生物化学 第十讲 Biomembrane Transport-1

§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain

CharlesOverton–研究植物根毛细胞对物质的吸收时，注意到不同的物质进入细胞的速度不同，并且与分子的大小无关，猜想吸收的速度和物质与细胞膜的亲和性有关。进一步研究发现吸收的速度正比于物质在脂的溶解度。得出结论：细胞的边界由脂构成，并建议含有胆固醇和磷脂酰胆碱。1890′s：认识到细胞膜含脂成分IrvingLangmuir–研究脂的行为，发现溶解在挥发性溶剂中的脂分子在水面上排列为单分子层（根据脂的浓度对面积的精确计算）。因此建议，脂分子象磷脂酰甘油一样是兼性分子，亲水的一端指向水分子，疏水的一端背离水分子。1900′s：脂单层技术GorterandGrendel

-解决细胞的边界由几层脂分子构成的问题。方法：（1）测红细胞的面积；（2）提取红细胞的脂；（3）用Langmuir的方法测这些脂形成的单分子层面积。结果：单分子层的面积是红细胞表面积的2倍。结论：细胞边界（至少红细胞如此）由双脂分子层构成，亲水的头部朝向水分子，疏水的尾部朝向双分子层内部。1920′s：确定细胞膜为脂双分子层HughDavsonandJamesDanielli-研究油－水界面的表面张力时发现，细胞膜的表面张力总是低于人工膜的表面张力。当把蛋白质加入人工膜时，可降低其表面张力。因此建议蛋白质也是细胞膜的成分，并提出了“三明治”模型。1930′s：提出包含蛋白的“三明治”模型1950s-电镜出现，观察到细胞器的膜结构，1960年，J.DavidRobertson综合各种生物膜的结果，提出“单位膜”一词，认为所有生物膜都具有三层结构（两侧的蛋白层和中间的脂双分子层，共约7－8nm）。1950′s：提出生物膜的“单位膜”概念不能解释不同膜的具有不同的蛋白质与膜脂比列和成分。不能解释提取的膜蛋白具有不同的形状和大小（Modelsuggestsproteinsshouldbe“sheets”）。不能解释磷脂酶能够破坏膜的完整性（lipidsshouldbeprotectedifcoveredwithprotein）。不能解释增加盐浓度不可以洗去膜上的蛋白（shouldbe,ifattachedbyionicbondsasmodelsuggests）。

单位膜模型的问题1972：FluidmosaicmodelLipids(bilayer)formaliguidcrystalMembranesareasymmetricProteinsformthemosaic：integralandperipheralmembraneproteinsSupportfortheFLUID(1)Frye&Edidin的荧光抗体标记的细胞融合实验Fluorescencerecoveryafterphotobleaching(FRAP)demonstratesthatbothlipidsandproteinsaremobileinthemembraneSupportfortheFLUID(2)LipidMovementEffectsofsomefactorsonlipidmovementCompositionofsomemembranesMembrane%Protein%Lipid%Carbo-hydrateInnerMitomembrane76222OuterMitomembrane52462BacterialPM60-7040-300-10LiverPM50-6045-355HumanRBCs504010Myelin18793

DecreasingproteinIncreasinglipidVariablecarbohydrateDecreasingfunctionalcomplexityDifferentmembranes:differentlipidsDifferentlipidsintwolayersSupportfortheMOSAIC(1)冰冻蚀刻SupportfortheMOSAIC(2)SupportfortheMOSAIC(3)膜的原子力显微镜形貌Integralmembraneproteins

singlespan-helixmultispan-helix-barrelPeripheralmembraneproteins

lipidlinkedlipidboundproteinboundAssociationsofproteinswithmembranelipidlinkedproteinsTheways(topology)of-helixspanningmembraneExperimentstodeterminethetransmembranearrangementofmembraneproteinsHydropathyplots可以预测膜蛋白的跨膜螺旋跨膜蛋白的Trp、Tyr以及带电氨基酸残基位置：膜-水界面跨膜蛋白中的β-barrel结构§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain2.

Functionalsummary⑥

Lipidraft&Caveolae特殊功能分区：线粒体特殊功能分区：叶绿体易化扩散Na-Kpump协同运输简单扩散细胞的物质运输信号的化学传导信号的膜电位传导CertainIntegralProteinsMediateCell-CellInteractionsandAdhesion膜筏是分布在质膜的外叶的微区(microdomains）结构，可在液晶的海洋中移动，形象地称为膜筏(lipidraft)；对去污剂的溶解具有一定的抗性，利用此特点可方便膜筏与其他成分的分离。Lipidraft(膜筏)膜筏微区的结构模型已发现的角色：膜筏可携带与其结合的胞内或外源蛋白象穿梭机(transportshuttles)在细胞膜上往返运动。膜筏可作为分子分选机

(molecularsortingmachines),在质膜的一些区域参与信号转导的时空序列调控。膜筏可以作为各种病源，包括病毒、细菌及其毒素侵入细胞内的入口(portalsofentry)。膜筏也是朊蛋白(PrPSc)及Alzheimer’sdisease的β淀粉样肽的多发位点

(preferentialsites)。膜筏的作用膜筏在HIV感染中的作用膜筏在朊病毒传播中的作用monensinmonensin(鞘脂)(胆固醇)Caveolae(膜穴)：specialmembraneraft小窝蛋白Caveolae(膜穴)的形成MembraneFusionIsCentraltoManyBiologicalProcessesFusioninducedbythehemagglutinin(HA)proteinduringviralinfection§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain早在1854年，对细胞学的创立做出决定性贡献的德国病理学家魏尔啸（Virchow，RudolphCarl1821～1902）就发现，神经细胞髓聚脂溶液具有偏光性，这本是液晶的重要特征之一。1933年，法拉第液晶讨论会上，生物结构的液晶性质被正式提出来讨论。1965年，在肯特（Kent）召开的第一届国际液晶会议上，生物液晶已被列为正式议题。1974年，在斯德哥尔摩召开的第五届国际液晶会议上，生物膜与溶致液晶被正式联系在一起进行讨论。3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论生物液晶研究的起点是关于红血球的形状问题。固体与液面的形状始终都是凝聚态物理的难题！1901年，伍尔夫（Wulff）曾利用表面能极化变分确定晶体表面形状。60年代又得到了伍尔夫定理对二维晶体的严格证明，但对三维晶体的证明至今未能解决。虽然液面形状方程，H（平均曲率）=Δp（界面两侧渗透压差）/2γ（表面张力）早在1806年就由拉普拉斯给出，但是关于肥皂泡的球面解唯一性的严格证明，直到本世纪50年代才由前苏联几何学家亚历山大洛夫完成。3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)WhydoesRBCshapelikethis?内质网、高尔基体等细胞器的形状？3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory:

1965年，Murphy把双凹的成因归结为膜中胆固醇的分布不均——轴心部分的胆固醇少于外周，所以“碟的”的边缘有较大的内应力而外凸弯曲，而中部应力较小而内凹平坦。但实验发现胆固醇在膜上的分布却是均匀的。1968年，冯元桢与汤（Tong）曾从薄壳力学角度，给出了红血球的计算模型。这个模型类似两个弹性薄壳包住各向同性液体的“三明治”，为使薄壳呈向内凹状，必须假定薄壳厚度是不均匀的，然而这个假设与显微镜的观察并不一致。3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory:

1968年，罗佩兹（Lopez）等人从电学角度做了解释，认为向内双凹的原因是中间膜部分带电与四周不同的结果。但Greer和Baker（1970）的测量表明膜带电是均匀的。1969年，史里瓦斯塔夫（Shrivastav）和布顿Button）又假定红血球膜的相向部分，存在有某种长程力，中间的双内陷正是这种引力的结果。这个说法又被电镜的检验否定。3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory:

1970年，加拿大一位生物力学家卡恩汉（Can－han）从弹性势能最小状态提出了一个数学模型。他令H为膜面平均曲率，膜面弹性势能E=∮(2H)2dA应呈最小值，由此经过计算机模拟，恰好得到双凹碟形状态。然而，在1976年，有人否定了这一结果，因为可以证明，杠铃状也能满足表面膜弹性势能最小值的要求，可是这种形状的红血球却从未见到过。由此，红血球的形状成为一个长期悬而未解之谜。3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)其中H与K分别为膜面的平均曲率与高斯曲率，△p及λ则是膜内外渗透压差及膜表面张力，

及

是液晶的弹性系数及其与膜厚度的乘积。理论推得k与k的数量级为10-11尔格，已被实验证实.Answersinhistory积分方程3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory微分方程对F进行变分，细胞或人工生物膜的形状便由下列的曲面方程(Ou-Ying,Helfrich,1987)所描述。方程中是曲面的拉普拉斯算符，而c0是Helfrich自曲率常数，与膜的生物功能有关.3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory上述微分方程有形如红细胞形状的解图2：红细胞的形状3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Helfrich理论的发展：环形解3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Helfrich理论的发展：环形解Helfrich理论的发展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)Helfrich理论的发展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—红细胞形状的液晶理论生物膜的各种形状唯一由液晶理论决定吗？细胞、各种细胞器的形状是怎样维持的？蛋白质参与生物膜形状的产生和维持吗？4.BARdomain--生物膜形状感受器§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain问题的由来BAR结构域蛋白家族BAR结构域的结构特征BAR结构域的机制BAR结构域蛋白与小G蛋白BAR结构域蛋白理论问题的由来（1）明显的事实：在生物膜行使的生命活动过程中，如膜泡运输、出芽、内吞、融合等，蛋白质发挥着重要作用。很多报道，体外向磷脂双层膜加入某些蛋白，能促进膜的成管或成泡作用。解释1:蛋白质疏水基团（部分）插入双层膜的一叶（leaflet）增加该叶的表面积促进膜的自发弯曲。解释2:当某些膜结合蛋白，如clathrin、COPI、COPII等，聚合形成coat

或cage时能使膜弯曲（如内吞泡等）。

问题的由来（2）BARDomainsasSensorsofMembraneCurvature:theAmphiphysinBARstructureScience303,495-499，2004.解释3问题的由来（3）BAR结构域蛋白家族BAR:bin,amphiphysinandRvs161/167Bin:bridgingintegratorAmphiphysin:双亲蛋白Rvs161/167：逆转录病毒蛋白以上三类都属于Amphiphysin蛋白家族BAR结构域的结构特征(1)BARdomainsarefrequentlyN-terminalsequencesandarecalledN-BARdomains.banana-shapeddimer.acoiled-coilofthreelongkinkeda-helices,formingasix-helixbundlearoundthedimer.ThehydrophobicresiduesarelargelyplacedattheinterfacebetweentheMonomers.theconcavesurfaceofthedimerhasseveralpatchesofpositivelychargedresiduesandtheflexibleloopbetweenhelices2and3foundattheextremeendsofthedimerisstronglybasic.BAR结构域的结构特征(2)BAR结构域的结构特征(3)BAR结构域的机制（1）BARBendsmembranetotubeorvesicle.BARisacurvaturesensorofmembrane.Theconcavesurfaceofthedimerinteractswithphospholipidmembranes.BARwillinducecurvatureonlyiftheelectrostaticbindingenergyisgreaterthantheenergyrequiredtobendthemembrane.BARdomainstendtopolymerization.BARdomainsarefrequentlyfoundincombinationwithotherlipidbindingdomains(e.g.PH,pleckstrinhomology;PX