生物化學(xué) 第十講 Biomembrane Transport-1

§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain

CharlesOverton–研究植物根毛細胞對物質(zhì)的吸收時，注意到不同的物質(zhì)進入細胞的速度不同，并且與分子的大小無關(guān)，猜想吸收的速度和物質(zhì)與細胞膜的親和性有關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn)吸收的速度正比于物質(zhì)在脂的溶解度。得出結(jié)論：細胞的邊界由脂構(gòu)成，并建議含有膽固醇和磷脂酰膽堿。1890′s：認識到細胞膜含脂成分IrvingLangmuir–研究脂的行為，發(fā)現(xiàn)溶解在揮發(fā)性溶劑中的脂分子在水面上排列為單分子層（根據(jù)脂的濃度對面積的精確計算）。因此建議，脂分子象磷脂酰甘油一樣是兼性分子，親水的一端指向水分子，疏水的一端背離水分子。1900′s：脂單層技術(shù)GorterandGrendel

-解決細胞的邊界由幾層脂分子構(gòu)成的問題。方法：（1）測紅細胞的面積；（2）提取紅細胞的脂；（3）用Langmuir的方法測這些脂形成的單分子層面積。結(jié)果：單分子層的面積是紅細胞表面積的2倍。結(jié)論：細胞邊界（至少紅細胞如此）由雙脂分子層構(gòu)成，親水的頭部朝向水分子，疏水的尾部朝向雙分子層內(nèi)部。1920′s：確定細胞膜為脂雙分子層HughDavsonandJamesDanielli-研究油－水界面的表面張力時發(fā)現(xiàn)，細胞膜的表面張力總是低于人工膜的表面張力。當(dāng)把蛋白質(zhì)加入人工膜時，可降低其表面張力。因此建議蛋白質(zhì)也是細胞膜的成分，并提出了“三明治”模型。1930′s：提出包含蛋白的“三明治”模型1950s-電鏡出現(xiàn)，觀察到細胞器的膜結(jié)構(gòu)，1960年，J.DavidRobertson綜合各種生物膜的結(jié)果，提出“單位膜”一詞，認為所有生物膜都具有三層結(jié)構(gòu)（兩側(cè)的蛋白層和中間的脂雙分子層，共約7－8nm）。1950′s：提出生物膜的“單位膜”概念不能解釋不同膜的具有不同的蛋白質(zhì)與膜脂比列和成分。不能解釋提取的膜蛋白具有不同的形狀和大小（Modelsuggestsproteinsshouldbe“sheets”）。不能解釋磷脂酶能夠破壞膜的完整性（lipidsshouldbeprotectedifcoveredwithprotein）。不能解釋增加鹽濃度不可以洗去膜上的蛋白（shouldbe,ifattachedbyionicbondsasmodelsuggests）。

單位膜模型的問題1972：FluidmosaicmodelLipids(bilayer)formaliguidcrystalMembranesareasymmetricProteinsformthemosaic：integralandperipheralmembraneproteinsSupportfortheFLUID(1)Frye&Edidin的熒光抗體標記的細胞融合實驗Fluorescencerecoveryafterphotobleaching(FRAP)demonstratesthatbothlipidsandproteinsaremobileinthemembraneSupportfortheFLUID(2)LipidMovementEffectsofsomefactorsonlipidmovementCompositionofsomemembranesMembrane%Protein%Lipid%Carbo-hydrateInnerMitomembrane76222OuterMitomembrane52462BacterialPM60-7040-300-10LiverPM50-6045-355HumanRBCs504010Myelin18793

DecreasingproteinIncreasinglipidVariablecarbohydrateDecreasingfunctionalcomplexityDifferentmembranes:differentlipidsDifferentlipidsintwolayersSupportfortheMOSAIC(1)冰凍蝕刻SupportfortheMOSAIC(2)SupportfortheMOSAIC(3)膜的原子力顯微鏡形貌Integralmembraneproteins

singlespan-helixmultispan-helix-barrelPeripheralmembraneproteins

lipidlinkedlipidboundproteinboundAssociationsofproteinswithmembranelipidlinkedproteinsTheways(topology)of-helixspanningmembraneExperimentstodeterminethetransmembranearrangementofmembraneproteinsHydropathyplots可以預(yù)測膜蛋白的跨膜螺旋跨膜蛋白的Trp、Tyr以及帶電氨基酸殘基位置：膜-水界面跨膜蛋白中的β-barrel結(jié)構(gòu)§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain2.

Functionalsummary⑥

Lipidraft&Caveolae特殊功能分區(qū)：線粒體特殊功能分區(qū)：葉綠體易化擴散Na-Kpump協(xié)同運輸簡單擴散細胞的物質(zhì)運輸信號的化學(xué)傳導(dǎo)信號的膜電位傳導(dǎo)CertainIntegralProteinsMediateCell-CellInteractionsandAdhesion膜筏是分布在質(zhì)膜的外葉的微區(qū)(microdomains）結(jié)構(gòu)，可在液晶的海洋中移動，形象地稱為膜筏(lipidraft)；對去污劑的溶解具有一定的抗性，利用此特點可方便膜筏與其他成分的分離。Lipidraft(膜筏)膜筏微區(qū)的結(jié)構(gòu)模型已發(fā)現(xiàn)的角色：膜筏可攜帶與其結(jié)合的胞內(nèi)或外源蛋白象穿梭機(transportshuttles)在細胞膜上往返運動。膜筏可作為分子分選機

(molecularsortingmachines),在質(zhì)膜的一些區(qū)域參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的時空序列調(diào)控。膜筏可以作為各種病源，包括病毒、細菌及其毒素侵入細胞內(nèi)的入口(portalsofentry)。膜筏也是朊蛋白(PrPSc)及Alzheimer’sdisease的β淀粉樣肽的多發(fā)位點

(preferentialsites)。膜筏的作用膜筏在HIV感染中的作用膜筏在朊病毒傳播中的作用monensinmonensin(鞘脂)(膽固醇)Caveolae(膜穴)：specialmembraneraft小窩蛋白Caveolae(膜穴)的形成MembraneFusionIsCentraltoManyBiologicalProcessesFusioninducedbythehemagglutinin(HA)proteinduringviralinfection§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain早在1854年，對細胞學(xué)的創(chuàng)立做出決定性貢獻的德國病理學(xué)家魏爾嘯（Virchow，RudolphCarl1821～1902）就發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)細胞髓聚脂溶液具有偏光性，這本是液晶的重要特征之一。1933年，法拉第液晶討論會上，生物結(jié)構(gòu)的液晶性質(zhì)被正式提出來討論。1965年，在肯特（Kent）召開的第一屆國際液晶會議上，生物液晶已被列為正式議題。1974年，在斯德哥爾摩召開的第五屆國際液晶會議上，生物膜與溶致液晶被正式聯(lián)系在一起進行討論。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論生物液晶研究的起點是關(guān)于紅血球的形狀問題。固體與液面的形狀始終都是凝聚態(tài)物理的難題！1901年，伍爾夫（Wulff）曾利用表面能極化變分確定晶體表面形狀。60年代又得到了伍爾夫定理對二維晶體的嚴格證明，但對三維晶體的證明至今未能解決。雖然液面形狀方程，H（平均曲率）=Δp（界面兩側(cè)滲透壓差）/2γ（表面張力）早在1806年就由拉普拉斯給出，但是關(guān)于肥皂泡的球面解唯一性的嚴格證明，直到本世紀50年代才由前蘇聯(lián)幾何學(xué)家亞歷山大洛夫完成。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)WhydoesRBCshapelikethis?內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細胞器的形狀？3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1965年，Murphy把雙凹的成因歸結(jié)為膜中膽固醇的分布不均——軸心部分的膽固醇少于外周，所以“碟的”的邊緣有較大的內(nèi)應(yīng)力而外凸彎曲，而中部應(yīng)力較小而內(nèi)凹平坦。但實驗發(fā)現(xiàn)膽固醇在膜上的分布卻是均勻的。1968年，馮元楨與湯（Tong）曾從薄殼力學(xué)角度，給出了紅血球的計算模型。這個模型類似兩個彈性薄殼包住各向同性液體的“三明治”，為使薄殼呈向內(nèi)凹狀，必須假定薄殼厚度是不均勻的，然而這個假設(shè)與顯微鏡的觀察并不一致。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1968年，羅佩茲（Lopez）等人從電學(xué)角度做了解釋，認為向內(nèi)雙凹的原因是中間膜部分帶電與四周不同的結(jié)果。但Greer和Baker（1970）的測量表明膜帶電是均勻的。1969年，史里瓦斯塔夫（Shrivastav）和布頓Button）又假定紅血球膜的相向部分，存在有某種長程力，中間的雙內(nèi)陷正是這種引力的結(jié)果。這個說法又被電鏡的檢驗否定。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1970年，加拿大一位生物力學(xué)家卡恩漢（Can－h(huán)an）從彈性勢能最小狀態(tài)提出了一個數(shù)學(xué)模型。他令H為膜面平均曲率，膜面彈性勢能E=∮(2H)2dA應(yīng)呈最小值，由此經(jīng)過計算機模擬，恰好得到雙凹碟形狀態(tài)。然而，在1976年，有人否定了這一結(jié)果，因為可以證明，杠鈴狀也能滿足表面膜彈性勢能最小值的要求，可是這種形狀的紅血球卻從未見到過。由此，紅血球的形狀成為一個長期懸而未解之謎。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)其中H與K分別為膜面的平均曲率與高斯曲率，△p及λ則是膜內(nèi)外滲透壓差及膜表面張力，

及

是液晶的彈性系數(shù)及其與膜厚度的乘積。理論推得k與k的數(shù)量級為10-11爾格，已被實驗證實.Answersinhistory積分方程3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory微分方程對F進行變分，細胞或人工生物膜的形狀便由下列的曲面方程(Ou-Ying,Helfrich,1987)所描述。方程中是曲面的拉普拉斯算符，而c0是Helfrich自曲率常數(shù)，與膜的生物功能有關(guān).3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory上述微分方程有形如紅細胞形狀的解圖2：紅細胞的形狀3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：環(huán)形解3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：環(huán)形解Helfrich理論的發(fā)展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論生物膜的各種形狀唯一由液晶理論決定嗎？細胞、各種細胞器的形狀是怎樣維持的？蛋白質(zhì)參與生物膜形狀的產(chǎn)生和維持嗎？4.BARdomain--生物膜形狀感受器§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain問題的由來BAR結(jié)構(gòu)域蛋白家族BAR結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)特征BAR結(jié)構(gòu)域的機制BAR結(jié)構(gòu)域蛋白與小G蛋白BAR結(jié)構(gòu)域蛋白理論問題的由來（1）明顯的事實：在生物膜行使的生命活動過程中，如膜泡運輸、出芽、內(nèi)吞、融合等，蛋白質(zhì)發(fā)揮著重要作用。很多報道，體外向磷脂雙層膜加入某些蛋白，能促進膜的成管或成泡作用。解釋1:蛋白質(zhì)疏水基團（部分）插入雙層膜的一葉（leaflet）增加該葉的表面積促進膜的自發(fā)彎曲。解釋2:當(dāng)某些膜結(jié)合蛋白，如clathrin、COPI、COPII等，聚合形成coat

或cage時能使膜彎曲（如內(nèi)吞泡等）。

問題的由來（2）BARDomainsasSensorsofMembraneCurvature:theAmphiphysinBARstructureScience303,495-499，2004.解釋3問題的由來（3）BAR結(jié)構(gòu)域蛋白家族BAR:bin,amphiphysinandRvs161/167Bin:bridgingintegratorAmphiphysin:雙親蛋白Rvs161/167：逆轉(zhuǎn)錄病毒蛋白以上三類都屬于Amphiphysin蛋白家族BAR結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)特征(1)BARdomainsarefrequentlyN-terminalsequencesandarecalledN-BARdomains.banana-shapeddimer.acoiled-coilofthreelongkinkeda-helices,formingasix-helixbundlearoundthedimer.ThehydrophobicresiduesarelargelyplacedattheinterfacebetweentheMonomers.theconcavesurfaceofthedimerhasseveralpatchesofpositivelychargedresiduesandtheflexibleloopbetweenhelices2and3foundattheextremeendsofthedimerisstronglybasic.BAR結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)特征(2)BAR結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)特征(3)BAR結(jié)構(gòu)域的機制（1）BARBendsmembranetotubeorvesicle.BARisacurvaturesensorofmembrane.Theconcavesurfaceofthedimerinteractswithphospholipidmembranes.BARwillinducecurvatureonlyiftheelectrostaticbindingenergyisgreaterthantheenergyrequiredtobendthemembrane.BARdomainstendtopolymerization.BARdomainsarefrequentlyfoundincombinationwithotherlipidbindingdomains(e.g.PH,pleckstrinhomology;PX