揭秘膜蛋白

揭秘膜蛋白

生物膜是细胞与外界的屏障，参与并调节细胞的各种生理活动。生物膜负责组织复杂的生物化学反应，对能量的储存和细胞与细胞之间的通信至关重要。生物膜主要由蛋白质和脂质组成，脂双层决定了生物膜的基本结构，蛋白质是大多数膜功能产生的原因。其中蛋白质对膜发挥各种生理作用有着不可或缺的重要性。

不同来源的膜往往含有不同的膜蛋白，与其功能特异性相匹配。不同生物其膜蛋白具有较大差异，同种生物的不同组织的膜蛋白有差异，即使同一个细胞不同的膜其膜蛋白组成也有差异。脊椎动物的视网膜杆状细胞，由于细胞的一部分特异性的吸收光信号，这部位的膜蛋白90%以上都是具有吸光特性的糖蛋白——视紫红质。而特异性比较低的红细胞膜，则含有20多种主要蛋白质和一些次要蛋白质，其中主要是转运蛋白质，用以帮助特异物质实现跨膜转运。

很多膜蛋白是通过共价结合的方式形成糖-蛋白质复合物，多发生在质膜上，胞内膜则很少含有共价结合的糖。糖蛋白在细胞识别、吸附、信号传导中发挥巨大的作用。其中丝氨酸、苏氨酸和天冬氨酸都是蛋白质易与糖共价结合的位点。细胞表面的糖蛋白质的糖链可以直接影响蛋白质的折叠、稳定性及其在膜上的定位，因此它们在配体与细胞表面的特异性结合中起重要作用，这将会在生物信号中说明。并且膜蛋白连接上糖基可以形成细胞外被，保护细胞免受机械和化学伤害，以及保持细胞和外界物体及其他细胞之间的距离，保持细胞的独立性。

许多膜蛋白的行为犹如漂泊在脂质的海洋上，膜蛋白不能在脂双层中翻转，但它们能够绕一和膜平面垂直的轴旋转，此外，这些蛋白质可以在脂双层中侧向扩散并持续扩散。质膜蛋白可以在膜平面上侧向扩散可以通过小鼠细胞和人细胞融合后导致两种细胞蛋白质的重新随机分布来证明。细胞融合后，用不同种属的特异性抗体进行免疫染色来检测蛋白的定位，可以发现，融合后，数分钟内杂合细胞表面即出现颜色混合，说明膜内蛋白可以快速的在脂双层内扩散。膜蛋白自由地漂浮在脂分子的海洋中的生物膜的图像过于简单化，很多情况下细胞能够将膜蛋白限定在连续脂双层的特定区域。共价结合的脂质锚定一些外周膜蛋白，一些膜蛋白包括几种类型的共价连接的脂质：长链脂肪酸、类异戊二烯、磷脂酰肌醇的糖基化衍生物（ＧＰＩ）。这些结合的脂质提供了一个疏水的锚，它能插入脂双层，并且在

膜表面固定蛋白质。脂双层和连接在蛋白质上的单一碳链之间的疏水作用，足以牢固的锚定蛋白质。存在于蛋白质内部的带正电的赖氨酸残基和带负电的脂质头部基团之间的离子作用及其他的相互作用，可以使这种结合更趋于稳定。这种特定脂质和膜蛋白的结合可能具有指导新和成的蛋白质达到其正确的膜定位的靶向功能。在细胞中膜蛋白通常形成大复合物来行使功能，多种膜蛋白相互联合形成复杂的复合物，蛋白质分子之间相互固定，这种大聚集体的扩散很慢，这限定了蛋白质在膜上的运动。

冰冻断裂电镜图像可以清楚地显示生物膜单体蛋白质和复合蛋白质，一些蛋白质仅存在于双层膜的一侧，而另一些则横跨脂双层，突出于膜的两侧。实验显示，蛋白质在膜上的定位是不对称的，脂双层的蛋白质都具有特意的方向性。这些蛋白质可以通过翻转来重新改变方向，但该过程很缓慢。膜蛋白分布的不对称性导致了其功能的不对称性。这些在膜的物质转运和信号传递中都有所体现。

膜蛋白可分为外周蛋白和膜内在蛋白两类。膜内在蛋白非常牢固地与膜结合，只有用去污剂、有机溶剂或变性剂等干扰疏水作用的试剂才能将其溶解下来。外周蛋白通过静电作用和氢键与膜内在蛋白的亲水结构域以及膜脂质的极性头部结合。外周蛋白可以充当膜结合酶的调控剂，或者可能通过将膜内在蛋白锚定在细胞内结构域上而限制膜内在蛋白的移动性。例如，膜联蛋白是一类与酸性膜磷脂可逆结合的外周蛋白，这些酸性磷脂富含于脂质膜的胞液面和细胞器的胞液面。

膜内在蛋白质与膜的牢固结合，是存在于膜脂质和蛋白质的疏水结构域之间的疏水作用的结果。一些蛋白质在其肽链中部或在其氨基端、羧基端含有单个疏水序列，有一些则含有多个疏水序列。当其疏水序列为α－螺旋构象时，其长度足以跨越脂双层。在已知的质膜蛋白中，蛋白质结构域与脂双层的空间关系有６种。并非所有的膜内在蛋白都是由跨膜α－

螺旋组成，另一种普遍存在的膜蛋白结构是β-卷筒，其中20个或更多的跨膜片段以β-折叠形式存在，组装成柱状结构折叠。当没有水分子和糖基氧及肽键形成氢键时链间氢键形成作用形成最稳定的构象。例如膜孔蛋白具有多链β-卷筒构象。β-构象中的多台要比在α－螺旋中更为伸展，β-构象中只需7~9个即可跨膜。在β-构象中突出于平面上下的侧链是不

同的。

膜内在蛋白介导细胞间的相互作用和粘附

质膜的膜内在蛋白为细胞间或细胞与胞外基质蛋白质吸附提供了特异的作用位点。膜内在蛋白在其他一些中的下哦保生命过程中行使重要功能。膜内在蛋白可以作为转运蛋白和离子通道，以及某些激素、神经递质和生长因子的受体。它们在氧化磷酸化和光合作用以及免疫系统中的细胞与细胞、细胞与抗原部的识别过程中起着核心作用。在伴随着胞吞作用、胞吐作用和病毒入侵宿主细胞的膜融合过程中，膜内在蛋白也发挥了重要作用。

膜融合

膜融合在许多生物学过程中都发挥了核心作用

特异性的膜融合需要满足严格的条件，且该过程由融合蛋白介导

融合蛋白构象的变化，导致脂双层发生扭曲，引起膜融合

膜融合蛋白的结构具有相似性，反映了各种生理活动过程中膜融合机制的一种基本相似性

⏹胞吞、胞吐、细胞分裂、卵子与精子的融合以及膜病毒进入宿主细胞都涉及到膜的

重组。

⏹在内膜系统中，各个膜区不断通过来自高尔基体的运输小泡进行重组，已将新形成

的蛋白质、激素、神经递质和脂质转运到其他细胞器和质膜上。

⏹能够相互识别

⏹非常接近，这需要去除通常情况下与膜脂分子的极性头部结合的水分子

⏹它们的双层结构需要局部解离

⏹两个不同的脂双层膜融合形成一个单独的连续的脂双层结构

⏹受体介导的胞吞作用或调节性分泌需要类似的融合过程，而且要在某种特定的信号

或者在合适的时间内来促发完成

⏹膜融合蛋白介导这一过程，由膜的特异性识别以及脂双层结构短暂的局部扭曲来最

终诱导膜融合