总结 生物物理学

1、Word11.膜生物物理1什么是膜生物物理学 (membrane biophysics)?膜生物物理学是研究生物膜结构、物理化学性质和生物膜功能的物理化学本质的学科内容： 脂质聚集体的结构和物理化学性质 膜蛋白的三维结构 生物膜的结构2 脂质及脂质聚集体1 脂质概念： 脂质是一类脂肪类物质 脂质是生物膜的重要成分 脂质是形成生物膜的基础 脂质相互作用遵从物理化学规律2 膜脂质的类型 磷脂 (phospholipid) 甘油磷脂 (glycerophospholipid) 鞘磷脂 (sphingomyelin) 糖脂 (glycolipid) 类固醇 (steroid)3 甘油磷脂的一般结构式

2、GPL： R1, R2为脂肪烃链 R1一般为不饱和 R2一般为饱和 X为极性基团4 甘油磷脂glycero-phospholipids 是细胞膜的主要成分 存在于所有生物中 形成生物膜的骨架-脂双层 5 SM： 鞘磷脂主要存在于动物的脑， 鞘磷脂SM 神经，血液中 植物及微生物细胞中很少6 鞘磷脂和甘油磷脂的区别： 骨架 甘油磷脂：甘油 鞘磷脂：鞘氨醇 碳氢链 甘油磷脂：长度近似相等; 一条饱和，一条不饱和 鞘磷脂：一长一短；两条都为饱和 氢键 甘油磷脂：受体，只能用氢键形成3分子聚集体 鞘磷脂：既可作受体，亦可作供体，可用氢键形成分子网络7 糖脂 (glycolipid) 动物细胞中主要是鞘

3、糖脂 由神经酰胺 (ceramide) 糖基化形成 糖脂仅存在于质膜外表面 糖脂起信号识别的作用Gal = 半乳糖Glc = 葡萄糖GalNAc = 乙酰氨基半乳糖NANA = 唾液酸 唾液酸带负电，是细胞膜表面电荷的主要来源8.胆固醇 (cholesterol 9脂质分子理化性质的意义 脂质分子的双亲性决定了其在水中以聚集形式存在 极性头部亲水-在水溶液中朝向水 非极性尾部亲油-在水溶液中避开水并聚集 脂质分子的形状决定其以何种方式聚集101.2 脂质的聚集状态-相行为 相的概念：物质的不同聚集状态 H2O: 固态-冰，液态-水，气态-蒸汽 不同相态具有不同物理化学性质 H2O：固态-不能流

4、动; 液态-流动; 气态-随机扩散 物质从一种聚集状态转变成另一种聚集状态称为相变 (phase transition) H2O: 固态（冰） 液态（水） 气态（蒸汽）11如何测量相变? 不同相中分子具有不同的势能 运动能力越强势能越高： 气态液态固态 相变伴随能量变化-热量吸收 H2O: 固态（冰） 液态（水） 气态（蒸汽） 通过测量热量吸收小可观察相变 测量方法-微分热分析 12 微分热分析 differential thermal analysis (DTA) DTA原理： 样品 对照 同时 无相变 发生相变 T 0 T 0通过纪录 T -T 曲线即可测定相变131.2.1 无水脂质的相

5、变141.2.2 含水脂质的相变 含水脂质的相变温度低于无水脂质 含水脂质相变的测定-微分扫描量热 不仅测出有无相变 同时测定相变的能量变化（H）15微分扫描量热 differential scanning calorimetry (DSC) DSC原理： 样品 对照 同时 无相变 发生相变 T 0 T 0 供能 (H) T 0通过纪录 H-T曲线即可测量相变16 相变和水化程度的关系 水化程度，相变温度； 水化达到饱和，相变温度不再变化17热致相变 磷脂聚集体由于温度变化而引起的相变 磷脂聚集体一般有两个相变 无水: Tm-磷脂头部集团间静电相互作用消失，磷脂聚集体由固体转变成液体，因此Tm

6、亦称熔点 含水: Tt-磷脂烃链旋转异构化，一般称之为有序(order)-无序(disorder)或凝胶(gel phase, Lb)-液晶(liquid crystalline phase, La)相转变18烃类化合物的构象19 凝胶-液晶相转变 脂肪酰链构像发生变化全反式 (all trans) 歪扭式 (gauche) 磷脂分子间距离增加 0.42nm0.46nm 脂双层厚度减小 4.5nm3.9nm (diC16:0PE)20 凝胶-液晶相转变的后果 膜流动性增加 在液晶态，脂分子可在膜平面内扩散，旋转 在凝胶态，脂分子处于类似于固体状态，分子的运动受到限制21磷脂的相变温度 熔点Tm

7、只与头部基团的性质有关，与烃链的长度无关 凝胶-液晶相变温度Tt既与头部基团的性质有关，亦与烃链的长度和双键的数目有关 头部越大，Tt越低 烃链越长，Tt越高 双键越多，Tt越低 生物膜中的鞘磷脂都是饱和磷脂, Tt=37-41 C 在生理温度（36 C）为凝胶态 生物膜中的甘油磷脂都是不饱和磷脂, Tt 反式双键 醚键磷脂酯键磷脂 分支磷脂直链磷脂2. 环境 pH: 质子化可降低磷脂的电荷，降低水化，减小极性头部的大小 pH, 形成HII的趋势 金属离子： 一价金属离子可中和磷脂的负电荷，降低水化，减小极性头部的大小，促进HII的形成 二价金属离子促进HII的形成 中和磷脂的负电荷 与相邻两

8、个磷脂分子作用3. 杂质分子 极性分子：与磷脂头部羰基形成氢键，降低水化，减小头部大小，促进HII 蔗糖，海藻糖，乳糖，山里糖醇 非极性分子：插入到脂双层的疏水部分，增大疏水部分的体积，促进HII 烷烃类化合物4. 两性分子 胆固醇：具有小的极性头部（-OH）和刚性疏水部分 高浓度胆固醇（40%）稳定脂双层 低浓度胆固醇促进HII 混合磷脂体系 PC趋向于形成脂双层，PE趋向于形成HII PC/PE混合体系趋向于形成脂双层44. 1.5.4 改变脂质排列结构的应用 一些抗病毒药物可以抑制非脂双层的形成而抑制融合 金刚烷胺 (amantadine) 环孢菌素 (cyclosprin A) 短肽

9、CBZ-D-Phe-L-Phe-Gly 通过抑制非脂双层的形成而抑制融合有可能抑制病毒感染细胞45. 1.6 脂质聚集的物理化学基础1.6.1 为什么脂质在水中聚集：疏水效应 热力学基础 一个过程能自发进行，自由能 (free energy)变化 DG0 DG = DH - TDS DH-过程的焓变(enthalpy) DS-过程的熵变(entropy) 根据上式，如能测量一个过程的焓变DH和熵变DS ，即可计算一个过程自由能的变化46.烃类化合物从有机相转移到水中 热力学参数的变化转移过程DHkcal/molDSkcal/KmolDGkcal/mol(CH4)苯(CH4)水-2.8-18+2

10、.6(CH4)乙醚(CH4)水-2.4-19+3.3(CH4)氯仿(CH4)水-2.5-18+2.9(C2H6)苯(C2H6)水-2.2-20+3.8(C2H6)氯仿(C2H6)水-1.7-18+3.7C3H8 (C3H8)水-1.8-23+5.05n-C4H10(n-C4H10)水-1.0-23+5.85C6H6(C6H6)水0-14+4.0747. 疏水效应的物理化学本质 DH0, 焓降低（放热），对DG 贡献20% DS 0, 自由能增加，过程不能自发进行 自由能的升高来自于熵的贡献 疏水效应是熵效应 反向过程DG尾部的截面积,胆固醇头部的截面积 37 C)。胆固醇的存在使功能筏处于一种

11、特殊的物理状态-液态有序相 (liquid-ordered phase, Lo phase)。液态有序相Lo介于凝胶相L与液晶相L之间。在液态有序相，磷脂处于紧密填充状态（与凝胶相类似），且磷脂分子仍可在脂双层中作侧向和旋转运动 （与液晶相类似）。为什么胆固醇倾向与鞘磷脂聚集？胆固醇对膜物理状态的调节功能筏中蛋白质锚定方式蛋白质可以三种方式与功能筏结合A.跨膜序列B.GPI锚定C脂化锚定脂锚定蛋白的定位: GPI锚定蛋白定位于细胞外面，一般为细胞信号转导上游蛋白，如Thy-1脂肪酸和法尼烃锚定蛋白定位于细胞里面，一般为细胞信号转导下游蛋白，如Ras, Src4.2 功能筏的分子组成功能筏中富集

12、了特殊的脂质和蛋白质:功能筏是一个特殊的膜脂-蛋白复合体系,功能筏富含脂锚定蛋白,功能筏富含受体和信号转导分子.分子组成：脂类、糖蛋白、脂锚定蛋白、膜受体、信使、转运蛋白、结构分子脂类功能筏中富含鞘脂（糖鞘脂、鞘磷脂）和胆固醇。形成的脂聚集体具有液态有序相的特征，分子的侧向运动和转动比液晶相低，膜蛋白特别是脂锚定蛋白可长期停留在功能筏中。蛋白质功能筏中的蛋白大部分是脂锚定蛋白（GPI锚定蛋白，脂化锚定蛋白）脂锚定蛋白趋向于在功能筏中成簇。脂锚定蛋白与功能筏的结合是动态的（脂锚定蛋白的侧向迁移在不同的膜区来回传递信息）。4.功能筏的功能: 4.3.1 生物合成运输: 对MDCK细胞的胞内运输研究

13、表明：细胞在高尔基体的trans-Golgi network (TGN)区将GPI锚蛋白和顶生膜蛋白筛选入富含鞘脂/胆固醇的功能筏中；通过富含功能筏的囊泡运送到细胞膜的顶生区（GPI锚和特定跨膜序列起分选信号的作用；N-聚糖具有顶生分选的功能，蛋白通过N-聚糖与功能筏上的外源凝集素结合）4.3.2 胞吞运输：穿胞吞排（transcytosis）：在内皮细胞中，功能筏介导一种跨越细胞的穿胞吞排（在腔侧表面形成含蛋白质的囊泡；囊泡穿越细胞；与基底膜融合，释放所含物质） 摄液作用（potocytosis）:细胞通过功能筏形成的膜穴的可逆开关内吞叶酸(1. 叶酸与开放膜穴膜上受体结合 2. 膜穴闭合3

14、. 叶酸从受体解离，通过载体进入胞内4. 膜穴重新开放)4.3.3 信号转导:细胞膜脂类分布的区域化使不同蛋白质被限制在不同的区域；在功能筏中发现多种信号转导相关分子；GPI锚蛋白的富集可根据细胞类型激活不同的信号途径（1. 筏中被激活的酶可水解GPI产生第二信使2. GPI蛋白的富集为与其作用的信号转导蛋白相互作用提供了平台）；功能筏可将受体浓缩（加速与配体的结合；避免信号途径的交叉，保证信号转导的准确性）功能筏介导细胞信号转导1. 酪氨酸激酶 (tyrosine kinase, PTK)n PTK使与之偶联的受体磷酸化，激活级联反应n PTKs富集于功能筏之中n PTK的靶分子也富集于功能

15、筏之中 功能筏是PTKs介导的信号转导场所2. GTP结合蛋白(G-蛋白)n G-蛋白活化与之耦联的受体，产生第二信使或直接引起级联反应n G-蛋白及其效应蛋白富集于功能筏 功能筏是G-蛋白介导的信号转导场所3. Ca2+信号转导n 功能筏是平滑肌Ca2+进入和存贮部位n 与Ca2+运输相关的关键蛋白均在功能筏定位n Ca2+-ATPase n IP3 receptorn CaM 功能筏是Ca2+信号转导场所4. 脂介导的信号转导n 功能筏中的分子鞘磷脂、磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸和GPI蛋白在受激时产生信使分子n 神经酰胺 (ceramide)n 肌醇三磷酸 (IP3)n 肌醇磷酸聚合物 (

16、IPG)n 反应是功能筏特异的，在非功能筏区不发生 功能筏是脂介导的信号转导场所5. 信号整合n 信号整合是两个或多个信号转导过程之间存在反馈相互作用，使信号转导途径相互调节n 功能筏中存在不同途径的信号转导分子，使信号整合成为可能n 参与不同信号通路的组分在同一功能筏中存在，功能筏成为通路间进行“交互联通” (cross-talk)的平台4.4 特殊的“功能筏”-膜穴：在胞吞、脂类运输过程中，质膜表面会出现一种穴样凹陷，称为膜穴 (caveolae)；膜穴具有功能筏类似的组成、性质和结构；膜穴是一种特殊的“功能筏”。膜穴的发现：1953年，Palade发现内皮细胞形如瓶状的内陷-膜脂囊泡 (

17、plamalemmal vesicle)；1955年，Yamada提出用膜穴 (caveolae)命名这类囊泡。4.4.1 膜穴的定义：膜穴是细胞表面的凹陷，具有特殊结构和功能的膜系统。膜穴具有如下特征：4摄氏度时抵制去垢剂Triton X-100的溶解作用；具有较轻的浮力密度；富含鞘磷脂、胆固醇和脂锚定蛋白4.4.2 膜穴的分子组成: 膜穴特征蛋白n 内皮细胞合成纤维细胞的膜穴有一个条纹状的衣层（caveolae coat）（电镜）n 衣层对膜穴进行修饰并控制形状n 衣层中有特征蛋白-内陷素（caveolin）n 哺乳动物有4种内陷素：caveolin-1a,-1b,-2,-3n caveo

18、lin-1的表达与衣层出现相关n 胆固醇鳌合或耗竭可使衣层解聚，膜穴消失n caveolin-1可能是胆固醇结合蛋白，与胆固醇共同作用形成衣层4.4.3膜穴的产生和维持: 1. 膜穴的组装n 首先在高尔基体的运输区形成富含GSL/SM/Cholesterol的功能筏n 脂化锚蛋白、caveolin-1在内质网合成n 脂化锚蛋白、caveolin-1插入功能筏n 新合成的含功能筏的分选囊泡运输到细胞表面n 其他的膜蛋白通过蛋白-蛋白相互作用在功能筏中富集n 膜穴形成并内化将分子分送到特定部位 2. 膜穴的维持n 胆固醇和鞘磷脂对于维持膜穴的结构与功能至关重要n 胆固醇会在不同的膜系统（内质网-质膜，内质网-膜穴）之间来回穿梭n 功能筏中胆固醇水平降低会导致n GPI锚蛋白从簇中分散n 条纹状衣层解聚n 膜穴消失n 当胆固醇被胆固醇氧化酶氧化时，caveolin从膜穴移到ERn 去除胆固醇氧化酶后，caveolin