生物化學筆記 第二十章生物膜

1、第二十章 生物膜 第一節(jié) 脂雙層一個典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和膽固醇（在一些真核細胞中）。膜含有的脂有一共同的特點，它們都是兩性分子，含有極性成分和非極性成分。磷脂和糖鞘脂在一定的條件下可以象肥皂那樣形成單層膜或微團，然而在體內(nèi)這些脂傾向于組裝成一個脂雙層。由于磷脂和糖鞘脂含有兩條烴鏈的尾巴，不能很好地包裝成微團，卻可以精巧地組裝成脂雙層（下圖）。但并不是所有的兩性脂都可以形成脂雙層，如膽固醇，其分子中的極性基團OH相對于疏水的稠環(huán)系統(tǒng)太小了。在生物膜中，不能形成脂雙層的膽固醇和其它脂（大約占整個膜脂的30）可以穩(wěn)定地排列在其余70脂組成的脂雙層中。脂雙層內(nèi)脂分子的疏水尾巴指向雙層內(nèi)部，而

2、它們的親水頭部與每一面的水相接觸，磷脂中帶正電荷和負電荷的頭部基團為脂雙層提供了兩層離子表面，雙層的內(nèi)部是高度非極性的。脂雙層傾向于閉合形成球形結(jié)構(gòu)，這一特性可以減少脂雙層的疏水邊界與水相之間的不利的接觸。在實驗室里可以合成由脂雙層構(gòu)成的小泡，小泡內(nèi)是一個水相空間，這樣的脂雙層結(jié)構(gòu)稱為脂質(zhì)體（liposomes），它相當穩(wěn)定，并且對許多物質(zhì)是不通透的。可以包裹藥物分子，將藥物帶到體內(nèi)特定組織。第二節(jié) 流動鑲嵌模型脂雙層形成了所有生物膜的基礎(chǔ)，而蛋白質(zhì)是生物膜的必要成分。不含蛋白質(zhì)的脂雙層的厚度大約是56nm，而典型的生物膜的厚度大約是610nm，這是由于存在著鑲嵌在膜中或與膜結(jié)合的蛋白質(zhì)的緣故

3、。1972年，S.Jonathan Singer和Garth L.Nicolson就生物膜的結(jié)構(gòu)提出了流動鑲嵌模型（fluid mosaic model）。根據(jù)這一模型的描述，膜蛋白看上去象是圓形的“冰山”飄浮在高度流動的脂雙層“?！敝校ㄏ聢D）。內(nèi)在膜蛋白（integral membrane proteins）插入或跨越脂雙層，與疏水內(nèi)部接觸。外周膜蛋白（peripheral membrane proteins）與膜表面松散連接。生物膜是一個動態(tài)結(jié)構(gòu)，即膜中的蛋白質(zhì)和脂可以快速地在雙層中的每一層內(nèi)側(cè)向擴散。盡管現(xiàn)在對原來的流動鑲嵌模型中的某些方面作了一些修正和補充，但該模型時至今日仍然是基本正

4、確的。第三節(jié) 膜的流動性在融合之前利用可以特異結(jié)合在人細胞質(zhì)膜中某個蛋白的紅色熒光標記的抗體標記人細胞，而用可以特異結(jié)合在小鼠細胞質(zhì)膜中某個蛋白的綠色熒光標記的抗體標記小鼠細胞。這樣一來可以通過免疫熒光顯微鏡觀察兩種標記的細胞融合后，細胞膜上內(nèi)在膜蛋白的變化。大約在融合后40分鐘，就觀察到細胞表面抗原相互混合的情形。這一實驗表明，至少某些內(nèi)在膜蛋白可以在生物膜內(nèi)側(cè)向自由擴散。第四節(jié) 物質(zhì)運輸與生物膜生物膜是從物理角度將活細胞與它周圍的環(huán)境分開所必要的，而其另一個作用也非常重要，那就是生物膜使細胞生長所需要的水、氧和所有其它營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞內(nèi)，而將細胞生成的產(chǎn)物（例如激素、某些降解酶和毒素等）輸

5、出，以及使一些廢物（例如二氧化碳和尿素等）排泄掉。疏水的、小的、不帶電荷的分子可以自由地擴散通過細胞膜，這種不依賴其他蛋白幫助的轉(zhuǎn)運方式稱為非介導(dǎo)轉(zhuǎn)運（Nonmediated transport）。但對大多數(shù)帶電物質(zhì)來說，脂雙層是一個幾乎不可通透的壁壘，需要通過轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運，這種轉(zhuǎn)運方式稱為介導(dǎo)轉(zhuǎn)運（Nonmediated transport）。小分子和離子跨膜運輸借助于三種類型的內(nèi)在膜蛋白：通道（channels）蛋白和（膜）孔（pores）蛋白、被動轉(zhuǎn)運蛋白（passive transporters）和主動轉(zhuǎn)運蛋白（active transporters）孔蛋白和通道蛋白非常象離子載體，為

6、小分子和離子提供一個沿著濃度梯度遷移的途徑，該遷移過程不需要能量，是通過這些蛋白而不是通過脂雙層擴散被動轉(zhuǎn)運不需要能量驅(qū)動，被動轉(zhuǎn)運也稱為易化擴散（facilitated diffusion）。轉(zhuǎn)運蛋白的作用是加快反應(yīng)的平衡，如果沒有轉(zhuǎn)運蛋白，單靠擴散達到平衡非常慢。紅細胞主要依賴于葡萄糖作為能源。D-葡萄糖從血液（葡萄糖濃度大約為5mM）通過被動轉(zhuǎn)運，經(jīng)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白沿著葡萄糖濃度梯度降低方向進入紅細胞內(nèi)。葡萄糖首先與轉(zhuǎn)運蛋白的面向外構(gòu)象結(jié)合，然后當轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象改變時，葡萄糖跨過脂雙層。在面向細胞質(zhì)一側(cè)，葡萄糖脫離轉(zhuǎn)運蛋白，進入細胞質(zhì)，而轉(zhuǎn)運蛋白又改變?yōu)槠鹗嫉臉?gòu)象。被動和主動轉(zhuǎn)運蛋白與通道蛋

7、白和孔蛋白不同，轉(zhuǎn)運蛋白通常能特異地結(jié)合某些分子或結(jié)構(gòu)上類似的分子的基團并進行跨膜轉(zhuǎn)運。最簡單的一類轉(zhuǎn)運蛋白執(zhí)行單向轉(zhuǎn)運（uniport），即它們只攜帶一種類型的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運。而許多轉(zhuǎn)運蛋白可進行兩種溶質(zhì)的同一方向的同向轉(zhuǎn)運（symport）或協(xié)同轉(zhuǎn)運（cotransport）。被動轉(zhuǎn)運是溶質(zhì)沿著濃度梯度降低方向轉(zhuǎn)運，不需要能量；與被動轉(zhuǎn)運相反，主動轉(zhuǎn)運可以逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，但需要能量。主動轉(zhuǎn)運可以利用不同形式的能源。常用的是ATP，離子轉(zhuǎn)運ATP酶（ion-transporting ATPase）是一大類ATP驅(qū)動離子轉(zhuǎn)運蛋白，幾乎存在于所有細胞器官。其中包括Na+-K+ ATP酶和Ca2+

8、ATP酶，它們在制造和維持跨質(zhì)膜和細胞內(nèi)器官的離子濃度梯度中起著必要的作用。光是某些主動轉(zhuǎn)運的能源，例如細菌視紫紅質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為化學能的過程。原發(fā)主動轉(zhuǎn)運直接由ATP、光或電子傳遞驅(qū)動的，而第二級主動轉(zhuǎn)運是靠離子濃度驅(qū)動的。在大多數(shù)情況下，原發(fā)主動轉(zhuǎn)運常用來在第二個溶質(zhì)中制造一個梯度。例如在ATP的驅(qū)動下將第一種溶質(zhì)逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，結(jié)果形成的第一種溶質(zhì)濃度梯度貯存的能量又能驅(qū)動第二種溶質(zhì)的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運第五節(jié) 胞吞與胞吐原核生物在它們的質(zhì)膜和外膜中含有多成分的輸出系統(tǒng)，使得它們能夠?qū)⒛承┑鞍踪|(zhì)（往往是些毒素或酶）分泌到細胞外介質(zhì)中。在真核細胞中，蛋白質(zhì)的輸入和輸出細胞分別通過胞吞和胞吐實現(xiàn)的。

9、原核生物在它們的質(zhì)膜和外膜中含有多成分的輸出系統(tǒng)，使得它們能夠?qū)⒛承┑鞍踪|(zhì)（往往是些毒素或酶）分泌到細胞外介質(zhì)中。在真核細胞中，蛋白質(zhì)的輸入和輸出細胞分別通過胞吞和胞吐實現(xiàn)的。胞吞和胞吐都涉及到一種特殊的脂囊泡的形成。蛋白質(zhì)和某些其它的大的物質(zhì)被質(zhì)膜吞入并帶入細胞內(nèi)（以脂囊泡形式）。受體介導(dǎo)的胞吞開始是大分子與細胞的質(zhì)膜上的受體蛋白結(jié)合，然后膜凹陷，形成一個含有要輸入的大分子的脂囊泡，也稱為內(nèi)吞囊泡，出現(xiàn)在細胞內(nèi)。出現(xiàn)在胞內(nèi)的囊泡與胞內(nèi)體融合，然后再與溶酶體融合，胞吞的物質(zhì)被降解。胞吐除了轉(zhuǎn)運方向相反外，其過程類似于胞吞。在胞吐中，確定要從細胞分泌出的蛋白質(zhì)被包裹在囊泡內(nèi)，然后與質(zhì)膜融合，最后

10、將囊泡內(nèi)的包容物釋放到細胞外介質(zhì)中。降解酶的酶原就是通過這種方式從胰腺細胞轉(zhuǎn)運出去的。 本章重點總結(jié) 脂是一類用非極性溶劑從生物樣品中提取的不溶于水的有機化合物。脂無論從結(jié)構(gòu)上還是從功能上都是多種多樣的。脂肪酸是長鏈單羧酸。自然界存在的主要的脂肪酸含有一個偶數(shù)碳的烴鏈，碳數(shù)的范圍從12到20。不含碳碳雙鍵的脂肪酸稱之飽和脂肪酸；含有一個雙鍵的脂肪酸稱之單不飽和脂肪酸；而含有一個以上雙鍵的脂肪酸稱之多不飽和脂肪酸。存在于不飽和脂肪酸中的雙鍵大多數(shù)是cis構(gòu)型。飽和和不飽和脂肪酸是很多脂的組成成分。脂肪酸一般都是以稱之三脂酰甘油（脂肪和油）的復(fù)合脂形式貯存的。三脂酰甘油是中性和非極性脂。蠟也是中性

11、和非極性脂，它是由長鏈的脂肪醇和脂肪酸形成的酯。前列腺素是生理上重要的二十碳脂肪酸（例如花生四烯酸）的衍生物。甘油磷脂是生物膜中的主要的兩性脂成分。主要有磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。這些磷脂的極性頭部包括一個陰離子的磷酸二酯基團，這個基團連接甘油骨架的C-3和另一個水溶性的成分。而磷脂的非極性尾巴是由與甘油的C-1和C-2形成酯的脂酰基組成的。其它的主要脂包括鞘脂，膽固醇和脂溶性的維生素。長鏈的鞘氨醇是鞘脂的骨架。鞘磷脂，腦苷脂和神經(jīng)神經(jīng)節(jié)苷脂是三種主要的鞘脂。脂溶性維生素是聚異戊二烯化合物。膽固醇是生物膜的一個重要成分，可以作為膽固醇類激素的前體。生物膜確定了細胞和細

12、胞內(nèi)的各個分立區(qū)域的外部邊界。一個典型的生物膜是由脂和蛋白質(zhì)組成的，同時在糖鞘脂和糖蛋白上帶有少量的糖。生物膜是一個蛋白質(zhì)鑲嵌在脂雙層基質(zhì)中的流動鑲嵌膜。兩性脂，例如甘油磷脂和鞘脂自然地組裝在雙層膜中。脂在雙層膜中的側(cè)向擴散很快，但從一層向另一層的橫向擴散（分子翻轉(zhuǎn)）卻非常慢。特殊脂在生物膜的里層和外層的分布是不對稱的。在低溫狀態(tài)下，脂雙層是以有序的凝膠態(tài)存在的，這種狀態(tài)下的脂酰鏈是伸展的。當升溫時，脂雙層經(jīng)歷一個相變，呈現(xiàn)出一種液晶態(tài)，脂酰鏈呈彎曲狀態(tài)。Cis雙鍵在脂酰鏈中制造出一個紐結(jié)，因此可以降低相變溫度，增加膜的流動性。膽固醇通過破壞凝膠相脂和限制液晶相脂的運動調(diào)節(jié)膜的流動性。大多數(shù)內(nèi)

13、在蛋白質(zhì)橫跨雙層膜的疏水內(nèi)部。而外周膜蛋白只是很松散地與膜表面相連。幾乎所有的內(nèi)在膜蛋白都含有跨越脂雙層的-螺旋片段。受體蛋白通常只具有單個-螺旋區(qū)，而轉(zhuǎn)運蛋白總是具有多個跨膜片段，片段中的氨基酸殘基大多數(shù)是疏水的，也含有極性氨基酸。許多膜蛋白可以在膜中自由地側(cè)向擴散。脂雙層是個有選擇的通透性壁壘，大多數(shù)帶電荷的分子都不能通透，但水和疏水性分子能自由地擴散通過。離子擴散過膜的速度可以被某些離子載體極大地增強。特殊的轉(zhuǎn)運蛋白、通道蛋白和膜孔蛋白參與離子和極性分子的跨膜轉(zhuǎn)運。通道蛋白使得大量的特殊離子或小分子順著濃度通道經(jīng)中央孔快速地擴散。轉(zhuǎn)運蛋白通過面向外和面向內(nèi)構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換結(jié)合底物并把它轉(zhuǎn)運

14、過膜。被動轉(zhuǎn)運是順著濃度通道轉(zhuǎn)運分子，不需要能量。主動轉(zhuǎn)運是逆濃度梯度轉(zhuǎn)運底物，需要供給能量。在原發(fā)主動轉(zhuǎn)運中，能量是由ATP水解、光或電子傳遞直接提供的。第二級主動轉(zhuǎn)運是被離子梯度驅(qū)動的；底物的"上坡"轉(zhuǎn)運常和離子的"下坡"轉(zhuǎn)運耦聯(lián)。大的蛋白質(zhì)分子轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)運出細胞是分別通過胞吞或胞吐實現(xiàn)的，該過程涉及到脂囊泡的形成和融合。 本 章 名 詞 解 釋 主動轉(zhuǎn)運（active transport）:一種轉(zhuǎn)運方式，通過該方式溶質(zhì)特異結(jié)合于一個轉(zhuǎn)運蛋白，然后被轉(zhuǎn)運過膜，但與被動轉(zhuǎn)運方式相反轉(zhuǎn)運是逆著濃度梯度方向進行的，所以主動轉(zhuǎn)運需要能量來驅(qū)動。在原發(fā)主動轉(zhuǎn)運過

15、程中，能源可以是光、ATP或電子傳遞。而第二級主動轉(zhuǎn)運是在離子濃度梯度驅(qū)動下進行的。協(xié)同運送(cotransport)：兩種不同溶質(zhì)跨膜的耦聯(lián)轉(zhuǎn)運?？梢酝ㄟ^一個轉(zhuǎn)運蛋白進行同一方向（同向轉(zhuǎn)運）或反方向（反向轉(zhuǎn)運）轉(zhuǎn)運。胞吞（作用）（endocytosis）：物質(zhì)被質(zhì)膜吞入并以膜衍生出的脂囊泡形式（物質(zhì)在囊泡內(nèi)）并被帶入到細胞內(nèi)的過程。胞吐（作用）（exocytosis）：確定要分泌的物質(zhì)被包裹在脂囊泡內(nèi)，該囊泡與質(zhì)膜融合，然后將物質(zhì)釋放到細胞外空間的過程。被動轉(zhuǎn)運（passive transport）：也稱之易化擴散（facilitated diffusion）。是一種轉(zhuǎn)運方式，通過該方式溶質(zhì)

16、特異結(jié)合于一個轉(zhuǎn)運蛋白，然后被轉(zhuǎn)運過膜，但轉(zhuǎn)運是沿著濃度梯度下降方向進行，所以被動轉(zhuǎn)運不需要能量支持。通道蛋白（channel proteins）:是一種帶有中央水相通道的內(nèi)在膜蛋白，它可以使大小合適的離子和分子從膜的任一方向穿過膜。通透系數(shù)（permeability coefficient）:是離子或小分子擴散過脂雙層膜能力的一種量度。流體鑲嵌模型(fluid mosaic model)：針對生物膜的結(jié)構(gòu)提出的一種模型。在這個模型中，生物膜被描述成鑲嵌有蛋白質(zhì)的流體脂雙層，脂雙層在結(jié)構(gòu)和功能上都表現(xiàn)出不對稱性。有的蛋白質(zhì)"鑲"在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入其內(nèi)部，有的則橫跨整個膜。另