生物膜的結(jié)構(gòu)與功能

1、生物膜的結(jié)構(gòu)與功能 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院許曉東2015.10Mobile:-mail: 碩士研究生高級生物化學(xué)l生物膜（biomembrane）包括質(zhì)膜和細胞內(nèi)膜，是極性脂與蛋白質(zhì)組成的片狀超分子復(fù)合物，具有獨特的結(jié)構(gòu)與功能，是細胞結(jié)構(gòu)的重要組成部分。生物膜與生命科學(xué)中許多基本理論問題以及一些亟待解決的實際問題相關(guān)，如細胞起源、形態(tài)發(fā)生、細胞分裂、分化、細胞識別、免疫、物質(zhì)運輸、信息傳遞、代謝調(diào)控、能量轉(zhuǎn)換、腫瘤發(fā)生以及藥物和毒物的作用等等。膜系統(tǒng)占細胞干重70-80%本章內(nèi)容l 生物膜功能概述l 生物膜的化學(xué)組成與性質(zhì)l 生物膜的結(jié)構(gòu)l 物質(zhì)跨膜運輸l 生物

2、膜在能量轉(zhuǎn)換中的功能1 生物膜功能概述l 區(qū)隔化或房室化（compartmentalization）l 物質(zhì)的跨膜運輸（transport）l 能量轉(zhuǎn)換（energy conversion）l 細胞識別（cell recognition）l 區(qū)隔化或房室化（compartmentalization）內(nèi)膜結(jié)構(gòu)將細胞分隔成若干獨立空間。在每一個膜包裹的空間聚集著特定種類的生物大分子，共同完成著某一項特定的生命活動。如細胞核主要進行DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等；而線粒體主要進行呼吸作用，提供能量；溶酶體則負責(zé)將一些吸收的或損傷的大分子降解為可以利用的小分子等等。事實上，除了生物膜的區(qū)隔化之外，細胞中還有其他

3、的機制使生理途徑在空間上隔離開來。Spatial distribution of RNA polymerase (RNAP) in Escherichia coli. (A) Under fast growth, distinct foci of GFP-labeled RNAP can be seen. (B) Upon rifampicin treatment, RNAP distribution becomes more homogenous.Trends Genet. 2014 Jul;30(7):287-97 l 物質(zhì)的跨膜運輸（transport）生物膜既要防止細胞與環(huán)境之間以及細

4、胞內(nèi)各房室之間的物質(zhì)自由混合，又要維持各區(qū)間物質(zhì)有控制地交流。l 能量轉(zhuǎn)換（energy conversion）a. 線粒體 b. 葉綠體c.“能勢膜”c.“能勢膜” 示例l 細胞識別（cell recognition）細胞通過其表面的特殊受體與胞外信號物質(zhì)分子或配體選擇性地相互作用，觸發(fā)細胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終導(dǎo)致細胞的總體生物學(xué)效應(yīng)相應(yīng)改變，這樣的過程稱為細胞識別。Fig. 2.Cell surface lectincarbohydrate interactions. Lectins serve as means of attachment of different kinds of

5、 cell as well as viruses to other cells via the surface carbohydrates of the latter. In some cases, cell-surface lectins bind particular glycoproteins (e.g., asialoglycoproteins), whereas in other cases the carbohydrates of cell surface glycoproteins or glycolipids serve as sites of attachment for b

6、iologically active molecules that themselves are lectins (e.g. carbohydrate-specific bacterial and plant toxins, or galectins). Based on an original diagram from BioCarbAB (Lund, Sweden).Glycobiology (2004) 14 (11): 53R-62R.2 生物膜的化學(xué)組成與性質(zhì)l 所有生物膜都具有雙親性，即兩側(cè)親水表面中間夾著疏水的核心。生物膜的所有組分有規(guī)則地排列以維持這種雙親結(jié)構(gòu)。l 生物膜的三種

7、基本組分是：脂類、蛋白質(zhì)和糖（以糖脂或糖蛋白的形式存在）。2.1 膜脂l 構(gòu)成生物膜的脂類有磷脂(phospholipids)、糖脂(glycolipids)、類固醇(steroids)等。l 其中磷脂為主要組分，分布廣泛。磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。2.1.1 磷脂（phospholipids, PL）l 甘油磷脂（phosphoglycerides）：l 鞘氨醇磷脂（sphingophospholipids）：鞘氨醇sphingosine神經(jīng)酰胺ceramide膽堿Choline鞘氨醇-1-磷酸是一種重要的信號脂類分子。磷脂酰膽堿 鞘磷脂甘油磷脂和鞘磷脂的脂肪鏈長度不同，導(dǎo)致以鞘磷脂為

8、主的雙層膜較厚，或鞘磷脂的疏水長鏈深入膜脂雙分子層的兩個半葉之間，從而顯著地增強膜的剛性和穩(wěn)定性。天然膜中PC+Sph為常數(shù)，年輕組織中PC/Sph1，老化組織中PC/Sph1.l 磷脂中的脂肪酰鏈：酯?；?2-26個碳原子；包含0-5個雙鍵；雙鍵多為 順式構(gòu)型 。順式構(gòu)型的不飽和脂肪酸導(dǎo)致分子覆蓋面積增大European Journal of PharmacologyVolume 691, Issues 13, 15 September 2012, Pages 18Fig. 1. Phospholipid hydrolysis by phospholipase A2 (PLA2) into

9、 lyso-phospholipids (Lyso-PL) and free fatty acids (FFA). X stands for: choline (phosphatidylcholine, PC); ethanolamine (phosphatidylethanolamine, PE); serine (phosphatidylserine, PS); inositol (phosphatidylinositol, PI), hydrogen (phosphatidic acid, PA). Lyso-PL is precursor of platelet activating

10、factor (PAF).只有一條酯酰基烴鏈的溶血磷脂（Lyso-PL）呈圓錐體，可能形成非脂雙分子層構(gòu)象，進而調(diào)節(jié)膜的通透性和流動性。Snake presynaptic neurotoxins with phospholipase A2 activity block nerve terminals in an unknown way. Here, we propose that they enter the lumen of synaptic vesicles following endocytosis and hydrolyse phospholipids of the inner lea

11、flet of the membrane. The transmembrane pH gradient drives the translocation of fatty acids to the cytosolic monolayer, leaving lysophospholipids on the lumenal layer. Such vesicles are highly fusogenic and release neurotransmitter upon fusion with the presynaptic membrane, but cannot be retrieved b

12、ecause of the high local concentration of fatty acids and lysophospholipids, which prevents vesicle neck closure. Trends Biochem Sci. 2000 Jun;25(6):266-70.PLA2l 磷脂的電荷特性：極性頭由帶負電荷的磷酸基與帶電或不帶電的極性基團組成，決定整個磷脂的電荷特性。磷酸基帶負電，膽堿季銨鹽帶正電，使磷脂酰膽堿在生理pH下呈電中性。生理狀態(tài)下，磷脂在膜內(nèi)外分布的不均衡使膜內(nèi)側(cè)帶有額外的負電荷。C激酶作用途徑可見磷脂酰肌醇的磷酸化產(chǎn)物在其中扮演的重

13、要角色磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二?；视图〈?1,4,5-三磷酸一些磷脂還具有重要的生物學(xué)活性2.1.2 糖脂（glycolipids）l 糖脂與磷脂有幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)形式，也是二酰甘油或N-?；拾贝佳苌a(chǎn)物，所不同的是親水部分是由一系列單糖殘基構(gòu)成。甘油糖脂二酰甘油糖基化產(chǎn)物中性糖鞘脂神經(jīng)酰胺糖基化產(chǎn)物酸性糖鞘脂膜糖脂分類甘油糖脂 糖鞘脂(A) MGDG (monogalactosyl diacylglycerol, 單半乳糖二?；视?. (B) DGDG (digalactosyl diacylglycerol, 雙半乳糖二?；视?. (C) SQDG (sulfoquinovo

14、syl diacylglycerol, 6-磺基-D-異鼠李糖二酰基甘油).葉綠體被膜和類囊體膜中含量較高。BiochimieVolume 90, Issue 6, June 2008, Pages 947956甘油糖脂中性糖鞘脂：半乳糖腦苷脂(galactocerebroside)腦苷脂是動植物細胞膜重主要的鞘脂，一般定為于脂雙層的外葉酸性糖鞘脂：神經(jīng)節(jié)苷脂(gangliosides, GM)神經(jīng)節(jié)苷脂是最復(fù)雜的膜糖脂，約占神經(jīng)細胞質(zhì)膜總脂的5-10%。一些神經(jīng)節(jié)苷脂還是某些毒素蛋白（破傷風(fēng)桿菌和霍亂弧菌的外毒素）的受體。Nat Commun. 2013;4:2058. doi: 10.10

15、38/ncomms3058.肉毒桿菌毒素B與雙受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)糖鞘脂決定了人的血型2.1.3 類固醇（steroids）膽固醇(cholesterol)在動物細胞中占總脂可達50%谷固醇(sitosterol) 麥角固醇(ergosterol)1918帶短鏈的環(huán)戊烷多氫菲構(gòu)成扁平的疏水部分l 類固醇是動植物細胞膜的重要組分，對膜的特性產(chǎn)生顯著影響。一方面提高膜的剛性和微粘度，另一方面它的烴鏈固有的運動型又能增加膜的局部微區(qū)的無序性，使膜的流動性增加。l 類固醇對膜的這種雙向調(diào)整和穩(wěn)定作用使生物膜在較寬的溫度范圍（30-40）內(nèi)行使功能。小結(jié)：小結(jié)：據(jù)估計生物膜中的脂類至少有100種，在不同類型細

16、胞的質(zhì)膜和細胞內(nèi)膜體系中，各種膜脂的組成和含量各不相同。2.1.4 膜脂組織的多態(tài)性l 液晶相 凝膠相溫度的變化使脂雙層在凝膠態(tài)和液晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換l 六角形相 立方體相 J Cell Biol. Jun 19, 2006; 173(6): 839844.Identification of cubic membrane morphologies in TEM micrographs. Two examples of the DTC method, applied to TEM images of OSER (adopted from Snapp et al., 2003). (a) The ori

17、ginal TEM micrograph (Snapp et al., 2003 Fig. 2 c) matches perfectly to the theoretical superimposed projections of balanced (2-parallel surfaces) gyroid cubic membranes, as depicted in b. Asterisks indicate one of the multicontinuous, yet distinct, subvolumes of cubic membrane architecture. A doubl

18、e diamond projection (c) matches the TEM micrograph (d) adopted from Fig. 7 b of Snapp et al., (2003). The arrows in a and d indicate the continuity of one cubic membrane subvolume (between closely arranged bilayers) and the cytoplasm (Cy). Signature patterns of the theoretical projection are indist

19、inguishable to the electron density pattern of the TEM micrographs. The simulated projections are generated from sections with a thickness of 1/4 of a unit cell, viewed along the direction 36, 30, 17 for gyroid (b) and 28, 16, 5 for double diamond-type (c). The unit cell is the smallest structural u

20、nit that possesses the symmetry and properties of cubic membranes. Bars: (a) 100 nm; (d) 160 nm.2.2 膜蛋白l 不同生物膜中蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量有很大差異（髓鞘膜25%，細胞質(zhì)膜50%，線粒體內(nèi)膜75%）。l 生物膜的功能主要由膜蛋白承擔(dān)。膜蛋白和膜脂分子共同維持膜的完整性、多樣性和不對稱性。膜蛋白的功能不僅取決于自身固有的結(jié)構(gòu)，生物膜構(gòu)成的特殊環(huán)境對膜蛋白形成并保持正確的構(gòu)象起著不可或缺的作用。l 按照膜蛋白與脂雙層結(jié)合的方式，膜蛋白可分為：整合蛋白（1、2）外周蛋白（5、6）錨定蛋白（3、4）2

21、.2.1 整合(integral)蛋白或內(nèi)在(intrinsic)蛋白l 主要靠疏水力與膜脂相結(jié)合。有的部分嵌在脂雙層中（占少數(shù)），有的橫跨全膜（一次或多次，占多數(shù)）。l 膜內(nèi)在蛋白不易分離，只有用較劇烈的條件（如去垢劑、有機溶劑和超聲波等）才能把它們?nèi)芙庀聛怼?Inside Outside一個典型的一次穿膜蛋白黃色和綠色是疏水氨基酸每次跨膜螺旋由20-30個氨基酸殘基組成3-4.5nm氨基酸序列疏水性分析其結(jié)果與穿膜區(qū)域吻合其他跨膜結(jié)構(gòu)-桶（孔蛋白） 兼性-螺旋構(gòu)成的親水通道2.2.2 外周(peripheral)蛋白或外在(extrinsic)蛋白l 分布于膜的脂雙層（外層或內(nèi)層）的表面，

22、通過靜電力或非共價鍵與其他膜蛋白相互作用連接在膜上。l 膜周邊蛋白質(zhì)比較易于分離，通過改變離子強度或加入金屬螯合劑即可提取。紅細胞中的骨架膜蛋白2.2.3 脂錨定(lipid-anchored)蛋白l 脂錨定蛋白(lipid-anchored) 又稱脂連接蛋白(lipid-linked protein)，通過共價健的方式同脂分子結(jié)合。同脂的結(jié)合有兩種方式，一種是蛋白質(zhì)直接結(jié)合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結(jié)合，而是通過一個糖分子間接同脂結(jié)合。 l 目前已知有4種常見的脂錨定蛋白：棕櫚酰結(jié)合蛋白豆蔻酰結(jié)合蛋白異戊烯基化蛋白糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白l 棕櫚酰結(jié)合蛋白(palmitoyla

23、ted proteins)肽鏈C-末端附近的Cys-SH殘基與棕櫚酰以硫酯鍵結(jié)合，極少數(shù)為肽鏈N-末端的Gly殘基的氨基以酰胺鍵與棕櫚酰結(jié)合。Intracellular palmitoylationdepalmitoylation cycle of H-Ras and N-Ras. Both H-Ras (red) and N-Ras (purple) can become palmitoylated in the Golgi apparatus by a transmembrane Palmitoyl-Acyl-Transferase (PAT). Palmitoylated H-Ras a

24、nd N-Ras then traffic toward the plasma membrane using vesicular transport. Palmitoylated H-Ras can translocate to lipid rafts whereas palmitoylated N-Ras typically becomes enriched in lipid raft boundaries. The action of an Acyl Protein Thioesterase (APT) depalmitoylates H-Ras and N-Ras which can t

25、raffic in a retrograde manner toward endomembranes and the Golgi apparatus where they become repalmitoylated (please see text for details).Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - BiomembranesVolume 1808, Issue 12, December 2011, Pages 29812994Ras: All Ras protein family members belong to a class of pr

26、otein called small GTPase, and are involved in transmitting signals within cells l 豆蔻酰結(jié)合蛋白(myristoylated proteins)豆蔻酰結(jié)合于蛋白質(zhì)的N-末端，要求蛋白質(zhì)N-末端必需有特定的氨基酸序列(1Gly-5Ser/Thr)。豆蔻酰化不可逆。可以磷酸化，磷酸化是可逆的。l Myristoylation plays a vital role in membrane targeting and signal transduction in plant responses to environme

27、ntal stress.l In signal transduction via G protein, palmitoylation of the subunit, prenylation of the subunit, and myristoylation is involved in tethering the G protein to the inner surface of the plasma membrane so that the G protein can interact with its receptor.Cell. Signal. Vol. 8, No. 6, pp. 4

28、33-437, 1996l 異戊烯基化蛋白(prenylated proteins)蛋白質(zhì)C-末端的-CaaX（C：Cys，a：脂肪族氨基酸，X：Ser/Met/Gln）序列中的Cys殘基以硫醚鍵共價連接法尼基或牻牛兒牻牛兒基。之后，aaX被蛋白酶切除，新生成的羥基被甲基化。Post-translational prenylation of eukaryotic proteins. Proteins that contain a C-terminal CaaX motif are recognized by prenyltransferases (FTase, GGTases I and GG

29、Tase II). The X residue of the CaaX motif determines the prenyl group to be linked to the conserved cysteine residue: Ala, Ser, Cys or Gln lead to farnesylation by FTase, whereas for Leu or Val, geranylgeranyl is linked to the CaaX motif by GGTase I. Moreover, when X is Thr, Ile, Phe or Met, the pro

30、tein may be modified by both GGTases. After addition of a prenyl group in the cytoplasm, the aaX tripeptide is cleaved in the ER by RCE1 protease, which is followed by addition of a methyl group to the prenylated cysteine by the enzyme IcmT. The prenylated protein is subsequently targeted from the E

31、R to specific membranes.Trends in Microbiology, Volume 19, Issue 12, 573-579, 11 October 2011CaaX protein S-farnesylation and S-geranylgeranylation (top). Rab protein dual S-geranylgeranylation (bottom).G-蛋白中的異戊烯基化Cell. Signal. Vol. 8, No. 6, pp. 433-437, 1996l 糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI-Pr）此類蛋白完全定位于細胞質(zhì)膜的外表面，它

32、們的C-末端氨基酸通過酰胺鍵與磷酸乙醇胺相連。lPrion Attached to Membrane by GPI AnchorImage Courtesy: Nature Reviews Microbiology 4, 765-777 (October 2006)Prion Protein2.3 膜糖l 質(zhì)膜含糖約占膜重2-10%，多為糖蛋白，少數(shù)為糖脂。（紅細胞質(zhì)膜中，糖蛋白為93%，糖脂為7%）l 構(gòu)成生物膜寡糖的單糖主要有9種：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、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。l 生物膜上的糖類幾乎都定位于膜的非胞漿面，在質(zhì)膜外側(cè)形成細胞外被或

33、糖萼。糖萼（glycocalyx）lThe gp120 molecule with the location of the variable regions marked in boxes (V1V5). The glycosylation sites containing high mannose-type and/or hybrid-type oligosaccharide structures are indicated by the branched structures, and glycosylation sites containing complex-type oligosac

34、charide structures are indicated by the U-shaped branches. Epitopes in gp120 that induce neutralizing antibodies are highlighted in colour. These include the highly conformational CD4-binding domain (key epitopes highlighted in yellow), the CD4-induced epitope (green), an epitope composed of alpha1r

35、ight arrow2 mannose residues (purple), the V2 loop (orange) and the V3 loop (blue). Reproduced with permission from Ref. 63 (1990) American Society for Biochemistry and Molecular Biology.Nature Reviews Immunology 4, 199-210 (March 2004)gp120的高度糖基化使HIV能逃避宿主的免疫系統(tǒng)3 生物膜的結(jié)構(gòu)l 1895 年Overton發(fā)現(xiàn)脂肪的物質(zhì)容易透過植物的細胞

36、膜，推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。l E. Gorter & F. Grendel 1925年用有機溶劑提取了人的紅細胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，推測細胞膜由雙層脂分子組成。l J. Danielli & H. Davson 1935年發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)，并于1959年提出“三明治” 式結(jié)構(gòu)。l J. D. Robertson 1959年用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，1964年提出了單位膜（ unitmembrane ）模型。l 1972年S.Jonathan Singer和G

37、arth L.Nicolson根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的結(jié)果，提出了“流體鑲嵌模型”。3.1 生物膜的“流體鑲嵌”模型l 極性脂雙分子層構(gòu)成生物膜的基本構(gòu)架，膜蛋白鑲嵌在其中。l 生物膜是由極性脂和蛋白分子按二維排列的流體，膜的結(jié)構(gòu)組分在其中可以移動并聚集組裝。（流動性）l 生物膜中的蛋白質(zhì)的分布不對稱，有的鑲嵌在脂雙層的表面，有的則部分或全部嵌入脂雙層內(nèi)部，有的則橫跨整個膜。（不對稱性）3.2 生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征l “流體鑲嵌”模型雖然得到比較廣泛的支持，一直不失為膜生物學(xué)的核心原理，但仍存在許多局限性l 人們越來越關(guān)注與多樣性的細胞功能和狀態(tài)相適應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)的多樣性、多形性和不對稱性

38、以及動態(tài)特征。3.2.1 膜的不對稱性l 膜脂、膜蛋白膜脂、膜蛋白和糖糖在膜上均呈不對稱分布，導(dǎo)致膜功能的不對稱性和方向性，即膜內(nèi)外兩層的流動性不同，使物質(zhì)傳遞有一定方向，信號的接受和傳遞也有一定方向。l 膜脂的不對稱性：膜脂的不對稱性：脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質(zhì)膜的內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不對稱性是由酶來維系的Annexin V是一種分子量為3536kDa的Ca2+依賴性磷脂結(jié)合蛋白，與磷脂酰絲氨酸有高度的親和力。 PI (碘化丙啶, Propidium Iodide) 是一種可對 DNA 染色的細胞核染色試劑。膜的不對稱性改變與細胞凋亡流式細胞術(shù)脂筏（脂筏（lipi

39、d raft）是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。由于鞘磷脂具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體。脂筏就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。 膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域脂筏。Hierarchy of raft-based heterogeneity in cell membranes. (A) Fluctuating nanoscale assemblies of sterol- and sphingolipid-related biases in latera

40、l composition. This sphingolipid/sterol assemblage potential can be accessed and/or modulated by GPI-anchored proteins, certain TM proteins, acylated cytosolic effectors, and cortical actin. Gray proteins do not possess the chemical or physical specificity to associate with this membrane connectivit

41、y and are considered non-raft. GPL, glycerophospholipid; SM, sphingomyelin. (B) Nanoscale heterogeneity is functionalized to larger levels by lipid- and/or protein-mediated activation events (e.g., multivalent ligand binding, synapse formation, protein oligomerization) that trigger the coalescence o

42、f membrane orderforming lipids with their accompanying selective chemical and physical specificities for protein. This level of lateral sorting can also be buttressed by cortical actin. (C) The membrane basis for heterogeneity as revealed by the activation of raft phase coalescence at equilibrium in

43、 plasma-membrane spheres. Separated from the influence of cortical actin and in the absence of membrane traffic, multivalent clustering of raft lipids can amplify the functional level to a microscopic membrane phase. Membrane constituents are laterally sorted according to preferences for membrane or

44、der and chemical interactions.Science 1 January 2010: Vol. 327 no. 5961 pp. 46-50 l 膜蛋白的不對稱性：膜蛋白的不對稱性：膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。l 糖的不對稱性：糖的不對稱性：無論在任何情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面，這些成分可能是細胞表面受體，并且與細胞的抗原性有關(guān)。3.2.2 生物膜的流動性l 流動性是生物膜最重要的特征之一，涉及膜脂的流動性和膜蛋白的流動性。l 膜脂的流動性：在生理條件下，質(zhì)膜大多呈液晶相

45、，當(dāng)溫度降低至變相溫度（Tc）時，即從液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相。單組分膜的變相溫度很狹窄，而由多種膜脂組成的生物膜的變相溫度范圍可寬達幾十度。膽固醇對變相溫度的影響是雙方面的。側(cè)向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉(zhuǎn)運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉(zhuǎn)。擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。是在翻轉(zhuǎn)酶（flippase）的催化下完成。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致異構(gòu)化運動。l 膜蛋白的流動性：主要有側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。膜保持適當(dāng)?shù)牧鲃有允潜憩F(xiàn)正常功能的必要

46、條件，如物質(zhì)的跨膜運輸、細胞識別、細胞免疫、細胞分化和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等，均與膜的流動性有關(guān)。3.3 膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)l 研究表明，各種生物基因組編碼的蛋白質(zhì)約有25%是膜蛋白，而膜蛋白的70-80%是整合蛋白l 測定膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)非常困難。至今只有少數(shù)膜整合蛋白得到了三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，比如嗜鹽菌菌紫質(zhì)（bacteriorhodopsin）。嗜鹽菌菌紫質(zhì)三維結(jié)構(gòu)示意圖左：視紫質(zhì)的亞單位由248個氨基酸殘基做成，7次跨膜右：膜上的視紫質(zhì)亞基是以三聚體的形式存在的/mpstruc//mpstruc/

47、MEMBRANE PROTEINS OF KNOWN 3D STRUCTURE3.4 人工膜（artificial lipid membrane）l 人工膜具有生物膜的基本結(jié)構(gòu)特點和某些理化性質(zhì)，是研究生物膜結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基本模型。l 最能代表生物膜結(jié)構(gòu)特性的人工膜是單分子層膜、雙分子層膜和脂質(zhì)體。l 平面雙分子膜l 脂質(zhì)體（liposomes）Liposomes are often distinguished according to their number of lamellae and size. Small unilamellar vesicles (SUV), large uni

48、lamellar vesicles (LUV) and large multilamellar vesicles (MLV) or multivesicular vesicles (MVV) are differentiated. SUVs show a diameter of 20 to approximately 100 nm. LUVs, MLVs, and MVVs range in size from a few hundred nanometers to several microns. The thickness of the membrane (phospholipid bil

49、ayer) measures approximately 5 to 6 nm.http:/ LB膜（Langmuir-Blodgett membrane）4 物質(zhì)跨膜運輸l細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物質(zhì)交換以維持其正常的功能。l細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時也要排出不需要的物質(zhì)。l在各種物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程中，細胞膜起著重要的調(diào)控作用。真核細胞的物質(zhì)跨膜運輸4.1 小分子物質(zhì)的跨膜運輸l 跨膜運輸?shù)男》肿游镔|(zhì)包括代謝物、輔因子、金屬離子、氣體分子和藥物等，按照物質(zhì)運輸時自由能的變化情況，基本上可以劃分為被動運輸和主動運輸兩大類。4.1.1 被動運輸（passive

50、 transport）l 物質(zhì)從高濃度一側(cè)通過膜運送到低濃度一側(cè)，即順濃度梯度的方向跨膜運送的過程稱被動運輸 。在該過程中G0。l 簡單擴散（simple diffusion）即物質(zhì)經(jīng)由親水通道或膜脂流動造成的在分子間瞬時出現(xiàn)的微孔，從高濃度一側(cè)自由擴散到低濃度一側(cè)。簡單擴散示意圖l 促進擴散（facilitated diffusion）糖、氨基酸、核苷酸、羧酸等代謝物和金屬離子，能以比簡單擴散快得多的速率順著濃度梯度跨膜運輸，這是由于膜上有幫助其通過的特異的運輸?shù)鞍?，因此成為促進擴散。l 參與促進擴散的有門通道和載體蛋白。兩種控制類型的門通道（gated channels）與通道不同，載體蛋

51、白（carrier proteins）并未在膜上形成跨膜通道。載體蛋白能特異地與某種物質(zhì)暫時性可逆結(jié)合，通過引發(fā)構(gòu)象變化，把物質(zhì)從濃度高的一側(cè)運到膜的另一側(cè)。線粒體內(nèi)膜的ATP/ADP交換離子載體（ionophores）是一類可溶于脂雙層的小分子疏水物質(zhì)，它們通過增加脂雙層對離子的透性以被動運輸方式運送離子。分為移動性離子載體和形成通道的離子載體。纈氨霉素 Valinomycin短桿菌肽 Gramicidin短桿菌肽A運輸示意圖4.1.2 主動運輸（active transport）l 細胞經(jīng)常逆著濃度梯度選擇性地吸收或排出某些物質(zhì)，同時伴隨能量消耗，稱為主動運輸。l 特點：1. 需要供給能量

52、；2. 專一性；3. 運輸速率可達到“飽和”狀態(tài)；4. 方向性；5. 選擇性抑制。l 主動運輸可再劃分為初級主動運輸、次級主動運輸和基團轉(zhuǎn)移。l 初級主動運輸（primary active transport）系統(tǒng)直接通過ATP等高等化合物提供能量，推動離子和某些代謝物的運輸。Na-K泵工作原理l 次級主動運輸（secondary active transport）系統(tǒng)并不直接通過水解ATP提供能量來推動，而是依賴于以離子梯度形式貯存的能量。l 有些細菌攝入糖時需進行磷酸化反應(yīng)，以糖-磷酸的形式進入細胞，稱為基團轉(zhuǎn)移（group translocation）。4.2 大分子物質(zhì)的跨膜運輸l 以

53、蛋白質(zhì)為例，蛋白質(zhì)的跨膜運輸有三種不同的基本途徑：1.孔門運輸（gated transport）；2.跨膜轉(zhuǎn)位（transmembrane translocation）；3.泡囊運輸（vesicle traffic）。翻譯轉(zhuǎn)運同步機制 翻譯后轉(zhuǎn)運機制4.2.1 新生肽鏈經(jīng)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)位l 粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體合成的蛋白質(zhì)可分為兩類：一類是跨膜蛋白，一類是可溶蛋白。l 此類蛋白質(zhì)的新生肽鏈N-端有引導(dǎo)其跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的信號肽粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)l 信號肽的特點： 1015個疏水氨基酸； N端有帶正電荷的氨基酸； C端接近切割點處有數(shù)個極性氨基酸；離切割點最近的氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈（Ala, Gly）

54、。不同的氨基酸序列作為分選信號決定蛋白質(zhì)運輸?shù)姆较蛐律鞍踪|(zhì)通過同步轉(zhuǎn)運途徑進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過程內(nèi)部開始轉(zhuǎn)運肽的帶電狀態(tài)決定了穿膜蛋白的方向幾種不同的穿膜實例4.2.2 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)位進入線粒體和葉綠體l 大多數(shù)線粒體和葉綠體蛋白是由核基因編碼的，由細胞質(zhì)中游離的核糖體以前體的形式合成，再運送至線粒體或葉綠體。l 這種轉(zhuǎn)運需要前體蛋白自身帶有運輸信號的特殊肽段導(dǎo)肽（leader sequence）。 前導(dǎo)肽具有如下特性：帶正電荷的堿性氨基酸（特別是精氨酸）含量較為豐富，它們分散于不帶電荷的氨基酸序列之間；缺少帶負電荷的酸性氨基酸；羥基氨基酸（特別是絲氨酸）含量較高；有形成兩親（既有親水又有

55、疏水部分）-螺旋結(jié)構(gòu)的能力。線粒體蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運Tom：Transporter Outer Membrane Tim：Transporter Inner Membrane蛋白質(zhì)進入線粒體內(nèi)膜和膜間隙葉綠體的蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運4.2.3 核質(zhì)運輸l 分子量小于5kD的物質(zhì)隨機擴散通過核孔；l 5-50kD的物質(zhì)可能經(jīng)被動擴散進入核內(nèi)，也可能經(jīng)由主動運輸；l 大于50kD的物質(zhì)必需經(jīng)由核孔復(fù)合物運輸。核輸入l 為了核蛋白的重復(fù)定位，這些蛋白質(zhì)中的信號肽 被稱為核定位序列（nuclear localization sequence, NLS）一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。l 蛋白質(zhì)向

56、核內(nèi)運輸過程需要核運轉(zhuǎn)因子（Importin）、和一個低分子量GTP酶（Ran）參與。核輸出l 輸出的多為巨大的核蛋白顆粒（mRNA和若干蛋白）。l 對蛋白質(zhì)等大分子上的核輸出信號（nuclear export signal, NES）所知有限。4.2.4 泡囊運輸l 蛋白質(zhì)等生物大分子通過質(zhì)膜進/出細胞，以及經(jīng)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體運輸?shù)劫|(zhì)膜和其他內(nèi)膜系統(tǒng)，均需依賴有被泡囊運輸（coated vesicle traffic）系統(tǒng)。泡囊運輸涉及包被蛋白和其他一些蛋白。泡囊的形成還有發(fā)動蛋白(dynamin) 的幫助三種類型的有被小泡介導(dǎo)不同的運輸途徑 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能蛋白的羧基端的一個四肽序列：

57、Lys-Asp-Glu-Leu-COOH，即KDEL信號序列是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的滯留信號。KDEL信號在高爾基復(fù)合體各個部分的膜上都有相應(yīng)的受體。如果ER滯留蛋白質(zhì)在出芽時被錯誤地包進分泌泡而離開了ER， 高爾基復(fù)合體膜上的這種信號受體蛋白就會與逃出的ER蛋白結(jié)合，并形成小泡， 將這些ER蛋白“押送”回到ER。5 生物膜在能量轉(zhuǎn)換中的功能l 線粒體內(nèi)膜、葉綠體類囊體膜和細菌的質(zhì)膜是生物體能量轉(zhuǎn)換的主要場所。發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上的氧化磷酸化過程l 氧化磷酸化偶聯(lián)機制Mitchell P.1961提出“化學(xué)滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代關(guān)于化學(xué)滲透假說取得大量實驗結(jié)果的支持，成為一種較為流行的假說，Mitchell本人也因此獲得1978年諾貝爾化學(xué)獎。米切爾（ Mitchell P.）本人獨得了1978年的諾貝爾化學(xué)獎。1961年到1978年，17年時間就從“門外漢”的狀態(tài)登上了榮譽和成就的頂峰，這在諾貝爾獎的歷史上是罕見的。物理、化學(xué)和