生物物理生物膜总结

1、生物膜1、生物膜的基本结构特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？2、从生物膜结构模型的演化谈谈人们对生物膜结构的认识过程。3、何谓膜内在蛋白？膜内在蛋白以什么方式与膜脂相结合？4、比较主动输运与被动输运的特点及其生物学意义。5、说明NaK泵的工作原理及其生物学意义。生物膜（bioligical membrane）：细胞和细胞器所有膜结构的总称，是镶嵌有蛋白质和糖类（统称糖蛋白）的磷脂双分子层，起着划分和分隔细胞和细胞器作用，并有大量的酶结合位点，也是与许多能量转化和细胞内通讯有关的重要部位。流体镶嵌模型（fluid mosaic model）：针对生物膜的结构提出的一种模型。在这个模型

2、中，生物膜被描述成镶嵌有蛋白质的流体脂双层，脂双层在结构和功能上都表现出不对称性。有的蛋白质“镶”在脂双层表面，有的则部分或全部嵌入其内部，有的则横跨整个膜。另外脂和膜蛋白可以进行横向扩散。生物膜的功能：跨膜运输能量转换信息识别与传递运动和免疫1、 生物膜的基本结构特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？生物膜的组成和特点：膜主要是由脂类(lipid) 和蛋白质以非共价键相互作用结合而成的二维流动体系。脂类分子呈连续的双分子层(bilayer)排列。膜具有双亲性。蛋白质相对于脂双层具有不同镶嵌方式。生物膜中各种组分的分布是高度不对称的。生物膜的基本功能：它们是把细胞分割成一个个“小室”

3、(compartment) 的物理屏障。它们具有选择通透性。它们是“小室”间传递化学信息和能量的介面。它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分选与定位，提供了工作平台和输运载体。2、 从生物膜结构模型的演化谈谈人们对生物膜结构的认识过程。(1)片层结构模型此模型的主要内容为：细胞膜是由双层脂分子及内外表面附着的蛋白质所构成的。即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构，脂质分子平行排列并垂直于膜平面。双层脂质分子的非极性端相对，极性端向着膜的内外表面，在内外表面各有一层蛋白质。膜上有一些二维伸展的孔，孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性，可提高水对膜的通透性。这一模型将膜结构同所观察到的生物学理化性质联

4、系起来, 对后来的研究有很大的启发。缺少必要的细节，是对膜结构的一个较粗浅的认识。(2)单位膜模型此模型是由J.D.Robertson于1959年提出的。单位膜模型是在片层结构模型的基础上发展起来的另一个重要模型。它与片层结构模型有许多相同之处，最重要的修改是膜脂双分子层内外两侧蛋白质存在的方式不同。单位膜模型强调的是蛋白质为单层伸展的折叠片状,而不是球形蛋白。 单位膜模型还认为膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白,而且膜蛋白在两侧的分布是不对称的。这一模型的直接证据来自电子显微镜的观察。但这一模型将生物膜描述为三明治式的静态统一结构，解释不了膜的许多生理功能。把膜看成是静止的无法说明膜如何适应细胞生

5、命活动的变化。不同的膜其厚度不都是7.5nm,一般在510 nm之间。如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构象的关系。该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。(3)流动镶嵌模型1970年，Larry Frye等将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。提出假说：细胞膜具有流动性认为生物膜是一种流动的、嵌有各种蛋白质的脂质双分子层结构，其中蛋白质犹如一座座冰山漂移在流动脂质的海洋中。基本内容：磷脂双分子层构成膜的基本支架。蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入

6、磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层（体现了膜结构内外的不对称性）。磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质分子也是可以运动的。大多数的蛋白质分子也是可以运动的。强调了膜的流动性。强调了膜的不对称性。忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用。忽视了膜各部分流动的不均一性。3、 何谓膜内在蛋白？膜内在蛋白以什么方式与膜脂相结合？根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋白基本可分为两大类：膜外在蛋白和膜内在蛋白。膜内在蛋白通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而抛锚在膜上。膜内在蛋白露出膜外的部分含较多的极性氨基酸，属亲水性，与磷脂分子的亲水头部邻近；嵌入脂双层内部的膜蛋白由一些非极性的氨基酸组成

7、，与脂质分子的疏水尾部相互结合，因此与膜结合非常紧密。4、 比较主动输运与被动输运的特点及其生物学意义。被动运输方向是沿电化学梯度方向，不需要能量，有的需要载体蛋白介导（协助扩散），有的不需要（简单扩散）。主动运输方向是逆电化学梯度方向，需要能量，需要载体蛋白介导。被动运输意义：保证细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必要的营养物质及将分泌物、代谢物以及一些离子排到细胞外。 主动运输意义： （1）保证细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必要的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中或表面的浓度低；（2）能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢物以及一些离子排到细胞外，即使这些营养物质在细胞外的浓度比细

8、胞内的浓度高得多；（3）能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是K+、Ca2+和H+的浓度。5、 说明NaK泵的工作原理及其生物学意义。细胞内K+ 比细胞外高 10 -20 倍，细胞外Na+ 比细胞内高 10 - 20 倍，这些浓度梯度是由质膜Na-K泵（Na+ - K+ pump）来维持的Na+ - K+ pump 是一个 antiporter, 将K+ 泵入，将Na+泵出。工作机制：输运循环依赖于蛋白的自身磷酸化，ATP末端磷酸转移到一个 aspartic acid 残基上自身磷酸化的泵称为P-型输运ATP酶 (P-type transport ATPases) 质膜Na+-

9、K+ pump 致电（electrogenic）：Na+- K+ pump 导致跨膜电位(membrane potential)的产生。原因: 每一循环泵出3 Na+ 泵入2 K+ ，导致细胞电位内负外正意义：a. 形成跨膜电势。由于K+由内向外泄露建立跨膜电势，对电压门通道，神经冲动起传递作用。b. 维持渗透压。细胞内生物大分子物质水解，产生电离，带负电荷，从而吸引胞外Na+进入；细胞内Na+升高后，使水分进入细胞，由此引起细胞的膨胀，然后再通过Na+-K+泵，泵出 Na+，维持渗透压。 c. 可以协助其它物质运输。(对调节细胞的渗透性（ tonicity） 起关键作用。水通过渗透作用可沿浓

10、度梯度慢慢进入细胞(osmosis) )6、 为什么说蛋白质折叠的研究完善了生物中心法则（第二遗传密码）？按照生物中心法则得到的只是一串肽链，而非具有生物活性的蛋白质。只有在经过一系列折叠之后，形成天然结构才具有活性，从而完成人体内一系列复杂的工作，所以说他是对生物中心法则的补充。蛋白质链的盘曲折叠的规律并没有体现在遗传密码DNA中，而分析研究蛋白质链如何折叠成具有活性的天然结构就像之前破解dna密码一样，都包含了组成人体基本结构的重要信息，所以称它为第二套遗传密码。7、液态镶嵌模型的主要内容是什么，主要强调了哪两个特性？基本内容：磷脂双分子层构成膜的基本支架。蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层

11、表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双分子层（体现了膜结构内外的不对称性）。磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质分子也是可以运动的。大多数的蛋白质分子也是可以运动的。流动性和不对称性膜脂：细胞中含有两种脂类。一种属非极性脂质，如由脂肪酸与甘油酯化所形成的三酯。它们是一类疏水的脂质，称为真脂。另一类属极性脂质，这种脂质分子具有一个亲水的头部（即极性端）和一个疏水的尾部（即非极性端），具有双亲性（amphipathic或amphiphilic）的特点，这种脂质称为类脂。生物膜中的脂类，大都是极性脂质，主要包括三种类型：磷脂（phosnholipid）、固醇（ster

12、ol）和糖脂（glycolipid）。l微米l微米面积的类脂双层膜（lipid bilayer）大约有5 106个类脂分子。1磷脂：含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生物膜中最重要的脂类。磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏水尾链。这两部分通过甘油骨架或神经鞘氨醇(sphingosine)骨架相连接，甘油骨架在原核和真核细胞膜中都广泛存在，而神经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。2糖脂：糖脂（glycolipids）广泛分布于动物、植物和微生物细胞的膜系中。它是生物膜中的寡糖与脂质结合形成的一种类脂。糖脂中类脂的极性头部基团是通过糖苷键与糖分子相连，而不是象磷脂那样通过磷酸酯键相连接。生物膜中的糖脂只

13、存在于脂双层的外层表面，一般不超过脂分子的10。糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类。参与许多重要的生物学功能，比如细胞识别，信号转导，维持细胞表面电荷等等3固醇：(1) 动物固醇(zoosterol)胆固醇(cholesterol)是最重要的一种动物固醇。由于胆结石几乎完全是由胆固醇组成的，胆固醇的名称也由此而来。胆固醇是双亲性分子。其一端带有一个极性亲水羟基，另一端含疏水碳氢链。胆固醇在哺乳类的质膜中含量丰富。此外，高尔基体膜、溶酶体膜中含量也很丰富。而在内质网膜及线粒体膜中含量少。(2) 植物固醇（phytosterol）常见的高等植物细胞膜中的固醇是豆固醇（stigmasterol）和谷固醇

14、（sitosterol），它们分别存在于大豆、麦芽中。植物固醇是植物细胞的重要组分，不能为动物所吸收利用。它们通常在C24上和（或）在 C22上有双键。膜蛋白：（按分离难易度区分）1.膜外周蛋白：通过离子键或其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合。2.膜整合蛋白(膜内在蛋白)：通过一段疏水肽链插入脂双层中，从而抛锚在膜上。糖类：生物膜中的糖类大多与膜蛋白结合 糖蛋白少数与膜脂结合 糖脂糖类在膜上的分布：非对称的，全部分布在膜的非细胞质一侧。生物膜的特性：1. 不对称性2. 流动性1膜组成成分的不对称细胞膜的横向不对称性，即内外两个片层的组成不同。细胞膜的侧向分布的不对称性，即二维平面内膜

15、组分的分布是不均一的。不同细胞器中脂类组成是不同的。2膜分子结构的流动性膜的流动性主要是指膜脂及膜蛋白流动性。合适的流动性对生物膜表现其正常功能十分重要。(1)膜脂的流动性：膜脂的流动性主要决定于磷脂分子。在生理条件下,磷脂大多呈流动的液晶态,磷脂在膜内可作旋转运动、翻转运动和侧向运动等。哺乳动物中胆固醇对膜脂流动性有一定的调控作用：在生理条件下增加胆固醇的含量会降低膜的流动性，因为胆固醇的闭合环状结构干扰了脂肪酸的侧向运动。膜脂的流动性是不均匀的,在一定温度下,有的膜脂处于凝胶态,有的则呈液晶态,处于液晶态的各膜脂的流动性也不完全相同。(2)膜蛋白流动性：膜蛋白只能做侧向扩散和旋转扩散,其速

16、度平均比膜脂小10-100倍。跨膜输运：细胞通过细胞膜与环境或通过细胞内膜与胞桨进行物质交换称物质跨膜输运跨膜输运的意义：维持细胞内成分与外界的差别；保持细胞内生理环境的稳定跨膜输运具有选择性：营养物质进入细胞；中间产物留在细胞；废物排出细胞简单扩散：物质沿电化学梯度通过扩散直接通过膜通过简单扩散通过膜的物质：气体分子：O2, CO2, N2；有机小分子：苯，乙醇，乙二醇，甘油蛋白质介导的跨膜运输：1被动输运 (passive transport)由电化学梯度驱动，沿梯度方向输运。载体（carrier)通道 (channel)2主动输运 （active transport)由物理或化学能驱动，

17、逆电化学梯度方向输运ATP驱动;电化学梯度驱动;光驱动载体介导跨膜运输的特征： 饱和性 载体的数量有限 特异性 载体可区分不同种类的分子 糖和氨基酸的D型和L型 拮抗性 载体可输运结构类似的化合物 这些化合物相互拮抗拮抗阻断剂的类型结构与被输运物质相似：结合于相同位点4，6-亚乙基葡萄糖阻断葡萄糖输运结构与被转运物质不同：根皮素（phloretin) 阻断糖转运蛋白乌本甘/箭毒（Ouabain）阻断Na/K泵河豚毒素(tetrodotoxin)阻断Na通道一 被动输运是沿电化学梯度方向的输运 (downhill)，由蛋白质分子介导1通道 (channel)2载体（carrier)1通道蛋白(C

18、hannel Protein)1.1与待转运物质的相互作用较弱；形成跨越脂双层的充水性孔道；当孔道开启时，允许特定大小和特定电荷的溶质通过。（无机离子、H2O）1.2 水的跨膜运输水能通过细胞膜水通过细胞膜的现象称为渗透（osmosis)水的跨膜输运是被动输运当跨膜两侧的溶质浓度不等时，水将进行跨膜扩散当胞外浓度 胞内浓度时 （高渗溶液 hypertonic solution）水向胞外移动 细胞皱缩当胞外浓度 胞内浓度时 (低渗溶液，hypotonic solution) 水向胞内移动 细胞膨胀水的跨膜扩散：细胞膜上有促进水通透的蛋白质-水通道（water channel)水通道由 P.Agr

19、e 于1990发现水通道的三维结构已由电子晶体学和X-射线晶体学解出P.Agre 因此获得2003年Nobel化学奖水通道的选择性：通道的最狭窄处（constriction area) 的直径为2.8A分子通过时必须脱水脱水的分子需形成配位复合物，补偿脱水消耗的能量H2O与周围基团形成氢键 可通过通道离子不能形成等效配位复合物 不能通过通道为什么质子（H3O+)不能通过？通道的中央有带正电的氨基酸，静电排斥作用将带正电荷H3O+阻挡；通道还含有带负电的氨基酸静电排斥作用将带负电的离子阻挡水的跨膜运输与医学：肾脏是人体排泄废物的器官水，离子和小分子从血液经肾过滤后排出24小时经肾过滤的液体-原初

20、尿（ primary urine ）达170升只有1升最后以尿的形式排出体外原初尿经过肾小管70%的水经水通道AQP1重新吸收在肾小管的末端，又有10%的水经水通道AQP2重新吸收Antidiuretic hormone (vasopressin) 刺激AQP2向肾小管壁细胞膜的转运，从而促进水从尿的吸收缺失该激素时，患有 diabetes insipidus 的病人一天的排尿量多达10-15升.痢疾毒素引起水从血液输运到肠道，从体内排出，引起失水，导致死亡由痢疾毒素导致的失水的简单治疗（简单补充水或生理盐水无济于事）补充：葡萄糖 + NaCl + H2O原理：肠道细胞膜上具有Na/葡萄糖输运

21、系统，将Na/葡萄糖从肠道输运到血液中，导致水产生渗透梯度，水从肠道输运到血液2.载体载体蛋白(carrier proteins, 或 permeases or transporters):与待转运物质结合，引起构像变化并将其转运到膜的另一侧载体可以下列方式工作:单载体（Uniporters）: 将单一溶质从膜的一侧输运到另一侧 耦联载体（Coupled carriers）：同向输运 （Symport）同时沿同一方向输运第二个溶质 反向输运（Antiport）沿相反方向输运第二个溶质载体介导的被动转运：蛋白构像在两者之间随机转换:完全可逆，无论溶质结合与否都发生，因此，输运方向决定于浓度梯度或电化学梯度Glut1 是一个葡萄糖输运载体Glut1 将糖从血液中输运到