浙江大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)筆記生物膜和運(yùn)輸課件

生物膜和運(yùn)輸BiologicalMembraneandTransport生物膜和運(yùn)輸（BiologicalMembraneandTransport）

生物膜的形成對(duì)于生物能量的貯存及細(xì)胞間的通訊起著中心作用。膜的生物活性來(lái)自于膜自身顯著的特性：膜連接緊密但有彈性；膜自我封閉，對(duì)極性分子有選擇性通透；膜的彈性允許膜在細(xì)胞生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)中改變形狀；暫時(shí)破裂且可自封閉的能力可保證兩個(gè)細(xì)胞或兩個(gè)膜狀包裹物的融合。膜的電鏡橫切面照片細(xì)胞體纖毛線(xiàn)粒體消化泡內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分泌泡膜的分子組成

生物膜幾乎所有的質(zhì)量都由蛋白質(zhì)和極性脂質(zhì)組成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白質(zhì)和脂類(lèi)的相對(duì)比例因不同的膜而不同，反映著膜生物作用的廣泛性。神經(jīng)元的髓鞘主要由脂類(lèi)構(gòu)成，表現(xiàn)為一種被動(dòng)的電子絕緣體；但細(xì)菌、線(xiàn)粒體、葉綠體的膜上由許多酶催化的代謝過(guò)程發(fā)生，含有的蛋白比脂類(lèi)要多。每種膜都有一個(gè)特征的脂質(zhì)組成

各種來(lái)源的膜的化學(xué)分析顯示了一個(gè)共同的特征，即膜脂組成因不同的界、不同的種、不同的組織、特定細(xì)胞中不同的細(xì)胞器而不同。細(xì)胞有一種清楚的機(jī)制，可以精確控制膜脂合成的種類(lèi)和數(shù)量，以及定位到特定的細(xì)胞器上。不同組織質(zhì)膜的主要成分鼠肝細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜的脂質(zhì)類(lèi)型不同功能的膜含有不同的蛋白質(zhì)

不同來(lái)源膜的蛋白質(zhì)組成比其脂質(zhì)組成的變化更大，反映在膜功能的特化上。脊椎動(dòng)物視網(wǎng)膜桿狀細(xì)胞對(duì)于接受光為高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白—視紫紅質(zhì)；特化較低的紅細(xì)胞質(zhì)膜約含20種顯著的蛋白及十幾種較少的蛋白，其中多數(shù)的蛋白為運(yùn)輸載體，每一種蛋白運(yùn)輸一種跨膜的溶質(zhì)等。有些膜蛋白還有一個(gè)或多個(gè)脂共價(jià)結(jié)合，后者可能形成一種疏水的穩(wěn)定體系以保證蛋白質(zhì)存在于膜中。

膜的超分子結(jié)構(gòu)

所有生物膜擁有共同的基本特征：對(duì)多數(shù)極性分子或帶電分子不通透，允許非極性分子通透；約5-8nm厚，橫切電鏡照片近似三層結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)鑲嵌模型

(FluidMosaicModel)脂雙分子層是基本的結(jié)構(gòu)

脂類(lèi)與水相共存時(shí)會(huì)迅速形成一種脂雙分子層結(jié)構(gòu)而避開(kāi)水的作用，生物膜的厚度（電鏡測(cè)定為5-8nm）是由3nm的脂雙分子層和蛋白的厚度決定的，所有證據(jù)都支持生物膜由脂雙分子層構(gòu)成。膜脂對(duì)于脂雙分子層兩面是不對(duì)稱(chēng)的，但盡管不對(duì)稱(chēng)，也不象蛋白質(zhì)，脂的不對(duì)稱(chēng)不是絕對(duì)的。兩性脂在水中形成的聚集體

(AmphipathicLipidAggregates)膜脂的運(yùn)動(dòng)溫度引起側(cè)鏈熱運(yùn)動(dòng)脂雙層平面的擴(kuò)散跨膜擴(kuò)散：“翻跟頭”膜蛋白透過(guò)或跨過(guò)脂雙分子層

生物膜的冰凍蝕刻電鏡觀(guān)察到的一個(gè)蛋白或多蛋白復(fù)合體分布情況顯示，一些蛋白僅存在于膜的一面，另一些則橫跨整個(gè)膜雙分子層，有些穿過(guò)膜的另一表面。 膜蛋白在脂雙分子層上可側(cè)向運(yùn)動(dòng)。紅細(xì)胞上血型

糖蛋白的跨膜O-連接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAcN-連接-螺旋膜內(nèi)（嵌入）蛋白不溶于水

膜蛋白可分為兩類(lèi)，外周蛋白（peripheral）和膜內(nèi)（嵌入）蛋白（integral），前者與膜結(jié)合松散，可逆，很容易釋放，是水溶性的；后者與膜結(jié)合緊密，由膜上釋放時(shí)要用特別的試劑（去污劑、有機(jī)溶劑、變性劑等），及時(shí)嵌入蛋白由膜上釋放出來(lái)，一旦去除變性劑或去污劑會(huì)立即引起蛋白沉淀（不溶聚積物）析出。外周蛋白和膜內(nèi)

（嵌入）蛋白外周蛋白嵌入（膜內(nèi)）蛋白去污劑糖蛋白pH改變、螯合劑、尿素、碳酸鹽可除去外周蛋白外周蛋白與膜的連接是可逆的

許多外周蛋白通過(guò)與嵌入蛋白的親水區(qū)域或膜脂的極性頭部以靜電作用或氫鍵結(jié)合到膜上，通過(guò)溫度的改變或破壞靜電或破壞氫鍵作用（如加入螯合劑、尿素、碳酸鹽或改變pH）可被釋放出來(lái)。這些外周蛋白可作為膜結(jié)合酶的調(diào)節(jié)因子、或作為連接膜內(nèi)蛋白與胞間結(jié)構(gòu)的中介物、或一些膜蛋白的流動(dòng)性。膜內(nèi)（嵌入）蛋白（IntegralMembraneProteins)有些外周膜蛋白

共價(jià)泊錨在膜脂上

有些膜外周蛋白與膜脂有一個(gè)或多個(gè)共價(jià)結(jié)合位點(diǎn)，如長(zhǎng)鏈脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。連接的脂提供了一個(gè)疏水的錨以插入脂雙分子層。細(xì)胞與細(xì)胞相互作用：

四種膜內(nèi)蛋白作用類(lèi)型配體結(jié)合域黏附域類(lèi)免疫球蛋白域凝集素域膜蛋白的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)紅細(xì)胞氯-碳酸氫鹽

交換體的局限運(yùn)動(dòng)膜的融合是許多

生物過(guò)程的中心

生物膜的一個(gè)明顯的特征是可與另一個(gè)膜融合而不失去其完整性。膜雖是穩(wěn)定的，但不是靜止的，內(nèi)膜系統(tǒng)中膜狀結(jié)構(gòu)不斷地從高爾基復(fù)合體上分泌形成；外吞、內(nèi)飲、細(xì)胞分裂、精卵細(xì)胞融合、膜包裹病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞等都涉及膜的重新形成，而它們最基本的行為就是兩個(gè)膜片段的融合而不失去完整性。

膜的融合（MembrraneFusion)膜融合事件

兩個(gè)膜融合需要：相互識(shí)別；相互表面靠近并相對(duì)（排除水分子）；雙層結(jié)構(gòu)部分破壞；兩個(gè)雙分子層融合為一個(gè)連續(xù)的脂雙分子層。受體調(diào)節(jié)的內(nèi)吞或控制的分泌還需要融合發(fā)生在合適的時(shí)間或者是對(duì)特異信號(hào)的反應(yīng)。融合蛋白（嵌入蛋白）（fusionprotein）參與以上融合事件，引起特異識(shí)別和短暫、局部脂雙層結(jié)構(gòu)變形促使膜融合。融合蛋白可搭起兩個(gè)膜融合的橋，并帶來(lái)融合區(qū)域脂雙分子層的暫時(shí)恢復(fù)。膜聯(lián)蛋白（annexin）（一種Ca2+活化后可與膜磷脂結(jié)合的蛋白）是一類(lèi)緊挨質(zhì)膜的蛋白質(zhì)，需要Ca2+，與脂雙分子層的磷脂結(jié)合，可通過(guò)交叉連接兩個(gè)不同膜的脂質(zhì)分子。

病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的膜融合跨膜運(yùn)輸

所有生物細(xì)胞都要從環(huán)境獲得原材料為其生物合成和能量消耗，同時(shí)還需釋放其代謝物到環(huán)境中去。質(zhì)膜可以識(shí)別并允許細(xì)胞所需物如糖、氨基酸、無(wú)機(jī)離子等進(jìn)入細(xì)胞，有時(shí)這些成分進(jìn)入細(xì)胞是逆濃度梯度的，即它們是被“泵”入細(xì)胞的，同樣一些分子是被“泵”出細(xì)胞的。很少有例外小分子物質(zhì)的跨膜是直接通過(guò)蛋白的，而是通過(guò)跨膜的通道（channels）、載體(carriers)或泵（pumps）。

溶質(zhì)通過(guò)透過(guò)性膜的移動(dòng)不帶電帶電被動(dòng)運(yùn)輸是由膜蛋白促進(jìn)的

順濃度梯度的擴(kuò)散

生物體內(nèi)的簡(jiǎn)單擴(kuò)散因膜把胞內(nèi)和胞外環(huán)境所阻止，膜是一種選擇性通透屏障，要通過(guò)脂雙分子層，極性分子或帶電溶質(zhì)必需解除水化膜的水的作用，然后透過(guò)約3nm的介質(zhì)（膜）。水是一種例外，可很快透過(guò)生物膜，機(jī)制尚不清楚，膜兩側(cè)溶質(zhì)濃度差異大時(shí)，滲透壓的不平衡引起膜兩側(cè)水的流動(dòng)，直至兩側(cè)的滲透壓相等。極性溶質(zhì)或離子的過(guò)膜運(yùn)輸由膜上的蛋白降低活化能而對(duì)特異的物質(zhì)提供過(guò)膜路徑而過(guò)膜的雙分子層，引起促進(jìn)擴(kuò)散。親水溶質(zhì)通過(guò)生物膜脂雙層的能量變化除去水化膜的簡(jiǎn)單擴(kuò)散跨膜蛋白降低溶質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)幕罨芗t細(xì)胞葡萄糖滲透酶（GlucosePermease）調(diào)控被動(dòng)運(yùn)輸

紅細(xì)胞中能量產(chǎn)生的代謝依賴(lài)于葡萄糖不斷地由血漿中進(jìn)入紅細(xì)胞，葡萄糖通過(guò)滲透酶由促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，這一膜蛋白有12個(gè)疏水區(qū)域（Mr=45000），可能跨膜12次，它可使葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的速度大于沒(méi)有時(shí)的50000倍。葡萄糖運(yùn)輸進(jìn)

入紅細(xì)胞模型1.D-Glc與T1特異結(jié)合降低構(gòu)象改變的活化能2.T1轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)2影響Glc跨膜通道3.Glc由T2釋放到胞質(zhì)4.T2構(gòu)象變回T1氯化物和碳酸氫鹽跨紅細(xì)胞

膜的運(yùn)輸為協(xié)同運(yùn)輸（Cotransport）

紅細(xì)胞存在另一種促進(jìn)擴(kuò)散系統(tǒng)—陰離子交換體，這對(duì)于肌肉及肝臟中CO2回到肺中的運(yùn)輸是必需的。呼吸組織產(chǎn)生的廢氣—CO2由血漿進(jìn)入紅細(xì)胞，在紅細(xì)胞中轉(zhuǎn)化為HCO3-，HCO3-重新回到血漿中被運(yùn)輸?shù)椒谓M織。因HCO3-比CO2的溶解度大，這種變化增加了由組織到肺的CO2運(yùn)輸?shù)难萘?，在肺中HCO3-重回紅細(xì)胞被轉(zhuǎn)化為CO2，被緩慢呼出。氯化物-碳酸氫鹽交換體也被稱(chēng)為陰離子交換蛋白，可增加HCO3-對(duì)紅細(xì)胞膜的透過(guò)，這一系統(tǒng)也被稱(chēng)為協(xié)同運(yùn)輸系統(tǒng)。

紅細(xì)胞膜膜上氯-碳酸氫鹽交換體主動(dòng)運(yùn)輸（ActiveTransport）引起物質(zhì)的逆濃度梯度運(yùn)輸

被動(dòng)運(yùn)輸總是順濃度梯度運(yùn)輸，不會(huì)引起物質(zhì)的積累，相反，主動(dòng)運(yùn)輸總是逆濃度梯度運(yùn)輸，引起物質(zhì)的積累。主動(dòng)運(yùn)輸直接或間接地依賴(lài)于一些放能過(guò)程，非熱力學(xué)自動(dòng)發(fā)生，往往伴隨有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他順濃度梯度的運(yùn)輸。在初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸中，物質(zhì)的積累直接與放能反應(yīng)（如ATPADP+Pi）相連接；次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸發(fā)生于由初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸引起的逆濃度積累的順濃度梯度運(yùn)輸。三類(lèi)主要運(yùn)輸系統(tǒng)兩種類(lèi)型的主動(dòng)運(yùn)輸磷酸和釩酸有三種形式的運(yùn)輸ATPases

Na+K+-ATPase是一種運(yùn)輸?shù)鞍椎牡湫托问剑≒rototype）被稱(chēng)為P-typeATPase（可以可逆磷酸化的）；另一類(lèi)為V-typeATPase—Protonpumps(V-vacuole)；第三種，ATP-splittingprotonpumps，對(duì)細(xì)菌、線(xiàn)粒體和葉綠體中的能量消耗反應(yīng)起中心作用，即F-typeATPases（F：energy-couplingfactors），催化質(zhì)子可逆地跨膜運(yùn)輸，由ATP水解供能。

三種類(lèi)型離子運(yùn)輸

ATPase亞基結(jié)構(gòu)四種類(lèi)型的運(yùn)輸ATPasesF類(lèi)型ATPasesNa+K+ATPase主動(dòng)協(xié)同Na+,K+的運(yùn)輸

由ATP所供能

每個(gè)動(dòng)物細(xì)胞與環(huán)境相比維持較低的[Na+]和較高的[K+]，這種不平衡由質(zhì)膜上的主動(dòng)運(yùn)輸所建立和維持，涉及Na+K+-ATPases，偶聯(lián)ATP水解，引起Na+,K+的逆濃度梯度運(yùn)輸。每水解1ATP，偶聯(lián)運(yùn)輸2個(gè)K+進(jìn)質(zhì)膜內(nèi)，3個(gè)Na+出質(zhì)膜外。Na+K+-ATPases是一種膜蛋白，由2個(gè)亞基組成，都是跨膜蛋白。Na+K+ATPase驅(qū)動(dòng)的鈉鉀離子運(yùn)輸Na+或K+梯度驅(qū)動(dòng)的協(xié)同運(yùn)輸離子梯度為次級(jí)主動(dòng)

運(yùn)輸提供能量

光、氧化作用、ATP水解驅(qū)動(dòng)的Na+或H+的初級(jí)運(yùn)輸?shù)碾x子梯度本身可以驅(qū)動(dòng)其他物質(zhì)的協(xié)同運(yùn)輸。腸