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 Biological Membrane and Transport 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 镜横切 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 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 各种来源的膜的化学分析显示了一个共 同的特征，即膜脂组成因不同的界、不同 的种、不同的组织、特定细胞中不同的细 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 鼠肝细 胞膜及 细胞器 膜的脂 质类型 红细胞质膜内外单层膜 磷脂的不对称分布 不同功能的膜含有不同的蛋白质 不同来源膜的蛋白质组成比其脂质组成的变化 更大，反映在膜功能的特化上。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，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 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 （Fluid Mosaic Model） 生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质双分 子层，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 以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白则伸出（突 出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨越整个 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 (Fluid Mosaic Model) 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。 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 对称不是绝对的。 两性脂在水中形成的聚集体 (Amphipathic Lipid Aggregates) 膜脂在不断地流动 虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个的磷 脂和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由， 它们的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就 可环绕红细胞的一周。双分子的内部也是流动 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的组成及温度，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 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 生物膜的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，另一些则横 跨整个膜双分子层，有些穿过膜的另一 表面。 膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动。 红细胞 上血型 糖蛋白 的跨膜 O-连接四糖 ：2Neu5Ac， Gal，GalNAc N-连接 -螺旋 冰冻蚀刻（Freeze-fracture Technique)撕开膜双层 膜内（嵌入）蛋白不溶于水 膜蛋白可分为两类，外周蛋白（ peripheral）和膜内（嵌入）蛋白（ 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 白和膜 内 （嵌入 ）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 许多外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲水区 域或膜脂的极性头部以静电作用或氢键 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 子、或作为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。 膜内（嵌入）蛋白与脂 通过疏水作用维系在膜中 嵌入蛋白通常富含疏水氨基酸区域（ 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-螺旋， 可横贯整个膜脂双分子层。 膜内（嵌 入）蛋白 （Integral Membrane Proteins) 有些外周膜蛋白 共价泊锚在膜脂上 有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个 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 磷脂酰肌醇 鞘糖脂 膜蛋白是不对称的 糖蛋白分布的不对称反映了功能的不 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相关。 细胞与细胞相互作用： 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 的扩散 运动 红细胞氯-碳酸氢盐 交换体的局限运动 膜的融合是许多 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。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 合（ Membr rane Fusion) 膜融合事件 两个膜融合需要：相互识别；相互表面靠近并相对（ 排除水分子）；双层结构部分破坏；两个双分子层融 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适的时间或者是对特异信 号的反应。 融合蛋白（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（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 跨膜运输 所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物 合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境 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 不带电带电 被动运输是由膜蛋白促进的 顺浓度梯度的扩散 生物体内的简单扩散因膜把胞内和胞外环境所 阻止，膜是一种选择性通透屏障，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 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。 亲水 溶质 通过 生物 膜脂 双层 的能 量变 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（Glucose Permease）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 运输进 入红细 胞 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 膜的运输为协同运输（Cotransport） 红细胞存在另一种促进扩散系统阴离子交换体 ，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。 红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体 主动运输（Active Transport）引起 物质的逆浓度梯度运输 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。主动运输直接或间接 地依赖于一些放能过程，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 两种类型的主动运输 磷酸和钒酸 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 ATPase亚基结构 四种类型的运输ATPases F类型ATPases Na+K+ ATPase 主动协同Na+,K+的运输 由ATP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 钠钾离 子运输 Na+或K+梯度驱动的协同运输 离子梯度为次级主动 运输提供能量 光、氧化作用、ATP水解驱动