浙江大學生物化學與分子生物學筆記生物膜和運輸課件

生物膜和運輸BiologicalMembraneandTransport生物膜和運輸（BiologicalMembraneandTransport）

生物膜的形成對于生物能量的貯存及細胞間的通訊起著中心作用。膜的生物活性來自于膜自身顯著的特性：膜連接緊密但有彈性；膜自我封閉，對極性分子有選擇性通透；膜的彈性允許膜在細胞生長和運動中改變形狀；暫時破裂且可自封閉的能力可保證兩個細胞或兩個膜狀包裹物的融合。膜的電鏡橫切面照片細胞體纖毛線粒體消化泡內質網分泌泡膜的分子組成

生物膜幾乎所有的質量都由蛋白質和極性脂質組成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白質和脂類的相對比例因不同的膜而不同，反映著膜生物作用的廣泛性。神經元的髓鞘主要由脂類構成，表現(xiàn)為一種被動的電子絕緣體；但細菌、線粒體、葉綠體的膜上由許多酶催化的代謝過程發(fā)生，含有的蛋白比脂類要多。每種膜都有一個特征的脂質組成

各種來源的膜的化學分析顯示了一個共同的特征，即膜脂組成因不同的界、不同的種、不同的組織、特定細胞中不同的細胞器而不同。細胞有一種清楚的機制，可以精確控制膜脂合成的種類和數(shù)量，以及定位到特定的細胞器上。不同組織質膜的主要成分鼠肝細胞膜及細胞器膜的脂質類型不同功能的膜含有不同的蛋白質

不同來源膜的蛋白質組成比其脂質組成的變化更大，反映在膜功能的特化上。脊椎動物視網膜桿狀細胞對于接受光為高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白—視紫紅質；特化較低的紅細胞質膜約含20種顯著的蛋白及十幾種較少的蛋白，其中多數(shù)的蛋白為運輸載體，每一種蛋白運輸一種跨膜的溶質等。有些膜蛋白還有一個或多個脂共價結合，后者可能形成一種疏水的穩(wěn)定體系以保證蛋白質存在于膜中。

膜的超分子結構

所有生物膜擁有共同的基本特征：對多數(shù)極性分子或帶電分子不通透，允許非極性分子通透；約5-8nm厚，橫切電鏡照片近似三層結構。膜結構的流動鑲嵌模型

(FluidMosaicModel)脂雙分子層是基本的結構

脂類與水相共存時會迅速形成一種脂雙分子層結構而避開水的作用，生物膜的厚度（電鏡測定為5-8nm）是由3nm的脂雙分子層和蛋白的厚度決定的，所有證據都支持生物膜由脂雙分子層構成。膜脂對于脂雙分子層兩面是不對稱的，但盡管不對稱，也不象蛋白質，脂的不對稱不是絕對的。兩性脂在水中形成的聚集體

(AmphipathicLipidAggregates)膜脂的運動溫度引起側鏈熱運動脂雙層平面的擴散跨膜擴散：“翻跟頭”膜蛋白透過或跨過脂雙分子層

生物膜的冰凍蝕刻電鏡觀察到的一個蛋白或多蛋白復合體分布情況顯示，一些蛋白僅存在于膜的一面，另一些則橫跨整個膜雙分子層，有些穿過膜的另一表面。 膜蛋白在脂雙分子層上可側向運動。紅細胞上血型

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

膜蛋白可分為兩類，外周蛋白（peripheral）和膜內（嵌入）蛋白（integral），前者與膜結合松散，可逆，很容易釋放，是水溶性的；后者與膜結合緊密，由膜上釋放時要用特別的試劑（去污劑、有機溶劑、變性劑等），及時嵌入蛋白由膜上釋放出來，一旦去除變性劑或去污劑會立即引起蛋白沉淀（不溶聚積物）析出。外周蛋白和膜內

（嵌入）蛋白外周蛋白嵌入（膜內）蛋白去污劑糖蛋白pH改變、螯合劑、尿素、碳酸鹽可除去外周蛋白外周蛋白與膜的連接是可逆的

許多外周蛋白通過與嵌入蛋白的親水區(qū)域或膜脂的極性頭部以靜電作用或氫鍵結合到膜上，通過溫度的改變或破壞靜電或破壞氫鍵作用（如加入螯合劑、尿素、碳酸鹽或改變pH）可被釋放出來。這些外周蛋白可作為膜結合酶的調節(jié)因子、或作為連接膜內蛋白與胞間結構的中介物、或一些膜蛋白的流動性。膜內（嵌入）蛋白（IntegralMembraneProteins)有些外周膜蛋白

共價泊錨在膜脂上

有些膜外周蛋白與膜脂有一個或多個共價結合位點，如長鏈脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。連接的脂提供了一個疏水的錨以插入脂雙分子層。細胞與細胞相互作用：

四種膜內蛋白作用類型配體結合域黏附域類免疫球蛋白域凝集素域膜蛋白的擴散運動紅細胞氯-碳酸氫鹽

交換體的局限運動膜的融合是許多

生物過程的中心

生物膜的一個明顯的特征是可與另一個膜融合而不失去其完整性。膜雖是穩(wěn)定的，但不是靜止的，內膜系統(tǒng)中膜狀結構不斷地從高爾基復合體上分泌形成；外吞、內飲、細胞分裂、精卵細胞融合、膜包裹病毒進入宿主細胞等都涉及膜的重新形成，而它們最基本的行為就是兩個膜片段的融合而不失去完整性。

膜的融合（MembrraneFusion)膜融合事件

兩個膜融合需要：相互識別；相互表面靠近并相對（排除水分子）；雙層結構部分破壞；兩個雙分子層融合為一個連續(xù)的脂雙分子層。受體調節(jié)的內吞或控制的分泌還需要融合發(fā)生在合適的時間或者是對特異信號的反應。融合蛋白（嵌入蛋白）（fusionprotein）參與以上融合事件，引起特異識別和短暫、局部脂雙層結構變形促使膜融合。融合蛋白可搭起兩個膜融合的橋，并帶來融合區(qū)域脂雙分子層的暫時恢復。膜聯(lián)蛋白（annexin）（一種Ca2+活化后可與膜磷脂結合的蛋白）是一類緊挨質膜的蛋白質，需要Ca2+，與脂雙分子層的磷脂結合，可通過交叉連接兩個不同膜的脂質分子。

病毒進入宿主細胞的膜融合跨膜運輸

所有生物細胞都要從環(huán)境獲得原材料為其生物合成和能量消耗，同時還需釋放其代謝物到環(huán)境中去。質膜可以識別并允許細胞所需物如糖、氨基酸、無機離子等進入細胞，有時這些成分進入細胞是逆濃度梯度的，即它們是被“泵”入細胞的，同樣一些分子是被“泵”出細胞的。很少有例外小分子物質的跨膜是直接通過蛋白的，而是通過跨膜的通道（channels）、載體(carriers)或泵（pumps）。

溶質通過透過性膜的移動不帶電帶電被動運輸是由膜蛋白促進的

順濃度梯度的擴散

生物體內的簡單擴散因膜把胞內和胞外環(huán)境所阻止，膜是一種選擇性通透屏障，要通過脂雙分子層，極性分子或帶電溶質必需解除水化膜的水的作用，然后透過約3nm的介質（膜）。水是一種例外，可很快透過生物膜，機制尚不清楚，膜兩側溶質濃度差異大時，滲透壓的不平衡引起膜兩側水的流動，直至兩側的滲透壓相等。極性溶質或離子的過膜運輸由膜上的蛋白降低活化能而對特異的物質提供過膜路徑而過膜的雙分子層，引起促進擴散。親水溶質通過生物膜脂雙層的能量變化除去水化膜的簡單擴散跨膜蛋白降低溶質跨膜運輸?shù)幕罨芗t細胞葡萄糖滲透酶（GlucosePermease）調控被動運輸

紅細胞中能量產生的代謝依賴于葡萄糖不斷地由血漿中進入紅細胞，葡萄糖通過滲透酶由促進擴散進入細胞，這一膜蛋白有12個疏水區(qū)域（Mr=45000），可能跨膜12次，它可使葡萄糖進入細胞內的速度大于沒有時的50000倍。葡萄糖運輸進

入紅細胞模型1.D-Glc與T1特異結合降低構象改變的活化能2.T1轉變?yōu)門2影響Glc跨膜通道3.Glc由T2釋放到胞質4.T2構象變回T1氯化物和碳酸氫鹽跨紅細胞

膜的運輸為協(xié)同運輸（Cotransport）

紅細胞存在另一種促進擴散系統(tǒng)—陰離子交換體，這對于肌肉及肝臟中CO2回到肺中的運輸是必需的。呼吸組織產生的廢氣—CO2由血漿進入紅細胞，在紅細胞中轉化為HCO3-，HCO3-重新回到血漿中被運輸?shù)椒谓M織。因HCO3-比CO2的溶解度大，這種變化增加了由組織到肺的CO2運輸?shù)难萘?，在肺中HCO3-重回紅細胞被轉化為CO2，被緩慢呼出。氯化物-碳酸氫鹽交換體也被稱為陰離子交換蛋白，可增加HCO3-對紅細胞膜的透過，這一系統(tǒng)也被稱為協(xié)同運輸系統(tǒng)。

紅細胞膜膜上氯-碳酸氫鹽交換體主動運輸（ActiveTransport）引起物質的逆濃度梯度運輸

被動運輸總是順濃度梯度運輸，不會引起物質的積累，相反，主動運輸總是逆濃度梯度運輸，引起物質的積累。主動運輸直接或間接地依賴于一些放能過程，非熱力學自動發(fā)生，往往伴隨有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他順濃度梯度的運輸。在初級主動運輸中，物質的積累直接與放能反應（如ATPADP+Pi）相連接；次級主動運輸發(fā)生于由初級主動運輸引起的逆濃度積累的順濃度梯度運輸。三類主要運輸系統(tǒng)兩種類型的主動運輸磷酸和釩酸有三種形式的運輸ATPases

Na+K+-ATPase是一種運輸?shù)鞍椎牡湫托问剑≒rototype）被稱為P-typeATPase（可以可逆磷酸化的）；另一類為V-typeATPase—Protonpumps(V-vacuole)；第三種，ATP-splittingprotonpumps，對細菌、線粒體和葉綠體中的能量消耗反應起中心作用，即F-typeATPases（F：energy-couplingfactors），催化質子可逆地跨膜運輸，由ATP水解供能。

三種類型離子運輸

ATPase亞基結構四種類型的運輸ATPasesF類型ATPasesNa+K+ATPase主動協(xié)同Na+,K+的運輸

由ATP所供能

每個動物細胞與環(huán)境相比維持較低的[Na+]和較高的[K+]，這種不平衡由質膜上的主動運輸所建立和維持，涉及Na+K+-ATPases，偶聯(lián)ATP水解，引起Na+,K+的逆濃度梯度運輸。每水解1ATP，偶聯(lián)運輸2個K+進質膜內，3個Na+出質膜外。Na+K+-ATPases是一種膜蛋白，由2個亞基組成，都是跨膜蛋白。Na+K+ATPase驅動的鈉鉀離子運輸Na+或K+梯度驅動的協(xié)同運輸離子梯度為次級主動

運輸提供能量

光、氧化作用、ATP水解驅動的Na+或H+的初級運輸?shù)碾x子梯度本身可以驅動其他物質的協(xié)同運輸。腸