第七章 生物膜与跨膜转运

7.4 溶质的跨膜转运
图7-24 葡萄糖转运到红细胞的动力学。(a) 葡萄糖进入红细胞的初速度V0依赖于胞 外初始葡萄糖浓度，[S] out; (b) 为 (a) 中数据的双倒数作图。此协助扩散的动力学与 酶催化的动力学类似。此处的Kt相当于米氏常数Km。
7.4 溶质的跨膜转运
氯离子-碳酸氢根离子 交换器，也称阴离子交 换器，增加了红细胞对 HCO3- 的通透性达一百 多万倍； Cl-和HCO3-的偶联是专 性的，氯离子-碳酸氢根 离子交换器是一种共转 运系统； 对向转运。
7.3 膜的超分子结构
图7-3 双亲脂质在水中的聚集体
7.3 膜的超分子结构
生物膜双层脂分子分布的不对称性：
7.3 膜的超分子结构
生物膜不对称性的意义：
–使细胞膜的两侧具有不同的化学性质； –使细胞膜具有边面性； –定义了细胞膜的内外两侧。
7.3 膜的超分子结构
膜脂的运动：
–流动性
图7-16 膜的融合。
7.3 膜的超分子结构
特异膜融合的要求：
– 1）互相识别； – 2）并列靠近； – 3）双分子层结构局部打破； – 4）两个双分子层融合形成连续双分子层； – 5）对特异信号响应。
7.3 膜的超分子结构
图7-17 病毒侵入宿主细胞的膜融合。（a）流感病毒；（b）人类免疫缺陷病毒。
7.4 溶质的跨膜转运
渗透压-被动扩散的一个特例。
–当膜对水通透但是不对融解的离子或极性小分子有机溶 质通透时产生。 –溶剂从低溶质浓度向高溶质浓度运动。 –表现为： 体积变化(直到溶质浓度平衡) semi-permeable 压力变化
membrane
H2O solute
7.4 溶质的跨膜转运
调控细胞及细胞器的分子运输。
保存细胞能量。
细胞通讯（受体等）。
7.2 细胞膜的分子组成
1. 脂类（25%-70%）
–磷脂
磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇等。
–胆固醇 –糖脂
2. 蛋白质（30%-75%）
–整体膜蛋白，外周膜蛋白，脂锚定蛋白
3. 碳水化合物（糖类）（~10%）
7.4 溶质的跨膜转运
被动扩散是一种一级动力学过程，直接取决于浓度。 协助扩散由蛋白辅助并且表现出Michaelis-Menten 反应动力学。
被动扩散
A(outside) 协助扩散 A(outside) + MP (membrane protein) k A(MP) A(inside) + MP k A(inside) V0 = k[A]0
膜蛋白的侧向扩散：
–有些蛋白可自由侧向扩散（人细胞与小鼠细胞的 融合实验）； –有些膜蛋白在细胞或细胞器膜上形成聚集物或补 丁，这些蛋白分子被一些内部结构锚定，之间相 对不动，如：血型糖蛋白，氯离子-碳酸氢根交换 蛋白。
7.3 膜的超分子结构
膜蛋白的定位：
–电镜观察冰冻撕裂膜； –不能跨膜的试剂进行研究：
–糖蛋白和糖脂
4. 少量的核酸，水分、无机盐
7.2 细胞膜的分子组成
7.2 细胞膜的分子组成
7.3 膜的超分子结构
图7-2 膜结构的流动镶嵌模型
7.3 膜的超分子结构
细胞膜的脂双分子层： 两性脂分子在水中自动形成的聚集形态：微 团，脂双层（4-5 nm），脂质体； 稳定但是灵活 半透性 脂双层同时具有液体（快速分子移动）和固 体的特性。脂双层是二维的液体。
异乙基乙酰亚胺 蛋白酶
7.3 膜的超分子结构
图7-4 冰冻撕裂技术裂分细胞膜的双分子层示意图
7.3 膜的超分子结构
图7-5 确定膜蛋白跨膜排列的实验
7.3 膜的超分子结构
外周蛋白：
–通过弱静电作用结合到膜蛋白或脂分子上 –用高浓度的盐溶液可溶 –与膜的结合是动态的：临时的，可调控的 –例如：膜内侧的磷脂酰丝氨酸（带负电荷的磷脂） 可以与含有赖氨酸和精氨酸的血型糖蛋白结合 –例如：红细胞的血影蛋白可以支撑细胞膜并使膜 蛋白条理化
–通常是 -螺旋，与质膜的 脂肪酸尾部结合； –一般有20-30个连续的亲脂 性氨基酸
有单个或多个跨膜片段； 多种跨膜通道蛋白，如： 细菌视紫红质。
图7-10 各种类型的膜整体蛋白。
7.3 膜的超分子结构
图7-11 细菌视紫红质的结构。
7.3 膜的超分子结构
图7-12 紫色细菌的光和反应中心。第一个通过X-射线晶体衍射确定结 构的膜蛋白
– 描述了蛋白质与脂双层的关系； – 膜蛋白好像液体脂分子海洋中的圆形冰山； –整体蛋白跨越脂双层，通过疏水作用结合在膜上； –外周蛋白与膜表面松散地结合（如：通过静电作 用）； –脂锚定蛋白：在膜内或膜外，共价结合在脂上。
7.3 膜的超分子结构
图7-2 膜结构的流动镶嵌模型
7.3 膜的超分子结构
7.3 膜的超分子结构
图7-15 在细胞与细胞相互作用中起作用的四种类型的膜整体蛋白。
7.3 膜的超分子结构
整联蛋白（Integrins）：
–异二聚体； –不同的α和β亚基结合会产生多样的特异性； –与整合蛋白结合的蛋白存在RGD序列； –功能：粘合分子，受体，信号转导蛋白。
钙粘着蛋白（Cadherins):
7.3 膜的超分子结构
图7-13 跨膜蛋白的疏水作图。(a) 血型糖蛋白；(b) 细菌视紫红质。
• 20~25个残基的α-螺旋序列刚刚足够跨越脂双层； • 过疏水指数作图可预测α-螺旋结构的跨膜区域； • 对于β-片层结构的预测无用。
7.3 膜的超分子结构
图7-14 孔蛋白，一种具有 -桶结构的膜整合蛋白。
7.3 膜的超分子结构
细胞杂交：
–诱导细胞融合的方法：生物方法（病毒）；化学 方法（聚乙二醇PEG）；物理方法（电击和激 光）。 –应用：植物育种，单克隆抗体制备等。
7.4 溶质的跨膜转运
简单扩散； 易化扩散； 主动运输； 胞吞胞吐；
7.4 溶质的跨膜转运
细胞膜的半透性：
7.4 溶质的跨膜转运
图7-22 葡萄糖转运体1(Glu T1)的建议结构。(a) 12个跨膜螺旋中有9个含有3个以上 的极性或带电的氨基酸残基，通常被几个疏水残疾隔离；
7.4 溶质的跨膜转运
图7-21 葡萄糖转运体1(Glu T1)的建议结构。(b) 螺旋图表明一个螺旋节段表面上极性 和非极性残基的分布；(c) 5~6个双亲螺旋的每个螺旋的极性和带电的残基面向中央 通道并排，从而形成一个内表面排列有极性和带电的残基跨膜通道。此通道提供了 很多机会与通过此通道的葡萄糖形成氢键。Glu T1的三维结构还没有通过X-射线晶 体学阐明。
离子半径 K+: 1.4 Å Na+: 0.95 Å
图7-27 变铅青霉素菌的K+通道的结构。
7.4 溶质的跨膜转运
怎样实现K+通道的高选择性？
–在膜路径的大约三分之二处，通道在选择性过滤 器区域变狭窄，迫使离子丢弃水合分子。 –过滤器骨架中的羰基氧原子代替了K+水合层中的 水分子，形成一系列完美的配位层。 –此滤器对Na+不利，因为Na+太小，不能与所有 可能的氧配体接触。 –K+的优先稳定性是过滤器的离子选择性的基础， 改变蛋白质这个部分的突变会消除通道的离子选 择性。
如果培养基中细胞周围的水浓度高于胞质，培养基 被认为是低渗，水分子将在渗透压作用下进入细胞。 将一个红细胞放在低渗的溶液中（如：纯水），红 细胞便会因水的内流而破裂（溶血）。 植物细胞与细菌细胞由于有坚固的细胞壁，可避免 在低渗溶液中破裂。这会使细胞内产生膨压。当膨 压与渗透压相等时，反渗透便会停止。
–嗜同种相互作用。
7.3 膜的超分子结构
免疫球蛋白类似蛋白（Immunoglobulin-like proteins):
–嗜同种相互作用; –嗜异种相互作用。
选择蛋白（Selectins）：
–在Ca2+存在下，结合临近细胞表面特异多糖。 –血细胞，血管内皮细胞。
7.3 膜的超分子结构
诸多细胞过程涉及膜 融合：外排作用、内 吞作用、细胞分裂、 精卵细胞融合、膜包 被病毒进入宿主细胞。
生物膜与跨膜转运
大纲
7.1 总述 7.2 细胞膜的分子组成
7.3 膜的超分子结构
7.4 溶质的跨膜转运 7.5 细胞膜与跨膜转运相关文 献讨论
7.1Leabharlann Baidu总述
图7.1 动物细胞的亚显微结构。
7.1 总述
细胞膜的的功能： 确定细胞及细胞内各个细胞器的边界，隔离细胞过 程与成分。
两种类型： 1）GPI锚定蛋白； 2）内膜碳氢链链接的蛋白。
7.3 膜的超分子结构
通过磷脂酰肌醇的糖衍生物（GPI）共价连 接：
–GPI 是细胞膜外层的脂 ； –最初是通过研究一种磷脂酶发现的。
通过内膜上的碳氢链（CH2）共价连接，如： Scr蛋白和Ras蛋白。
7.3 膜的超分子结构
膜整体蛋白： 融入脂双层的两亲性蛋白； 特定片段的初级结构高度 亲脂：
G = RTln C2/C1
图7-18 溶质的浓度梯度
7.4 溶质的跨膜转运
除浓度梯度外，电势梯度也 可驱动扩散 Z = 分子所带的电荷 F = 法拉第常数 (96,485 JV-1 mole-1) = 电势差
图7-19 溶质的电势梯度
电化学势： G = RTln C2/C1 + ZF
–亲脂性的小分子，不带电荷的水分子可以通过； –带电荷的，极性的分子不能通过。
膜蛋白可以辅助特定分子的跨膜转运，转运 方式包括：
–被动运输；如：离子通道。 –主动运输；如：离子泵。 –胞吞胞吐作用。
7.4 溶质的跨膜转运
•浓度梯度是指膜两 侧的浓度差 (C2-C1)。 • 溶质分子从浓度为 C1一侧扩散到浓度为 C2一侧的化学势为：
7.3 膜的超分子结构
图7-6 外周蛋白和膜整体蛋白
7.3 膜的超分子结构
胆碱部分 磷酸基团
脂肪酸 尾部
PC：磷酸酰胆碱
图7-7 膜联蛋白V与膜脂分子头部 结合的结构
7.3 膜的超分子结构
图7-8 氯离子-碳酸氢根离子交换蛋白的移动受到血影蛋白的限制
7.3 膜的超分子结构
图7-9 脂质-连接的各种膜蛋白
图7-25 红细胞膜上的氯离子-碳酸氢根离 子交换蛋白。此共转运系统使HCO3-进出 细胞而不改变跨膜电位。其作用是增加血 液的CO2携带能力。
7.4 溶质的跨膜转运
离子选择通道对特定离子具有高选择性； 离子通道有开放和关闭两种状态，在两种状态中相 互转变；并且可调控。 离子通道的分类：
不饱和脂肪酸、固醇。
–侧向扩散
同一分子层，相对于其他脂分子的运动 液、晶两性：在垂直于双分子层的维度里，有高度的规律性；在 双分子层平面里，有极大的流动性。
–翻转运动
概率小，需能，翻转酶可促进
–旋转运动 –交换 –脂肪链的运动
7.3 膜的超分子结构
生物膜的流体镶嵌模型 [Singer & Nicholson (1972), Science 1972 Feb. 18 175:23 720-731]
–配体门控离子通道； –电压门控离子通道。
离子通道与离子转运体的差别：
–离子通道的流速比转运体高若干个数量级，且无限接近 扩散的理论最大值； –没有饱和性； –应某些“事件”而打开或关闭。
7.4 溶质的跨膜转运
K+通道的结构表明了其特异性的基础
图7-26 K+通道的结构图。
7.4 溶质的跨膜转运
V0 = Vmax [A]0/ (Kt + [A]0 )
7.4 溶质的跨膜转运
转运蛋白降低了溶质跨 膜的自由能：
–与水合溶质的非共价作 用 – 提供亲水的跨膜通道
图7-20 亲水溶质通过生物膜的脂类 双分子层的能量变化。
7.4 溶质的跨膜转运
图7-21 水孔蛋白AQP-1跨膜的可能拓扑学。(a)每个单体由6个跨膜螺旋组成；(b)水 孔蛋白的建议结构，4个AQP-1分子并肩结合，其24个跨膜螺旋围成一个中央通道。 水分子可以通过此布满亲水侧链的通道。
7.4 溶质的跨膜转运
T1: 细胞膜外表面的葡萄 糖结合位点 T2: 细胞膜内表面的葡萄 糖结合位点
Sout + T
k1 k-1
Sout•T
k2 k-2
Sin • T
k3 k-3
Sin + T
V0 = Vmax [S]out/ (Kt + [S]out )
图7-23 葡萄糖通过Glu T1转运 到红细胞的模型。