第七章 生物膜与跨膜转运.ppt

生物膜与跨膜转运 大纲 7 1总述7 2细胞膜的分子组成7 3膜的超分子结构7 4溶质的跨膜转运7 5细胞膜与跨膜转运相关文献讨论 7 1总述 图7 1动物细胞的亚显微结构 7 1总述 细胞膜的的功能 确定细胞及细胞内各个细胞器的边界 隔离细胞过程与成分 调控细胞及细胞器的分子运输 保存细胞能量 细胞通讯 受体等 7 2细胞膜的分子组成 1 脂类 25 70 磷脂磷脂酰胆碱 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰肌醇等 胆固醇糖脂2 蛋白质 30 75 整体膜蛋白 外周膜蛋白 脂锚定蛋白3 碳水化合物 糖类 10 糖蛋白和糖脂4 少量的核酸 水分 无机盐 7 2细胞膜的分子组成 7 2细胞膜的分子组成 7 3膜的超分子结构 图7 2膜结构的流动镶嵌模型 7 3膜的超分子结构 细胞膜的脂双分子层 两性脂分子在水中自动形成的聚集形态 微团 脂双层 4 5nm 脂质体 稳定但是灵活半透性脂双层同时具有液体 快速分子移动 和固体的特性 脂双层是二维的液体 7 3膜的超分子结构 图7 3双亲脂质在水中的聚集体 7 3膜的超分子结构 生物膜双层脂分子分布的不对称性 7 3膜的超分子结构 生物膜不对称性的意义 使细胞膜的两侧具有不同的化学性质 使细胞膜具有边面性 定义了细胞膜的内外两侧 7 3膜的超分子结构 膜脂的运动 流动性不饱和脂肪酸 固醇 侧向扩散同一分子层 相对于其他脂分子的运动液 晶两性 在垂直于双分子层的维度里 有高度的规律性 在双分子层平面里 有极大的流动性 翻转运动概率小 需能 翻转酶可促进旋转运动交换脂肪链的运动 7 3膜的超分子结构 生物膜的流体镶嵌模型 Singer Nicholson 1972 Science1972Feb 18175 23720 731 描述了蛋白质与脂双层的关系 膜蛋白好像液体脂分子海洋中的圆形冰山 整体蛋白跨越脂双层 通过疏水作用结合在膜上 外周蛋白与膜表面松散地结合 如 通过静电作用 脂锚定蛋白 在膜内或膜外 共价结合在脂上 7 3膜的超分子结构 图7 2膜结构的流动镶嵌模型 7 3膜的超分子结构 膜蛋白的侧向扩散 有些蛋白可自由侧向扩散 人细胞与小鼠细胞的融合实验 有些膜蛋白在细胞或细胞器膜上形成聚集物或补丁 这些蛋白分子被一些内部结构锚定 之间相对不动 如 血型糖蛋白 氯离子 碳酸氢根交换蛋白 7 3膜的超分子结构 膜蛋白的定位 电镜观察冰冻撕裂膜 不能跨膜的试剂进行研究 异乙基乙酰亚胺蛋白酶 7 3膜的超分子结构 图7 4冰冻撕裂技术裂分细胞膜的双分子层示意图 7 3膜的超分子结构 图7 5确定膜蛋白跨膜排列的实验 7 3膜的超分子结构 外周蛋白 通过弱静电作用结合到膜蛋白或脂分子上用高浓度的盐溶液可溶与膜的结合是动态的 临时的 可调控的例如 膜内侧的磷脂酰丝氨酸 带负电荷的磷脂 可以与含有赖氨酸和精氨酸的血型糖蛋白结合例如 红细胞的血影蛋白可以支撑细胞膜并使膜蛋白条理化 7 3膜的超分子结构 图7 6外周蛋白和膜整体蛋白 图7 7膜联蛋白V与膜脂分子头部结合的结构 PC 磷酸酰胆碱 胆碱部分 磷酸基团 脂肪酸尾部 7 3膜的超分子结构 图7 8氯离子 碳酸氢根离子交换蛋白的移动受到血影蛋白的限制 7 3膜的超分子结构 7 3膜的超分子结构 图7 9脂质 连接的各种膜蛋白 两种类型 1 GPI锚定蛋白 2 内膜碳氢链链接的蛋白 7 3膜的超分子结构 通过磷脂酰肌醇的糖衍生物 GPI 共价连接 GPI是细胞膜外层的脂 最初是通过研究一种磷脂酶发现的 通过内膜上的碳氢链 CH2 共价连接 如 Scr蛋白和Ras蛋白 7 3膜的超分子结构 膜整体蛋白 融入脂双层的两亲性蛋白 特定片段的初级结构高度亲脂 通常是 螺旋 与质膜的脂肪酸尾部结合 一般有20 30个连续的亲脂性氨基酸有单个或多个跨膜片段 多种跨膜通道蛋白 如 细菌视紫红质 图7 10各种类型的膜整体蛋白 7 3膜的超分子结构 图7 11细菌视紫红质的结构 7 3膜的超分子结构 图7 12紫色细菌的光和反应中心 第一个通过X 射线晶体衍射确定结构的膜蛋白 7 3膜的超分子结构 图7 13跨膜蛋白的疏水作图 a 血型糖蛋白 b 细菌视紫红质 20 25个残基的 螺旋序列刚刚足够跨越脂双层 过疏水指数作图可预测 螺旋结构的跨膜区域 对于 片层结构的预测无用 7 3膜的超分子结构 图7 14孔蛋白 一种具有 桶结构的膜整合蛋白 7 3膜的超分子结构 图7 15在细胞与细胞相互作用中起作用的四种类型的膜整体蛋白 7 3膜的超分子结构 整联蛋白 Integrins 异二聚体 不同的 和 亚基结合会产生多样的特异性 与整合蛋白结合的蛋白存在RGD序列 功能 粘合分子 受体 信号转导蛋白 钙粘着蛋白 Cadherins 嗜同种相互作用 7 3膜的超分子结构 免疫球蛋白类似蛋白 Immunoglobulin likeproteins 嗜同种相互作用 嗜异种相互作用 选择蛋白 Selectins 在Ca2 存在下 结合临近细胞表面特异多糖 血细胞 血管内皮细胞 7 3膜的超分子结构 诸多细胞过程涉及膜融合 外排作用 内吞作用 细胞分裂 精卵细胞融合 膜包被病毒进入宿主细胞 图7 16膜的融合 7 3膜的超分子结构 特异膜融合的要求 1 互相识别 2 并列靠近 3 双分子层结构局部打破 4 两个双分子层融合形成连续双分子层 5 对特异信号响应 7 3膜的超分子结构 图7 17病毒侵入宿主细胞的膜融合 a 流感病毒 b 人类免疫缺陷病毒 7 3膜的超分子结构 细胞杂交 诱导细胞融合的方法 生物方法 病毒 化学方法 聚乙二醇PEG 物理方法 电击和激光 应用 植物育种 单克隆抗体制备等 7 4溶质的跨膜转运 简单扩散 易化扩散 主动运输 胞吞胞吐 7 4溶质的跨膜转运 细胞膜的半透性 亲脂性的小分子 不带电荷的水分子可以通过 带电荷的 极性的分子不能通过 膜蛋白可以辅助特定分子的跨膜转运 转运方式包括 被动运输 如 离子通道 主动运输 如 离子泵 胞吞胞吐作用 7 4溶质的跨膜转运 浓度梯度是指膜两侧的浓度差 C2 C1 溶质分子从浓度为C1一侧扩散到浓度为C2一侧的化学势为 G RTlnC2 C1 图7 18溶质的浓度梯度 7 4溶质的跨膜转运 除浓度梯度外 电势梯度也可驱动扩散Z 分子所带的电荷F 法拉第常数 96 485JV 1mole 1 电势差电化学势 G RTlnC2 C1 ZF 图7 19溶质的电势梯度 7 4溶质的跨膜转运 被动扩散是一种一级动力学过程 直接取决于浓度 协助扩散由蛋白辅助并且表现出Michaelis Menten反应动力学 7 4溶质的跨膜转运 转运蛋白降低了溶质跨膜的自由能 与水合溶质的非共价作用提供亲水的跨膜通道 图7 20亲水溶质通过生物膜的脂类双分子层的能量变化 7 4溶质的跨膜转运 图7 21水孔蛋白AQP 1跨膜的可能拓扑学 a 每个单体由6个跨膜螺旋组成 b 水孔蛋白的建议结构 4个AQP 1分子并肩结合 其24个跨膜螺旋围成一个中央通道 水分子可以通过此布满亲水侧链的通道 7 4溶质的跨膜转运 渗透压 被动扩散的一个特例 当膜对水通透但是不对融解的离子或极性小分子有机溶质通透时产生 溶剂从低溶质浓度向高溶质浓度运动 表现为 体积变化 直到溶质浓度平衡 压力变化 7 4溶质的跨膜转运 如果培养基中细胞周围的水浓度高于胞质 培养基被认为是低渗 水分子将在渗透压作用下进入细胞 将一个红细胞放在低渗的溶液中 如 纯水 红细胞便会因水的内流而破裂 溶血 植物细胞与细菌细胞由于有坚固的细胞壁 可避免在低渗溶液中破裂 这会使细胞内产生膨压 当膨压与渗透压相等时 反渗透便会停止 7 4溶质的跨膜转运 图7 22葡萄糖转运体1 GluT1 的建议结构 a 12个跨膜螺旋中有9个含有3个以上的极性或带电的氨基酸残基 通常被几个疏水残疾隔离 7 4溶质的跨膜转运 图7 21葡萄糖转运体1 GluT1 的建议结构 b 螺旋图表明一个螺旋节段表面上极性和非极性残基的分布 c 5 6个双亲螺旋的每个螺旋的极性和带电的残基面向中央通道并排 从而形成一个内表面排列有极性和带电的残基跨膜通道 此通道提供了很多机会与通过此通道的葡萄糖形成氢键 GluT1的三维结构还没有通过X 射线晶体学阐明 7 4溶质的跨膜转运 T1 细胞膜外表面的葡萄糖结合位点T2 细胞膜内表面的葡萄糖结合位点 图7 23葡萄糖通过GluT1转运到红细胞的模型 7 4溶质的跨膜转运 图7 24葡萄糖转运到红细胞的动力学 a 葡萄糖进入红细胞的初速度V0依赖于胞外初始葡萄糖浓度 S out b 为 a 中数据的双倒数作图 此协助扩散的动力学与酶催化的动力学类似 此处的Kt相当于米氏常数Km 7 4溶质的跨膜转运 氯离子 碳酸氢根离子交换器 也称阴离子交换器 增加了红细胞对HCO3 的通透性达一百多万倍 Cl 和HCO3 的偶联是专性的 氯离子 碳酸氢根离子交换器是一种共转运系统 对向转运 图7 25红细胞膜上的氯离子 碳酸氢根离子交换蛋白 此共转运系统使HCO3 进出细胞而不改变跨膜电位 其作用是增加血液的CO2携带能力 7 4溶质的跨膜转运 离子选择通道对特定离子具有高选择性 离子通道有开放和关闭两种状态 在两种状态中相互转变 并且可调控 离子通道的分类 配体门控离子通道 电压门控离子通道 离子通道与离子转运体的差别 离子通道的流速比转运体高若干个数量级 且无限接近扩散的理论最大值 没有饱和性 应某些 事件 而打开或关闭 7 4溶质的跨膜转运 K 通道的结构表明了其特异性的基础 图7 26K 通道的结构图 7 4溶质的跨膜转运 图7 27变铅青霉素菌的K 通道的结构 离子半径K 1 4 Na 0 95 7 4溶质的跨膜转运 怎样实现K 通道的高选择性 在膜路径的大约三分之二处 通道在选择性过滤器区域变狭窄 迫使离子丢弃水合分子 过滤器骨架中的羰基氧原子代替了K 水合层中的水分子 形成一系列完美的配位层 此滤器对Na 不利 因为Na 太小 不能与所有可能的氧配体接触 K 的优先稳定性是过滤器的离子选择性的基础 改变蛋白质这个部分的突变会消除通道的离子选择性 7 4溶质的跨膜转运 配体门控离子通道 乙酰胆碱受体离子通道对运动神经元到肌细胞的电信号传导非常重要 乙酰胆碱与其受体结合 引起受体的构象变化 导致Na Ca2 和K 的内流 乙酰胆碱受体的结构包括五个亚基 2 每个亚基都有四个跨膜螺旋片段 7 4溶质的跨膜转运 图7 28乙酰胆碱受体离子通道的结构 其5个亚基 2 的每个亚基都有4个跨膜螺旋 M1到M4 其中M2螺旋是双亲性的 其他主要为疏水残基 这5个亚基围绕一个跨膜中心通道排列 使其内腔布满了M2螺旋的极性侧链 通道的顶部和底部是带负电的氨基酸残基构成的环结构 在近双分子层的中部 有5个分别来自5个M2螺旋的Leu侧链伸出到通道中 此时通道直径太小 不能通过Ca2 Na 和K 7 4溶质的跨膜转运 图7 29乙酰胆碱受体离子通道的中央横切面的顶面观 表明被大Leu侧链封阻的通道 当两个乙酰胆碱分子结合后 两个 亚基各结合一个 发生了构象变化 M2螺旋稍微扭曲 此5个Leu残基转动离开通道 而被小的极性残基所取代 此门控机制使通道打开 使Ca2 Na 和K 能够通过 7 4溶质的跨膜转运 电压门控离子通道 主要存在于神经元 心肌和骨骼肌的肌细胞质膜上 通过感应跨膜电势梯度来开放和关闭 对Na 有非常高的选择性和通透性 结构 由单个巨大的多肽链组成4个结构域 每个结构域包含6个跨膜螺旋 不同螺旋的作用 螺旋4 电压传感器 螺旋5 选择性过滤器 螺旋6 激活门和失活门 链球机制 通道的钝化 7 4溶质的跨膜转运 图7 30 a 电压门控离子通道的结构图 b 电压门控离子通道的链球模型 7 4溶质的跨膜转运 图7 31电压感应的机制模型 螺旋4对跨膜电位响应 膜极化 螺旋4被向内推进 膜去极化 螺旋4松弛 向外移动 与螺旋6相互作用 7 4溶质的跨膜转运 图7 32离子通道功能的电学测定 7 4溶质的跨膜转运 离子通道缺陷 肌细胞质膜的电压门控Na 通道的遗传缺陷可导致 肌肉周期性麻痹 高钾型周期性麻痹 或僵直 先天肌强直 CFTR 一种氯离子通道 的突变可导致囊性纤维化 天然毒素通常作用于离子通道 如 河豚毒素和蛤蚌毒素 作用于神经元的电压门控Na 通道 7 4溶质的跨膜转运 孔蛋白是小分子跨膜运输的通道 如 大肠杆菌外膜的孔蛋白 FhuA将铁从胞外跨膜转运到其周质空间 由22个 链的 桶结构域和一个氨基末端 塞 的结构域组成 图7 33孔蛋白的结构图 7 4溶质的跨膜转运 主动转运导致溶质逆浓度或或电化学梯度移动 逆浓度梯度转运 自由能的变化 Gt RTln C2 C1 R 气体常数 8 315J molKT 绝对温度逆电化学梯度 Gt RTln C2 C1 ZF Z 离子电荷 跨膜电势F 法拉第常数 96 48oJ Vmol 7 4溶质的跨膜转运 四大类转运ATPase 7 4溶质的跨膜转运 图7 34三种类型的离子转运ATPase的亚基结构 a P 类ATPase通常有两种类型的整体蛋白亚基 其必需的 亚基有一个Asp残基 此残基在转运中被磷酸化 b V 类ATPase有一个外周结构域V1 它由7个不同类型的亚基包括3个A和3个B组成 还有一个跨膜结构域V0 后者有三类亚基 并有多拷贝的c亚基 c F 类ATPase的跨膜部分F0也有三类亚基 并由多个拷贝的c亚基 P 类泵如Na K ATPase使两个离子相反方向移动 V 类和F 类ATPase使质子单向移动 V 类ATPase移动质子到液泡 F 类ATPase使质子移出线粒体 7 4溶质的跨膜转运 P typeATPase的特点 ATP可逆磷酸化 类似的氨基酸序列 尤其在发生磷酸化的Asp残基附近 对磷酸类似物钒酸的抑制敏感 大都是单一肽链 有多个跨膜区域的整体蛋白 少数有两个亚基 7 4溶质的跨膜转运 V typeATPase 真菌 高等植物液泡 动物溶酶体 内体 高尔基体及分泌囊泡的酸化 与P typeATPase无关 不发生循环性的磷酸化和去磷酸化 且不被钒酸抑制 包括一个整体跨膜结构域V0 一个APT结合位点和活性外周结构域V1 与F typeATPase有关 7 4溶质的跨膜转运 图7 35F类ATPase的可逆性 一种ATP驱动的质子转运体也能在质子顺电化学势梯度流动时促进ATP的合成 在细菌 线粒体和叶绿体的能量保存中起着重要作用 7 4溶质的跨膜转运 F typeATPase 既可通过ATP水解 催化质子上坡跨膜转运 也可催化质子下坡流动 驱动ATP合成 多亚基复合物 包括一个跨膜孔道 整体蛋白F0 外周蛋白F1 ATP水解或合成 实例 多药转运蛋白 在遗传疾病囊性纤维化中 其编码Cl 转运蛋白及囊性纤维跨膜转导调控因子的基因发生缺陷 可能与肿瘤细胞的多药转运蛋白有关 7 4溶质的跨膜转运 图7 36在遗传疾病囊性纤维化中 其编码Cl 转运蛋白及囊性纤维跨膜转导调控因子 CFTR 的基因发生缺陷 可能与肿瘤细胞的多药转运蛋白有关 7 4溶质的跨膜转运 图7 37在囊性纤维化病人中 肺粘膜表面液中NaCl的高浓度导致杀菌效率降低 7 4溶质的跨膜转运 图7 38Na K ATPase 在动物细胞中 此主动转运系统主要用于建立和维持细胞内的Na 和K 浓度 产生跨膜电位 每移动2个K 进入细胞 就移动3个Na 出细胞 此电位对于神经元的电信号传递非常重要 产生的Na 梯度在许多细胞中可以用于驱动溶质的逆浓度梯度共转运 7 4溶质的跨膜转运 Na K ATPase 整体蛋白 包括两个跨膜亚基 每水解一分子ATP 转运两个K 进入细胞 三个Na 出细胞 细胞中许多生物过程的活化需要K 但是被Na 抑制 此初级转运系统建立的Na K 梯度是许多二级主动转运过程的驱动力 如 氨基酸 糖 核算的转运 该反应所投入的能量占一个静息人所消耗总能量的25 7 4溶质的跨膜转运 ATP水解与转运偶联的机制模型 1 形成磷酸化的酶 ATP EnzI ADP P EnzII 2 磷酸化酶水解 P EnzII H2O EnzI Pi这两步的总反应为 ATP H2O ADP Pi 图7 39Na K ATP酶模型 TheNobelPrizeinchemistryin1997 forhisdiscoveryofNa K ATPase JensSkou Denmark 1918 7 4溶质的跨膜转运 P typeCa2 pump 维持胞浆中的Ca2 浓度在100 M 质膜上的P 类Ca2 泵将Ca2 从胞浆中泵出 内质网上的另一种P 类Ca2 泵将Ca2 从胞浆中移近其内腔 肌质网和内质网Ca2 泵都被肿瘤促进剂毒胡萝卜素 Thapsigargin 抑制 但质膜上的Ca2 泵不受影响 7 4溶质的跨膜转运 二次主动运输 图7 41两种类型的主动转运 通过Na 或H 的初级转运形成的离子梯度 能为其他溶质的共转运提供驱动力 7 4溶质的跨膜转运 图7 42大肠杆菌对乳糖的吸收 a 各种燃料分子的氧化驱动的H 向细胞外的转运 建立起了跨膜的质子梯度 内侧为负 乳糖二次转运到大肠杆菌细胞涉及质子的同向共运和半乳糖苷转运体 乳糖逆浓度梯度的吸收完全依赖于此电化学势驱动的质子内流 b 当代谢的产能反应被CN 阻断时 半乳糖苷转运体可通过被动转运使