浙江大学生物化学与分子生物学笔记生物膜和运输

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 脂 的 运 动
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。
N-连接
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。
生物膜和运输
Biological Membrane and Transport
生物膜和运输（Biological Membrane and Transport）
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。
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-type ATPase （可以可逆磷酸化的）；另一类为Vtype ATPase—Proton pumps(V-vacuole)； 第三种，ATP-splitting proton pumps，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-type ATPases（F： energy-coupling factors），催化质子可逆 地跨膜运输，由ATP水解供能。
细胞体
纤毛
线粒体
膜 的 电 镜 横 切 面 照 片
消化泡 内质网 分泌泡
膜的生化特性
膜不仅仅是被动的屏障，膜上含有一 系列的特化蛋白质启动或催化一定的分 子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度移动 （运送）特定的有机物和无机离子；能 量转化器可以把一种形式的能量转化为 另一种形式的能量；质膜上的受体能够 感受胞外信号，并转化为细胞内的分子 事件。
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5-8 nm厚，横切电 镜照片近似三层结构。
流动镶嵌模型 （Fluid Mosaic Model）
生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质 双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核 心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中， 球状蛋白以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白 则伸出（突出）膜的一面或另一面；还有一些 蛋白跨越整个膜。蛋白质在脂双分子层中的方 向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。 脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。
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。
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
入葡 红萄 细糖 胞运 模输 型进
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。
膜内（嵌入）蛋白与脂 通过疏水作用维系在膜中
嵌入蛋白通常富 含 疏 水 氨 基 酸 区 域 （可在中间段，也可在氨基端或羧基 端），有些可有多个疏水序列，如-螺 旋，可横贯整个膜脂双分子层。
（ Integral Membrane Proteins)
膜 内 （ 嵌 入 ） 蛋 白
有些外周膜蛋白 共价泊锚在膜脂上
（ Membrrane Fusion)
膜 பைடு நூலகம் 融 合
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）（fusion protein）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。
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 膜细 的胞 脂膜 质及 类细 型胞 器
红细胞质膜内外单层膜 磷脂的不对称分布
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。
膜结构的流动镶嵌模型 (Fluid Mosaic Model)
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5-8 nm）是由3 nm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。
红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体
主动运输（Active Transport） 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。
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）。
三种类型离子运输 ATPase亚基结构
四种类型的运输ATPases
F类型ATPases
+K+ Na
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
pH改变、螯 合剂、尿素、 碳酸盐可除 去外周蛋白
外周蛋白
嵌入（膜内） 蛋白
外 （周 嵌蛋 入白 ）和 蛋膜 白内
糖蛋白
去污剂
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。
O-连接四糖： 2Neu5Ac， Gal，GalNAc
-螺旋
糖红 蛋细 白胞 的上 跨血 膜型
冰冻蚀刻（Freeze-fracture Technique)撕开膜双层
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。