1,葡萄糖载体蛋白结构模式图,图3.19 线粒体内膜的ATP/ADP交换体二聚体蛋白执行线粒体内的ATP对在细胞质中由代谢反应所形成的ADP的交换。膜电位（内为负）有利于这一交换反应的进行,图3.20 线粒体内膜ATP/ADP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,离子载体（ionophores）：离子载体是一类可溶于脂双层的小分子疏水物质
39、，它们通过增加脂双层对离子的透性以被动运输方式运输离子。离子载体大部分由微生物合成，已广泛用于增加各类膜对一些特殊离子的透性，其中有些已被用作抗生素。离子载体可分为移动性离子载体和形成通道的离子载体两类,短杆菌肽A,缬氨霉素,3.4.1.2 主动运输（active transport）生活细胞中多数物质的浓度与环境中显然不同，无论是动、植物细胞还是细菌，细胞内、外都存在着离子浓度差，如淡水丽藻细胞内K+浓度比周围水环境中高1065倍，人红细胞K+浓度比血浆K+高30倍，细胞内氨基酸的浓度比胞外高10倍以上。说明细胞必须经常逆着浓度梯度选择性地吸收或排出这些物质，同时伴随能量的消耗，称为主动运输
40、。,（1）初级主动运输（primary active transport）初级主动运输系统直接通过ATP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。Na+-K+-ATPase（或称钠钾泵）几乎所有的细胞都有Na+-K+-ATPase活力，可把细胞内的Na+泵出细胞外，同时又把细胞外的K+泵入细胞内。Na+-K+-ATPase是四聚体（22），跨膜的亚基（约120 kDa）含有8个跨膜螺旋；亚基（35 kDa）有寡糖链，与亚基间易形成交联。Na+-K+-ATP ase的ATP水解部位和Na+结合部位在膜的胞液一侧，而K+和强心类固醇抑制剂结合部位在细胞外表面（图3.21）。,图3.21
41、 Na+-K+泵的亚基结构及其取向示意图,Na+-K+-ATPase的工作原理目前普遍认可构象变化假说。即在正常情况下Na+-K+-ATPase（E1构象），在Mg2+存在下（不需要K+）与膜内侧Na+结合而激活ATPase活性，将ATP的-磷酸基转移到一个Asn残基上，形成磷酸化的E1-P中间体，导致的构象变化使其对Na+的亲和力降低，把Na+释放到细胞外，同时酶变为E2-P构象。E2-P与细胞质膜外侧的K+结合（不需要Na+和Mg2+）后促使酶去磷酸化，又恢复原来的E1构象，把K+释放到胞液中。上述Na+-K+-ATPase工作原理可表示如下：,自然界存在三种类型的离子泵：P型离子泵，像N
42、a+-K+-ATPase一样，通常由1条肽链组成，通过磷酸化导致E1-E2构象变化，促进离子的跨膜运输；F型离子泵，如线粒体和叶绿体的ATP合酶，是多亚基组成的复合物，能利用跨膜质子梯度合成ATP；V型离子泵，如酵母空泡、动物细胞溶酶体和植物细胞液泡膜上的H+-ATPase，也是多亚基复合物，其功能是水解ATP促进质子的主动运输。表3.4总结了这三类离子泵的一些基本性质。,Ca-ATPase的结构,离子泵类型,亚基组成,功能,催化机制,抑制剂,实例,P型,单肽链,水解ATP,E1-E2构象变化,VO3-,Ca2+-ATPase,乌本苷,Na+-K+-ATPase,F型,多亚基,合成ATP,结合
43、变构,寡霉素，DCCD,F1-F0-ATPase,表3.4 三种离子泵的一些性质,细菌结合蛋白传送系统 革兰氏阴性细菌具有周质结合蛋白传递系统，主动运输一些糖、氨基酸、磷酸盐等。例如E.coli的麦芽糖运输系统至少需要4种不同的蛋白质（图3.22）：外层脂质和脂多糖膜上的lam B 蛋白形成了让麦芽糖通过的孔隙；肽多糖到质膜之间的周质蛋白E可结合麦芽糖；跨膜蛋白F和G构成质膜上的通道，E可与通道组分结合。质膜内侧的K蛋白可与G结合，不仅是这个透性酶的组分，还能调节运送速率。这个运输过程需要消耗高能化合物，因为磷酸盐强烈抑制这种主动传送。,图3.22 革兰氏阴性细菌麦芽糖结合蛋白传送反应,（2）
44、次级主动运输（secondary active transport）次级主动运输系统并不直接通过水解ATP提供能量来推动，而是依赖于以离子梯度形式贮存的能量。例如一些动物细胞质膜上有Na+-K+-ATPase和透性酶组成这样的协同运输系统，细胞就能依靠细胞外高浓度的Na+离子顺着电化学梯度驱动糖和氨基酸逆着浓度梯度进入细胞。类似的系统见表3.5。,中性氨基酸,Na+,真核细胞,葡萄糖,Na+,某些动物细胞（肠、肾等）,乳糖,H+,E.coli等细菌,二羧酸,H+,E.coli,脯氨酸,H+,E.coli,谷氨酸,Na+,E.coli和嗜盐菌,蜜二糖,Na+,E.coli和鼠伤寒沙门氏菌,表3.
45、5 某些次级主动传送系统,底物,共同传递的离子,生物组织,丙氨酸,H+,嗜热菌PS3,细胞外高浓度的Na,+,驱动肠粘膜上皮细胞共同运输体吸收葡萄糖,E.coli,的乳糖吸收由跨膜质子浓度梯度驱动,基团转位（group translocation）有些细菌摄入糖时需进行磷酸化反应，以糖-磷酸形式进入细胞，称为基团转位。如细菌的磷酸烯醇式丙酮酸：糖-磷酸转位系统（PTS）由三种酶（E、E、E）和热稳定蛋白（HPr）组成，其中E和HPr均为可溶性蛋白，E为跨膜蛋白，E结合于膜内侧（图3.23），通过以下反应把糖摄入细胞内：,E和E对所运输的糖专一，E和HPr则无此种专一性。E.coli中发现有7种
46、E，分别对葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺、甘露醇、葡萄糖醇和半乳糖醇专一。细菌中的脂肪酸、嘌呤和嘧啶等的运输可能也是通过基团转位机制进行的。,图3.23 细菌糖-磷酸转位系统图解（E、E糖底物专一性在右上角注明）,PEP,3.4.2 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、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、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、
47、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，就会影响功能蛋白的分拣、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本途径（图3.24）：,图3.24 蛋白质运输路线示意图,3.4.2.1 新生肽链经由内质网膜转位 粗糙型内质网上的核糖体合成的蛋白质可分为两类，一类与ER膜结合，留在内质网或经内质网系统投送成为质膜和其它细胞器的膜蛋白；另一类则进入内质网腔，经一系列加工、修饰、包装、投送，进入溶酶体、质膜或分泌到细胞外。二者均经相同的转运机制跨越内质网膜
48、。此类蛋白质的新生肽链N-端有引导其跨越内质网膜的信号肽（signal sequence）。信号肽一般由1040个氨基酸组成，氨基端至少有一个带正电荷的氨基酸，中部为1015个残基组成的高度疏水的肽段，如果其中某个疏水残基被亲水残基取代，信号肽就会丧失其功能。信号肽C-端有可被信号肽酶识别的水解位点，此,位点上游常有一段疏水性较强的5肽，,其-1和-3位常为小侧链氨基酸（如Ala）（见图3.25）。有的蛋白质（如卵清蛋白）的信号肽位于肽链中部，但功能相同。,图3.25 一些真核细胞新生肽链N-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）,切点,（1）
49、新生多肽链转位进入内质网腔的步骤：N-端的信号肽与胞液中信号肽识别颗粒（signal recognition particle,SRP）结合。SRP分子量约325 kDa，由7 S RNA（300nt）与6种不同的多肽组成。SRP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。SRP-核糖体复合体移动到内质网膜外表面，并与那里的SRP受体或称停泊蛋白（docking protein）相结合。SRP受体是内质网膜整合蛋白，由亚单位（69 kDa）和亚单位（30 kDa）组成，它一旦与SRP-核糖体复合体结合，即可释放SRP并恢复肽链合成。SRP和SRP受体中各有一条肽链含有GTP
50、结合域，通过GTP的结合与水解引发的构象变化，完成SRP与其受体的结合-解离循环。,SRP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ribophorin和组成，构成一个跨膜通道。当SRP-核糖体复合体与SRP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。随着肽链合成的进行，肽链逐渐进入内质网腔，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3.26。,（2）转移的多肽链整合到内质网膜的机制。单跨膜蛋白可通过伴翻译插入与内质网膜整合。这类蛋白新生肽链N-端有信号肽，又有停止转移肽（
