生物膜的结构与功能

1、生物膜的结构与功能 西北农林科技大学生命科学学院许晓东2012.10Mobile:-mail: l生物膜（biomembrane）包括质膜和细胞内膜，是极性脂与蛋白质组成的片状超分子复合物，具有独特的结构与功能，是细胞结构的重要组成部分。生物膜与生命科学中许多基本理论问题以及一些亟待解决的实际问题相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂、分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和毒物的作用等等。膜系统占细胞干重70-80%本章内容l生物膜功能概述l生物膜的化学组成与性质l生物膜的结构l物质跨膜运输l生物膜在能量转换中的功能1 生物膜功

2、能概述l区隔化或房室化（compartmentalization）l物质的跨膜运输（transport）l能量转换（energy conversion）l细胞识别（cell recognition）l区隔化或房室化（compartmentalization）内膜结构将细胞分隔成若干独立空间。在每一个膜包裹的空间聚集着特定种类的生物大分子，共同完成着某一项特定的生命活动。如细胞核主要进行DNA的复制和转录等；而线粒体主要进行呼吸作用，提供能量；溶酶体则负责将一些吸收的或损伤的大分子降解为可以利用的小分子等等。l物质的跨膜运输（transport）生物膜既要防止细胞与环境之间以及细胞内各房室之间的

3、物质自由混合，又要维持各区间物质有控制地交流。l能量转换（energy conversion）a. 线粒体 b. 叶绿体c.“能势膜”c.“能势膜” 示例l细胞识别（cell recognition）细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作用，触发细胞内一系列生理生化变化，最终导致细胞的总体生物学效应相应改变，这样的过程称为细胞识别。2 生物膜的化学组成与性质l所有生物膜都具有双亲性，即两侧亲水表面中间夹着疏水的核心。生物膜的所有组分有规则地排列以维持这种双亲结构。l生物膜的三种基本组分是：脂类、蛋白质和糖（以糖脂或糖蛋白的形式存在）。2.1 膜脂l构成生物膜的脂类有磷脂

4、(phospholipids)、糖脂(glycolipids)、类固醇(steroids)等。l其中磷脂为主要组分，分布广泛。磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。2.1.1 磷脂（phospholipids, PL）l甘油磷脂（phosphoglycerides）：l鞘氨醇磷脂（sphingophospholipids）：以神经鞘氨醇为基础还可以形成鞘磷脂鞘氨醇sphingosine神经酰胺ceramide胆碱Choline磷脂酰胆碱 鞘磷脂甘油磷脂和鞘磷脂的脂肪链长度不同，导致以鞘磷脂为主的双层膜较厚，或鞘磷脂的疏水长链深入膜脂双分子层的两个半叶之间，从而显著地增强膜的刚性和稳定性。天然膜中PC

5、+Sph为常数，年轻组织中PC/Sph1，老化组织中PC/Sph1.l磷脂中的脂肪酰链：酯酰基含12-26个碳原子；包含0-5个双键；双键多为 顺式构型 。顺式构型的不饱和脂肪酸导致分子覆盖面积增大l磷脂的电荷特性：极性头由带负电荷的磷酸基与带电或不带电的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。磷酸基带负电，胆碱季铵盐带正电，使磷脂酰胆碱在生理pH下呈电中性。C激酶作用途径可见磷脂酰肌醇的磷酸化产物在其中扮演的重要角色磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二酰基甘油肌醇-1,4,5-三磷酸一些磷脂还具有重要的生物学活性2.1.2 糖脂（glycolipids）l糖脂与磷脂有几乎完全相同的结构形式，也是二酰甘

6、油或N-酰基鞘氨醇衍生产物，所不同的是亲水部分是由一系列单糖残基构成。甘油糖脂二酰甘油糖基化产物中性糖鞘脂神经酰胺糖基化产物酸性糖鞘脂膜糖脂分类甘油糖脂 糖鞘脂(A) MGDG (monogalactosyl diacylglycerol, 单半乳糖二酰基甘油). (B) DGDG (digalactosyl diacylglycerol, 双半乳糖二酰基甘油). (C) SQDG (sulfoquinovosyl diacylglycerol, 6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油).BiochimieVolume 90, Issue 6, June 2008, Pages 947956中性糖鞘

7、脂：半乳糖脑苷脂(galactocerebroside)脑苷脂是动植物细胞膜重主要的鞘脂，一般定为于脂双层的外叶酸性糖鞘脂：神经节苷脂(gangliosides, GM)神经节苷脂是最复杂的膜糖脂，约占神经细胞质膜总脂的5-10%。一些神经节苷脂还是某些毒素蛋白（破伤风杆菌和霍乱弧菌的外毒素）的受体。糖鞘脂决定了人的血型2.1.3 类固醇（steroids）胆固醇(cholesterol)在动物细胞中占总脂可达50%谷固醇(sitosterol) 麦角固醇(ergosterol)1918l类固醇是动植物细胞膜的重要组分，对膜的特性产生显著影响。一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链固有的

8、运动型又能增加膜的局部微区的无序性，使膜的流动性增加。l类固醇对膜的这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽的温度范围（30-40）内行使功能。小结：小结：据估计生物膜中的脂类至少有100种，在不同类型细胞的质膜和细胞内膜体系中，各种膜脂的组成和含量各不相同。2.1.4 膜脂组织的多态性l液晶相 凝胶相 六角形相 立方体相温度的变化使脂双层在凝胶态和液晶态之间转换2.2 膜蛋白l不同生物膜中蛋白质的种类和数量有很大差异（髓鞘膜25%，细胞质膜50%，线粒体内膜75%）。l生物膜的功能主要由膜蛋白承担。膜蛋白和膜脂分子共同维持膜的完整性、多样性和不对称性。l按照膜蛋白与脂双层结合的方式，膜蛋白可分为

9、：整合蛋白（1、2）外周蛋白（5、6）锚定蛋白（3、4）2.2.1 整合(integral)蛋白或内在(intrinsic)蛋白l主要靠疏水力与膜脂相结合。有的部分嵌在脂双层中（占少数），有的横跨全膜（一次或多次，占多数）。l膜内在蛋白不易分离，只有用较剧烈的条件（如去垢剂、有机溶剂和超声波等）才能把它们溶解下来。 Inside Outside一个典型的一次穿膜蛋白黄色和绿色是疏水氨基酸每次跨膜螺旋由20-30个氨基酸残基组成3-4.5nm氨基酸序列疏水性分析其结果与穿膜区域吻合其他跨膜结构-桶（孔蛋白） 兼性-螺旋构成的亲水通道2.2.2 外周(peripheral)蛋白或外在(extrin

10、sic)蛋白l分布于膜的脂双层（外层或内层）的表面，通过静电力或非共价键与其他膜蛋白相互作用连接在膜上。l膜周边蛋白质比较易于分离，通过改变离子强度或加入金属螯合剂即可提取。红细胞中的骨架膜蛋白2.2.3 脂锚定(lipid-anchored)蛋白l脂锚定蛋白(lipid-anchored) 又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价健的方式同脂分子结合。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合。 l目前已知有4种常见的脂锚定蛋白：棕榈酰结合蛋白豆蔻酰结合蛋白异戊烯基化蛋白糖基磷脂酰肌醇锚

11、定蛋白l棕榈酰结合蛋白(palmitoylated proteins)肽链C-末端附近的Cys-SH残基与棕榈酰以硫酯键结合，极少数为肽链N-末端的Gly残基的氨基以酰胺键与棕榈酰结合。l豆蔻酰结合蛋白(myristoylated proteins)豆蔻酰结合于蛋白质的N-末端，要求蛋白质N-末端必需有特定的氨基酸序列(1Gly-5Ser/Thr)。l异戊烯基化蛋白蛋白质C-末端的-CaaX（C：Cys，a：脂肪族氨基酸，X：Ser/Met/Gln）序列中的Cys残基以硫醚键共价连接法尼基或牻牛儿牻牛儿基。之后，aaX被蛋白酶切除，新生成的羟基被甲基化。l糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-Pr）

12、此类蛋白完全定位于细胞质膜的外表面，它们的C-末端氨基酸通过酰胺键于磷酸乙醇胺相连。2.3 膜糖l质膜含糖约占膜重2-10%，多为糖蛋白，少数为糖脂。（红细胞质膜中，糖蛋白为93%，糖脂为7%）l 构成生物膜寡糖的单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。l 生物膜上的糖类几乎都定位于膜的非胞浆面，在质膜外侧形成细胞外被或糖萼。糖萼（glycocalyx）3 生物膜的结构l1895 年Overton发现脂肪的物质容易透过植物的细胞膜，推测细胞膜由连续的脂类物质组成。lE. Gorter & F. Grendel 1925年用有机

13、溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成。lJ. Danielli & H. Davson 1935年发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，并于1959年提出“三明治” 式结构。lJ. D. Robertson 1959年用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，1964年提出了单位膜模型。l1972年S.Jonathan Singer和Garth L.Nicolson根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的结果，提出了“流体镶嵌模型”。3.1 生物膜的“流体镶嵌”模型l极性脂双分子层

14、构成生物膜的基本构架，膜蛋白镶嵌在其中。l生物膜是由极性脂和蛋白分子按二维排列的流体，膜的结构组分在其中可以移动并聚集组装。l生物膜中的蛋白质的分布不对称，有的镶嵌在脂双层的表面，有的则部分或全部嵌入脂双层内部，有的则横跨整个膜。3.2 生物膜结构的主要特征l“流体镶嵌”模型虽然得到比较广泛的支持，一直不失为膜生物学的核心原理，但仍存在许多局限性l人们越来越关注与多样性的细胞功能和状态相适应的膜结构的多样性、多形性和不对称性以及动态特征。3.2.1 膜的不对称性l膜脂、膜蛋白膜脂、膜蛋白和糖糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信

15、号的接受和传递也有一定方向。l膜脂的不对称性：膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域脂筏。脂筏（脂筏（lipid raft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。 l膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性：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和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特

16、定的分布区域。l糖的不对称性：糖的不对称性：无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。3.2.2 生物膜的流动性l流动性是生物膜最重要的特征之一，涉及膜脂的流动性和膜蛋白的流动性。l膜脂的流动性：在生理条件下，质膜大多呈液晶相，当温度降低至变相温度（Tc）时，即从液晶相转变为凝胶相。单组分膜的变相温度很狭窄，而由多种膜脂组成的生物膜的变相温度范围可宽达几十度。胆固醇对变相温度的影响是双方面的。侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右

17、摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。l膜蛋白的流动性：主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。膜保持适当的流动性是表现正常功能的必要条件，如物质的跨膜运输、细胞识别、细胞免疫、细胞分化和信号转导等，均与膜的流动性有关。3.3 膜蛋白的三维结构l研究表明，各种生物基因组编码的蛋白质约有25%是膜蛋白，而膜蛋白的70-80%是整合蛋白l测定膜蛋白的三维结构非常困难。至今只有少数膜整合蛋白得到了三维结构的数据，比如嗜盐菌菌紫质（bacterior

18、hodopsin）。嗜盐菌菌紫质三维结构示意图左：视紫质的亚单位由248个氨基酸残基做成，7次跨膜右：膜上的视紫质亚基是以三聚体的形式存在的(343 proteins)3.4 人工膜（artificial lipid membrane）l人工膜具有生物膜的基本结构特点和某些理化性质，是研究生物膜结构与功能关系的基本模型。l最能代表生物膜结构特性的人工膜是单分子层膜、双分子层膜和脂质体。l平面双分子膜l脂质体（liposomes）脂质体的应用lLB膜（Langmuir-Blodgett membrane）4 物质跨膜运输l细胞或细胞器需要经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。l细胞或细胞器通

19、过生物膜，从膜外选择性地吸收所需要的养料，同时也要排出不需要的物质。l在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。真核细胞的物质跨膜运输4.1 小分子物质的跨膜运输l跨膜运输的小分子物质包括代谢物、辅因子、金属离子、气体分子和药物等，按照物质运输时自由能的变化情况，基本上可以划分为被动运输和主动运输两大类。4.1.1 被动运输（passive transport）l物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输 。在该过程中G0。l简单扩散（simple diffusion）即物质经由亲水通道或膜脂流动造成的在分子间瞬时出现的微孔，从高浓度一侧自由扩

20、散到低浓度一侧。简单扩散示意图l促进扩散（facilitated diffusion）糖、氨基酸、核苷酸、羧酸等代谢物和金属离子，能以比简单扩散快得多的速率顺着浓度梯度跨膜运输，这是由于膜上有帮助其通过的特异的运输蛋白，因此成为促进扩散。l参与促进扩散的有门通道和载体蛋白。两种控制类型的门通道（gated channels）与通道不同，载体蛋白（carrier proteins）并未在膜上形成跨膜通道。载体蛋白能特异地与某种物质暂时性可逆结合，通过引发构象变化，把物质从浓度高的一侧运到膜的另一侧。线粒体内膜的ATP/ADP交换离子载体（ionophores）是一类可溶于脂双层的小分子疏水物质，

21、它们通过增加脂双层对离子的透性以被动运输方式运送离子。分为移动性离子载体和形成通道的离子载体。缬氨霉素短杆菌肽A短杆菌肽A运输示意图4.1.2 主动运输（active transport）l细胞经常逆着浓度梯度选择性地吸收或排出某些物质，同时伴随能量消耗，称为主动运输。l特点：1. 需要供给能量；2. 专一性；3. 运输速率可达到“饱和”状态；4. 方向性；5. 选择性抑制。l主动运输可再划分为初级主动运输、次级主动运输和基团转移。l初级主动运输（primary active transport）系统直接通过ATP等高等化合物提供能量，推动离子和某些代谢物的运输。Na-K泵工作原理l次级主动运

22、输（secondary active transport）系统并不直接通过水解ATP提供能量来推动，而是依赖于以离子梯度形式贮存的能量。l有些细菌摄入糖时需进行磷酸化反应，以糖-磷酸的形式进入细胞，称为基团转移（group translocation）。4.2 大分子物质的跨膜运输l以蛋白质为例，蛋白质的跨膜运输有三种不同的基本途径：1.孔门运输（gated transport）；2.跨膜转位（transmembrane translocation）；3.囊泡运输（vesicle traffic）。翻译转运同步机制 翻译后转运机制4.2.1 新生肽链经由内质网膜转位l粗糙型内质网上的核糖体合成

23、的蛋白质可分为两类：一类是跨膜蛋白，一类是可溶蛋白。l此类蛋白质的新生肽链N-端有引导其跨越内质网膜的信号肽粗糙型内质网l 信号肽的特点：1015个疏水氨基酸；N端有带正电荷的氨基酸；C端接近切割点处有数个极性氨基酸；离切割点最近的氨基酸往往带有很短的侧链（Ala, Gly）。不同的氨基酸序列作为分选信号决定蛋白质运输的方向新生蛋白质通过同步转运途径进入内质网内腔的主要过程内部开始转运肽的带电状态决定了穿膜蛋白的方向几种不同的穿膜实例4.2.2 蛋白质跨膜转位进入线粒体和叶绿体l大多数线粒体和叶绿体蛋白是由核基因编码的，由细胞质中游离的核糖体以前体的形式合成，再运送至线粒体或叶绿体。l这种转运

24、需要前体蛋白自身带有运输信号的特殊肽段导肽（leader sequence）。 前导肽具有如下特性：带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸）含量较为丰富，它们分散于不带电荷的氨基酸序列之间；缺少带负电荷的酸性氨基酸；羟基氨基酸（特别是丝氨酸）含量较高；有形成两亲（既有亲水又有疏水部分）-螺旋结构的能力。线粒体蛋白质的定向转运Tom：Transporter Outer Membrane Tim：Transporter Inner Membrane蛋白质进入线粒体内膜和膜间隙叶绿体的蛋白质定向转运4.2.3 核质运输l分子量小于5kD的物质随机扩散通过核孔；l5-50kD的物质可能经被动扩散进入核内，也可能经由主动运输；l大于50kD的物质必需经由核孔复合物运输。核输入l为了核蛋白的重复定位，这些蛋白质中的信号肽 被称为核定位序列（nuclear localization sequence, NLS）一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。