《生物物理學》課件第一章 生物膜的結(jié)構(gòu)與功能（2）.18ppt

1、 1.3 生物膜的特性 膜的不對稱性 膜的運動性 膜的相結(jié)構(gòu)和相變1 一.膜的不對稱性 膜的不對稱性即膜脂、膜蛋白和糖不對稱地分布在脂雙層的兩葉片層，所有生物膜都具有這種結(jié)構(gòu)的不對稱性，它是生物膜功能的重要基礎。 2 脂質(zhì)雙分子層中，各層所含的磷脂種類有明顯不同。同一種脂分子在脂雙層中也呈不均勻分布。1.膜脂的不對稱性3 膜的兩個片層由不同的脂組成，用磷脂酶處理完整的RBC，由于膜的不通透性，該膜只能作用于膜的外側(cè)片層，而無法作用于面對胞漿的另一個片層。結(jié)果表明：4紅細胞質(zhì)膜脂分布的不對稱性外層：糖脂 磷脂酸膽堿(PC) 神經(jīng)鞘磷脂(SM) 膽固醇內(nèi)層：磷脂酰絲氨酸(PS) 磷脂酸乙醇胺(PE

2、) 磷脂酰肌醇 (PI) 糖脂僅存在于脂膜外側(cè)中。56 當然，不同的細胞膜，脂類的不對稱分布也不同相同。 例如： 豬血小板質(zhì)膜，PC主要分布在內(nèi)側(cè)。 人紅細胞膜，PC主要分布在外側(cè)。7 即使在同一細胞膜的不同部位，脂類的分布也不相同.例如：在血竇處的肝細胞膜 的接觸面，PE對稱 分布在膜的內(nèi)外兩側(cè)。 在毛細膽管處的質(zhì)膜， PE主要分布在內(nèi)側(cè)。8如何造成膜脂的不對稱分布還不太清楚。（a）脂類分子本身的某些物理性質(zhì)，如: 分子形狀（極性頭部的大?。篜E、PS 內(nèi)側(cè)，PC 外側(cè)） 帶電狀態(tài) 有可能影響脂類分子的在膜上的分布。（b）與糖和膜蛋白的相互作用有關(guān) （1） 脂分布的不對稱的成因：9（c）從根

3、本上來說，它是細胞合成膜的時候決定的，這種不對稱可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成時已經(jīng)開始了，并受細胞生理狀態(tài)影響。在細胞凋亡時，質(zhì)膜的脂類分布的不對稱性將明顯改變。 真核細胞的大部分膜包括質(zhì)膜是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的，ER內(nèi)存在有磷脂轉(zhuǎn)位因子或翻轉(zhuǎn)酶，它們能夠特異性地將某種脂分子從膜的一個片層轉(zhuǎn)位到另一個片層。另外，某些脂類可以結(jié)合到膜的某一個片層中的特殊的蛋白區(qū)域。10（2）脂的不對稱分布的特點： 相對性 變化性11（3）脂的不對稱分布具有重要的生理意義： -與膜蛋白的生理功能有關(guān) 12 蛋白激酶C結(jié)合于質(zhì)膜富含磷脂酰絲氨酸PS的胞漿面片層，它的活化需要這種負電性磷脂結(jié)合。13 磷脂酰肌醇（PI）在真核細胞膜中的

4、含量較少，但是，主要分布在胞漿面片層，這種分布適合于位于胞漿的特異性酶在細胞外信號的激活下將PI切割成兩個片段（DG和IP3），它們作為可擴散于胞漿的第二信使，進一步活化相應的信號傳遞途徑的級聯(lián)反應。14152.膜蛋白的不對稱性 所有的膜蛋白，無論是內(nèi)在蛋白，還是外在蛋白，在質(zhì)膜上都呈不對稱分布。 與膜脂不同，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。細胞表面受體、膜上載體蛋白，都是按一定方向傳遞信號和轉(zhuǎn)運物質(zhì)的。與細胞膜相關(guān)的酶促反應也都發(fā)生在膜的某一側(cè)面。質(zhì)膜上的糖蛋白和糖脂，其糖殘基均分布在質(zhì)膜的非胞漿面。161718 這種分布賦予膜的兩個單片層具有不同的特性。這種

5、分布是在合成期間建立的，并且在其存在的全過程中都維持著。19 各種生物膜的特征及其生物學功能主要是由膜蛋白決定的。 膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復雜的、在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。20膜蛋白不對稱性的特點： 絕對的，基本不變化的。213.糖的不對稱性分布 如果說生物膜脂與蛋白質(zhì)的不對稱分布表現(xiàn)在內(nèi)外兩側(cè)脂與蛋白數(shù)量上和種類的區(qū)別上，生物膜的糖的不對稱分布則表現(xiàn)在所有的糖都僅僅分布在膜的一側(cè)： 在質(zhì)膜，分布在外表面； 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)池的一面； 在核膜，分布在核周間隙側(cè)。22232425二.膜的運動性 生物膜的運動性是生物膜的基本特征，是細胞進行生命活動的必要條。 膜及其組成成

6、分的運動性主要包括： 脂雙層的流動性（fluidity） 蛋白質(zhì)分子在膜中的運動 (mobility) 完整膜或膜片段的膜流（membrane flow）261.脂雙層的流動性(1)膜脂的流動性（微粘度）: 膜脂的流動性是用以描述膜的物理狀態(tài)的重要參數(shù)，它描寫脂質(zhì)分子無序性時間平均值的物理量，無序性愈大，脂質(zhì)分子排列越不整齊，分子越容易運動，微粘度越小，流動性越大。反之，無序性越?。ㄓ行蛐栽礁撸?，微粘度越大，流動性越小。27膜（流動性）微粘性的評價和測量方法主要方法有： 1. 示差掃描量熱法 2.13C核磁共振 3. 電子順磁共振 4熒光偏振技術(shù)28（2） 脂質(zhì)分子的運動形式 脂雙層膜流動性反

7、映脂質(zhì)分子在脂雙層中的分子內(nèi)與分子間的運動。膜脂分子能夠發(fā)生多種形式的運動。 29彎曲運動伸縮震蕩運動旋轉(zhuǎn)異構(gòu) 脂質(zhì)分子內(nèi)運動（烴鏈的運動）30脂質(zhì)分子間的運動包括： d.轉(zhuǎn)動擴散 整個分子繞著與膜平面垂直的軸轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)動速度為每10納秒轉(zhuǎn)動2角度。 e.側(cè)向擴散 膜脂分子在膜平面內(nèi)的擴散。這是膜脂分子最重要的運動形式，擴散速率的大小，用擴散系數(shù)DL表示。31 f.翻轉(zhuǎn) 這是指脂分子從脂雙層的一個葉片層完全翻轉(zhuǎn)到另一個葉片層的運動。脂分子的跨膜翻轉(zhuǎn)最快也要花費數(shù)分鐘，通常完成翻轉(zhuǎn)的平衡時間從數(shù)小時到數(shù)周。處于跨脂翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的膜脂分子很少，僅占10-15。這種翻轉(zhuǎn)之所以很困難是由于脂分子跨膜轉(zhuǎn)位時

8、其極性頭要經(jīng)過疏水的內(nèi)部，需要克服巨大的能障。在細胞的某種生理條件下，如膜脂分子合成過程中，某些膜蛋白如磷脂翻轉(zhuǎn)酶可以催化縮短脂分子翻轉(zhuǎn)的動力學過程。3233（3）影響著膜脂流動性的因素 膜脂本身的因素： 脂肪酰鏈的長度 脂肪酰鏈的飽和程度等 極性頭部 膜脂膽固醇含量的高低 環(huán)境因素： 介質(zhì)溫度的升高是使膜流動性升 介質(zhì)Ca2+、 Mg2+ 等陽離子的存在有利于降低膜流動性。34（4）膜流動性的生理意義 生物膜適宜的流動性是表現(xiàn)生物膜正常功能的必要條件。例如，通過膜的物質(zhì)運輸、細胞識別、細胞免疫、細胞分化以及激素的作用都與膜的流動性密切相關(guān)。35 實驗證明膜上的酶活性與膜的流動性有關(guān)。膜的流動

9、性大，有利于膜中酶分子側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)運動，使酶活性增加。36 膜的流動性與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系較為明顯。在易化擴散和主動運輸中，一些載體蛋白的運動，取決于膜中脂分子的流動性。37 細胞的信息傳遞，激素、藥物的作用也與膜的流動性密切相關(guān)。細胞的傳遞系統(tǒng)是在細胞膜上，外界刺激通過膜傳遞到細胞內(nèi)引起一系列的變化，最后作出相應的反應。如激素的作用，受體與G蛋白、腺苷酸環(huán)化酶在膜上的位置是不固定的。382.膜蛋白的運動 既然脂雙層作為鑲埋其中的內(nèi)在蛋白的基質(zhì)，闡明內(nèi)在蛋白在膜平面內(nèi)的運動正是流體鑲嵌模型的基礎。膜內(nèi)在蛋白的主要運動形式包括： 側(cè)向擴散運動 旋轉(zhuǎn)擴散 構(gòu)象變化 蛋白多聚復合物的聚合和解聚等。39

10、 膜內(nèi)在蛋白的運動，特別是側(cè)向擴散可以用多種技術(shù)予以顯示和評價。 細胞融合 熒光漂白恢復 單顆粒示蹤 （1）側(cè)向擴散 (a) 膜蛋白運動的顯示40 采用細胞融合顯示膜蛋白的運動性 細胞融合技術(shù)是通過加入細胞融合劑（如滅活仙臺病毒，聚乙二醇等）或施以脈沖電場等手段將不同類型或不同種系來源的兩個細胞融合為一個雜交細胞，它帶有來源于兩個細胞的共同的細胞質(zhì)和單一連續(xù)的質(zhì)膜。 41例如，將標記了帶有熒光紅的抗人細胞抗體的人細胞和標記了帶有熒光綠的抗小鼠細胞抗體的小鼠細胞融合，然后在熒光顯微鏡下觀察，融合細胞膜表面兩種顏色熒光半球分別顯示紅色和綠色熒光，隨著兩種不同顏色的熒光逐漸向另一半球擴散，大約40分

11、鐘后，兩種顏色的熒光完全均勻地分布在整個細胞表面。在較低的溫度下，兩種熒光的相對擴散和混合的速度則降低。 42實驗反映： 膜蛋白在融合細胞的質(zhì)膜中的側(cè)向擴散過程 隨著溫度而改變的膜的微粘性對膜蛋白擴散運動的影響。4344利用細胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動 45 熒光漂白恢復技術(shù) 檢測擴散的速度 首先將細胞表面蛋白用非特異性染料如異硫氰酸熒光素或特異性探針如熒光抗體加以標記，把標記好的細胞置于熒光顯微鏡下，將一束細的聚焦的激光束短促（20ms-1s）輻射在細胞膜表面，被輻射的熒光分子發(fā)生不可逆地的淬滅，在細胞膜表面造成一個熒光漂白區(qū)域（直徑約為1um）。如果膜蛋白是運動著的，隨著它們的無規(guī)側(cè)向擴散運

12、動，漂白區(qū)域又逐漸顯現(xiàn)出熒光（即所謂熒光漂白恢復）。通過測量熒光恢復的速率即可直接測量可運動膜蛋白分子擴散速率（以擴散系數(shù) diffusion coefficient , DL表示）。熒光恢復的程度（以原初強度百分比表示）代表了可自由擴散的被標記分子的百分比。 46擴散系數(shù)的公式：47 單顆粒示蹤 FRAP技術(shù)和細胞融合的方法測量的不是單個分子側(cè)向擴散運動而是相當數(shù)量的分子群體的擴散運動。 為了追蹤單個蛋白分子或脂質(zhì)分子的運動，可以采用單顆粒示蹤技術(shù)，即用膠體金顆粒標記膜蛋白分子或脂質(zhì)分子，然后在配備計算機視頻反差增強錄像裝置的顯微鏡下，就可顯示和記錄連接在單個分子上的膠體金顆粒的運動軌跡。

13、48(b) 膜蛋白側(cè)向擴散的種類：49 有些蛋白被錨定在膜骨架上而無法做擴散運動。 相當一部分膜蛋白在膜平面發(fā)生隨機的布朗運動，但被膜骨架構(gòu)成的“藩籬”所限制，無法遷移出遠于拾數(shù)納米的范圍，當然，這些“藩籬”也往往處于解聚和重構(gòu)的動態(tài)變化中，因此有些蛋白的擴散可以重出“藩籬”的限制。 有些蛋白可以在整個膜平面中無規(guī)則地移動，但運動速率很低。50 在一些情況下，某些特異蛋白的運動有高度的方向性，似乎在膜的胞漿面有馬達蛋白驅(qū)動其運動。 如果膜內(nèi)在蛋白含量高，分布擁擠，相鄰 蛋白的隨機運動也受到限制。51(c) 影響因素： 微粘度 蛋白自身大小。 蛋白間的相互作用 （尤其是膜骨架蛋白是決定它們實際運

14、動最重要的因素）。 52(d) 膜蛋白側(cè)向擴散運動的意義- 是蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能的基礎 多組分的膜酶復合物發(fā)揮作用 （電子傳遞鏈） 53受體系統(tǒng)相關(guān)的信號傳導54（2）旋轉(zhuǎn)運動 例：視桿細胞圓盤膜上的視紫紅質(zhì)55（3）變構(gòu)運動： 離子通道， 離子泵、載體蛋白5657（4）蛋白多聚復合物的聚合和解聚等 G蛋白58三. 膜的相結(jié)構(gòu)和相變 類脂都有一個親水的頭部和一個疏水的尾部，在水溶液條件下，疏水相互作用趨使疏水的碳氫鏈從水相中被排斥開，從而自組裝成各種膜樣微結(jié)構(gòu)，包括：微團、膜泡、微管狀、脂雙層等。59三. 膜的相結(jié)構(gòu)和相變 類脂都有一個親水的頭部和一個疏水的尾部，在水溶液條件下，疏水相互作用趨使

15、疏水的碳氫鏈從水相中被排斥開，從而自組裝成各種膜樣微結(jié)構(gòu)，包括：微團、膜泡、微管狀、脂雙層等。60單分子團脂質(zhì)體雙分子層雙親性分子：親水頭部疏水尾部自發(fā)排列61 不同的磷脂分子形成不同的聚集態(tài)或不同的結(jié)構(gòu)稱之為相。 同一磷脂分子在不同的條件下也可以形成不同的聚集態(tài)，例如PE在pH7.4時形成倒六角形相,只有當pH為8-9時才形成穩(wěn)定的脂雙層。這一性質(zhì)稱為脂多型性。621.生物膜的相結(jié)構(gòu) 生物膜基本上是脂雙層結(jié)構(gòu)，即雙磷脂分子層。但是各種生物膜的相結(jié)構(gòu)成分并不是單一形式，任何給定的膜也不都是僅以脂雙層結(jié)構(gòu)存在。某一膜內(nèi)有可能同時存在幾種相結(jié)構(gòu)。63 膜脂分子（主要是磷脂分子）可以存在以下幾種相結(jié)

16、構(gòu)： 脂雙層構(gòu)象 a. 液晶或流體相 b. 固相或凝膠相 非脂雙層構(gòu)象（微團，囊泡） a. 六角形 HI 相 b. 倒六角形HII相 c. 立方體（II）相 d. 倒立方體（III）相 混合相 例如在一些膜中，某些區(qū)域可能是液晶脂雙層 構(gòu)象，而另外的相結(jié)構(gòu)可能分散其間。64生物膜的幾種相結(jié)構(gòu)652.脂雙層相 對生物膜而言，脂雙層是由膜脂分子(尤其是磷脂)形成的最主要的相結(jié)構(gòu)，膜的厚度隨脂質(zhì)分子的不飽和度的增加而減小。 ,66 （1）液晶或流體相（L-） 液晶相是具有生機活力的細胞，特別是“年輕”細胞的典型的細胞膜相結(jié)構(gòu)，扭曲構(gòu)象。 由于脂肪酰鏈具有運動自由度，脂雙層膜是 比較柔韌的，鑲嵌其中的

17、蛋白質(zhì)，象脂質(zhì)海洋中 的小船，得以實施最大的生物活性。 67 從人工膜測得的數(shù)據(jù)表明，磷脂在膜中有高的側(cè)向運動自由度，每秒鐘磷脂分子與其臨近分子交換位置達106次。 68 脂雙層的液晶態(tài)是相對于真正的固態(tài)和液態(tài)而言，并不是真正液態(tài)，液態(tài)的運動是各向同性，即在任一方向的運動都可能是等同的，而作為二維流體的液晶態(tài)至少有一維方向具有固態(tài)樣的有序性。脂質(zhì)分子能在平行于膜表面的膜平面中相當自由和快速地轉(zhuǎn)位，但是，脂質(zhì)分子不傾向于在垂直于脂雙層平面的方向進行轉(zhuǎn)位或者說不易于從膜向外伸出或滑出。 69（2）凝膠或固態(tài)相（L-） 處于這種相下，脂雙層中磷脂脂肪酰鏈被“凍結(jié)”幾乎完全失去運動自由性，而取硬棒樣形

18、狀，即全反構(gòu)象。 膜變得更具剛性而失去柔韌性。并且鑲嵌于脂雙層中的蛋白質(zhì)不再能夠運動。凝膠相的膜對物理性協(xié)迫 (stress) 失去適應性，而易于形成滲漏，造成膜通透性及其功能的損害。衰老或不完善的細胞膜往往表現(xiàn)為典型的凝膠相。 70 磷脂分子處于脂雙層相的凝膠態(tài)和液晶態(tài)時，脂肪酰鏈分別取全反構(gòu)象和扭曲構(gòu)象： 全反構(gòu)象能量狀態(tài)低，整個鏈似圓柱形，鏈與鏈之間緊密堆積，脂雙層厚度4.5nm、兩個相鄰的磷脂基團間的距離為0.42nm。 71 扭曲構(gòu)象具有較高的能量，烴鏈扭曲，鏈間的緊密堆積遭到破壞，密度降低，體積增大，脂雙層厚度降低，為3.9nm，相鄰磷脂頭部基團之間的距離加大，為0.46nm。 7

19、2 在發(fā)生液晶態(tài)和凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變時，這兩種構(gòu)象迅速異構(gòu)化。 脂雙層發(fā)生相變時，許多性質(zhì)如形狀、體積、密度、散射均發(fā)生變化。73743. 非脂雙層相 脂雙層構(gòu)象作為生物膜脂構(gòu)象的主要模式并不能把它理解為一種惰性的一成不變的結(jié)構(gòu)。生物膜的脂雙層構(gòu)象在某些條件下，如溫度、細胞間的二價離子濃度以及組織或細胞間水化程度等，可能產(chǎn)生非脂雙層構(gòu)象的六角形相結(jié)構(gòu)。754. 相變和相分離（1）凝膠相到液晶相的相變 是脂雙層的另一特性。相變是指加熱到一定程度時脂雙層結(jié)構(gòu)突然發(fā)生變化而脂雙層仍然保留的現(xiàn)象。 這一溫度稱為相變溫度Tt。相變溫度以上稱液晶相，相變溫度以下稱凝膠相。 76 在動物細胞中，膽固醇對膜的流動性起

20、者重要的調(diào)節(jié)作用。膽固醇分子既有與磷脂分子相結(jié)合限制其運動的作用，也有將磷脂分子隔開使其更易流動的作用。最終效應取決于上述兩種作用的綜合。多數(shù)情況下，膽固醇的作用是是防止膜脂由液晶相變?yōu)槟z相以保證膜脂處于流動狀態(tài)。77（2）片層脂雙層相和六角形相之間的相變 這種相變與凝膠相和液晶相之間的相變不同。尤其是在相變的動力學方面，這種相變的發(fā)生要慢得多，特別是從六角形相到片層脂雙層相的轉(zhuǎn)變。在人工脂的實驗中，常常要求相當長的孵育時間（數(shù)小時到數(shù)天），這種相變之所以較慢，是因為在相變過程中磷脂分子要進行根本性的重排。 而從片層脂雙層相到六角形相的相變的發(fā)生則很迅速，在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)即可實現(xiàn)。78（3）相分離 -相分離或者混合相 在給定的膜內(nèi)發(fā)生或存在相態(tài)各不相同的不同微區(qū)。 相分離的形成： 對于兩種磷脂組成的人工膜，當溫度處于兩種磷脂相變溫度之間時，即可發(fā)生相分離，即一種磷脂處于液晶相，另一種磷脂卻處于凝膠相，兩相共存。 基于不同的條件和過程，或者凝膠態(tài)象小島一樣漂浮于液晶態(tài)海洋中，或者液晶態(tài)象小島一樣漂浮于凝膠態(tài)海洋中，在兩相共存時兩相間會