生物膜的結構與功能

1、生物膜的結構與功能 西北農林科技大學生命科學學院許曉東2015.10Mobile:-mail: 碩士研究生高級生物化學l生物膜（biomembrane）包括質膜和細胞內膜，是極性脂與蛋白質組成的片狀超分子復合物，具有獨特的結構與功能，是細胞結構的重要組成部分。生物膜與生命科學中許多基本理論問題以及一些亟待解決的實際問題相關，如細胞起源、形態(tài)發(fā)生、細胞分裂、分化、細胞識別、免疫、物質運輸、信息傳遞、代謝調控、能量轉換、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%本章內容1. 生物膜功能概述2. 生物膜的化學組成與性質3. 生物膜的結構4. 物質跨膜運輸

2、5. 生物膜在能量轉換中的功能1 生物膜功能概述1. 區(qū)隔化或房室化（compartmentalization）2. 物質的跨膜運輸（transport）3. 能量轉換（energy conversion）4. 細胞識別（cell recognition）1. 區(qū)隔化或房室化（compartmentalization）內膜結構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的復制和轉錄等；而線粒體主要進行呼吸作用，提供能量；溶酶體則負責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

3、之外，細胞中還有其他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 2. 物質的跨膜運輸（transport）生物膜既要防

4、止細胞與環(huán)境之間以及細胞內各房室之間的物質自由混合，又要維持各區(qū)間物質有控制地交流。3. 能量轉換（energy conversion）a. 線粒體 b. 葉綠體c.“能勢膜”c.“能勢膜” 示例4. 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分子或配體選擇性地相互作用，觸發(fā)細胞內一系列生理生化變化，最終導致細胞的總體生物學效應相應改變，這樣的過程稱為細胞識別。Fig. 2.Cell surface lectincarbohydrate interactions. Lectins serve as means of attachment of diffe

5、rent kinds of 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 att

6、achment for biologically 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 生物膜的化學組成與性質l 所有生物膜都具有雙親性，即兩側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

7、雙親結構。l 生物膜的三種基本組分是：脂類、蛋白質和糖（以糖脂或糖蛋白的形式存在）。2.1 膜脂l 構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

8、鏈長度不同，導致以鞘磷脂為主的雙層膜較厚，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，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 順式構型 。順式構型的不飽和脂肪酸導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 A

9、2 (PLA2) into 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 platele

10、t activating 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象，進而調節(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

11、the inner leaflet 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 b

12、e retrieved because 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，磷脂在膜內外分布的不均衡使膜內側帶有額外的負電荷。C激酶作用途徑可見磷脂酰肌醇

13、的磷酸化產物在其中扮演的重要角色磷脂酰肌醇-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活性2.1.2 糖脂（glycolipids）l 糖脂與磷脂有幾乎完全相同的結構形式，也是二酰甘油或N-?；拾贝佳苌a物，所不同的是親水部分是由一系列單糖殘基構成。甘油糖脂二酰甘油糖基化產物中性糖鞘脂神經酰胺糖基化產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

14、(sulfoquinovosyl 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：神經節(jié)苷脂(gangliosides, GM)神經節(jié)苷脂是最復雜的膜糖脂，約占神經細胞質膜總脂的5-10%。一些神經節(jié)苷脂還是某些毒素蛋白（破傷風桿菌和霍亂弧菌的外毒素）的受體。Nat Commun. 2013;4:205

15、8. doi: 10.1038/ncomms3058.肉毒桿菌毒素B與雙受體結合的結構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整和穩(wěn)定作用使生物膜在較寬的溫度范圍（30-40）內行使功能。小結：小結：據估計生物膜中的脂類至

16、少有100種，在不同類型細胞的質膜和細胞內膜體系中，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)

17、. (a) The original 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 architec

18、ture. A double 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 projecti

19、on are indistinguishable 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

20、 structural unit 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的種類和數量有很大差異（髓鞘膜25%，細胞質膜50%，線粒體內膜75%）。l 生物膜的功能主要由膜蛋白承擔。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構，生物膜構成的特殊環(huán)境對膜蛋白形成并保持正確的構象起著不可或缺的作用。l 按照膜蛋白與脂雙層結合的方式，膜蛋白可分為：整合蛋白（1、2）外周蛋白（5

21、、6）錨定蛋白（3、4）2.2.1 整合(integral)蛋白或內在(intrinsic)蛋白l 主要靠疏水力與膜脂相結合。有的部分嵌在脂雙層中（占少數），有的橫跨全膜（一次或多次，占多數）。l 膜內在蛋白不易分離，只有用較劇烈的條件（如去垢劑、有機溶劑和超聲波等）才能把它們溶解下來。 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果與穿膜區(qū)域吻合其他跨膜結構-桶（孔蛋白） 兼性-螺旋構成的親水通道2.2.2 外周(peripheral)蛋白或外在(extrinsic)蛋白l 分布于膜的脂

22、雙層（外層或內層）的表面，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合。同脂的結合有兩種方式，一種是蛋白質直接結合于脂雙分子層，另一種方式是蛋白并不直接同脂結合，而是通過一個糖分子間接同脂結合。 l 目前已知有4種常見的脂錨定蛋白：棕櫚酰結合蛋白豆蔻酰結合蛋白異戊烯基化蛋白糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白l 棕櫚酰結合

23、蛋白(palmitoylated proteins)肽鏈C-末端附近的Cys-SH殘基與棕櫚酰以硫酯鍵結合，極少數為肽鏈N-末端的Gly殘基的氨基以酰胺鍵與棕櫚酰結合。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). Palmitoy

24、lated H-Ras and 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-Ra

25、s which can traffic 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

26、a class of protein called small GTPase, and are involved in transmitting signals within cells l 豆蔻酰結合蛋白(myristoylated proteins)豆蔻酰結合于蛋白質的N-末端，要求蛋白質N-末端必需有特定的氨基酸序列(1Gly-5Ser/Thr)。豆蔻?；豢赡?。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

27、 to environmental 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,

28、 No. 6, pp. 433-437, 1996l 異戊烯基化蛋白(prenylated proteins)蛋白質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, GGT

29、ases I and GGTase 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

30、 Met, the protein 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 target

31、ed from the ER 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

32、定位于細胞質膜的外表面，它們的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 質膜含糖約占膜重2-10%，多為糖蛋白，少數為糖脂。（紅細胞質膜中，糖蛋白為93%，糖脂為7%）l 構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

33、，在質膜外側形成細胞外被或糖萼。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-

34、type oligosaccharide 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 compos

35、ed of alpha1right 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 生物膜的結構l 1895 年Overton發(fā)現(xiàn)脂

36、肪的物質容易透過植物的細胞膜，推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。l E. Gorter & F. Grendel 1925年用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分，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，并于1959年提出“三明治” 式結構。l J. D. Robertson 1959年用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，1964年提出了單位膜（ unitmembrane ）模型。l 1972年S.Jona

37、than Singer和Garth L.Nicolson根據免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的結果，提出了“流體鑲嵌模型”。3.1 生物膜的“流體鑲嵌”模型l 極性脂雙分子層構成生物膜的基本構架，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，膜的結構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部，有的則橫跨整個膜。（不對稱性）3.2 生物膜結構的主要特征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的核心原理，但仍存在許多局限性l 人們越來越關注與多樣性的細胞功能和狀態(tài)相適應的膜結構

38、的多樣性、多形性和不對稱性以及動態(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，導致膜功能的不對稱性和方向性，即膜內外兩層的流動性不同，使物質傳遞有一定方向，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，質膜的內外兩側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

39、細胞術脂筏（脂筏（lipid raft）是質膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域。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)域結構致密，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停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。 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構域脂筏。Hierarchy of raft-based heterogeneity in cell membranes. (A) Fluctuating nanoscale assemblies of sterol- and sphingolipid-related bia

40、ses in lateral 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 membran

41、e connectivity 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

42、coalescence of 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 e

43、quilibrium in 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 fo

44、r membrane order 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。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

45、理條件下，質膜大多呈液晶相，當溫度降低至變相溫度（Tc）時，即從液晶相轉變?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。1. 側向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。2. 旋轉運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。3. 擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。4. 伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。5. 翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。是在翻轉酶（flippase）的催化下完成。6. 旋轉異構：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉，導致異構化運動。l 膜蛋白的流動性：主要有側向擴散

46、和旋轉擴散兩種運動方式。膜保持適當的流動性是表現(xiàn)正常功能的必要條件，如物質的跨膜運輸、細胞識別、細胞免疫、細胞分化和信號轉導等，均與膜的流動性有關。3.3 膜蛋白的三維結構l 研究表明，各種生物基因組編碼的蛋白質約有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構非常困難。至今只有少數膜整合蛋白得到了三維結構的數據，比如嗜鹽菌菌紫質（bacteriorhodopsin）。嗜鹽菌菌紫質三維結構示意圖左：視紫質的亞單位由248個氨基酸殘基做成，7次跨膜右：膜上的視紫質亞基是以三聚體的形式存在的/mpstruc/http:

47、//mpstruc/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構特點和某些理化性質，是研究生物膜結構與功能關系的基本模型。l 最能代表生物膜結構特性的人工膜是單分子層膜、雙分子層膜和脂質體。l 平面雙分子膜l 脂質體（liposomes）Liposomes are often distinguished according to their number of lamellae and size. Small unilam

48、ellar vesicles (SUV), large unilamellar 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

49、 the membrane (phospholipid bilayer) measures approximately 5 to 6 nm.http:/ LB膜（Langmuir-Blodgett membrane）4 物質跨膜運輸l細胞或細胞器需要經常與外界進行物質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。l在各種物質跨膜轉運過程中，細胞膜起著重要的調控作用。真核細胞的物質跨膜運輸4.1 小分子物質的跨膜運輸l 跨膜運輸的小分子物質包括代謝物、輔因子、金屬離子、氣體分子和藥物等，按照物質運輸時自由能的變化情況，基本上可以劃分為

50、被動運輸和主動運輸兩大類。4.1.1 被動運輸（passive transport）l 物質從高濃度一側通過膜運送到低濃度一側，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）即物質經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，從高濃度一側自由擴散到低濃度一側。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蛋白，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

51、類型的門通道（gated channels）與通道不同，載體蛋白（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暫時性可逆結合，通過引發(fā)構象變化，把物質從濃度高的一側運到膜的另一側。線粒體內膜的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，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 細胞經常逆著濃度梯度選擇性地吸收或排出某些物質

52、，同時伴隨能量消耗，稱為主動運輸。l 特點：1. 需要供給能量；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，以糖-磷酸的形式進入細胞，稱為基團轉移（group t

53、ranslocation）。4.2 大分子物質的跨膜運輸l 以蛋白質為例，蛋白質的跨膜運輸有三種不同的基本途徑：1.孔門運輸（gated transport）；2.跨膜轉位（transmembrane translocation）；3.泡囊運輸（vesicle traffic）。翻譯轉運同步機制 翻譯后轉運機制4.2.1 新生肽鏈經由內質網膜轉位l 粗糙型內質網上的核糖體合成的蛋白質可分為兩類：一類是跨膜蛋白，一類是可溶蛋白。l 此類蛋白質的新生肽鏈N-端有引導其跨越內質網膜的信號肽粗糙型內質網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個極性氨基

54、酸；離切割點最近的氨基酸往往帶有很短的側鏈（Ala, Gly）。不同的氨基酸序列作為分選信號決定蛋白質運輸的方向新生蛋白質通過同步轉運途徑進入內質網內腔的主要過程內部開始轉運肽的帶電狀態(tài)決定了穿膜蛋白的方向幾種不同的穿膜實例4.2.2 蛋白質跨膜轉位進入線粒體和葉綠體l 大多數線粒體和葉綠體蛋白是由核基因編碼的，由細胞質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 這種轉運需要前體蛋白自身帶有運輸信號的特殊肽段導肽（leader sequence）。 前導肽具有如下特性：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

55、；羥基氨基酸（特別是絲氨酸）含量較高；有形成兩親（既有親水又有疏水部分）-螺旋結構的能力。線粒體蛋白質的定向轉運Tom：Transporter Outer Membrane Tim：Transporter Inner Membrane蛋白質進入線粒體內膜和膜間隙葉綠體的蛋白質定向轉運4.2.3 核質運輸l 分子量小于5kD的物質隨機擴散通過核孔；l 5-50kD的物質可能經被動擴散進入核內，也可能經由主動運輸；l 大于50kD的物質必需經由核孔復合物運輸。核輸入l 為了核蛋白的重復定位，這些蛋白質中的信號肽 被稱為核定位序列（nuclear localization sequence, NLS

56、）一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。l 蛋白質向核內運輸過程需要核運轉因子（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 蛋白質等生物大分子通過質膜進/出細胞，以及經由內質網-高爾基體運輸到質膜和其他內膜系統(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

57、不同的運輸途徑 內質網的結構和功能蛋白的羧基端的一個四肽序列：Lys-Asp-Glu-Leu-COOH，即KDEL信號序列是內質網的滯留信號。KDEL信號在高爾基復合體各個部分的膜上都有相應的受體。如果ER滯留蛋白質在出芽時被錯誤地包進分泌泡而離開了ER， 高爾基復合體膜上的這種信號受體蛋白就會與逃出的ER蛋白結合，并形成小泡， 將這些ER蛋白“押送”回到ER。5 生物膜在能量轉換中的功能l 線粒體內膜、葉綠體類囊體膜和細菌的質膜是生物體能量轉換的主要場所。發(fā)生在線粒體內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“化學滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代關于化學滲透假說取得大量實驗結果的支持，成為一種較為流行的假說，Mitchell本人也因此獲得1978年諾貝爾化學獎。米切爾（ Mitchell P.）本人獨得了1978年的諾貝爾化學獎。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、