《生物物理学》课件第一章 生物膜的结构与功能（2）.18ppt

1、 1.3 生物膜的特性 膜的不对称性 膜的运动性 膜的相结构和相变1 一.膜的不对称性 膜的不对称性即膜脂、膜蛋白和糖不对称地分布在脂双层的两叶片层，所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生物膜功能的重要基础。 2 脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。同一种脂分子在脂双层中也呈不均匀分布。1.膜脂的不对称性3 膜的两个片层由不同的脂组成，用磷脂酶处理完整的RBC，由于膜的不通透性，该膜只能作用于膜的外侧片层，而无法作用于面对胞浆的另一个片层。结果表明：4红细胞质膜脂分布的不对称性外层：糖脂 磷脂酸胆碱(PC) 神经鞘磷脂(SM) 胆固醇内层：磷脂酰丝氨酸(PS) 磷脂酸乙醇胺(PE

2、) 磷脂酰肌醇 (PI) 糖脂仅存在于脂膜外侧中。56 当然，不同的细胞膜，脂类的不对称分布也不同相同。 例如： 猪血小板质膜，PC主要分布在内侧。 人红细胞膜，PC主要分布在外侧。7 即使在同一细胞膜的不同部位，脂类的分布也不相同.例如：在血窦处的肝细胞膜 的接触面，PE对称 分布在膜的内外两侧。 在毛细胆管处的质膜， PE主要分布在内侧。8如何造成膜脂的不对称分布还不太清楚。（a）脂类分子本身的某些物理性质，如: 分子形状（极性头部的大小：PE、PS 内侧，PC 外侧） 带电状态 有可能影响脂类分子的在膜上的分布。（b）与糖和膜蛋白的相互作用有关 （1） 脂分布的不对称的成因：9（c）从根

3、本上来说，它是细胞合成膜的时候决定的，这种不对称可能在内质网合成时已经开始了，并受细胞生理状态影响。在细胞凋亡时，质膜的脂类分布的不对称性将明显改变。 真核细胞的大部分膜包括质膜是在内质网合成的，ER内存在有磷脂转位因子或翻转酶，它们能够特异性地将某种脂分子从膜的一个片层转位到另一个片层。另外，某些脂类可以结合到膜的某一个片层中的特殊的蛋白区域。10（2）脂的不对称分布的特点： 相对性 变化性11（3）脂的不对称分布具有重要的生理意义： -与膜蛋白的生理功能有关 12 蛋白激酶C结合于质膜富含磷脂酰丝氨酸PS的胞浆面片层，它的活化需要这种负电性磷脂结合。13 磷脂酰肌醇（PI）在真核细胞膜中的

4、含量较少，但是，主要分布在胞浆面片层，这种分布适合于位于胞浆的特异性酶在细胞外信号的激活下将PI切割成两个片段（DG和IP3），它们作为可扩散于胞浆的第二信使，进一步活化相应的信号传递途径的级联反应。14152.膜蛋白的不对称性 所有的膜蛋白，无论是内在蛋白，还是外在蛋白，在质膜上都呈不对称分布。 与膜脂不同，膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性。细胞表面受体、膜上载体蛋白，都是按一定方向传递信号和转运物质的。与细胞膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面。质膜上的糖蛋白和糖脂，其糖残基均分布在质膜的非胞浆面。161718 这种分布赋予膜的两个单片层具有不同的特性。这种

5、分布是在合成期间建立的，并且在其存在的全过程中都维持着。19 各种生物膜的特征及其生物学功能主要是由膜蛋白决定的。 膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的、在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。20膜蛋白不对称性的特点： 绝对的，基本不变化的。213.糖的不对称性分布 如果说生物膜脂与蛋白质的不对称分布表现在内外两侧脂与蛋白数量上和种类的区别上，生物膜的糖的不对称分布则表现在所有的糖都仅仅分布在膜的一侧： 在质膜，分布在外表面； 在内质网，分布在内质网池的一面； 在核膜，分布在核周间隙侧。22232425二.膜的运动性 生物膜的运动性是生物膜的基本特征，是细胞进行生命活动的必要条。 膜及其组成成

6、分的运动性主要包括： 脂双层的流动性（fluidity） 蛋白质分子在膜中的运动 (mobility) 完整膜或膜片段的膜流（membrane flow）261.脂双层的流动性(1)膜脂的流动性（微粘度）: 膜脂的流动性是用以描述膜的物理状态的重要参数，它描写脂质分子无序性时间平均值的物理量，无序性愈大，脂质分子排列越不整齐，分子越容易运动，微粘度越小，流动性越大。反之，无序性越小（有序性越高），微粘度越大，流动性越小。27膜（流动性）微粘性的评价和测量方法主要方法有： 1. 示差扫描量热法 2.13C核磁共振 3. 电子顺磁共振 4荧光偏振技术28（2） 脂质分子的运动形式 脂双层膜流动性反

7、映脂质分子在脂双层中的分子内与分子间的运动。膜脂分子能够发生多种形式的运动。 29弯曲运动伸缩震荡运动旋转异构 脂质分子内运动（烃链的运动）30脂质分子间的运动包括： d.转动扩散 整个分子绕着与膜平面垂直的轴转动,其转动速度为每10纳秒转动2角度。 e.侧向扩散 膜脂分子在膜平面内的扩散。这是膜脂分子最重要的运动形式，扩散速率的大小，用扩散系数DL表示。31 f.翻转 这是指脂分子从脂双层的一个叶片层完全翻转到另一个叶片层的运动。脂分子的跨膜翻转最快也要花费数分钟，通常完成翻转的平衡时间从数小时到数周。处于跨脂翻转状态的膜脂分子很少，仅占10-15。这种翻转之所以很困难是由于脂分子跨膜转位时

8、其极性头要经过疏水的内部，需要克服巨大的能障。在细胞的某种生理条件下，如膜脂分子合成过程中，某些膜蛋白如磷脂翻转酶可以催化缩短脂分子翻转的动力学过程。3233（3）影响着膜脂流动性的因素 膜脂本身的因素： 脂肪酰链的长度 脂肪酰链的饱和程度等 极性头部 膜脂胆固醇含量的高低 环境因素： 介质温度的升高是使膜流动性升 介质Ca2+、 Mg2+ 等阳离子的存在有利于降低膜流动性。34（4）膜流动性的生理意义 生物膜适宜的流动性是表现生物膜正常功能的必要条件。例如，通过膜的物质运输、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用都与膜的流动性密切相关。35 实验证明膜上的酶活性与膜的流动性有关。膜的流动

9、性大，有利于膜中酶分子侧向扩散和旋转运动，使酶活性增加。36 膜的流动性与物质运输的关系较为明显。在易化扩散和主动运输中，一些载体蛋白的运动，取决于膜中脂分子的流动性。37 细胞的信息传递，激素、药物的作用也与膜的流动性密切相关。细胞的传递系统是在细胞膜上，外界刺激通过膜传递到细胞内引起一系列的变化，最后作出相应的反应。如激素的作用，受体与G蛋白、腺苷酸环化酶在膜上的位置是不固定的。382.膜蛋白的运动 既然脂双层作为镶埋其中的内在蛋白的基质，阐明内在蛋白在膜平面内的运动正是流体镶嵌模型的基础。膜内在蛋白的主要运动形式包括： 侧向扩散运动 旋转扩散 构象变化 蛋白多聚复合物的聚合和解聚等。39

10、 膜内在蛋白的运动，特别是侧向扩散可以用多种技术予以显示和评价。 细胞融合 荧光漂白恢复 单颗粒示踪 （1）侧向扩散 (a) 膜蛋白运动的显示40 采用细胞融合显示膜蛋白的运动性 细胞融合技术是通过加入细胞融合剂（如灭活仙台病毒，聚乙二醇等）或施以脉冲电场等手段将不同类型或不同种系来源的两个细胞融合为一个杂交细胞，它带有来源于两个细胞的共同的细胞质和单一连续的质膜。 41例如，将标记了带有荧光红的抗人细胞抗体的人细胞和标记了带有荧光绿的抗小鼠细胞抗体的小鼠细胞融合，然后在荧光显微镜下观察，融合细胞膜表面两种颜色荧光半球分别显示红色和绿色荧光，随着两种不同颜色的荧光逐渐向另一半球扩散，大约40分

11、钟后，两种颜色的荧光完全均匀地分布在整个细胞表面。在较低的温度下，两种荧光的相对扩散和混合的速度则降低。 42实验反映： 膜蛋白在融合细胞的质膜中的侧向扩散过程 随着温度而改变的膜的微粘性对膜蛋白扩散运动的影响。4344利用细胞融合技术观察蛋白质运动 45 荧光漂白恢复技术 检测扩散的速度 首先将细胞表面蛋白用非特异性染料如异硫氰酸荧光素或特异性探针如荧光抗体加以标记，把标记好的细胞置于荧光显微镜下，将一束细的聚焦的激光束短促（20ms-1s）辐射在细胞膜表面，被辐射的荧光分子发生不可逆地的淬灭，在细胞膜表面造成一个荧光漂白区域（直径约为1um）。如果膜蛋白是运动着的，随着它们的无规侧向扩散运

12、动，漂白区域又逐渐显现出荧光（即所谓荧光漂白恢复）。通过测量荧光恢复的速率即可直接测量可运动膜蛋白分子扩散速率（以扩散系数 diffusion coefficient , DL表示）。荧光恢复的程度（以原初强度百分比表示）代表了可自由扩散的被标记分子的百分比。 46扩散系数的公式：47 单颗粒示踪 FRAP技术和细胞融合的方法测量的不是单个分子侧向扩散运动而是相当数量的分子群体的扩散运动。 为了追踪单个蛋白分子或脂质分子的运动，可以采用单颗粒示踪技术，即用胶体金颗粒标记膜蛋白分子或脂质分子，然后在配备计算机视频反差增强录像装置的显微镜下，就可显示和记录连接在单个分子上的胶体金颗粒的运动轨迹。

13、48(b) 膜蛋白侧向扩散的种类：49 有些蛋白被锚定在膜骨架上而无法做扩散运动。 相当一部分膜蛋白在膜平面发生随机的布朗运动，但被膜骨架构成的“藩篱”所限制，无法迁移出远于拾数纳米的范围，当然，这些“藩篱”也往往处于解聚和重构的动态变化中，因此有些蛋白的扩散可以重出“藩篱”的限制。 有些蛋白可以在整个膜平面中无规则地移动，但运动速率很低。50 在一些情况下，某些特异蛋白的运动有高度的方向性，似乎在膜的胞浆面有马达蛋白驱动其运动。 如果膜内在蛋白含量高，分布拥挤，相邻 蛋白的随机运动也受到限制。51(c) 影响因素： 微粘度 蛋白自身大小。 蛋白间的相互作用 （尤其是膜骨架蛋白是决定它们实际运

14、动最重要的因素）。 52(d) 膜蛋白侧向扩散运动的意义- 是蛋白质发挥其功能的基础 多组分的膜酶复合物发挥作用 （电子传递链） 53受体系统相关的信号传导54（2）旋转运动 例：视杆细胞圆盘膜上的视紫红质55（3）变构运动： 离子通道， 离子泵、载体蛋白5657（4）蛋白多聚复合物的聚合和解聚等 G蛋白58三. 膜的相结构和相变 类脂都有一个亲水的头部和一个疏水的尾部，在水溶液条件下，疏水相互作用趋使疏水的碳氢链从水相中被排斥开，从而自组装成各种膜样微结构，包括：微团、膜泡、微管状、脂双层等。59三. 膜的相结构和相变 类脂都有一个亲水的头部和一个疏水的尾部，在水溶液条件下，疏水相互作用趋使

15、疏水的碳氢链从水相中被排斥开，从而自组装成各种膜样微结构，包括：微团、膜泡、微管状、脂双层等。60单分子团脂质体双分子层双亲性分子：亲水头部疏水尾部自发排列61 不同的磷脂分子形成不同的聚集态或不同的结构称之为相。 同一磷脂分子在不同的条件下也可以形成不同的聚集态，例如PE在pH7.4时形成倒六角形相,只有当pH为8-9时才形成稳定的脂双层。这一性质称为脂多型性。621.生物膜的相结构 生物膜基本上是脂双层结构，即双磷脂分子层。但是各种生物膜的相结构成分并不是单一形式，任何给定的膜也不都是仅以脂双层结构存在。某一膜内有可能同时存在几种相结构。63 膜脂分子（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相结

16、构： 脂双层构象 a. 液晶或流体相 b. 固相或凝胶相 非脂双层构象（微团，囊泡） a. 六角形 HI 相 b. 倒六角形HII相 c. 立方体（II）相 d. 倒立方体（III）相 混合相 例如在一些膜中，某些区域可能是液晶脂双层 构象，而另外的相结构可能分散其间。64生物膜的几种相结构652.脂双层相 对生物膜而言，脂双层是由膜脂分子(尤其是磷脂)形成的最主要的相结构，膜的厚度随脂质分子的不饱和度的增加而减小。 ,66 （1）液晶或流体相（L-） 液晶相是具有生机活力的细胞，特别是“年轻”细胞的典型的细胞膜相结构，扭曲构象。 由于脂肪酰链具有运动自由度，脂双层膜是 比较柔韧的，镶嵌其中的

17、蛋白质，象脂质海洋中 的小船，得以实施最大的生物活性。 67 从人工膜测得的数据表明，磷脂在膜中有高的侧向运动自由度，每秒钟磷脂分子与其临近分子交换位置达106次。 68 脂双层的液晶态是相对于真正的固态和液态而言，并不是真正液态，液态的运动是各向同性，即在任一方向的运动都可能是等同的，而作为二维流体的液晶态至少有一维方向具有固态样的有序性。脂质分子能在平行于膜表面的膜平面中相当自由和快速地转位，但是，脂质分子不倾向于在垂直于脂双层平面的方向进行转位或者说不易于从膜向外伸出或滑出。 69（2）凝胶或固态相（L-） 处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结”几乎完全失去运动自由性，而取硬棒样形

18、状，即全反构象。 膜变得更具刚性而失去柔韧性。并且镶嵌于脂双层中的蛋白质不再能够运动。凝胶相的膜对物理性协迫 (stress) 失去适应性，而易于形成渗漏，造成膜通透性及其功能的损害。衰老或不完善的细胞膜往往表现为典型的凝胶相。 70 磷脂分子处于脂双层相的凝胶态和液晶态时，脂肪酰链分别取全反构象和扭曲构象： 全反构象能量状态低，整个链似圆柱形，链与链之间紧密堆积，脂双层厚度4.5nm、两个相邻的磷脂基团间的距离为0.42nm。 71 扭曲构象具有较高的能量，烃链扭曲，链间的紧密堆积遭到破坏，密度降低，体积增大，脂双层厚度降低，为3.9nm，相邻磷脂头部基团之间的距离加大，为0.46nm。 7

19、2 在发生液晶态和凝胶态转变时，这两种构象迅速异构化。 脂双层发生相变时，许多性质如形状、体积、密度、散射均发生变化。73743. 非脂双层相 脂双层构象作为生物膜脂构象的主要模式并不能把它理解为一种惰性的一成不变的结构。生物膜的脂双层构象在某些条件下，如温度、细胞间的二价离子浓度以及组织或细胞间水化程度等，可能产生非脂双层构象的六角形相结构。754. 相变和相分离（1）凝胶相到液晶相的相变 是脂双层的另一特性。相变是指加热到一定程度时脂双层结构突然发生变化而脂双层仍然保留的现象。 这一温度称为相变温度Tt。相变温度以上称液晶相，相变温度以下称凝胶相。 76 在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起

20、者重要的调节作用。胆固醇分子既有与磷脂分子相结合限制其运动的作用，也有将磷脂分子隔开使其更易流动的作用。最终效应取决于上述两种作用的综合。多数情况下，胆固醇的作用是是防止膜脂由液晶相变为凝胶相以保证膜脂处于流动状态。77（2）片层脂双层相和六角形相之间的相变 这种相变与凝胶相和液晶相之间的相变不同。尤其是在相变的动力学方面，这种相变的发生要慢得多，特别是从六角形相到片层脂双层相的转变。在人工脂的实验中，常常要求相当长的孵育时间（数小时到数天），这种相变之所以较慢，是因为在相变过程中磷脂分子要进行根本性的重排。 而从片层脂双层相到六角形相的相变的发生则很迅速，在数秒或数分钟内即可实现。78（3）相分离 -相分离或者混合相 在给定的膜内发生或存在相态各不相同的不同微区。 相分离的形成： 对于两种磷脂组成的人工膜，当温度处于两种磷脂相变温度之间时，即可发生相分离，即一种磷脂处于液晶相，另一种磷脂却处于凝胶相，两相共存。 基于不同的条件和过程，或者凝胶态象小岛一样漂浮于液晶态海洋中，或者液晶态象小岛一样漂浮于凝胶态海洋中，在两相共存时两相间会