浙江大学生物化学与分子生物学笔记生物膜和运输.ppt

生物膜和运输生物膜和运输Biological Membrane and Transport生物膜和运输（生物膜和运输（Biological Membrane and Transport）生物膜的形成对于生物能量的贮存及细胞间的通讯起着中心作用。膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。膜的电膜的电镜横切镜横切面照片面照片细胞体纤毛线粒体消化泡内质网分泌泡膜的生化特性膜的生化特性 膜不仅仅是被动的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度移动（运送）特定的有机物和无机离子；能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量；质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件。膜的分子组成膜的分子组成生物膜几乎所有的质量都由蛋白质和极性脂质组成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白质和脂类的相对比例因不同的膜而不同，反映着膜生物作用的广泛性。神经元的髓鞘主要由脂类构成，表现为一种被动的电子绝缘体；但细菌、线粒体、叶绿体的膜上由许多酶催化的代谢过程发生，含有的蛋白比脂类要多。每种膜都有一个特征的脂质组成每种膜都有一个特征的脂质组成各种来源的膜的化学分析显示了一个共同的特征，即膜脂组成膜脂组成因不同的界界、不同的种种、不同的组织组织、特定细胞中不同的细细胞器胞器而不同。细胞有一种清楚的机制，可以精确控制膜脂合成的种类和数量，以及定位到特定的细胞器上。不同组织质膜的主要成分不同组织质膜的主要成分鼠肝细鼠肝细胞膜及胞膜及细胞器细胞器膜的脂膜的脂质类型质类型红细胞质膜内外单层膜红细胞质膜内外单层膜磷脂的不对称分布磷脂的不对称分布不同功能的膜含有不同的蛋白质不同功能的膜含有不同的蛋白质不同来源膜的蛋蛋白白质质组组成成比其脂质组成的变变化化更更大大，反映在膜膜功功能能的的特特化化上。脊椎动物视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白视紫红质；特化较低的红细胞质膜约含20种显著的蛋白及十几种较少的蛋白，其中多数的蛋白为运输载体，每一种蛋白运输一种跨膜的溶质等。有些膜蛋白还有一个或多个脂共价结合脂共价结合，后者可能形成一种疏水的稳定体系以保证蛋白质存在于膜中。膜的超分子结构膜的超分子结构所有生物膜拥有共同的基本特征：对多数极性分子或带电分子不通透，允许非极性分子通透；约5-8 nm厚，横切电镜照片近似三层结构。流动镶嵌模型流动镶嵌模型（Fluid Mosaic Model）生物膜中兼性的磷磷脂脂和和固固醇醇形成一个脂脂质质双双分分子子层层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中，球状蛋白以非正规间隔埋埋于于其其中中；另一些蛋白则伸伸出出（突突出出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨跨越越整整个个膜膜。蛋白质在脂双分子层中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。膜结构的流动镶嵌模型膜结构的流动镶嵌模型(Fluid Mosaic Model)脂双分子层是基本的结构脂双分子层是基本的结构脂类与水相共存时会迅速形成一种脂双分子层结构而避开水的作用，生物膜的厚度（电镜测定为5-8 nm）是由3 nm的脂双分子层和蛋白的厚度决定的，所有证据都支持生物膜由脂双分子层构成生物膜由脂双分子层构成。膜脂对于脂双分子层两面是不对称的，但尽管不对称，也不象蛋白质，脂的不不对称不是绝对的对称不是绝对的。两性脂在水中形成的聚集体两性脂在水中形成的聚集体(Amphipathic Lipid Aggregates)膜脂在不断地流动膜脂在不断地流动虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单单个个的的磷磷脂脂和和固固醇醇可可在在脂脂质质平平面面内内有有很很大大的的运运动动自自由由，它们的横横向向运运动动很很快快，几秒之内单个脂分子就可环绕红细胞的一周。双分子的内内部部也也是是流流动动的的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋转而不断地运动。另外一种运动就是跨双分子层运动，即flip-flop。膜流动的程度以来于脂脂的的组组成成及及温温度度，低温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态（类晶体、半晶体）排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。膜脂的膜脂的运动运动温度引起侧链热运动脂双层平面的扩散跨膜扩散：“翻跟头”膜蛋白透过或跨过脂双分子层膜蛋白透过或跨过脂双分子层生物膜的冰冻蚀刻冰冻蚀刻电镜观察到的一个蛋白或多蛋白复合体分布情况显示，一些蛋白仅存在于膜的一面一面，另一些则横跨整个膜双分子层，有些穿过膜的另一穿过膜的另一表面表面。膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动侧向运动。红细胞红细胞上血型上血型糖蛋白糖蛋白的跨膜的跨膜O-连接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAcN-连接-螺旋冰冻蚀刻（冰冻蚀刻（Freeze-fracture Technique)撕开膜双层撕开膜双层膜内（嵌入）蛋白不溶于水膜内（嵌入）蛋白不溶于水膜 蛋 白 可 分 为 两 类，外外 周周 蛋蛋 白白（peripheral）和 膜膜 内内（嵌嵌 入入）蛋蛋 白白（integral），前者与膜结合松散，可逆，很容易释放，是水溶性的；后者与膜结合紧密，由膜上释放时要用特别的试剂（去污剂、有机溶剂、变性剂等），及时嵌入蛋白由膜上释放出来，一旦去除变性剂或去污剂会立即引起蛋白沉淀（不溶聚积物）析出。外周蛋外周蛋白和膜白和膜内内（嵌入）（嵌入）蛋白蛋白外周蛋白嵌入（膜内）蛋白去污剂糖蛋白pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白外周蛋白与膜的连接是可逆的外周蛋白与膜的连接是可逆的许多外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲亲水水区区域域或膜脂的极极性性头头部部以静静电电作作用用或或氢氢键键结合到膜上，通过温度的改变或破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释放出来。这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因膜结合酶的调节因子子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构连接膜内蛋白与胞间结构的中介物、或一些膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性。膜内（嵌入）蛋白与脂膜内（嵌入）蛋白与脂通过通过疏水作用疏水作用维系在膜中维系在膜中 嵌入蛋白通常富富含含疏疏水水氨氨基基酸酸区区域域（可在中间段，也可在氨基端或羧基端），有些可有多个疏水序列，如-螺螺旋旋，可横贯整个膜脂双分子层。膜内（嵌膜内（嵌入）蛋白入）蛋白（Integral Membrane Proteins)有些外周膜蛋白有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上共价泊锚在膜脂上有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个一个或多个共价结合位点共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。脂连接的膜蛋白脂连接的膜蛋白磷脂酰肌醇鞘糖脂膜蛋白是不对称的膜蛋白是不对称的 糖蛋白分布的不对称反映了功能的不分布的不对称反映了功能的不对称对称；许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向，很少发生翻转的情况，及时有，flip-flop也非常慢。蛋白质分布的不对称往往还与组成膜上的泵泵相关。细胞与细胞相互作用：细胞与细胞相互作用：四种膜内蛋白作用类型四种膜内蛋白作用类型配体结合域黏附域类免疫球蛋白域凝集素域膜蛋白膜蛋白的扩散的扩散运动运动红细胞氯红细胞氯-碳酸氢盐碳酸氢盐交换体的局限运动交换体的局限运动膜的融合是许多膜的融合是许多生物过程的中心生物过程的中心生物膜的一个明显的特征是可与另一个膜融合而不失去其完整性融合而不失去其完整性。膜虽是稳定的，但不是静止的，内膜系统中膜状结构不断地从高尔基复合体上分泌形成；外吞、内饮、细胞分裂、精卵细胞融合、膜包裹病毒进入宿主细胞等都涉及膜的重新形成，而它们最基本的行为就是两个膜片段的融合而不失去完整性。膜的融膜的融合合（Membrrane Fusion)膜融合事件膜融合事件两个膜融合需要：相相互互识识别别；相互表面靠靠近近并并相相对对（排除水分子）；双层结构部部分分破破坏坏；两个双分子层融融合合为一个连续的脂双分子层。受体调节的内吞或控制的分泌还需要融合发生在合合适适的的时时间间或者是对对特特异异信号的反应信号的反应。融融合合蛋蛋白白（嵌入蛋白）（fusion protein）参与以上融合事件，引起特异识别和短暂、局部脂双层结构变形促使膜融合。融合蛋白可搭起两个膜融合的桥，并带来融合区域脂双分子层的暂时恢复。膜联蛋白膜联蛋白（annexin）（一种Ca2+活化后可与膜磷脂结合的蛋白）是一类紧挨质膜的蛋白质，需要Ca2+，与脂双分子层的磷脂结合，可通过交叉连接两个不同膜的脂质分子。病毒进入宿主细胞的膜融合病毒进入宿主细胞的膜融合跨膜运输跨膜运输所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物原材料为其生物合成和能量消耗合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境释放其代谢物到环境中去中去。质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞，有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。很少有例外小分子物质的跨膜是直接通过蛋白的，而是通过跨膜的通道（channels）、载体(carriers)或泵（pumps）。溶质通过透过性膜的移动溶质通过透过性膜的移动不带电带电被动运输是由膜蛋白促进的被动运输是由膜蛋白促进的顺浓度梯度顺浓度梯度的扩散的扩散生物体内的简单扩散因膜把胞内和胞外环境所阻止，膜是一种选选择择性性通通透透屏屏障障，要通过脂双分子层，极性分子或带电溶质必需解除水化膜的水的作用，然后透过约3nm 的介质（膜）。水是一种例外，可很快透过生物膜，机制尚不清楚，膜两侧溶质浓度差异大时，渗透压的不平衡引起膜两侧水的流动，直至两侧的渗透压相等。极性溶质或离子的过膜运输由膜上的蛋白降低膜上的蛋白降低活化能而对特异的物质提供过膜路径而过膜的活化能而对特异的物质提供过膜路径而过膜的双分子层，引起促进扩散双分子层，引起促进扩散。亲水亲水溶质溶质通过通过生物生物膜脂膜脂双层双层的能的能量变量变化化除去水化膜的简单扩散跨膜蛋白降低溶质跨膜运输的活化能红细胞葡萄糖渗透酶（红细胞葡萄糖渗透酶（Glucose Permease）调控被动运输）调控被动运输 红细胞中能量产生的代谢依赖于葡萄糖不断地由血浆中进入红细胞，葡萄糖通过渗透酶由促进扩散进入细胞，这一膜蛋白有12个疏水区域（Mr=45000），可能跨膜12次，它可使葡萄糖进入细胞内的速度大于没有时的50000倍。葡萄糖葡萄糖运输进运输进入红细入红细胞胞 模型模型1.D-Glc与T1特异结合降低构象改变的活化能2.T1转变为T2影响Glc跨膜通道3.Glc由T2释放到胞质4.T2构象变回T1氯化物和碳酸氢盐跨红细胞氯化物和碳酸氢盐跨红细胞膜的运输为膜的运输为协同运输协同运输（Cotransport）红细胞存在另一种促进扩散系统阴阴离离子子交交换换体体，这对于肌肉及肝脏中CO2回到肺中的运输是必需的。呼吸组织产生的废气CO2由血浆进入红细胞，在红细胞中转化为HCO3-，HCO3-重新回到血浆中被运输到肺组织。因HCO3-比CO2的溶解度大，这种变化增加了由组织到肺的CO2运输的血容量，在肺中HCO3-重回红细胞被转化为CO2，被缓慢呼出。氯化物-碳酸氢盐交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加HCO3-对红细胞膜的透过，这一系统也被称为协同运输系统协同运输系统。红细胞膜膜上氯红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体碳酸氢盐交换体主动运输主动运输（Active Transport）引起物引起物质的质的逆浓度梯度逆浓度梯度运输运输 被动运输总是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累，相反，主动运输总是逆浓度梯度运输，引起物质的积累引起物质的积累。主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程放能过程，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他顺浓度梯度的运输。在初级主动运输中，物质的积累直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接；次级主动运输发生于由初级主动运输引起的逆浓度积累的顺浓度梯度运输。三类主要运输系统三类主要运输系统两种类型的主动运输两种类型的主动运输磷酸和钒酸磷酸和钒酸有三种形式的运输有三种形式的运输ATPases Na+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype）被称为P-type ATPase（可以可逆磷酸化的）；另一类为V-type ATPaseProton pumps(V-vacuole)；第三种，ATP-splitting proton pumps，对细菌、线粒体和叶绿体中的能量消耗反应起中心作用，即F-type ATPases（F：energy-coupling factors），催化质子可逆地跨膜运输，由ATP水解供能。三种类型离子运输三种类型离子运输ATPase亚基结构亚基结构四种类型的运输四种类型的运输ATPasesF类型类型ATPasesNa+K+ATPase主动协同主动协同Na+,K+的运输的运输由由ATP所供能所供能 每个动物细胞与环境相比维持较低的Na+和较高的K+，这种不平衡由质膜上的主动运输所建立和维持，涉及Na+K+-ATPases，偶联ATP水解，引起Na+,K+的逆浓度梯度运输。每水解1ATP，偶联运输2个K+进质膜内，3个Na+出质膜外。Na+K+-ATPases是一种膜蛋白，由2个亚基组成，都是跨膜蛋白。Na+K+ATPase驱动的驱动的钠钾离钠钾离子运输子运输Na+或或K+梯度驱动的协同运输梯度驱动的协同运输离子梯度为次级主动离子梯度为次级主动运输提供能量运输提供能量光、氧化作用、ATP水解驱动的Na+或H+的初级运输的离子梯度本身可以驱动其他物质的协同运输。肠内皮肠内皮细胞细胞葡萄糖葡萄糖的运输的运输信号传导中离子选择性信号传导中离子选择性通道的作用通道的作用第三类离子跨膜运输途径离子通道（第一种transporter，第二种ionophores离子载体），发现于神经元、肌肉细胞及许多其他细胞的质膜中，原核、真核中都有，不同的刺激引起神经元及肌细胞质膜跨膜电势的迅速改变，引起离子通道的快速打开和关闭，对信号传导起重要作用。链霉的链霉的K+通道（通道（Ion Channel)乙酰胆碱受体离子通道的结构乙酰胆碱受体离子通道的结构(a)乙酰胆碱受体离子通道的结构乙酰胆碱受体离子通道的结构(b)