生物物理課56

1、 分子各種能級示意圖。基態(tài)用分子各種能級示意圖?；鶓B(tài)用G表示，第一電子激發(fā)態(tài)用表示，第一電子激發(fā)態(tài)用S*表表 示示(單線激發(fā)態(tài)，單線激發(fā)態(tài)，singlet excited state)，第二電子激發(fā)態(tài)用，第二電子激發(fā)態(tài)用S*表示。表示。 T*表示第一電子三重激發(fā)態(tài)表示第一電子三重激發(fā)態(tài)(三重態(tài)，三重態(tài)，triplet state)?；鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)都?；鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)都 含有幾個(gè)不同的振動(dòng)能級，圖中用含有幾個(gè)不同的振動(dòng)能級，圖中用V=0, 1, 2, 3表示。表示。 5.5.脂質(zhì)及脂質(zhì)聚集脂質(zhì)及脂質(zhì)聚集 脂雙分子層的動(dòng)態(tài)性質(zhì)脂雙分子層的動(dòng)態(tài)性質(zhì) 脂類分子在脂類分子在Lipid Bilayer 中可能中

2、可能 有的運(yùn)動(dòng)方式有的運(yùn)動(dòng)方式 脂肪酰鏈內(nèi)的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)脂肪酰鏈內(nèi)的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng) (內(nèi)旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)) 碳?xì)滏溙細(xì)滏溨懈鱽喖谆懈鱽喖谆?(-CH2-) 處于處于 trans 與與 gauche 構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換之中構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換之中 ltrans gauche lcorrelation time: 10-10 Sec 這種快速的構(gòu)象動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變是脂雙層流動(dòng)性的分這種快速的構(gòu)象動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變是脂雙層流動(dòng)性的分 子基礎(chǔ)子基礎(chǔ) l流動(dòng)性高流動(dòng)性高 gauche 構(gòu)象占的比例高構(gòu)象占的比例高 (平均每個(gè)平均每個(gè)脂脂 肪酰鏈可有肪酰鏈可有2個(gè)個(gè)gauche構(gòu)象構(gòu)象) l流動(dòng)性低流動(dòng)性低 gauche 構(gòu)象占的比例

3、減少。構(gòu)象占的比例減少。 飽和脂肪酰鏈旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化飽和脂肪酰鏈旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化 運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的幾種構(gòu)象運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的幾種構(gòu)象 (A) 二面角二面角 i定義：鍵定義：鍵Ci-2- Ci-1與鍵與鍵Ci-1-Ci形成一個(gè)平形成一個(gè)平 面，鍵面，鍵Ci-1-Ci與鍵與鍵Ci-CI+1形形 成另一個(gè)平面，這兩個(gè)平成另一個(gè)平面，這兩個(gè)平 面間的夾角為面間的夾角為 i。 (B) 飽和脂肪酰鏈的三種穩(wěn)飽和脂肪酰鏈的三種穩(wěn) 定構(gòu)象。其中，反式定構(gòu)象。其中，反式(ti)構(gòu)構(gòu) 象為象為 i1800，是一種能量，是一種能量 最低的狀態(tài)；歪扭式最低的狀態(tài)；歪扭式 (g+) 和歪扭式和歪扭式 (g-)分別對應(yīng) 分別對應(yīng) i 6

4、00和和 i600，它們的，它們的 能量比反式構(gòu)象略高能量比反式構(gòu)象略高 0.5千千 卡卡/克分子克分子,因此也稱為亞穩(wěn)因此也稱為亞穩(wěn) 態(tài)。態(tài)。 飽和脂肪酰鏈旋轉(zhuǎn)異構(gòu)飽和脂肪酰鏈旋轉(zhuǎn)異構(gòu) 體的說明及其示意模型體的說明及其示意模型。 (A)直鏈全反式；直鏈全反式； (B)單一歪扭異構(gòu)單一歪扭異構(gòu)(tgt)導(dǎo)致導(dǎo)致 的鏈彎曲；的鏈彎曲； (C)兩個(gè)歪扭構(gòu)象相間兩個(gè)歪扭構(gòu)象相間 (tgtgt)形成的單一形成的單一”kink” 構(gòu)象。構(gòu)象。 trans構(gòu)象構(gòu)象： 鏈間距離最近，適鏈間距離最近，適 合于晶態(tài)脂雙層合于晶態(tài)脂雙層 gauche構(gòu)象構(gòu)象： 鏈長度縮短，鏈間鏈長度縮短，鏈間 距離增大距離增大

5、kink構(gòu)象構(gòu)象：-gtg- Raman 光譜方法研究光譜方法研究 膜流動(dòng)性膜流動(dòng)性： Itrans: I1064 及 I1133 Igauche: I1100 Igauche / Itrans I1100 / I1064 整個(gè)磷脂分子繞其長軸的旋轉(zhuǎn)整個(gè)磷脂分子繞其長軸的旋轉(zhuǎn) 整個(gè)分子繞長軸旋轉(zhuǎn)的平均速度比鏈內(nèi)整個(gè)分子繞長軸旋轉(zhuǎn)的平均速度比鏈內(nèi) 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多：旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多： correlation time: 10-6 10-8 Sec 測量方法；測量方法；polarization spectroscopy l熒光偏振熒光偏振 l紅外偏振紅外偏振 激發(fā)光偏振激發(fā)

6、光偏振 發(fā)射熒光也偏振發(fā)射熒光也偏振 (只有平行于偏振方向的分子才能受只有平行于偏振方向的分子才能受 到最大激發(fā)到最大激發(fā))； 分子在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，分子取向隨機(jī)化，發(fā)射熒分子在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，分子取向隨機(jī)化，發(fā)射熒 光退偏振。光退偏振。 膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng) 整個(gè)分子繞長軸旋轉(zhuǎn)的平均速度比鏈內(nèi)整個(gè)分子繞長軸旋轉(zhuǎn)的平均速度比鏈內(nèi) 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多：旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多： correlation time: 10-6 10-8 Sec 測量方法；測量方法；polarization spectroscopy l熒光偏振熒光偏振 l紅外偏振紅外偏振

7、 膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng) Fick第一擴(kuò)散定律第一擴(kuò)散定律 l單位時(shí)間通過橫截面的溶質(zhì)分子數(shù)單位時(shí)間通過橫截面的溶質(zhì)分子數(shù)(dn/dt)與與 橫截面的面積橫截面的面積A及濃度梯度及濃度梯度dC/dX成正比成正比, l擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度dn/dt A dC/dX DA dC/dX D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s，負(fù)號表示擴(kuò)散過程負(fù)號表示擴(kuò)散過程 由高濃度到低濃度。由高濃度到低濃度。 膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)膜組分在脂雙層內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D : l磷脂磷脂 D : 10-8 cm2/Sec (in lipid bilayer) l膜內(nèi)在蛋白膜內(nèi)在蛋

8、白 D : 10-1010-12 cm2/Sec (in lipid bilayer) l水溶性蛋白水溶性蛋白 D : 10-7 cm2/Sec (in water) 測量方法：測量方法： lPhotobleaching l原位電泳原位電泳 蛋白分子的擴(kuò)散系數(shù)要比脂分子的取值范圍寬的多。蛋白分子的擴(kuò)散系數(shù)要比脂分子的取值范圍寬的多。 部分膜蛋白幾乎沒有側(cè)向運(yùn)動(dòng)。部分膜蛋白幾乎沒有側(cè)向運(yùn)動(dòng)。 小蛋白的小蛋白的D值較大，如，短桿菌肽值較大，如，短桿菌肽C (gramicidin C) 在在DMPC中，中，D 1.4 10-8 cm2/s. 這一數(shù)值并不比脂分這一數(shù)值并不比脂分 子擴(kuò)散速度慢多少。子

9、擴(kuò)散速度慢多少。 膜內(nèi)在蛋白擴(kuò)散速度要低得多膜內(nèi)在蛋白擴(kuò)散速度要低得多(幾乎不動(dòng)幾乎不動(dòng) ! )，一般，一般， 這樣低的速度用蛋白的大小解釋不了。這樣低的速度用蛋白的大小解釋不了。Webb與其助與其助 手的研究表明手的研究表明:當(dāng)將肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架從膜上解離下當(dāng)將肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架從膜上解離下 來，則膜蛋白的擴(kuò)散系數(shù)可提高到來，則膜蛋白的擴(kuò)散系數(shù)可提高到10-9 cm2/s以上。條以上。條 紋肌細(xì)胞中的乙酰膽堿受體幾乎是不動(dòng)的，但是當(dāng)將紋肌細(xì)胞中的乙酰膽堿受體幾乎是不動(dòng)的，但是當(dāng)將 其與肌動(dòng)蛋白去連接后，測得其其與肌動(dòng)蛋白去連接后，測得其D 2 10-9 cm2/s. 脂類分子在脂雙層之間的翻轉(zhuǎn)

10、 運(yùn)動(dòng) (flip-flop) 很慢！很慢！ 幾小時(shí)幾小時(shí) 幾天幾天 測量方法：測量方法： lelectron spin resonance (ESR) 脂質(zhì)的相性質(zhì)脂質(zhì)的相性質(zhì) 兼性分子多型性與水化程度的關(guān)系。兼性分子多型性與水化程度的關(guān)系。此圖只是一此圖只是一 種示意圖，對于任何一種脂質(zhì)來說，其相態(tài)還和種示意圖，對于任何一種脂質(zhì)來說，其相態(tài)還和 溫度等其他因素有關(guān)。溫度等其他因素有關(guān)。 微分掃描量熱法微分掃描量熱法(differential (differential scanning calorimetry,DSC):scanning calorimetry,DSC): 把待測樣品與對照

11、樣品同時(shí)加熱，當(dāng)樣品發(fā)生相把待測樣品與對照樣品同時(shí)加熱，當(dāng)樣品發(fā)生相 變時(shí)，由于吸熱突然增加而使其溫度驟降，此時(shí)對變時(shí)，由于吸熱突然增加而使其溫度驟降，此時(shí)對 樣品提供額外的熱能使其溫度與對照相同。將提供樣品提供額外的熱能使其溫度與對照相同。將提供 給樣品與對照的能量差對溫度作關(guān)系曲線，則得到給樣品與對照的能量差對溫度作關(guān)系曲線，則得到 DSCDSC曲線。曲線。曲線峰位給出相變溫度，峰面積與相變焓曲線峰位給出相變溫度，峰面積與相變焓 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 DSC plots for DMPCDSC plots for DMPC DMPCDMPC的相變行為與磷脂分子的水合狀態(tài)有關(guān)。的相變行為

12、與磷脂分子的水合狀態(tài)有關(guān)。 當(dāng)含水量高于當(dāng)含水量高于25%25%時(shí)主相變溫度保持恒定，且與時(shí)主相變溫度保持恒定，且與 含水量無關(guān)含水量無關(guān)。 Phase diagram Phase diagram of DMPC of DMPC Most naturally occurring phospholipids form a lamellar phase when dispersed in excess water. 生物膜中不飽和脂肪酸幾乎全是生物膜中不飽和脂肪酸幾乎全是 順式順式(cis) 雙鍵，使鏈產(chǎn)生雙鍵，使鏈產(chǎn)生300彎折。彎折。 Salem (1962) 推導(dǎo)兩條 碳?xì)滏溨g的van d

13、er Waals相互作用能 兩條碳?xì)滏滈g距離為兩條碳?xì)滏滈g距離為 R，鏈長度為鏈長度為 L，相鄰相鄰CH2 之間的距離為之間的距離為 l。 鏈特性與相行為的關(guān)系可用鏈特性與相行為的關(guān)系可用 van der Waals相互作用說明相互作用說明 根據(jù)根據(jù) van der Waals 相互作用相互作用 能的能的London 公式公式 U = -A/r6 推導(dǎo)出兩條碳?xì)滏滈g的推導(dǎo)出兩條碳?xì)滏滈g的van der Waals 相互作用能為相互作用能為 (若若 R L 及及 N = L/l ) Utot N Utot 1/R5 Cholesterol/Lipid interactions Cholester

14、ol的羥基緊密靠近磷脂的極性頭的羥基緊密靠近磷脂的極性頭 部；剛性的板狀固醇環(huán)與接近頭部的碳?xì)洳?；剛性的板狀固醇環(huán)與接近頭部的碳?xì)?鏈部分相互作用；而膽固醇的非極性碳?xì)滏湶糠窒嗷プ饔?；而膽固醇的非極性碳?xì)?尾部具有柔順性尾部具有柔順性 膽固醇膽固醇對膜相性質(zhì)的影響對膜相性質(zhì)的影響 - -膽固醇是膜流動(dòng)性的緩沖劑膽固醇是膜流動(dòng)性的緩沖劑 當(dāng)溫度過高時(shí)，膽固醇可以抑制磷脂分子脂肪酰當(dāng)溫度過高時(shí)，膽固醇可以抑制磷脂分子脂肪酰 鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)，減少歪扭構(gòu)象的數(shù)量，防止鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)，減少歪扭構(gòu)象的數(shù)量，防止 脂分子流動(dòng)性過分地增加，起著抑制流動(dòng)性，穩(wěn)定脂分子流動(dòng)性過分地增加，起著抑制流動(dòng)性，穩(wěn)

15、定 脂雙層的作用。脂雙層的作用。 當(dāng)溫度過低時(shí)，膽固醇可誘導(dǎo)磷脂脂肪酰鏈的歪當(dāng)溫度過低時(shí)，膽固醇可誘導(dǎo)磷脂脂肪酰鏈的歪 扭構(gòu)象的產(chǎn)生，使膜的流動(dòng)性提高。扭構(gòu)象的產(chǎn)生，使膜的流動(dòng)性提高。 膽固醇與膜脂作用的選擇性膽固醇與膜脂作用的選擇性 Cholesterol increases the length of the phosphatidylcholine (PC) but not the sphingomyelin (SM) molecule. Sphingomyelin with or without cholesterol forms bilayers with a thickness of

16、 4647 for C18:0 sphingomyelin. By contrast, the thickness of a C16:0/C18:1 phosphatidylcholine bilayer is 35 , and is expanded to 40 by cholesterol. The thickness of the hydrophobic core of the bilayer increased from 26 to 30 . 脂質(zhì)聚集體的形成脂質(zhì)聚集體的形成 脂質(zhì)聚集體的多型性脂質(zhì)聚集體的多型性 Amphiphilic molecule 在水中自組裝的熱力學(xué)在水中自組

17、裝的熱力學(xué) 條件條件 在水溶液里自組裝形成aggregate的分子一般都是amphiphilic molecules。 對于一個(gè)形成聚集結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，熱力學(xué)的平衡條件要求，同 種分子在不同聚集體內(nèi)的化學(xué)勢相等。 10kTlogX1=20(1/2)kTlog(X2/2)=30(1/3)kTlog(X3/3)= monomers dimers trimers N = N0(1/N)kTlog(XN/N) = constant, where N = 1,2,3, where N is the chemical potential of a molecule in an aggregate of agg

18、regation number N, N0 the standard part of the chemical potential (the mean interaction energy) per molecule in the aggregates of aggregation number N, XN the concentration of molecules incorporated in aggregates of number N. 根據(jù)化學(xué)勢相等, 聚集數(shù)N不同的兼性分子的濃度 分布函數(shù)為： XN = NX1 exp(10 - N0)/kTN 要求：稀釋體系 聚集體間的相互作用

19、可以忽略 Note ! 如果 10 20 30 N0 XN = NX1N 因?yàn)?X1 1 ，所以 XN X1 因此，形成而大穩(wěn)定聚集體的必要條件是存在形成而大穩(wěn)定聚集體的必要條件是存在 N0 10. 形成穩(wěn)定聚集體的必要條件是存在形成穩(wěn)定聚集體的必要條件是存在 N0 10 什么情況下出現(xiàn) N0 10 呢？ N0與與N的關(guān)系與聚集體的幾何有關(guān)！的關(guān)系與聚集體的幾何有關(guān)！ 例如例如：one-dimensional aggregates (rod-like aggregates) The total interaction free energy N N0 of an aggregate of N

20、monomers is N N0 = -(N-1) kT where kT is the free energy of binding a monomer to the aggregate in the solvent (i.e., the monomer-monomer bond energy in the aggregate). 因此，因此， N0 -(1-1/N) kT = 0 + kT /N where 0 the bulk energy of a molecule in an infinite aggregate. 這樣，這樣， as N 增加增加 , N0 下降下降 For the

21、 rod, disc and sphere structures, the interaction free energy of the molecules can be expressed as N0 0 + kT /NP where rod-like p=1 disc-like P=1/2 sphere P=1/3 For all these structures, N0 with N Monomer and aggregate concentrations as a function of total solute concentration. 聚集體形成的第二個(gè)條件聚集體形成的第二個(gè)條

22、件：aggregate 形成與濃度關(guān)系形成與濃度關(guān)系 當(dāng) monomer濃度增加時(shí)，其濃度只能趨向某一值而不可 能再增加，monomer的這個(gè)濃度定義為 critical micelle concentration (CMC). 兼性分子在水溶液中的聚集狀態(tài)與其濃度之間的關(guān)系兼性分子在水溶液中的聚集狀態(tài)與其濃度之間的關(guān)系 單體濃度極低的情況下，兼性分子在溶液中以單體形式存在。逐漸加大兼性分子的濃單體濃度極低的情況下，兼性分子在溶液中以單體形式存在。逐漸加大兼性分子的濃 度，自由單體濃度隨之增加，當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)溶液中的自由單體濃度停止增加，度，自由單體濃度隨之增加，當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)溶液中的

23、自由單體濃度停止增加， 溶液中開始同時(shí)出現(xiàn)單體和微團(tuán)兩種形式。這個(gè)臨界濃度稱作臨界微團(tuán)濃度，簡稱溶液中開始同時(shí)出現(xiàn)單體和微團(tuán)兩種形式。這個(gè)臨界濃度稱作臨界微團(tuán)濃度，簡稱 CMCCMC。此后單體濃度保持不變，而兼性分子濃度的增加只能引起聚集體濃度的增加。此后單體濃度保持不變，而兼性分子濃度的增加只能引起聚集體濃度的增加。 CMC 越高說明分子間的相互作用越弱，易于透析越高說明分子間的相互作用越弱，易于透析 ！ 聚集體形成的第二個(gè)條件聚集體形成的第二個(gè)條件：aggregate 形成與濃度關(guān)系形成與濃度關(guān)系 由 XN = NX1 exp(10 - N0)/kTN 因?yàn)?N0 0 + kT /NP 則

24、有 XN = NX1 exp(1- 1/ NP)N NX1 expN 對于一定的值，總可以找到這樣的X1值使 X1exp1, 此時(shí)， X1 X2 X3 , 即多數(shù)分子處于 monomer狀態(tài). 但是，當(dāng)X1增加時(shí)，由于XN不可能大于1， X1只能趨 向exp-的某一值而不可能再增加，monomer的這個(gè)濃 度定義為 critical micelle concentration (CMC). CMC 越高說明分子間的相互作用越弱，易于透析越高說明分子間的相互作用越弱，易于透析 ！ Amphiphilic molecule 在水中自組在水中自組 裝成聚集體的熱力學(xué)條件裝成聚集體的熱力學(xué)條件是： N

25、0 10 兼性分子濃度大于兼性分子濃度大于CMC 表表9.3.1一些常見兩親性物質(zhì)的一些常見兩親性物質(zhì)的CMC、n值值 兩親性物質(zhì)兩親性物質(zhì)CMC(mmol/L)N SDS8.262 膽酸鈉膽酸鈉13 152 4 脫氧膽酸鈉脫氧膽酸鈉57 Triton X-1000.24140 棕櫚酰溶血卵棕櫚酰溶血卵 磷脂磷脂 0.05 180 DPPC 10-10 -10mol/L mol/L 脂質(zhì)分子幾何與脂質(zhì)分子幾何與 聚集體的多型性聚集體的多型性 幾何因子與脂質(zhì)聚集體的多型性幾何因子與脂質(zhì)聚集體的多型性 The major forces govern the self-assembly of amp

26、hiphiles into well-defined structurs: hydrophobic interaction induces the molecules to associate - attractive hydrophobic forces the hydrophilic head group tends to be exposed to the aqueous phase - repulsive forces These two forces compete in the interfacial region: the one tending to decrease and

27、the other tending to increase the interfacial area per molecule. Repulsive head-group forces and attractive hydrophobic interfacial forces determining the optimum head-group area a0 at which N0 is a minimum. 自組裝中的裝配幾何自組裝中的裝配幾何 - Geometric packing considerations Israelachvili et al., (1979) Nature 27

28、7: 120. Based upon the minimum-sized aggregate in which all the lipids have minimum free energy. 引入無量綱參數(shù)引入無量綱參數(shù)(critical packing parameter): v/a0lc where : v hydrophobic volume lc critical chain length a0 optimal area of the lipid. The value of v/a0lc will determine the packing style of the lipid. 脂

29、類自組裝的堆積方式脂類自組裝的堆積方式 The molecular shape of lipids determines the physical properties of membranes Erythrocytes are small cells without nucleus or internal membranes. Asymmetric disposition of polar lipids in erythrocyte membranes. SPH=SM Shape changes in erythrocytes can be induced by replacing the

30、acyl chains. Native PC commonly contains palmitoyl(16:0), oleoyl(18:1), palmitoleoyl(16:1), and linoleoyl(18:2) species. If they are replaced by more saturated (left) or unsaturated (right) species, the curvature of the membranes changes. This causes a major change in their overall shape and the vis

31、coelastic proterties. 非脂雙層結(jié)構(gòu)非脂雙層結(jié)構(gòu) 非脂雙層結(jié)構(gòu)非脂雙層結(jié)構(gòu) 脂質(zhì)交錯(cuò)對插排列脂質(zhì)交錯(cuò)對插排列 HII六角型結(jié)構(gòu)六角型結(jié)構(gòu) 立方相結(jié)構(gòu)立方相結(jié)構(gòu) 脂雙層的交錯(cuò)對插結(jié)構(gòu)脂雙層的交錯(cuò)對插結(jié)構(gòu) (interdigitated bilayer structure) 生物膜上脂質(zhì)分子的鏈幾何多種多樣，這些長短不一 的脂酰鏈在脂雙層中絕非整齊排列。 由于生物膜脂雙層結(jié)構(gòu)在水中排列的方式盡可能采取 能量最低的形式，脂質(zhì)分子頭部的有效面積與其?；?截面積盡可能的匹配，因而在一定條件下，具有不對稱 酰鏈的脂質(zhì)分子傾向于形成交叉雙層結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)只能出現(xiàn)在脂雙層的凝膠相?！胺?/p>

32、”中也 可能存在。 脂質(zhì)交叉雙層結(jié)構(gòu)的三種排列方式脂質(zhì)交叉雙層結(jié)構(gòu)的三種排列方式 (a)非交叉非交叉 (b)全交叉全交叉 (c )混合交叉混合交叉 (d)部分交叉部分交叉 (e)不同長度脂酰鏈的磷脂分不同長度脂酰鏈的磷脂分 子，子， C為兩條鏈碳原子數(shù)為兩條鏈碳原子數(shù) 之差，之差， CL為長鏈的長度，為長鏈的長度， C /CL為兩條鏈的不對稱為兩條鏈的不對稱 參數(shù)參數(shù)。 Functional rafts in cell membranes Nature387(1997)571 脂質(zhì)交叉雙層結(jié)構(gòu)對生物學(xué)功能的影響脂質(zhì)交叉雙層結(jié)構(gòu)對生物學(xué)功能的影響 改變脂雙層厚度，影響膜脂改變脂雙層厚度，影響膜脂

33、/蛋白相互作用蛋白相互作用 改變極性頭部的截面積，影響膜表面電荷密改變極性頭部的截面積，影響膜表面電荷密度度 脂雙層疏水核心層消失，位于其中的肽脂雙層疏水核心層消失，位于其中的肽鏈被迫鏈被迫 移位移位 內(nèi)外脂單層間緊密偶聯(lián)，影響磷脂分子的動(dòng)態(tài)內(nèi)外脂單層間緊密偶聯(lián)，影響磷脂分子的動(dòng)態(tài) 性質(zhì)性質(zhì) 六角型六角型HII相相 (Hexagonal HII Phase) - 一種非雙層脂結(jié)構(gòu)一種非雙層脂結(jié)構(gòu) Two possible modes of integration of inverted micelles into bilayers are shown. 六角型六角型HII相相 (Hexagon

34、al HII Phase) - 一種非雙層脂結(jié)構(gòu) PA(phosphatidic acid)/HPA(phosphatidic acid)/H2 2O O的的H HII II結(jié)構(gòu)的電子密度圖 結(jié)構(gòu)的電子密度圖 (J.M.B.,1974,85:279-300)(J.M.B.,1974,85:279-300) 六角型六角型HII相相 的生物學(xué)意義的生物學(xué)意義 膜融合：相鄰膜間形成倒微囊，倒微囊與外層融膜融合：相鄰膜間形成倒微囊，倒微囊與外層融 合形成通道。合形成通道。 植物光合作用膜中有植物光合作用膜中有35酰鏈脂，酰鏈脂， 其中其中70含多含多 不飽和糖脂不飽和糖脂MGDG與與DGDG，而而MG

35、DG是自然界中是自然界中 能在能在080 0C 形成形成HII相相 的含量最豐富的極性脂。？的含量最豐富的極性脂。？ 脂質(zhì)體免疫分析法脂質(zhì)體免疫分析法(LIAS): 利用利用PE脂的多型性轉(zhuǎn)變，脂的多型性轉(zhuǎn)變， 釋放內(nèi)含物從而達(dá)到檢測抗原釋放內(nèi)含物從而達(dá)到檢測抗原(抗體抗體)，藥物的目的。，藥物的目的。 Target-sensitive immunoliposome, TSIL, 靶 向釋放藥物機(jī)理的圖示 立方相結(jié)構(gòu)立方相結(jié)構(gòu) -脂雙層形成的具有立方脂雙層形成的具有立方 體對稱性的各向同性的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)。體對稱性的各向同性的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)。 立方相的性質(zhì)立方相的性質(zhì) 一、立方相的微觀行為：一、立方相

36、的微觀行為： 盡管立方相結(jié)構(gòu)中分子的烴鏈處于液體狀態(tài)，但其具盡管立方相結(jié)構(gòu)中分子的烴鏈處于液體狀態(tài)，但其具 有三維的長程有序性。這種三維周期性結(jié)構(gòu)可以由有三維的長程有序性。這種三維周期性結(jié)構(gòu)可以由X射射 線（或中子散射實(shí)驗(yàn)）證實(shí)。這也是區(qū)分立方相與凝線（或中子散射實(shí)驗(yàn)）證實(shí)。這也是區(qū)分立方相與凝 膠相的方便的方法。膠相的方便的方法。 立方相的性質(zhì)立方相的性質(zhì) 二、立方相的宏觀行為：二、立方相的宏觀行為： A. 呈透明且光學(xué)上各向同性；呈透明且光學(xué)上各向同性； B. 粘稠，但它在相當(dāng)大的范圍內(nèi)非常硬，就象膠質(zhì)玻璃粘稠，但它在相當(dāng)大的范圍內(nèi)非常硬，就象膠質(zhì)玻璃 一樣，而有時(shí)又是幾乎可以流動(dòng)的；一樣

37、，而有時(shí)又是幾乎可以流動(dòng)的； C. 具有滯后效應(yīng)，一般在形成立方相之前，體系會(huì)在非具有滯后效應(yīng)，一般在形成立方相之前，體系會(huì)在非 平衡態(tài)的溫度下的亞穩(wěn)態(tài)停留很長時(shí)間，也就是說立方相平衡態(tài)的溫度下的亞穩(wěn)態(tài)停留很長時(shí)間，也就是說立方相 的形成需要相當(dāng)長的時(shí)間。但偶爾在一些生化過程中立方的形成需要相當(dāng)長的時(shí)間。但偶爾在一些生化過程中立方 相也會(huì)瞬時(shí)形成。相也會(huì)瞬時(shí)形成。 膜蛋白在雙連續(xù)立方相膜蛋白在雙連續(xù)立方相(bicontinuous cubic phase)(bicontinuous cubic phase)形形 成三維晶體示意圖。膜蛋白晶體的生長經(jīng)歷了一個(gè)沿著成三維晶體示意圖。膜蛋白晶體的生長

38、經(jīng)歷了一個(gè)沿著 彎曲的雙層膜擴(kuò)散的過程，脂立方相的可塑性使得膜蛋彎曲的雙層膜擴(kuò)散的過程，脂立方相的可塑性使得膜蛋 白能夠在其中形成很大尺度的三維晶體。白能夠在其中形成很大尺度的三維晶體。 登頂成功，可惜神仙都被一臉幸登頂成功，可惜神仙都被一臉幸 福地俺們嚇跑了。福地俺們嚇跑了。 膜分子生物學(xué)膜分子生物學(xué) 游擊隊(duì)游擊隊(duì) 6.6.膜的帶電性質(zhì)膜的帶電性質(zhì) 膜膜- - 水界面的靜電勢水界面的靜電勢 膜膜- - 水界面的靜電勢水界面的靜電勢 細(xì)胞膜大約含有細(xì)胞膜大約含有10102020帶有負(fù)電荷的帶有負(fù)電荷的 脂分子。脂分子。脂脂雙層中一個(gè)磷脂分子的面積雙層中一個(gè)磷脂分子的面積 大約大約60602 2

39、，因此對于有，因此對于有2020負(fù)電磷脂的負(fù)電磷脂的 膜，其膜，其雙分子層的平均電荷密度約為雙分子層的平均電荷密度約為1 1個(gè)個(gè) 電荷電荷/300/3002 2 。 。 這些電荷使膜在水相中產(chǎn)生負(fù)的靜電勢，這些電荷使膜在水相中產(chǎn)生負(fù)的靜電勢， 而體相的電勢定義為零。而體相的電勢定義為零。 膜膜- - 水界面的靜電勢水界面的靜電勢 當(dāng)體相中單價(jià)離子的濃度為當(dāng)體相中單價(jià)離子的濃度為1010 1 1M M溫度為 溫度為25250 0C C 時(shí)，時(shí)，根據(jù)根據(jù)Gouy-ChapmanGouy-Chapman理論的推測表面電勢為理論的推測表面電勢為 60mV60mV。與室溫下溶液中單價(jià)離子的。與室溫下溶液

40、中單價(jià)離子的 kT/e kT/e 值值 為為25mV25mV相比較，此表面電勢應(yīng)當(dāng)是一個(gè)很大的相比較，此表面電勢應(yīng)當(dāng)是一個(gè)很大的 值，它將影響到許多與膜有關(guān)的現(xiàn)象。值，它將影響到許多與膜有關(guān)的現(xiàn)象。 脂雙層表面單價(jià)陽離子的濃度要比該離子在體脂雙層表面單價(jià)陽離子的濃度要比該離子在體 相中的濃度高一個(gè)數(shù)量級。因此，表面相中的濃度高一個(gè)數(shù)量級。因此，表面pHpH值要值要 比體相低一個(gè)單位，這個(gè)現(xiàn)象將影響到許多與比體相低一個(gè)單位，這個(gè)現(xiàn)象將影響到許多與 酶有關(guān)的過程。酶有關(guān)的過程。 比如，由于膜對離子的滲透比如，由于膜對離子的滲透 率是與表面處離子的濃度有關(guān)，所以膜的滲透率是與表面處離子的濃度有關(guān)，所

41、以膜的滲透 率將受到表面電勢的影響。率將受到表面電勢的影響。 擴(kuò)散電雙層擴(kuò)散電雙層 帶有負(fù)電荷的表面帶有負(fù)電荷的表面 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場，這 個(gè)電場吸引個(gè)電場吸引counter-counter- ions ions 而排斥而排斥co-ions;co-ions; 由 于 熱 運(yùn) 動(dòng) 這 些由 于 熱 運(yùn) 動(dòng) 這 些 counter-ions counter-ions 不會(huì)不會(huì) 停留在表面上，而趨停留在表面上，而趨 向從濃度高向濃度低向從濃度高向濃度低 的區(qū)域擴(kuò)散。這種動(dòng)的區(qū)域擴(kuò)散。這種動(dòng) 態(tài) 平 衡 的 結(jié) 果 形 成態(tài) 平 衡 的 結(jié) 果 形 成 diffuse double l

42、ayer。 根據(jù)擴(kuò)散電雙層的根據(jù)擴(kuò)散電雙層的Gouy-ChapmanGouy-Chapman理論，靜電勢的數(shù)理論，靜電勢的數(shù) 值隨著距膜表面的距離的增加而遞減。值隨著距膜表面的距離的增加而遞減。 當(dāng)電勢降至膜表面值的當(dāng)電勢降至膜表面值的1/e1/e時(shí)的距離被稱為時(shí)的距離被稱為DebyeDebye長長 度，度，1/1/。 當(dāng)單價(jià)離子的體濃度為當(dāng)單價(jià)離子的體濃度為1010-1 -1M M時(shí)， 時(shí)， 1/ 1/ 10 10 ， 而當(dāng)單價(jià)離子的體濃度為而當(dāng)單價(jià)離子的體濃度為1010-3 -3M M時(shí)， 時(shí)， 1/ 1/ 100 100 。 因此，因此， DebyeDebye長度可以看成是長度可以看成是

43、counter-ions counter-ions 的等效的等效 半徑。半徑。 A:帶電表面離子分布帶電表面離子分布; B: 靜電勢隨距膜的距離增加而指數(shù)衰減靜電勢隨距膜的距離增加而指數(shù)衰減; C: 離子濃度分布離子濃度分布; D: diffuse double layer類比平行板電容器類比平行板電容器. 鹽析現(xiàn)象鹽析現(xiàn)象 隨著鹽濃度的增加，帶電表面的隨著鹽濃度的增加，帶電表面的Debye length 減減 小，相當(dāng)于小，相當(dāng)于 ciunter-ions 更有效地屏蔽，以至于更有效地屏蔽，以至于 溶液中相同的生物大分子能夠接近。溶液中相同的生物大分子能夠接近。 當(dāng)大分子足夠接近時(shí)，當(dāng)大分子

44、足夠接近時(shí)，van der Waals 引力起作引力起作 用而使其聚集結(jié)絮，最終沉淀出來。用而使其聚集結(jié)絮，最終沉淀出來。 幾種不同的蛋白各自在一定的鹽濃度下沉淀，從幾種不同的蛋白各自在一定的鹽濃度下沉淀，從 而達(dá)到分離的目的。而達(dá)到分離的目的。 注意！注意！Counter-ions 只屏蔽生物大分子電荷，而只屏蔽生物大分子電荷，而 不能屏蔽不能屏蔽van der Waals 的瞬時(shí)偶極子的瞬時(shí)偶極子(其頻率為其頻率為 1015Hz！) 二價(jià)離子的膜表面富集二價(jià)離子的膜表面富集 每一種離子的分布都滿足每一種離子的分布都滿足Boltzmann分布函數(shù)分布函數(shù) 第第i種離子種離子density p

45、rofile: (x)i = i e-Zi e (x)/kT 接近表面處接近表面處(x=0)： oi = i e-Zi e o/kT 其中：其中： Zi為第為第i種離子的離子價(jià)種離子的離子價(jià) (x): electrostatic potential at x o為表面電勢為表面電勢(x=0處的處的 (x) e為電子電荷為電子電荷 i為第為第i種離子的體濃度種離子的體濃度 例例：若溶液中同時(shí)含有：若溶液中同時(shí)含有NaCl和和CaCl2，則則 Na+x = Na+ e-e (x)/kT Na+o = Na+ e-e o/kT Ca2+x = Ca2+ e-2e (x)/kT Ca2+o = Ca2

46、+ e-2e o/kT Cl-x = Cl- e+e (x)/kT Cl-o = Cl- e+e o/kT 如果知道如果知道 和和 o ，則可計(jì)算出離子表面濃度則可計(jì)算出離子表面濃度 o 。 溶液中離子的分布溶液中離子的分布 方程方程(一一)：離子離子density profile (Boltzmann 分布函數(shù)分布函數(shù)) 根據(jù)化學(xué)勢相等的平衡條件，根據(jù)化學(xué)勢相等的平衡條件， Z e (x) kTln (x) = Z e kTln 令 = 0， (x) = e-Z e (x)/kT ! 方程方程(二二)：Poission Equation給出點(diǎn)給出點(diǎn)x處電勢與該處凈電荷密度之間的關(guān)系，處電勢與該處凈電荷密度之間的關(guān)系， d2 (x) /dx2 = -Ze (x)/ 方程方程(三三)： Poission-Boltzmann Equation給出給出 (x)與與x的函數(shù)關(guān)系的函數(shù)關(guān)系 d2 (x) /dx2 = -Ze / e-Z e (x)/kT 方程方程(四四)： Grahame Equation: 2 = 2kT(i e-Zi e o/kT - i ) 其中：其中： 為帶電表面的電荷密度為帶電表面的電荷密度. 若已知若已知 和 i ，則可求出則可求出 o ! 如何求出如何求出 0 ？ 根據(jù)Grahame Equation: 2 = 2 kT( i e-Zi e o/k