浙江大学生物化学与分子生物学笔记生物膜和运输课件

生物膜和运输BiologicalMembraneandTransport生物膜和运输（BiologicalMembraneandTransport）

生物膜的形成对于生物能量的贮存及细胞间的通讯起着中心作用。膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。膜的电镜横切面照片细胞体纤毛线粒体消化泡内质网分泌泡膜的分子组成

生物膜几乎所有的质量都由蛋白质和极性脂质组成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白质和脂类的相对比例因不同的膜而不同，反映着膜生物作用的广泛性。神经元的髓鞘主要由脂类构成，表现为一种被动的电子绝缘体；但细菌、线粒体、叶绿体的膜上由许多酶催化的代谢过程发生，含有的蛋白比脂类要多。每种膜都有一个特征的脂质组成

各种来源的膜的化学分析显示了一个共同的特征，即膜脂组成因不同的界、不同的种、不同的组织、特定细胞中不同的细胞器而不同。细胞有一种清楚的机制，可以精确控制膜脂合成的种类和数量，以及定位到特定的细胞器上。不同组织质膜的主要成分鼠肝细胞膜及细胞器膜的脂质类型不同功能的膜含有不同的蛋白质

不同来源膜的蛋白质组成比其脂质组成的变化更大，反映在膜功能的特化上。脊椎动物视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白—视紫红质；特化较低的红细胞质膜约含20种显著的蛋白及十几种较少的蛋白，其中多数的蛋白为运输载体，每一种蛋白运输一种跨膜的溶质等。有些膜蛋白还有一个或多个脂共价结合，后者可能形成一种疏水的稳定体系以保证蛋白质存在于膜中。

膜的超分子结构

所有生物膜拥有共同的基本特征：对多数极性分子或带电分子不通透，允许非极性分子通透；约5-8nm厚，横切电镜照片近似三层结构。膜结构的流动镶嵌模型

(FluidMosaicModel)脂双分子层是基本的结构

脂类与水相共存时会迅速形成一种脂双分子层结构而避开水的作用，生物膜的厚度（电镜测定为5-8nm）是由3nm的脂双分子层和蛋白的厚度决定的，所有证据都支持生物膜由脂双分子层构成。膜脂对于脂双分子层两面是不对称的，但尽管不对称，也不象蛋白质，脂的不对称不是绝对的。两性脂在水中形成的聚集体

(AmphipathicLipidAggregates)膜脂的运动温度引起侧链热运动脂双层平面的扩散跨膜扩散：“翻跟头”膜蛋白透过或跨过脂双分子层

生物膜的冰冻蚀刻电镜观察到的一个蛋白或多蛋白复合体分布情况显示，一些蛋白仅存在于膜的一面，另一些则横跨整个膜双分子层，有些穿过膜的另一表面。 膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动。红细胞上血型

糖蛋白的跨膜O-连接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAcN-连接-螺旋膜内（嵌入）蛋白不溶于水

膜蛋白可分为两类，外周蛋白（peripheral）和膜内（嵌入）蛋白（integral），前者与膜结合松散，可逆，很容易释放，是水溶性的；后者与膜结合紧密，由膜上释放时要用特别的试剂（去污剂、有机溶剂、变性剂等），及时嵌入蛋白由膜上释放出来，一旦去除变性剂或去污剂会立即引起蛋白沉淀（不溶聚积物）析出。外周蛋白和膜内

（嵌入）蛋白外周蛋白嵌入（膜内）蛋白去污剂糖蛋白pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白外周蛋白与膜的连接是可逆的

许多外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲水区域或膜脂的极性头部以静电作用或氢键结合到膜上，通过温度的改变或破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释放出来。这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物、或一些膜蛋白的流动性。膜内（嵌入）蛋白（IntegralMembraneProteins)有些外周膜蛋白

共价泊锚在膜脂上

有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。细胞与细胞相互作用：

四种膜内蛋白作用类型配体结合域黏附域类免疫球蛋白域凝集素域膜蛋白的扩散运动红细胞氯-碳酸氢盐

交换体的局限运动膜的融合是许多

生物过程的中心

生物膜的一个明显的特征是可与另一个膜融合而不失去其完整性。膜虽是稳定的，但不是静止的，内膜系统中膜状结构不断地从高尔基复合体上分泌形成；外吞、内饮、细胞分裂、精卵细胞融合、膜包裹病毒进入宿主细胞等都涉及膜的重新形成，而它们最基本的行为就是两个膜片段的融合而不失去完整性。

膜的融合（MembrraneFusion)膜融合事件

两个膜融合需要：相互识别；相互表面靠近并相对（排除水分子）；双层结构部分破坏；两个双分子层融合为一个连续的脂双分子层。受体调节的内吞或控制的分泌还需要融合发生在合适的时间或者是对特异信号的反应。融合蛋白（嵌入蛋白）（fusionprotein）参与以上融合事件，引起特异识别和短暂、局部脂双层结构变形促使膜融合。融合蛋白可搭起两个膜融合的桥，并带来融合区域脂双分子层的暂时恢复。膜联蛋白（annexin）（一种Ca2+活化后可与膜磷脂结合的蛋白）是一类紧挨质膜的蛋白质，需要Ca2+，与脂双分子层的磷脂结合，可通过交叉连接两个不同膜的脂质分子。

病毒进入宿主细胞的膜融合跨膜运输

所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境中去。质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞，有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。很少有例外小分子物质的跨膜是直接通过蛋白的，而是通过跨膜的通道（channels）、载体(carriers)或泵（pumps）。

溶质通过透过性膜的移动不带电带电被动运输是由膜蛋白促进的

顺浓度梯度的扩散

生物体内的简单扩散因膜把胞内和胞外环境所阻止，膜是一种选择性通透屏障，要通过脂双分子层，极性分子或带电溶质必需解除水化膜的水的作用，然后透过约3nm的介质（膜）。水是一种例外，可很快透过生物膜，机制尚不清楚，膜两侧溶质浓度差异大时，渗透压的不平衡引起膜两侧水的流动，直至两侧的渗透压相等。极性溶质或离子的过膜运输由膜上的蛋白降低活化能而对特异的物质提供过膜路径而过膜的双分子层，引起促进扩散。亲水溶质通过生物膜脂双层的能量变化除去水化膜的简单扩散跨膜蛋白降低溶质跨膜运输的活化能红细胞葡萄糖渗透酶（GlucosePermease）调控被动运输

红细胞中能量产生的代谢依赖于葡萄糖不断地由血浆中进入红细胞，葡萄糖通过渗透酶由促进扩散进入细胞，这一膜蛋白有12个疏水区域（Mr=45000），可能跨膜12次，它可使葡萄糖进入细胞内的速度大于没有时的50000倍。葡萄糖运输进

入红细胞模型1.D-Glc与T1特异结合降低构象改变的活化能2.T1转变为T2影响Glc跨膜通道3.Glc由T2释放到胞质4.T2构象变回T1氯化物和碳酸氢盐跨红细胞

膜的运输为协同运输（Cotransport）

红细胞存在另一种促进扩散系统—阴离子交换体，这对于肌肉及肝脏中CO2回到肺中的运输是必需的。呼吸组织产生的废气—CO2由血浆进入红细胞，在红细胞中转化为HCO3-，HCO3-重新回到血浆中被运输到肺组织。因HCO3-比CO2的溶解度大，这种变化增加了由组织到肺的CO2运输的血容量，在肺中HCO3-重回红细胞被转化为CO2，被缓慢呼出。氯化物-碳酸氢盐交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加HCO3-对红细胞膜的透过，这一系统也被称为协同运输系统。

红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体主动运输（ActiveTransport）引起物质的逆浓度梯度运输

被动运输总是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累，相反，主动运输总是逆浓度梯度运输，引起物质的积累。主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他顺浓度梯度的运输。在初级主动运输中，物质的积累直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接；次级主动运输发生于由初级主动运输引起的逆浓度积累的顺浓度梯度运输。三类主要运输系统两种类型的主动运输磷酸和钒酸有三种形式的运输ATPases

Na+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype）被称为P-typeATPase（可以可逆磷酸化的）；另一类为V-typeATPase—Protonpumps(V-vacuole)；第三种，ATP-splittingprotonpumps，对细菌、线粒体和叶绿体中的能量消耗反应起中心作用，即F-typeATPases（F：energy-couplingfactors），催化质子可逆地跨膜运输，由ATP水解供能。

三种类型离子运输

ATPase亚基结构四种类型的运输ATPasesF类型ATPasesNa+K+ATPase主动协同Na+,K+的运输

由ATP所供能

每个动物细胞与环境相比维持较低的[Na+]和较高的[K+]，这种不平衡由质膜上的主动运输所建立和维持，涉及Na+K+-ATPases，偶联ATP水解，引起Na+,K+的逆浓度梯度运输。每水解1ATP，偶联运输2个K+进质膜内，3个Na+出质膜外。Na+K+-ATPases是一种膜蛋白，由2个亚基组成，都是跨膜蛋白。Na+K+ATPase驱动的钠钾离子运输Na+或K+梯度驱动的协同运输离子梯度为次级主动

运输提供能量

光、氧化作用、ATP水解驱动的Na+或H+的初级运输的离子梯度本身可以驱动其他物质的协同运输。肠