生物膜系统中膜蛋白的结构类型和功能

一、生物膜结构类型

每一个细胞的功能不同，它的生物膜结构也就不同，膜脂和膜蛋白的种类以及相对含量都不同。

1、膜脂

当两亲分子悬浮于水中后，它们会立即重排成有序结构，疏水基因埋在核心以排出水分，同时，亲水基因向外暴露在水中。当磷脂和其它两亲脂分子的浓度足够时就会形成双分子层，这是膜结构的基础。

膜脂还与膜的下列性质有关：

①膜的流动性(fluidity)

包括侧面扩散(Lateral diffusior)、自旋转(Rotahois)和翻转(flip-flop)。

不饱和脂肪含量越高，流动性越强，胆固醇能增加膜的稳定性而不显著影响流动性，因为它有一个刚性结构(环)和一个弹性结构(碳氢链尾巴)。

②选择透过性

由于高度疏水性，膜酸分子层对于离子和生物性分子几乎是不可透过的，必须借助于膜蛋白。要穿过膜，极性物质必须部分或全部释放出它的水化层(hydratuen spaere)，结合到载体蛋白上跨膜转运或直接通过水性的蛋白通道，跨膜的水分运动是与离子运输相结合的，非极性物质直接沿浓梯度扩散又穿过脂双分子层。

③自缝合能力(self-sealing)

当脂双分子层被破坏时，它们能立即自动缝合起来。

④不对称性(asymmentry)

生物膜是不对称的，也就是说双分子层的两上半层的脂的组成是不同的。例如，人的细胞膜外层含有较多的磷脂酰胆碱，和鞘磷脂。膜上大部门的磷脂酰丝氟纹和磷脂酰乙醇胺位于内层。

2、膜蛋白

生物膜的大部分功能需要蛋白质分子。膜蛋白按功能可分为结构组分，激素受体和运输蛋白。

膜蛋白按与膜的位置关系也可分为整合蛋白(integrul)和外国蛋白(peri-pheral)

红细胞膜蛋白研究广泛，以之为例。

红细胞有两类重要的整合蛋白：血型糖蛋白(glycophorin)和阴离子通值蛋白(也称带了蛋白,band3 protein)。

血型糖蛋白是一个引KD的糖蛋白，有131个aa碱基，糖占分子量的60%左右，血型糖蛋白的寡糖链部分就构成了ABO和MN血型抗原。

阴离子通道蛋白(band3 protein)由2个相同的亚基组成，每个亚基由9290a组成，阴离子通道蛋白对于CO2在血液中的运输起着重要的作用。在碳酸酐酶(carbonic anhydrase)的作用下，CO2形成HCO3-离子，后者可以扩散进出红细胞，为了保持细胞的电中性，HCO3-离子的扩散随着CL的交(称chloride shift)。

红细胞膜的外围蛋白主要由血影蛋白(Spectrin)、锚蛋白(ankyrin)和band4.1蛋白组成，外周的主要是保持细胞的双凹饼状，但饼状利用于O2的扩散，血影蛋白是一个血聚体α2β2，与锚蛋白和带4.1蛋白结合。锚蛋白是一个人的球蛋白(215KD)连接血影蛋白与阴离子通道蛋白。带4.1蛋白与血影蛋白和肌动蛋白丝(actin

filament)细胞骨架组分相结合。由于带4.1蛋白还与血型糖蛋白结合，它也连接细胞骨架和膜。

二、生物膜功能

生物膜的功能很多，重要的有物质运输、受体功能。

(一) 物质运输

离子和分子不停地跨过质膜和细胞器膜进行运输，这种跨膜的物质运输是高度调节的。以满足细胞代谢的需要。细胞与对于进入细胞的营养的和排出细胞的代谢废物都是精细调控的，此外，细胞内的离子浓度也是受左膜调控的，由于质膜对于离子和积极性分子是不可透过的，特定的运输蛋白或称透过酶必须插在质膜中。

物质运输机制按需能与否分：被动运输(简单扩散)，协助扩散、主动运输。

①简单扩散

O2、CO3等溶质沿浓度梯度靠自由扩散进细胞，最代达到平衡为止。

②协助扩散

协助扩散也是沿浓度梯度进行。

一些大的或带电荷的分子靠协助扩散进行运输，但助于特殊的跨膜蛋白通道成载体来运输。许多蛋白通道受电或化学信号调控。

例如：肌肉细胞层膜上的烟碱乙酰胆碱受体(nicotinio acetyl-choline)中的Na+通道就受化学信号调控，当乙酰胆结合上后，Na+通道打开Na+进入细胞，膜电势下降(跨膜电势梯度下降就意味着膜去极化depolarizahon)当K+从V oltag-gated K+通道扩散出细胞后，膜电势恢复，膜重新极化。

另外一种协助扩靠借载体蛋白。在膜的一侧，溶质与载体蛋白结合改变载体的构象，溶质被跨膜运输后释放，红细胞的葡萄糖载体就是一例。协助扩散只能是增加了溶质的运输速率而不能引起溶质浓度的净增加，因为协助扩散必须沿浓度梯度进行。

③主动运输

可以逆浓度梯度进行，需耗能。

初级主动运输：由跨膜A TP水解酶利用A TP水解释放的能量驱动离子和分子的运输。(Na+-K+泵(Na+-K+A TPase泵)就是初级主动运输的一例，Na+、K+梯度可以维持正常细胞的体积和膜电势级主动运输：是利用初级主动运输造成的浓度梯度进行跨膜运输。肾小管细胞和肠细胞利用Na+-K+A TPase泵主动运输造成的Na+梯度来运输D-葡萄糖。

(二) 膜受体

在多细胞生物中，激素、神经逆质等化学信号物质与膜受体结合是细胞信息传递链的一个重要环节，膜受体在细间识别和粘连中也起重要作用。

配体与膜受体结合后引起受体构象变化，然后导致一特定的程序化反应，有时，受体应答的结果似乎很直接，如乙酰胆碱与乙酰胆碱受体，结合打开离子通道。然而，大多数的受体功能很复杂，如LDL受体介导

的胞容作用。

在LDL受体的生物医学研究中，经常碰到一种遗传病叫聚族性，高胆固醇血症(famlial hypercholesterolemia)，病人由于LDL受体缺限导致备浆中胆固醇水平很高。杂合型个体拥有半功能正常的LDL受体，血浆中胆固的值高达300~1000mg/100ml，因此，早在40岁之前，他们就患心脏病，在30岁时患Xanthomas(皮肤申沉积胆固醇)。结合个体几率很少，他们的血浆胆固醇含量(650-1200mg/100ml)，早在童年就患心脏病和Xonthomos20岁之前死亡。

LDL受体是一个复杂的糖蛋白，存在于许多细胞的表面。当细胞需要胆固醇来合成生物膜和固醇类数时，细胞就产生LDL受体并将其插入质膜上凹陷的coated区这些笼形区(coated region)，散布正整个质膜上，约占整个质膜表面的2%。clathrin包被蛋白是笼形区主要的蛋白组分，在胞容作用的起始阶段它形成点阵状的多聚体，又称为triskelion。每个细胞约有15000到70000个LDL受体，取决于细胞的类型和对胆固醇的需求。

LDL受体介导的胞吞过程：

LDL结合到LDL受体上数分钟内，coated region内陷并包裹受体及LDL形成的coated pit(笼形坑)，收缩并形成包被小泡(coated V esicle)，接着clathrin包被蛋白解聚，形成uncoated veside(去色被的小泡)，在小泡膜上A TP驱动的原子泵的作用下，小胞内的pH由pH7降到pH5。

LDL与LDL受体解离，并形成两个小泡，具有LDL的小铴与溶酶体融合，在溶酶的体酶的作用下，LDL 蛋白降解成aa，胆固醇脂分解成脂肪和同里固醇等。它有LDL受体的小泡可以重新与质膜融合，LDL受体被重新利用。

在正常情况下，LDL受体介导的胞容作用是一个高度调节的控的过程。胆固醇及其衍生物抑制HMG COA还原酶(缩化胆固醇合成的限速步骤)的活性。胆固醇刺激ACA T活性抑制LDL受体的合成。家族性高胆固醇血症就是由于细胞不能从LDL获得足够的胆固醇，其原因主要是由于不能合成受体，也可能是由于新合成的受体在细胞内不能有效加工，受体不能与LDL结合等。