农学生物物理学

农学生物物理学第1页/共90页22023/3/132质膜（plasmamembrane）包在细胞外面，所以又称细胞膜（cellmembrane），它不仅是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，更是细胞与外界进行物质交换和信息传递的通道。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础，细胞的能量转换、蛋白质合成、物质运输、信息传递、细胞运动等活动都与膜的作用有密切的关系。2.1

生物膜的概念及研究历史第2页/共90页32023/3/133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(amphipathicnature)。蛋白质相对于脂双层的不同镶嵌方式。生物膜中各种组分的分布是高度不对称的。2.1

生物膜的概念及研究历史第3页/共90页42023/3/134把细胞分割成一个个“小室”(compartment)

的物理屏障。具有选择通透性。是细胞间传递化学信息和能量的介面。为蛋白质的合成、加工、修饰、分选、定位提供了工作平台和输运载体。生物膜的主要功能2.1

生物膜的概念及研究历史第4页/共90页52023/3/135http://www.nips.ac.jp/pamph/1999/04.html细胞膜上的生物大分子2.1

生物膜的概念及研究历史第5页/共90页62023/3/136纵观生物界，无论动物、植物和微生物，都是由细胞组成的，细胞是生物体的结构和功能的基本单位。早在1665尔英国医生虎克用一架很简单的显微镜观察软木薄片，发现木片上布满了许多蜂窝状的小格子。他把这些小格子命名为细胞。其实，他所看到的只不过是植物细胞的空架子——细胞壁。尽管如此他毕竟看到了细胞与细胞之间的界限。虎克用的显微镜和他看到的植物细胞壁2.1

生物膜的概念及研究历史第6页/共90页72023/3/1371765年,BenjaminFranklin将橄榄油倒入池塘中，发现由风所吹起的水面微波被平息了。注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。Franklin还计算到（根据油量和面积）油层的厚度是25Å，而且“它不可能扩展得更薄了。事实证明，用现代方法测定的橄榄油的单分子层的厚度几乎与Franklin当时估算的一样！2.1生物膜的概念及研究历史第7页/共90页82023/3/1381902年，E.Overton发现分子的极性越大，进入细胞的速度越小；增加分子的非极性基团，分子进入细胞的速度增加；基于脂溶性物质容易透过质膜，Overton提出质膜是由一层薄的类脂所组成。------Vjschr.NaturforschGes.Zurich44(1899)88-98.2.1

生物膜的概念及研究历史第8页/共90页92023/3/131917年，Langmuir

发现脂肪酸放在水和空气界面上形成单分子膜

---Langmuirfilm.2.1

生物膜的概念及研究历史第9页/共90页102023/3/131925年，E.GorterandF.Grendel

从红细胞膜抽提出磷脂，用表面天平测出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有面积大约是红细胞表面积的2倍。提出双分子类脂层是细胞膜的基本结构。------J.Exp.Med.41(1925)439-443.2.1

生物膜的概念及研究历史第10页/共90页112023/3/131935年，J.F.DanielliandH.Davson胎鱼卵的脂滴实验：卵脂滴表面张力低，而纯化后的脂滴表面张力大大提高；纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后，表面张力降低；提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构（theunitmembranemodel）.2.1生物膜的概念及研究历史第11页/共90页122023/3/131972年，S.J.SingerandG.Nicholson，提出液体镶嵌模型（thefluidmosaicmodel）：强调膜结构的流动性强调膜组分的不对称性膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合

------Science175(1972)720-731.2.1生物膜的概念及研究历史第12页/共90页132023/3/132.1

生物膜的概念及研究历史第13页/共90页142023/3/13141977年，

M.K.JainandH.B.White，提出板块模型：在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块（有序结构板块）。因此，膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块组成。膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。

------Adv.LipidRes.15(1977)1-60.2.1

生物膜的概念及研究历史第14页/共90页152023/3/13152.1

生物膜的概念及研究历史第15页/共90页162023/3/13161997年，

K.Simons，细胞膜中的功能化筏(Functionalraftsincellmanbrane):细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含糖基鞘磷脂，胆固醇和鞘磷脂，4oC不溶于非离子型去污剂Triton－X100。这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台（筏）。一些蛋白选择性地富集于筏上，而另一些蛋白质则排挤出筏。功能：膜的分选与运输；信号传导等。

------Simons&Ikonen,Nature387(1997)569-5722.1

生物膜的概念及研究历史第16页/共90页172023/3/1317

膜脂

磷脂

糖脂

胆固醇

脂质体（人工膜）

膜蛋白2.2.1质膜的化学组成第17页/共90页182023/3/1318磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。主要有：甘油磷脂和鞘磷脂。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链，图1）。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。磷脂第18页/共90页192023/3/1319图1.磷脂的结构磷脂第19页/共90页202023/3/1320以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上(图3)。主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。甘油磷脂磷脂第20页/共90页212023/3/1321图3.不同类型的甘油磷脂PE——磷脂酰乙醇胺PS——磷脂酰丝氨酸PC——磷脂酰胆碱PI——磷脂酰肌醇磷脂第21页/共90页222023/3/1322鞘磷脂（sphingomyelin，SM，图4）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。图4.鞘磷脂磷脂第22页/共90页232023/3/1323

糖脂(图5、6)是含糖而不含磷酸基团的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子。其结构与鞘磷脂（SM）很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。糖脂第23页/共90页242023/3/1324图5.葡糖脑苷脂糖脂第24页/共90页252023/3/1325图6.糖脂的结构1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸糖脂第25页/共90页262023/3/13胆固醇(图7)仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。图7.胆固醇胆固醇第26页/共90页272023/3/1327脂质体（liposome）是一种人工膜。在水中磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体，直径5~1000nm不等。脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。图8.脂质体（根据GeraldKarp2002修改）脂质体第27页/共90页282023/3/1328膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integralprotein）、脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）和外周蛋白（peripheralprotein）。

图11.蛋白与膜的结合方式①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白膜蛋白第28页/共90页292023/3/1329整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；二是由两性β折叠组成亲水通道。外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）的α

和γ亚基。膜蛋白第29页/共90页302023/3/1330钾离子通道的三维结构（KcsA）膜蛋白第30页/共90页312023/3/13312.3.1生物膜的分类2.3.2质膜的流动镶嵌模型2.3.3脂筏2.3.4细胞膜的功能2.3生物膜的结构及分子模型第31页/共90页322023/3/1332细胞质膜细胞内膜系统膜与细胞骨架2.3.1生物膜的分类第32页/共90页332023/3/1333

细胞质膜所有细胞的表面都包围着一层膜，在动物细胞中，我们通常将其称为质膜(plasmamembrane)。而对于其它生物体，则根据其细胞种类分别称为细胞质膜(cytoplasmicmembrane)、表面膜(surfacemembrane)、原生质膜(plasmalemma)等。这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面，是细胞对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养物质都要经过它进入细胞；所有排泄、分泌的分子也要通过它排出细胞。2.3.1生物膜的分类第33页/共90页342023/3/1334细胞膜对大多数物质不具有通透性

——物质的跨膜转运需要离子通道的参与B.Alberts,etal.,MolecularBiologyoftheCell,4thed.2002,PublishedbyGarlandScience第34页/共90页352023/3/1335细胞质膜一些非离子小分子－如水、尿素、O2、CO2、甘油等，及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。而葡萄糖(glucose)和氨基酸(aminoacid)等分子的跨膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。离子的跨膜运输也需要专门的转运系统，如，Na+-K+-ATP酶是利用蛋白水解ATP的能量把Na+运出细胞，把K+运进细胞；Ca2+ATP酶则是把Ca2+泵到胞外。胰岛素(insulin)等多肽类激素可以与质膜外表面的受体蛋白结合，引起膜内表面的响应，然后将信号传递到细胞内。2.3.1生物膜的分类第35页/共90页362023/3/1336细胞内膜系统：

与原核细胞不同，真核细胞具有复杂的内膜系统，即细胞质中有许多膜性细胞器(membrane-boundorganelle)。2.3.1生物膜的分类第36页/共90页372023/3/1337细胞内膜系统：线粒体

线粒体(mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。线粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜(outermembrane)和内膜(innermembrane)，其直径约1m。线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porin),它们穿越磷脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小于10kd的分子是自由通透的。线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristae)状结构，以增加总的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高，按重量计算，蛋白质约占70％，脂类约占30％。内膜上的许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋白传递到另一个载体蛋白；另一组是ATP合成酶复合体，用于催化ATP的合成。第37页/共90页382023/3/1338细胞内膜系统：溶酶体 溶酶体(lysosome)是细胞内主要的消化系统，内含大量的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单体。溶酶体内水解酶的最适pH值为5，这个低pH值微环境是由溶酶体膜上的质子ATP酶维持的。待水解的生物大分子通过内吞小泡(endocyticcompartent)进入溶酶体。溶酶体酶在粗面内质网中合成，溶酶体在transGolgi面形成。第38页/共90页392023/3/1339细胞内膜系统:内质网和高尔基体内质网和高尔基体(Golgiapparatus)的膜将细胞质与其围成的腔隔开。粗面内质网(roughendoplasmicreticulum)可能直接与核膜相连,其细胞质面附着着大量的核糖体，是膜蛋白合成的场所。滑面内质网(smoothendoplasmicreticulum)则是合成膜脂的场所,包括磷脂和胆固醇。滑面内质网与高尔基体的膜上都可以进行蛋白和脂的糖基化。 高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。高尔基体还参与蛋白聚糖(proteoglycans)的合成,参与这些反应的酶也主要集中于trans高尔基体的膜上。第39页/共90页402023/3/1340细胞内膜系统:膜囊泡细胞内有许许多多的膜囊泡(membranevesicle)，它们主要参与各种各样的运输过程。这些膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞内的特定地点，同时，它们还是胞吐作用(exocytosis)和胞吞作用(endocytosis)的载体。第40页/共90页412023/3/1341细胞内膜系统：核膜真核生物的遗传物质被核膜(nuclearmembrane)所包围(细胞处于分裂时除外)。核膜由内膜与外膜组成。核膜的内外膜是连续的，这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接着染色质(chromatin)；外核膜表面结合着核糖体(ribosome)，而且其某些区域与内质网(endoplasmicreticulum)膜相连。核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是ATP依赖性过程，而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约７nm，允许直径9nm以下的分子自由通过,说明核孔是有一定柔性的。第41页/共90页422023/3/1342膜与细胞骨架：细胞骨架可以稳定细胞膜,维持细胞形状。Membrane-attachedcytoskeletalnetworksprovidemechanicalsupporttoplasmamembrane.是维持红细胞耐性及变形性的主要组分。2.3.1生物膜的分类第42页/共90页432023/3/1343流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性，认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性(图14)。图14.质膜的的结构模型

2.3.2质膜的流动镶嵌模型第43页/共90页442023/3/13441．膜脂分子的运动侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置（图15）。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。图15膜脂的分子运动质膜的流动性

质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成第44页/共90页452023/3/13452．影响膜流动性的因素影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括：胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，质膜的流动性越强。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。质膜的流动性第45页/共90页462023/3/13463．膜蛋白的分子运动膜蛋白分子的运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）和细胞融合技术（图16）检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。质膜的流动性第46页/共90页472023/3/1347图16利用细胞融合技术观察蛋白质运动1970年LarryFrye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂交细胞一半发红色荧光、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。质膜的流动性第47页/共90页482023/3/13484．膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。质膜的流动性第48页/共90页492023/3/13质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合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，信号的接受和传递也有一定方向等。样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称（图17）：ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmicsurface）；PS，质膜的原生质表面（protoplasmicsurface）；EF（extrocytopasmicface），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmicface），原生质小页断裂面。

膜的不对称性第49页/共90页502023/3/1350图17.膜各个断面的名称ES，质膜的细胞外表面；PS，质膜的原生质表面；EF，质膜的细胞外小页断裂面；PF，原生质小页断裂面。

膜的不对称性第50页/共90页512023/3/13511．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。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被降解。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。2．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定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。3．复合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。膜的不对称性第51页/共90页522023/3/1352脂筏（lipidraft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。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。从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：①存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPIanchoredprotein），某些跨膜蛋白，Hedgehog蛋白，双乙酰化蛋白（doublyacylatedprotein）如：非受体酪氨酸激酶Src、G蛋白的Gα亚基、血管内皮细胞的一氧化氮合酶（NOS）；②存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；③介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。2.3.3脂筏第52页/共90页532023/3/1353细胞质膜的主要功能概括如下：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。2.3.4细胞膜的功能第53页/共90页542023/3/13研究对象的确定——源自链霉菌的钾通道（KcsA通道）一、KcsA通道与其它源于真核生物的钾离子通道相比结构上具有相似性，都是四聚体结构、都具有选择性过滤器和一个充满水的中心腔；二、KcsA通道与其它源于真核生物的钾离子通道相比遗传物质具有同源性，在KcsA通道的选择性过滤器中同样存在保守的氨基酸序列-TVGYG-，分子克隆和基因突变实验表明，如果把五个氨基酸中的某一个氨基酸加以变异，则KcsA通道的选择性功能完全丧失，可见这五个氨基酸对于通道的选择性起着举足轻重的作用；三、KcsA通道与其它源于真核生物的钾离子通道相比通透特性相同，只允许特异性钾离子高速（每秒108个离子）通过，而对于其它离子通透性很小或者几乎不能通过；四、科学家对KcsA通道的研究进行的最广泛、最深入，积累了大量翔实的实验数据，但是对于KcsA通道的理论研究却相对落后。因此，我们主要以KcsA通道为研究对象，来研究钾通道的通透过程的动力学特征。

2.4生物膜上的蛋白质分子——离子通道第54页/共90页552023/3/13相关离子直径离子直径：0.2nm

离子直径：0.26nm

离子直径：0.29nm

Na+K+Rb+第55页/共90页562023/3/13钾离子通道结构示意图钾离子通道选择性过滤器结构示意图钾通道的结构第56页/共90页572023/3/13水合碱金属阳离子

碱金属离子在水溶液中是以水合离子的形式存在的，不同的离子结合的水分子的个数不同，而且与阳离子结合的水分子分层排布，外层水分子数目较多但是极不稳定，非常快速地与其它水分子进行交换，内层水分子分子数目较少相对稳定，一般4～8个不等。但是由于KcsA通道选择性过滤器的孔径只有0.3nm，所以离子要进入选择性过滤器首先要脱水。当钾离子从通道内出来重新进入溶液中，又要与水分子结合，发生水合作用。所以钾离子的选择性通透过程是与离子的水合与去水合作用相互耦合的。

水合锂离子在水溶液中的结构示意图第57页/共90页582023/3/13

即使是内层水分子也不是很稳定（以每秒108次与其它水分子发生交换），仍然快速地与其它水分子进行交换。所以要想准确的确定溶液中水合碱金属离子的结构以及每个碱金属离子结合的水分子的数目是非常困难的。就目前的研究结果来看，即使是碱金属中结构最简单的锂离子，对于水合锂离子的结构以及锂离子结合水分子的数目还没有统一的结论。使用中子或X射线散射氯化锂溶液发现每个锂离子内层结合水分子的个数为6个；光谱分析的结果显示水合锂离子具有四面体的结构；理论分析的结果表明，具有四面体结构的水合锂离子比结合6个水分子的水合锂离子具有更小的能量。

水合碱金属阳离子第58页/共90页592023/3/13我们研究的系统是长1.2nm，直径0.3nm的通道，而Na+、K+、Rb+及NH4+的直径约为0.2nm~0.3nm。考虑这样的系统，量子效应是不能忽略的。目前未发现采用基于量子力学的密度泛函方法研究钾通道选择性的报道。钾离子的选择性通透过程是与离子的水合与去水合作用相互耦合的。而就目前的研究结果来看，即使是碱金属中结构最简单的锂离子，对于水合锂离子的结构以及锂离子结合水分子的数目还没有统一的结论。第59页/共90页602023/3/13研究的系统具有20个氨基酸和一个一价阳离子，共1000余个电子，20个氨基酸排列成一个长度约为1.2nm，直径约为0.3nm的通道，而Na+、K+及Rb+的直径分别为0.2nm、0.27nm

和0.29nm。要计算这样系统的位能，仅仅考虑原子间的作用能是不够的，必须考虑电子及电子相关，同时计算量还要尽可能地小。于是本文基于Hohenberg-Kohn第一定理和第二定理，通过确定通道选择性过滤器与阳离子组成体系的基态电子密度，从而决定了体系的哈密顿算符，而体系的能量是电子密度的泛函，根据密度泛函的变分原理，即体系基态总能量（表示成粒子密度的泛函形式）在体系基态电子密度处取极小值，这就是体系的基态真实总能量。不同的离子具有不同数目的电子，离子处于不同位置体系的电子分布也不同，这样就可以通过计算不同离子在不同位置的电子密度，得到体系的位能面，从分子水平研究KcsA通道对一价阳离子选择性的产生机制。离子通道选择性机制的研究第60页/共90页612023/3/13离子通道选择性机制的研究——模拟系统第61页/共90页622023/3/13离子通道选择性机制的研究——理论模型离子与通道组成体系的能量具有如下形式：式中各项均是电子密度的函数。其中第一项是电子所具有的动能，第二项是电子势能项，第三项是第i个电子与N-1个电子的排斥能，第四项是交换相关项（包括交换能和相关能），第二、三、四项形成了一个生物电场，离子正是在这个生物电场的驱动下产生的定向运动。

第62页/共90页632023/3/13位能曲线的构造钾离子位能曲线第63页/共90页642023/3/13位能曲线的构造钠离子位能曲线&钠、钾离子位能曲线比较第64页/共90页652023/3/13位能曲线的构造铷离子位能曲线&铷、钾离子位能曲线比较第65页/共90页662023/3/13位能曲线的构造铵离子位能曲线第66页/共90页672023/3/13KcsA通道对不同阳离子的选择性分析离子种类溶液中半径（0.1nm）与钾离子半径之差（0.1nm）出口处的位垒高度（Hartree）与钾离子的能量差（Hartree）钠离子1.70-0.850.0890.042钾离子2.550.000.0470.00铷离子2.630.080.0540.007铵离子2.47-0.080.0680.021第67页/共90页682023/3/13通透率比较根据Boltzmann

分布，离子可以跨越高度为VB的势垒的几率为：第68页/共90页692023/3/13通透率比较钾、钠离子通透率比值随能量的变化第69页/共90页702023/3/13结论（I）对于钾离子和铷离子，在钾离子通道选择性过滤器部分存在四个结合位点，分别位于x=-6.0,x=-2.32,x=1.05,x=3.83；钾离子的非对称性位能面使得钾离子可以产生定向流动，即在非对称势的作用下，钾离子可以实现由膜外侧向膜内侧的转运。在钾离子通过通道的过程中遇到的位垒高度均低于其它离子遇到的位垒高度，这就表明对于KcsA通道最有利于钾离子通透；从统计热力学的角度来看，位能曲线上的每一个极小值点应该对应于离子的结合位点，由钠离子位能曲线图可以看出，钠离子更倾向于位于x=0（因为位能曲线在该点取得最小值），而x=0对应于选择性过滤器的第二个结合位点，也就是说钠离子应该更多的停留在第二个结合位点，而且根据钠离子位能曲线的形状和钠离子在通透过程中遇到的位垒高度分析，钾离子通道对钠离子不具有通透性。由玻尔兹曼分布计算得到钠离子的通透率比钾离子的通透率要低10000倍；第70页/共90页712023/3/13钾离子和铷离子的位能曲线形状大致相同，而铷离子位能曲线的位垒高度要大于钾离子，也就是说虽然铷离子可以通过钾离子通道，但是其通透性要低于钾离子，两者通透率比值大约差4000倍，这也与实验定性吻合。需要指出的是本文所研究的系统包含269个原子，而分子动力学的研究系统涉及到41000个原子之多，本文的计算表明DFT方法在更加局域范围更真实反映离子与通道相互作用。这也就从一个侧面证实，在研究离子通道这样的小尺度系统的时候，量子效应不能被忽视。而分子动力学恰恰是以经典的牛顿力学为基础，所以必须考虑更多的原子。离子通透过程中存在最佳的通透“有效半径”，离子的半径与之越接近则越容易通过。所以钾离子通道对不同离子通透性为：K+>Rb+>NH4+>Na+，这与实验结果较好吻合。结论（I）第71页/共90页722023/3/13不对称势场的作用会产生非平衡涨落力，布朗粒子在非平衡涨落的作用下会产生定向运动，处于非平衡涨落环境中的布朗粒子的动力学行为可以用Langevin方程来描述：其中m为粒子质量，为粘滞系数，代表由于外部势场产生的外力，为随机力，包括除阻尼作用以外的环境对布朗粒子碰撞的全部作用力，称为噪声。钾离子通道的Brownian

动力学第72页/共90页732023/3/13钾离子通道的Brownian

动力学离子通道的布朗动力学模型把离子在通道内的行为看作是随机动力学行为，把离子看作一维布朗粒子，这样离子通过通道的行为就可以用一维Langevin方程来描述：以钾离子通道三维精细结构为基础，应用密度泛函理论在分子水平构造了通道选择性过滤器部分位能曲线。第73页/共90页742023/3/13钾离子通道的Brownian

动力学钾离子位能曲线第74页/共90页752023/3/13钾离子平均位移随时间变化曲线钾离子平均速度随时间变化曲线钾离子通道的Brownian

动力学第75页/共90页762023/3/13选择性过滤器内部离子分布图钾离子位能曲线钾离子通道的Brownian

动力学第76页/共90页772023/3/131.采用密度泛函理论，基于通道的三维结构，从第一性原理出发，计算得到了通道位能曲线，为布朗动力学模型提供了必要的驱动力。2.把通道内的钾离子看作布朗粒子，提出了钾离子通道的布朗动力学模型。不但实现了离子的跨膜转运，而且计算出了离子在通道内的平均速度（0.92nm/ns

），单离子通过通道所用的平均时间4.35ns以及单通道在单位时间内介导离子的频率为每秒2.30×108

离子。这与文献（NatureVol.414(2001)PP.73）中提到的钾离子单通道每秒钟可以通过～108个钾离子相吻合。3.对通透过程中的钾离子在通道内的分布进行了统计，统计的结果显示，在通透过程中钾离子的分布在通道内存在最大值，这些最大值的位置刚好对应于钾离子位能面的极小值的位置。这也从另外一个角度证明了所构造位能面的正确性。结论（II）第77页/共90页782023/3/13

我们研究的目的是使用密度泛函方法对不同