膜蛋白结构生物学

第2章膜蛋白结构生物学研究

膜蛋白是一类具有非常重要功能的蛋白，根据其在膜上的定位可以分为外周膜蛋白（镶嵌在膜表面）、穿膜蛋白（其膜外部分仅在膜的一边）和跨膜蛋白（膜的两边都有膜外部分），根据膜蛋白的穿膜方式分为单次跨膜蛋白和多次跨膜蛋白。膜蛋白具有一个定位在细胞膜上的疏水区域，膜蛋白在没有去污剂存在的情况下是不溶于水的，因此在对膜蛋白进行体外研究时，我们经常需要选用一定的去污剂来融解膜蛋白；膜蛋白的提取、纯化和结晶与水溶性蛋白是有一定区别的。下面列出了膜蛋白和膜蛋白研究的一些特点：

z有大约百分之三十的基因是编码膜蛋白的

z膜蛋白的种类繁多，如离子通道，受体，离子泵，转运蛋白等

z膜蛋白在组织，细胞中的丰度比较低

z膜蛋白极其疏水的特性使其纯化变得很困难

z利用基因工程技术表达膜蛋白要比表达水溶性蛋白难很多

z膜蛋白的纯化和结晶相对水溶性蛋白要难

z膜蛋白晶体衍射比较弱，分辨率比较低

膜蛋白结构生物学由于膜蛋白样品难于制备而远远落后于可溶性蛋白结构生物学的发展，1960年，第一个可溶性蛋白质（肌血球蛋白）的晶体结构得到解析[5]，并存入蛋白质结构数据库（PDB）中，此后PDB库中可溶性蛋白质的三维晶体结构数据不断增加，而关于膜蛋白的晶体结构记录为零。人们曾经一度认为，膜蛋白是不可能得到晶体的。直到1982年，这个错误的认识才被纠正过来，德国科学家H.Michel长出了世界上第一个膜蛋白晶体——紫细菌光反应中心（如图2.1），之后在三位德国科学家J.Deisenhofer, R.Huber和H.Michel 的共同努力下，他们于1985年公布了世界上第一个膜蛋白的三维精细晶体结构。这是一个非常重大的成就，宣布了蛋白质晶体学向膜蛋白的进军，预示着许多重要的膜蛋白结构能够被解析。因此，J.Deisenhofer, R.Huber和H.Michel三个人分享了1988年的Nobel化学奖。

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26J.Deisenhofer, H.Michel Science (245):1463,1989

J.Dersenhofer, O.Epp, K.Miki, R.Huber, H.Michel, Nature (318):618,1985 J.Deisenhofer, O.Epp, K.Miki, R.Huber, H.Michel, J.Mol.Biol.(180):385,1984 H.Michel J.Mol.Biol.(158):567,1982First Membrane Protein Structure:Photosynthetic Reaction Center of Rhodopseudomonas virdis Complex (four subunits)solved in 1985 (1PRC)Nobel Chemistry Prize was awarded to J.Deisenhofer, R.Huber, H.Michel in 1988. 图2.1 世界上第一个膜蛋白的三维结构图 Till July 23rd, 2005, there are membrane protein structures deposited in

PDB and total membrane protein structures in PDB.

/Membrane_

Proteins_xtal.html

Till July 19th, 2005, there are totally

29016/pdb

图2.2 PDB 库中可溶性蛋白和膜蛋白结构数据储存量随时间的增长图

从1985年到今天的二十年间，膜蛋白结构生物学不断发展，特别是电子显微镜——电子二维晶体学、三维重构技术的加入，弥补了膜蛋白晶体的不足。PDB 库中的膜蛋白三维精细结构数据不断增加，图2.2以时间为横坐标，以累计的结构数据为纵坐标，将可溶性蛋白和膜蛋白的结构解析历史作了一个比较，其中可溶性蛋白的起点为1960年，膜蛋白的起点为1985年。可以看出，膜蛋白结构生物学的发展相对于可溶蛋白推迟了25年，而且发展速度也相对慢一些，但是从发展势头上看，还是相当快的，截至2005年7月23日，PDB 库中独立

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的膜蛋白结构数据有95套，而到2006年底则有望更多的膜蛋白结构被解析出来。

膜蛋白结构生物学已经成为当今结构生物学的一个重要研究热点。下面就我对膜蛋白晶体学的经验和认识做一个总结。

2.1 磷脂的分子结构

膜蛋白定位在生物膜的磷脂双分子层中，因此有必要先了解一下磷脂分子的结构，从化学上来说，磷脂属于脂肪酸磷酸酯甘油类化合物，如图2.3所示，磷脂分子的外形为比较长的线型分子，具有一个亲水的头部和两条长的疏水尾巴，其亲水头部因不同的种类而不同，疏水尾巴为多碳（哺乳动物细胞约为18个碳，大肠杆菌细胞约为10个碳）的脂肪链，两条尾巴一条为饱和脂肪链，一条为不饱和脂肪链（存在一个碳碳双键），因此磷脂分子的一个尾巴会发生弯曲（图

2.3）。

磷脂分子以尾巴靠尾巴的方式排列形成了一个磷脂单分子层，然后两个单分子层再以疏水面相互接触形成了磷脂双分子层，即生物膜（哺乳动物细胞膜的厚度约为40个碳链的长度，大肠杆菌细胞膜的厚度约为24个碳链的长度），歪曲尾巴的存在使得生物膜具备了一定流动性（液晶相）。

图2.3 磷脂分子的结构模型（Molecular Biology of the Cell, 4th Edition）

根据磷脂分子的不同亲水头部，可以命名几类基本的磷脂分子（图2.4）：

磷脂酰胆碱（PC，phosphatidylchline，又称为卵磷脂）, 磷脂酰乙醇胺（PE，phosphatidylethanolamine）, 磷脂酰丝氨酸（PS，phosphatidylserine），磷脂酰肌醇（PI，phosphatidylinositol），磷脂酰甘油（PG，phosphatidylglycerol），双磷脂酰甘油（CL，cardiolipin，diphosphatidylglycerol，又称为心磷脂）。在植物细胞中，还有几类磷脂分子，如DGDG等[23]。

生物膜的磷脂分子都是两条尾巴的，而在膜蛋白研究工作中，人们常常还使用一条尾巴的磷脂分子，叫做monoolein，它的热力学相行为与生物磷脂分子有很大的区别，这在后面还会提到。

图2.4 几种常见的磷脂分子的分子构型图

2.2 去污剂的基本性质和分类

在膜蛋白生化研究工作中，需要使用一定试剂将膜蛋白从磷脂双分子层中溶解下来，这种试剂叫做去污剂（detergent），又叫表面活性剂（surfactant）,其分

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