第三章 生物膜

第三章

生物膜的結(jié)構(gòu)與功能3.1．生物膜功能概述

(1)細胞的區(qū)隔化或房室化(compartmentalization)：生物膜是連續(xù)、環(huán)閉的薄殼體，質(zhì)膜把整個細胞包裹起來，內(nèi)膜系統(tǒng)及核膜、線粒體膜和葉綠體膜等，把細胞分隔成相對獨立的房室。在這些分隔開的區(qū)間內(nèi)，各自進行著不同的生命活動。

內(nèi)膜實際上成為細胞向內(nèi)延伸著的網(wǎng)絡(luò)支架，把參與反應(yīng)的多個元件有序地定位安置，使細胞內(nèi)各種生命活動能在正確的時間和位點有組織地高效進行，把不同生化活性彼此間的干擾減少到最低。

重要的酶級聯(lián)反應(yīng)機構(gòu)大多與某種膜結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起。各類細胞的不同細胞器都具有與其功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形狀和機械強度，這些在很大程度上也依賴于相應(yīng)膜系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。(2)物質(zhì)的跨膜運輸(transport)：

作為通透性屏障，生物膜一方面防止細胞與環(huán)境之間以及細胞內(nèi)各房室之間的物質(zhì)自由混合；另一方面又要維持各區(qū)間物質(zhì)有控制地交流。

質(zhì)膜和各種內(nèi)膜上都有物質(zhì)運輸裝置，調(diào)節(jié)物質(zhì)的跨膜運輸也就成了這些膜系統(tǒng)最基本的功能之一。

(3)能量轉(zhuǎn)換(energyconversion)：

在細胞的能量轉(zhuǎn)換中，生物膜起著關(guān)鍵性作用。植物的葉綠體類囊體膜結(jié)合的色素可吸收太陽光，把光能轉(zhuǎn)換為光合電子傳遞鏈上的電子流動，最后形成同化力(NADPH和ATP)，再經(jīng)光合碳素途徑轉(zhuǎn)換成以糖類形式儲存的化學能。

線粒體內(nèi)膜則把能源物質(zhì)氧化時釋放的能量轉(zhuǎn)換成可以作功的能量形式——ATP中的化學能。

另外，當膜維持著某些特異離子或溶質(zhì)跨膜的濃度差時，能量就儲存于它的跨膜電化學梯度中。這樣的膜稱為“能勢膜”(energizedmembranes)，其中所儲存的能量可用于驅(qū)動細胞的許多重要活性。(4)細胞識別(cellrecognition)

細胞通過其表面的特殊受體與胞外信號物質(zhì)分子或配體選擇性地相互作用，觸發(fā)細胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終導致細胞的總體生物學效應(yīng)相應(yīng)改變，這個過程稱為細胞識別。

多細胞生物要求在細胞之間建立和維持特殊的聯(lián)系，以便協(xié)調(diào)運作，執(zhí)行整體功能。例如，質(zhì)膜上的某些離子通道或感受器蛋白能感知外部電信號；膜受體能識別并結(jié)合具有互補結(jié)構(gòu)的特殊配體分子，如激素、細胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)等。不同類型的細胞帶有不同的受體，能對環(huán)境中不同配體的濃度變化作出相應(yīng)的響應(yīng)，包括改變胞內(nèi)代謝；調(diào)控細胞周期或細胞分裂、分化；趨化性運動；釋放某些離子或分泌某些物質(zhì)；以及向細胞下達調(diào)亡指令等。

細胞表面的各種粘附分子介導細胞之間的相互識別、粘附及相互作用。包括同種同類細胞間的相互作用，如具有相同表面特征的細胞之間通過識別、粘合、聚集成器官；同種異類細胞的相互作用，如有性繁殖中配子的相互識別、粘結(jié)與融合；異種異類細胞間的相互作用，如病原菌或寄生菌與寄主細胞間的相互識別與粘合。細胞與胞外基質(zhì)之間的識別與粘合近年來受到特別的關(guān)注，事實上胞外基質(zhì)中的許多組分還起著信息分子的作用，可通過細胞表面受體向細胞發(fā)出信號，通過信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)傳入細胞內(nèi)，引起包括存活、分化、遷移、凋亡等在內(nèi)的多種效應(yīng)。圖3.1列舉了細胞識別的基本類型。細胞識別（歸類與舉例）對游離的大、小分子的識別神經(jīng)遞質(zhì)激素、細胞因子抗原藥物有害物質(zhì)其它同種異類細胞間的識別單細胞生物的接合動物的受精過程植物的受粉、受精過程免疫細胞的作用同種同類細胞間的識別低等生物細胞聚集高等生物胚胎發(fā)育和分化凝血中血小板的聚集異種異類細胞間的識別細菌感染和真菌感染固氮菌對寄主植物的感染各種共生寄生過程異種（異體）同類細胞間的識別輸血器官移植細胞-細胞間的識別細胞-基質(zhì)的識別圖3.1細胞對化學物質(zhì)的識別3.2.生物膜的化學組成與性質(zhì)

生物膜是類脂與蛋白質(zhì)(包括酶)通過非共價鍵組裝成的薄片狀超分子聚合體。大多數(shù)膜還含有某些糖類物質(zhì)，膜上有結(jié)合態(tài)的結(jié)構(gòu)水，以及某些膜蛋白結(jié)合的金屬離子。膜的組成尤其是膜脂與蛋白質(zhì)的比例，因膜的種類不同而有很大差別(表3.1)。

通常膜中蛋白質(zhì)含量越多，其功能越復雜多樣，如線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)含量超過75%。同樣，功能越簡單的膜蛋白質(zhì)含量越少，如神經(jīng)髓鞘主要作用就是絕緣，只有3種蛋白，僅占膜重量的18%。膜的類別蛋白質(zhì)脂類糖類蛋白質(zhì)／脂類神經(jīng)髓鞘187930.23人紅細胞質(zhì)膜494381.0小鼠肝細胞質(zhì)膜4452(5～10)0.85嗜鹽菌紫膜752503.0內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜673302.0線粒體內(nèi)膜7624(1～2)3.2菠菜葉綠體片層膜703002.3表3.1生物膜的化學組成(%)

3.2.1膜脂

大多數(shù)動物細胞質(zhì)膜約含50%的脂類，據(jù)估算一個小的動物細胞的質(zhì)膜約有109個類脂分子。構(gòu)成生物膜的脂類有磷脂、糖脂、膽固醇等。其中以磷脂為主要組分，分布很廣泛。3.2.1.1磷脂(phospholipids,PL)

生物膜中所含的磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂：

(1)甘油磷脂(phosphoglycerides)：

甘油骨架中sn-1,2位羥基分別與兩個脂肪酸酯化，sn-3位羥基與磷酸生成酯，就成了最簡單的甘油磷脂—磷脂酸(phosphatidicacid,PA)；磷脂酸的磷酸基再連接其它極性基團就形成各種甘油磷脂，如磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG)、磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)和雙磷脂酰甘油(diphosphatidylglycerol,DPG)或心磷脂(cardiolipin,CL)。(2)鞘氨醇磷脂(sphingophospholipids)：

由鞘氨醇的氨基連接長鏈脂肪酰鏈構(gòu)成神經(jīng)酰胺，它的羥基再與磷酸基和親水基團相連，就形成鞘氨醇磷脂，如神經(jīng)酰胺與磷酸膽堿組成鞘磷脂(sphingomyelin,Sph)(3)磷脂中的脂肪酰鏈：

甘油磷脂和鞘氨醇磷脂都是兩親性分子，既有親水的頭部，又有疏水的尾巴。膜磷脂分子中的脂肪酰鏈都是長的不分枝的疏水性烴鏈。這些脂?；奶蓟訑?shù)從12到26，雙鏈數(shù)從0到5。sn-2位通常是一個多烯脂?；?，sn-1位則多為飽和脂?；?。天然脂酰鏈中的雙鍵多為cis構(gòu)型，在烴鏈中形成的約44°的折角，因而比相同碳原子數(shù)的飽和脂肪酸和trans構(gòu)型的不飽和脂肪酸的烴鏈較短而分子覆蓋面積大。脂酰基烴鏈的長度和分子面積對生物膜的特性有重要影響。(4)磷脂的電荷特性：

極性頭由帶負電荷的磷酸基與帶電荷或不帶電荷的極性基團組成，決定整個磷脂的電荷特性。PC頭部的磷酸基帶一個負電荷，膽堿季銨鹽帶一個正電荷，在生理pH下呈電中性，是兼性離子(zwitterionic)。PE和Sph與PC電荷特性相似。PS頭部磷酸基和絲氨酸的羧基各帶一個負電荷，質(zhì)子化的氨基帶一個正電荷，在生理條件下呈負電荷。PG、PI、DPG(CL)頭部磷酸基帶一個負電荷，極性基團不帶電，因而也呈負電荷。各種磷脂的組成和極性頭的結(jié)構(gòu)不同，這些差異對生物膜的功能有重要意義。磷脂實際的電荷狀況取決于環(huán)境pH與其pI值之差。3.2.1.2糖脂(glycolipids)

膜糖脂又分成三類：甘油糖脂（glyceroglycolipids），二?；视吞腔漠a(chǎn)物；中性糖鞘脂和酸性糖鞘，二者都是神經(jīng)酰胺糖基化的產(chǎn)物。甘油糖脂分子中甘油sn-1和sn-2位均被酯化，sn-3位連接親水的糖基，如單半乳糖二酰甘油(monogalactosediacylglycerol,MGDG)，頭部為不帶電荷的糖基。如果糖基被硫酸化，在生理pH下會帶負電荷，例如葉綠體類囊體膜中的6-磺基-D-異鼠李糖二?；视?SQDG)。中性糖鞘脂分子中鞘氨醇末端羥基氧與不帶電荷的糖基通過糖苷鍵相連，如半乳糖腦苷脂(galactocerebroside)。腦苷脂是動、植物細胞質(zhì)膜中主要的鞘脂，一般定位于脂雙分子層的外葉。3.2.1.3類固醇(steroids)

膽固醇(cholesterol,Ch)是最常見的類固醇，某些動物細胞質(zhì)膜中膽固醇的含量約占總脂的50%。膽固醇分子量相對較小，結(jié)構(gòu)也不同于其它膜脂，它沒有長的烴鏈，羥基構(gòu)成它的親水頭，帶有短的烴鏈的環(huán)戊烷多氫菲環(huán)核構(gòu)成它扁平的疏水部分。大多數(shù)植物和細菌的質(zhì)膜中不含膽固醇，但植物細胞質(zhì)膜含有谷固醇和麥角固醇。

類固醇是動、植物細胞膜的重要組分，對膜的特性產(chǎn)生顯著的影響。質(zhì)膜中膽固醇含量大大高于內(nèi)膜系統(tǒng)。膽固醇的頭部僅一個羥基，親水性明顯較弱。在膜中，膽固醇的羥基與磷脂極性頭相連系，環(huán)戊烷多氫菲的四個環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其連接的三個烴鏈與磷脂疏水尾巴平行排列，它的18、19位兩個-CH3嵌入磷脂分子不飽和脂酰基順式雙鍵形成的立體化學上的溝槽中。

膽固醇一方面提高膜的剛性和微粘度，另一方面它的烴鏈固有的運動性又能增加膜的局部微區(qū)的無序性，使膜流動性增加。類固醇對膜的這種雙向調(diào)整和穩(wěn)定作用使生物膜在較寬的溫度范圍(30～40℃)內(nèi)行使功能。類固醇還通過與一些膜蛋白的相互作用調(diào)節(jié)其功能，對膜的生物合成及細胞生長有重要的影響。生物膜脂質(zhì)組成（%）PAPCPEPGPIPSDPGSph膽固醇糖脂人紅細胞質(zhì)膜1.51918018.5017.52510E.coli細胞質(zhì)膜0065180012000人髓鞘膜0.51020008.508.52626大鼠肝細胞質(zhì)膜11811-49-1430-糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜-5516-83-36-光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜-5521-6.7-1.91210-線粒體內(nèi)膜0.74524261182.53-線粒體外膜1.330252.51323.555-核膜15520-73-310-Golgi膜-4015-63.5-107.5-溶酶體膜-2513-7-52414-表3.2幾種膜的脂質(zhì)組成

3.2.1.4膜脂組織的多態(tài)性

生物膜3種主要脂類——磷脂、糖脂和類固醇的分子結(jié)構(gòu)相差甚遠，但都是兩親性分子，即同時具有親水的頭部和疏水的尾巴兩部分。以磷脂為例，當把磷脂加入水中，如圖3.2所示，只有極少數(shù)分子以單體形式游離存在；在水／空氣界面上的磷脂傾向于形成單分子層，極性頭與水接觸，疏水的尾巴伸向空氣；如果加入的磷脂較多，水／空氣界面已經(jīng)達到飽和，其余的磷脂就以微團或雙分子層形式存在。在疏水作用的驅(qū)動和VanderWaals引力作用下，磷脂分子的極性頭與水相接觸，疏水尾巴彼此靠近，將水從附近排除。磷脂在水中形成脂雙層結(jié)構(gòu)是個自組裝過程，并進一步自我封合為雙層微囊(脂質(zhì)體，liposome)。圖3.2磷脂分子在水溶液中存在的幾種結(jié)構(gòu)形式圖3.3可能存在的幾種相結(jié)構(gòu)3.2.2膜蛋白

生物膜的功能主要由膜蛋白承擔。膜蛋白與膜脂分子共同維持膜的完整性、多樣性和不對稱性。

通常，細胞質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)主要與涉及胞外環(huán)境的細胞活力有關(guān)，而細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的蛋白質(zhì)則主要與代謝活動有關(guān)。有的膜蛋白發(fā)揮酶的作用，有的膜蛋白行使信息傳遞或能量轉(zhuǎn)換功能，有的構(gòu)成細胞膜的骨架，有的則參與細胞識別。

應(yīng)當強調(diào)指出，膜蛋白的功能不僅取決于自身固有的結(jié)構(gòu)，生物膜構(gòu)成的特殊環(huán)境對膜蛋白形成并保持正確的構(gòu)象起著圖3.4膜蛋白與脂雙層結(jié)合的幾種方式大部分跨膜蛋白以單一α-螺旋橫過脂雙層①或以多個α-螺旋橫過脂雙層②；這些單次通過或多次通過的蛋白，有一些具共價結(jié)合的脂肪酸鏈插入細胞質(zhì)面的脂單層①，其他膜蛋白通過共價連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯基團，插入脂雙層（細胞質(zhì)面的單層）③，或不常發(fā)生的，經(jīng)寡糖連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞質(zhì)面的單層④，許多蛋白質(zhì)通過非共價鍵與其他膜蛋白相互作用連到膜上，⑤和⑥（仿B.Alberts等，1994）3.2.2.1整合蛋白(integralproteins)或內(nèi)在蛋白(intrinsicproteins)

整合蛋白一般約占膜蛋白的70～80%。這些膜蛋白嵌入脂雙層，與脂雙層疏水核緊密結(jié)合，整合于脂雙層結(jié)構(gòu)之中，只有用氯仿等有機溶劑或SDS、膽酸鹽、TritonX-100等去垢劑破壞脂雙層結(jié)構(gòu)后才能將其分離出來。多數(shù)整合蛋白都是跨膜蛋白(transmembraneproteins)，其中有的一次跨膜，有的多次跨膜，只有極少數(shù)整合蛋白以部分肽鏈插入脂雙層疏水核，并不穿透脂雙層，僅在膜一側(cè)暴露(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細胞色素b5)，稱為錨定蛋白(anchored或monotopicproteins)。有的跨膜蛋白亞基進一步聚集成寡聚體(圖3.5)。

3.2.2.2外周蛋白(peripheralproteins)或外在蛋白(extrinsicproteins)

這類蛋白質(zhì)定位于脂雙層的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，即質(zhì)膜的胞漿面或細胞表面，它們通過離子鍵、氫鍵等非共價鍵不太緊密地與暴露在膜外的膜脂分子極性頭或整合蛋白的親水部分相聯(lián)系，容易用離子強度較高或pH較高的溶液將它們從膜上分離出來。

圖3.7紅細胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接的示意圖3.2.2.3脂錨定蛋白(lipid-anchoredproteins)

這類蛋白與外周蛋白相似，都有親水的表面；不同的是它們通過共價連接的脂質(zhì)分子疏水鏈插入脂雙層，被錨定在脂雙層膜表面一側(cè)(圖3.4③④)。按照與脂質(zhì)錨鏈的結(jié)合方式這類蛋白又分為以下幾類：圖3.4膜蛋白與脂雙層結(jié)合的幾種方式大部分跨膜蛋白以單一α-螺旋橫過脂雙層①或以多個α-螺旋橫過脂雙層②；這些單次通過或多次通過的蛋白，有一些具共價結(jié)合的脂肪酸鏈插入細胞質(zhì)面的脂單層①，其他膜蛋白通過共價連接到脂類或是脂肪酸鏈或是異戊烯基團，插入脂雙層（細胞質(zhì)面的單層）③，或不常發(fā)生的，經(jīng)寡糖連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇，在非胞質(zhì)面的單層④，許多蛋白質(zhì)通過非共價鍵與其他膜蛋白相互作用連到膜上，⑤和⑥（仿B.Alberts等，1994）圖3.8肽鏈通過GPI與膜結(jié)合

虛線箭頭所指為轉(zhuǎn)肽酶作用點3.2.3膜糖

真核細胞質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)都有糖類分布，不同物種和不同類型的細胞膜糖含量不同。質(zhì)膜含糖約占膜重的2～10%，這些糖大多數(shù)與蛋白質(zhì)共價結(jié)合構(gòu)成糖蛋白，少數(shù)結(jié)合在脂類分子上構(gòu)成糖脂。例如紅細胞質(zhì)膜含有8%的糖類，其中約93%與蛋白質(zhì)結(jié)合，大多數(shù)暴露于細胞表面的蛋白質(zhì)都共價連接1個或多個寡糖鏈；其余約7%與類脂分子結(jié)合，脂雙層外葉不到1%的膜脂分子連有寡糖，而且大多僅1條寡糖鏈。構(gòu)成生物膜寡糖的單糖主要有9種：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。生物膜上的糖類幾乎都定位于膜的非胞漿面，即細胞質(zhì)膜的外側(cè)和細胞器膜的腔內(nèi)一側(cè)，在質(zhì)膜外側(cè)形成細胞外被或糖萼(glycocalyx)(圖3.9)。圖3.9細胞外殼（糖萼）示意圖3.3.生物膜的結(jié)構(gòu)

1893年，Overton用蔗糖溶液引起植物細胞的質(zhì)壁分離表明了細胞膜的存在，并在后來提出脂類和膽固醇可能是細胞膜的主要組分。1925年，荷蘭人Gorter和Grendel根據(jù)對紅細胞膜的研究提出了脂雙分子層的概念，成為認識膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。1935年，Danielli&Davson提出蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)的“三明治”模型。1964年Robertson根據(jù)電鏡觀察結(jié)果提出單位膜模型。這些模型以及其它許多有關(guān)研究，為流體鑲嵌模型的提出積累了有用的資料和借鑒。圖3.9概括了100多年來人類對膜結(jié)構(gòu)的認識、不斷豐富和深化的歷程。3.3.1生物膜的“流體鑲嵌”模型

在生物膜的流動性和膜組分分布不對稱性等研究的基礎(chǔ)上，1972年美國Singer和Nicolson提出了生物膜的“流體鑲嵌”模型(圖3.11)，要點如下：

圖3.11Singer&Nicolson流體鑲嵌模型

①

極性脂雙分子層構(gòu)成生物膜的基本架構(gòu)，膜蛋白鑲嵌在其中。脂雙層既是整合蛋白的溶劑，又是極性物質(zhì)的擴散屏障。②生物膜是由極性脂和蛋白質(zhì)分子按二維排列的流體，膜的結(jié)構(gòu)組分在其中可以移動并聚集組裝。膜脂分子以流體或液體狀態(tài)存在于膜中，能在其中進行側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散。所以，生物膜是動態(tài)結(jié)構(gòu)。③生物膜中蛋白質(zhì)的分布不對稱，有的鑲嵌在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入脂雙層內(nèi)部，有的則橫跨整個膜。少量膜脂與膜蛋白專一結(jié)合，是這些膜蛋白發(fā)揮作用不可或缺的。3.3.2生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征

“流體鑲嵌”模型雖然得到比較廣泛的支持，一直不失為膜生物學的核心原理，但仍存在許多局限性，例如，很多實驗表明，膜的各個部分的流動性不均勻，在一定條件下有的處于液晶相，有的則處于凝膠相，即膜脂存在著多態(tài)性。在此基礎(chǔ)上，后來又提出一些模型。但是，實際上已很難再以某些簡單模式形像地描繪豐富多彩的生物膜。因此人們越來越關(guān)注與多樣性的細胞功能和狀態(tài)相適應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)的多樣性、多形性和不對稱性及其動態(tài)特征。下面將通過對膜結(jié)構(gòu)主要特征的討論充實和深化對生物膜結(jié)構(gòu)的理解。圖3.10對生物膜結(jié)構(gòu)認識的不斷豐富和深化

3.3.2.1膜的不對稱性

膜的不對稱性指的是膜脂、膜蛋白和糖類不對稱地分布在脂雙層的兩葉片層。所有的生物膜都具有這種結(jié)構(gòu)的不對稱性，這也是生物膜功能的重要基礎(chǔ)。實驗證明，以紅細胞質(zhì)膜為例，幾乎所有糖脂和帶正電荷PC與Sph分布在膜的非胞漿片層，而電中性或帶負電荷的膜脂如PE、PS則更多地分布于胞漿面片層(圖3.12)。不同的細胞質(zhì)膜脂類的不對稱分布亦不相同，如豬血小板膜中PC主要分布于胞漿面片層。

除核膜上的某些轉(zhuǎn)錄因子和核孔復合物蛋白質(zhì)上存在朝著胞漿面的糖鏈，其余膜上的糖脂和糖蛋白糖鏈均定位于非胞漿面。鞘磷脂由于有較長而且緊密折疊的烴鏈，因此熔點較高，在與膽固結(jié)合后，在液晶態(tài)的脂雙層中形成了局部固態(tài)結(jié)構(gòu)，稱為脂筏(lipidraft)。脂筏直徑約70nm，在某些條件下可聚集成更大的結(jié)構(gòu)。脂筏特異地結(jié)合許多膜蛋白，如GPI-Pr和其它脂錨定蛋白等。脂筏的存在是膜不對稱的又一例證。脂筏最重要的功能可能是參與細胞信號轉(zhuǎn)導。例如在靜止的T細胞表面，多種與T細胞受體信號轉(zhuǎn)導有關(guān)的分子組成型地結(jié)合于脂筏。當T細胞受到外界刺激活化時，通過受體向胞內(nèi)傳遞活化信號，受體及輔受體、協(xié)同分子等相關(guān)的信號分子會在特定部位形成免疫突觸結(jié)構(gòu)，其中主要是由小脂筏融合成的大脂筏斑。在免疫突觸形成過程中，脂筏起到運輸和聚集信號分子的作用。3.3.2.2生物膜的流動性

流動性是生物膜最重要的特征之一，涉及膜脂的流動性和膜蛋白的流動性。(1)膜脂的流動性前面在膜脂組織多態(tài)性中已經(jīng)提到，脂雙層存在液晶相和凝膠相。當膜從凝膠相轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕鄷r，膜組分的分子內(nèi)和分子間運動明顯增加。在生理條件下，膜脂大多呈液晶相，當溫度降低至相變溫度（Tc）時，即從液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相(圖3.13)。用示差掃描量熱法、NMR和ESR波譜等技術(shù)可以測定膜脂相變溫度。圖3.13膜脂的相變磷脂

相變溫度(℃)Di-14∶0PC24Di-16∶0PC41Di-18∶0PC58Di-22∶0PC75Di-18∶1PC-221-18∶02-18∶1PC3Di-14∶0PE51Di-16∶0PE63Di-14∶0PG23Di-16∶0PG41Di-16∶0PA67

表3.3磷脂組成與相變溫度的關(guān)系圖3.14磷脂分子運動的幾種方式

①

側(cè)向擴散，即膜脂分子在脂雙層同一片層內(nèi)與鄰近分子進行換位，擴散速率的大小可用擴散系數(shù)DL表示。在生物膜和人工膜都存在膜脂分子的側(cè)向擴散，而且速度很快，DL一般為10－7～10－8cm2·s－1，表明膜脂的粘性約為水的100倍。②旋轉(zhuǎn)擴散：即膜脂分子從脂雙層的一葉翻轉(zhuǎn)到另一片層。由于膜脂均為兩親性分子，這種翻轉(zhuǎn)運動必須通過脂雙層的疏水核，因此要比側(cè)向擴散慢得多。膜脂分子完成旋轉(zhuǎn)擴散最快也要數(shù)分鐘，通常完成翻轉(zhuǎn)的平均時間為數(shù)小時甚至數(shù)周。細胞在某些生理條件下，如磷脂生物合成和膜的組裝過程中，在某些膜蛋白(如磷脂轉(zhuǎn)位因子)幫助下，膜脂分子的翻轉(zhuǎn)過程大大加快。

③

脂?；漠悩?gòu)化運動：膜脂分子中的脂?；鶡N鏈可繞C-C單鍵旋轉(zhuǎn)，從而導致其構(gòu)型發(fā)生轉(zhuǎn)變。在低溫條件下，脂?；鶡N鏈主要表現(xiàn)為全反式構(gòu)型，隨著溫度升高，偏轉(zhuǎn)構(gòu)型增多，膜流動性增大。④膜脂分子繞與膜平面垂直的軸左右擺動，其極性頭部運動較快，甘油骨架運動較慢，脂酰基烴鏈部運動也較快，其尾部運動得最快。⑤膜脂分了圍繞與膜平面垂直的軸作旋轉(zhuǎn)運動，其轉(zhuǎn)動速率約為每10ns轉(zhuǎn)動2π角度。(2)膜蛋白的運動性

脂雙層可視為整合蛋白的分散介質(zhì)，因此脂質(zhì)分子的物理狀態(tài)就成了整合蛋白運動性的重要決定因素。膜整合蛋白的主要運動方式包括側(cè)向擴散、構(gòu)象變化以及蛋白復合物的聚集與解聚等。3.3.3膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)

迄今基因組學研究表明，各種生物基因組編碼的蛋白質(zhì)約有25%是膜蛋白，而膜蛋白的70～80%是整合蛋白。最近幾年，利用脂立方體相來生長膜蛋白三維晶體，有望得到更多更好的膜蛋白單晶體，用于精細結(jié)構(gòu)測定。再結(jié)合使用新一代同步輻射光源，為膜蛋白精細結(jié)構(gòu)測定打開了閘門。現(xiàn)已測定的膜蛋白有細菌光合反應(yīng)中心、E.coli膜孔蛋白Omp和PhoE、麥芽糖孔蛋白、捕光色素復合體、線粒體細胞色素c氧化酶、細胞色素bc1復合物、菌紫紅質(zhì)、K+通道、Ca2+泵等。下面以嗜鹽菌菌紫質(zhì)為例，展示膜整合蛋白三維結(jié)構(gòu)的一些特點。圖3.15嗜鹽菌菌紫質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)及其在膜上的分布圖3.16

菌紫質(zhì)在嗜鹽菌膜上以三聚體形式有序分布圖3.17嗜鹽菌菌紫質(zhì)參與組成H+通道的有關(guān)基團的三維分布示意圖3.3.4人工膜（artificiallipidmembrane）

1970年代以來，人工膜的制備技術(shù)與應(yīng)用不斷發(fā)展，日益發(fā)展為一項生物高技術(shù)。人工膜主要包括雙分層平面膜、脂質(zhì)體和單層膜或LB膜。（1）平面雙分子膜（planarbilayerlipidmembrome）

常用合成類脂及其衍生物或從天然材料中抽提的類脂混合物作為制備平面雙分子膜的材料。先將類脂材料溶于適當?shù)挠袡C溶劑，取一玻璃槽，用聚四氟乙烯隔板分隔為兩個小室，隔板上有一小圓孔（直徑<1mm），加入預(yù)先放制的水溶液，再向隔板小孔內(nèi)加一滴類脂溶液，即可形成脂雙分子層。還可制備脂雙層內(nèi)外兩葉片層脂質(zhì)組分不對稱膜，以便更好地摹擬生物膜，嵌入某些功能性蛋白分子，即可用于研究膜電位，跨膜的pH梯度、離子通道、生物電子能量傳遞與轉(zhuǎn)換等生物膜功能。（2）脂質(zhì)體（liposomes）

人工脂雙層膜形成的圓球狀膜泡，在膜研究中具有不可估量的價值。把功能蛋白嵌入脂質(zhì)體，形成各種重建的膜系統(tǒng)，可以在比天然膜簡單得多的條件下對它們的功能進行研究。脂質(zhì)體還被用作DNA和許多藥物的載體，同時在脂質(zhì)體膜上嵌入單克隆抗體或其它靶細胞受體專一的配體，不僅提高了脂質(zhì)體的靶向特異性和與靶細胞結(jié)合的效率，而且可以有效地降低與非靶細胞的結(jié)合，降低藥物的細胞毒性，是運送基因治療藥物和抗癌藥的理想劑型。常用的脂質(zhì)體有以下3種：脂質(zhì)體類型

單層脂質(zhì)體大單層脂質(zhì)體多層脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)直徑（nm）包裝率（%）穩(wěn)定性30~500.1差150~1000~50（超聲法）中等500~30001~2（凍融法）好

50（凍融法）好表3.5三種常用脂質(zhì)體性質(zhì)比較（3）LB膜（Langmuir-Blodgettmembrane）：

把磷脂溶于易揮發(fā)的有機溶劑，然后滴加于水溶液表面并使之在水表面上擴展，待有機溶劑揮發(fā)后，用一可移動桿條沿水面把表面的磷脂分子往一側(cè)壓縮，即可得到親水頭在水相、疏水的烴鏈朝向空氣的磷脂單分子層，即LB膜。LB膜不僅用于研究膜的表面化學和磷脂分子間相互作用，而且是研究藥物、多肽等與脂類相互作用的有力手段。另外，LB膜還被用來進行蛋白質(zhì)二維晶體的構(gòu)建與結(jié)構(gòu)分析。LB膜和雙分子層脂膜在生物傳感器和生物電子器件的研制中有獨特的應(yīng)用前景。

物質(zhì)跨膜運輸3.4．物質(zhì)跨膜運輸

活細胞必須不斷地與環(huán)境進行物質(zhì)交換，真核細胞內(nèi)各房室之間同樣也存在跨膜的物質(zhì)交換，這種交換是高度選擇性的，使細胞保持動態(tài)的恒定，這對于保證生命活動的正常進行極為重要。3.4.1.1被動運輸（passivetransport）

生物膜具有半透膜的性質(zhì)。膜上有許多由膜蛋白構(gòu)成的直徑約1nm的微孔，如細菌外膜上孔蛋白三聚體形成的微孔允許分子量小于600的親水中性溶質(zhì)通過；真核細胞質(zhì)膜上有32kDa通道蛋白六聚體形成跨膜的微孔，允許分子量小于2kDa的親水中性溶質(zhì)通過。又如在哺乳動物紅細胞等高度水可滲透的膜上存在水通道蛋白四聚體構(gòu)成的通道，每個亞單位包括6個跨膜螺旋，含有一個沙漏樣多水微孔。另外，膜脂的流動性還在膜上造成許多統(tǒng)計學上的微孔。這樣，水、氣體、以及其它小分子物質(zhì)就可以借助于膜兩側(cè)濃度（活度）差順著化學勢差從高濃度一側(cè)自發(fā)地擴散到低濃度一側(cè)，無需另外消耗能量，稱為被動運輸或擴散傳送，包括簡單擴散和促進擴散。物質(zhì)經(jīng)被動運輸?shù)乃俾始纫蕾囉谠撐镔|(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差，又與其分子量大小、電荷以及在脂雙層中的溶解性有關(guān)。Structureofbacterialporin（1）簡單擴散（simplediffusion）物質(zhì)經(jīng)由親水通道或膜脂流動造成的在分子間瞬時出現(xiàn)的微孔，從高濃度一側(cè)自由擴散到低濃度一側(cè)。如果被運輸?shù)氖欠菢O性物質(zhì)或非解離極性分子，該過程的自由能變化用下式表示：ΔG=2.3RTLog[S′0][S0]式中[S′0]和[S0]分別代表擴散開始時膜兩側(cè)溶質(zhì)的濃度，當[S′0]/

[S0]<1時，ΔG<0，溶質(zhì)擴散方向為S0→S′0

；當[S′0]/

[S0]=1時，ΔG=0，無擴散。人工膜擴散試驗表明，非極性物質(zhì)易通過簡單擴散跨膜轉(zhuǎn)位。非解離極性分子如乙醇和脲等也能很快通過，分子量大一些的甘油通過較慢分子量比甘油大一倍的葡萄糖競不能通過。此外，膜的流動性愈大簡單擴散愈易，因此影響膜流動性的因素都影響簡單擴散。

①門通道（gatedchannels）：門通道也是跨膜的蛋白復合物；只在特定刺激下瞬時開放。有些門通道的開關(guān)與信號分子-受體作用相偶聯(lián)，稱為激動劑或配體門通道，如乙酰膽堿受體。另一類是所謂電位門通道（voltagegatedchannel）。當膜兩側(cè)某種離子濃度改變時，或其它刺激引起電位改變時，導致通道蛋白構(gòu)象變化，打開通道。門通道能自發(fā)地快速關(guān)閉，開放時間常常只有幾毫秒，讓一些離子、代謝物等溶質(zhì)順著濃度梯度迅速地通過細胞膜。細胞膜上存在多種門通道，例如植物細胞質(zhì)膜至少有3種K+通道：內(nèi)整流K+通道、外整流K+通道和電位不敏感K+通道。當膜受到刺激后，這些通道常常按一定的順序依次開啟和關(guān)閉。例如神經(jīng)肌肉接頭處，當神經(jīng)沖動傳遞到突觸前終末時，由于膜去極化使突觸前膜中的電位門控Ca2+通道開放，Ca2+的流入促使突觸釋放貯藏在突觸小泡內(nèi)的乙酰膽堿。乙酰膽堿快速擴散通過突觸間隙，與肌細胞質(zhì)膜上的受體結(jié)合，這個受體是乙酰膽堿門控的Na+-K+通道，開啟后Na+進入細胞，K+流出；質(zhì)膜的去極化又促使電位門控Na+通道開啟，更多的Na+進入細胞，結(jié)果肌漿網(wǎng)膜超極化導致電位門控Ca2+通道開放，Ca2+從肌漿網(wǎng)進入細胞質(zhì)，刺激肌肉收縮。這個過程在不到1秒鐘內(nèi)完成，至少涉及4套不同的門通道順序地開啟和關(guān)閉。

②載體蛋白（carrierproteins）：與通道不同，載體蛋白并未在膜上形成跨膜通道。載體蛋白具有高度的特異性，只能與某一類型或某一種物質(zhì)暫時性可逆結(jié)合，通過引發(fā)構(gòu)象變化，把物質(zhì)從高濃度一側(cè)運到膜的另一側(cè)。例如紅細胞質(zhì)膜上的葡萄糖載體，只結(jié)合D-葡萄糖而不結(jié)合L-葡萄糖。載體蛋白的促進擴散速率與所運輸溶質(zhì)濃度的關(guān)系呈雙曲線，也有競爭性或非競爭性抑制劑，這些均與酶相似，因而也被稱為透性酶（圖3.18）。但是載體蛋白并不是酶，因為它并不與溶質(zhì)共價結(jié)合，溶質(zhì)跨膜后沒有發(fā)生實質(zhì)性改變。StructureofGLUT1ModelofglucosetransportbyGLUT1載體蛋白介導的運輸通道蛋白介導的運輸K’m被運輸物質(zhì)的濃度0Vmax12Vmax圖3.18載體蛋白介導的運輸速率與通道蛋白介導的運輸速率比較圖3.19線粒體內(nèi)膜的ATP/ADP交換體二聚體蛋白執(zhí)行線粒體內(nèi)的ATP對在細胞質(zhì)中由代謝反應(yīng)所形成的ADP的交換。膜電位（內(nèi)為負）有利于這一交換反應(yīng)的進行ADP3－ATP4－圖3.20線粒體內(nèi)膜ATP/ADP交換體作用的分子機制模型二聚體蛋白可能僅有一個腺核苷酸的結(jié)合位點。當它面對膜的外表面時，結(jié)合位點對ADP有高的親和力（如圖中五角形），而對ATP有低的親和性（如圖中的直角形）。當它面對膜內(nèi)表面時，則相反。結(jié)合位點的這兩種狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)變，這表明交換體蛋白具有不同的構(gòu)象

③離子載體（ionophores）：離子載體是一類可溶于脂雙層的小分子疏水物質(zhì)，它們通過增加脂雙層對離子的透性以被動運輸方式運輸離子。離子載體大部分由微生物合成，已廣泛用于增加各類膜對一些特殊離子的透性，其中有些已被用作抗生素。離子載體可分為移動性離子載體和形成通道的離子載體兩類

3.4.1.2主動運輸（activetransport）

生活細胞中多數(shù)物質(zhì)的濃度與環(huán)境中顯然不同，無論是動、植物細胞還是細菌，細胞內(nèi)、外都存在著離子濃度差，如淡水麗藻細胞內(nèi)K+濃度比周圍水環(huán)境中高1065倍，人紅細胞K+濃度比血漿K+高30倍，細胞內(nèi)氨基酸的濃度比胞外高10倍以上。說明細胞必須經(jīng)常逆著濃度梯度選擇性地吸收或排出這些物質(zhì)，同時伴隨能量的消耗，稱為主動運輸。（1）初級主動運輸（primaryactivetransport）

初級主動運輸系統(tǒng)直接通過ATP等高能化合物提供能量，推動離子和某些代謝物的主動運輸。①Na+-K+-ATPase（或稱鈉鉀泵）幾乎所有的細胞都有Na+-K+-ATPase活力，可把細胞內(nèi)的Na+泵出細胞外，同時又把細胞外的K+泵入細胞內(nèi)。Na+-K+-ATPase是四聚體（α2β2），跨膜的α亞基（約120kDa）含有8個跨膜螺旋；β亞基（35kDa）有寡糖鏈，α與β亞基間易形成交聯(lián)。Na+-K+-ATPase的ATP水解部位和Na+結(jié)合部位在膜的胞液一側(cè)，而K+和強心類固醇抑制劑結(jié)合部位在細胞外表面（圖3.21）。圖3.21Na+-K+泵的亞基結(jié)構(gòu)及其取向示意圖

Na+-K+-ATPase的工作原理目前普遍認可構(gòu)象變化假說。即在正常情況下Na+-K+-ATPase（E1構(gòu)象），在Mg2+存在下（不需要K+）與膜內(nèi)側(cè)Na+結(jié)合而激活A(yù)TPase活性，將ATP的γ-磷酸基轉(zhuǎn)移到一個Asn殘基上，形成磷酸化的E1-P中間體，導致的構(gòu)象變化使其對Na+的親和力降低，把Na+釋放到細胞外，同時酶變?yōu)镋2-P構(gòu)象。E2-P與細胞質(zhì)膜外側(cè)的K+結(jié)合（不需要Na+和Mg2+）后促使酶去磷酸化，又恢復原來的E1構(gòu)象，把K+釋放到胞液中。上述Na+-K+-ATPase工作原理可表示如下：E1·ATP3Na+內(nèi)E1·Na3+·ATPE1·P（Na3+）ADPNa+外E*－P（Na2+）2K－內(nèi)E2·K2+·ATP2K+外ATPE·K2+E2－P·K2+E2－PPi2Na+外E2－P（Na2+）

自然界存在三種類型的離子泵：①P型離子泵，像Na+-K+-ATPase一樣，通常由1條肽鏈組成，通過磷酸化導致E1-E2構(gòu)象變化，促進離子的跨膜運輸；②F型離子泵，如線粒體和葉綠體的ATP合酶，是多亞基組成的復合物，能利用跨膜質(zhì)子梯度合成ATP；③V型離子泵，如酵母空泡、動物細胞溶酶體和植物細胞液泡膜上的H+-ATPase，也是多亞基復合物，其功能是水解ATP促進質(zhì)子的主動運輸。表3.4總結(jié)了這三類離子泵的一些基本性質(zhì)。離子泵類型

亞基組成功能催化機制抑制劑實例P型單肽鏈水解ATPE1-E2構(gòu)象變化VO3-Ca2+-ATPase

烏本苷Na+-K+-ATPaseF型多亞基合成ATP結(jié)合變構(gòu)寡霉素，DCCDF1-F0-ATPase表3.4

三種離子泵的一些性質(zhì)V型多亞基水解ATP結(jié)合變構(gòu)NEM，NO3-V-ATPase

②細菌結(jié)合蛋白傳送系統(tǒng)革蘭氏陰性細菌具有周質(zhì)結(jié)合蛋白傳遞系統(tǒng)，主動運輸一些糖、氨基酸、磷酸鹽等。例如E.coli的麥芽糖運輸系統(tǒng)至少需要4種不同的蛋白質(zhì)（圖3.22）：外層脂質(zhì)和脂多糖膜上的lamB蛋白形成了讓麥芽糖通過的孔隙；肽多糖到質(zhì)膜之間的周質(zhì)蛋白E可結(jié)合麥芽糖；跨膜蛋白F和G構(gòu)成質(zhì)膜上的通道，E可與通道組分結(jié)合。質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的K蛋白可與G結(jié)合，不僅是這個透性酶的組分，還能調(diào)節(jié)運送速率。這個運輸過程需要消耗高能化合物，因為磷酸鹽強烈抑制這種主動傳送。圖3.22革蘭氏陰性細菌麥芽糖結(jié)合蛋白傳送反應(yīng)x－px+piPeripheralprctein（2）次級主動運輸（secondaryactivetransport）

次級主動運輸系統(tǒng)并不直接通過水解ATP提供能量來推動，而是依賴于以離子梯度形式貯存的能量。例如一些動物細胞質(zhì)膜上有Na+-K+-ATPase和透性酶組成這樣的協(xié)同運輸系統(tǒng)，細胞就能依靠細胞外高濃度的Na+離子順著電化學梯度驅(qū)動糖和氨基酸逆著濃度梯度進入細胞。類似的系統(tǒng)見表3.5。中性氨基酸Na+真核細胞葡萄糖Na+某些動物細胞（腸、腎等）乳糖H+E.coli等細菌二羧酸H+E.coli脯氨酸H+E.coli谷氨酸Na+E.coli和嗜鹽菌蜜二糖Na+E.coli和鼠傷寒沙門氏菌表3.5某些次級主動傳送系統(tǒng)

底物共同傳遞的離子生物／組織丙氨酸H+嗜熱菌PS3③基團轉(zhuǎn)位（grouptranslocation）

有些細菌攝入糖時需進行磷酸化反應(yīng)，以糖-磷酸形式進入細胞，稱為基團轉(zhuǎn)位。如細菌的磷酸烯醇式丙酮酸：糖-磷酸轉(zhuǎn)位系統(tǒng)（PTS）由三種酶（EⅠ、EⅡ、EⅢ）和熱穩(wěn)定蛋白（HPr）組成，其中EⅠ和HPr均為可溶性蛋白，EⅡ為跨膜蛋白，EⅢ結(jié)合于膜內(nèi)側(cè)（圖3.23），通過以下反應(yīng)把糖攝入細胞內(nèi)：HPr～P+糖（外）EⅡ（EⅢ）HPr+糖-P（內(nèi)）EⅠ～P+HPrHPr～P+EⅠEⅠ+PEPEⅠ～P+丙酮酸

EⅡ和EⅢ對所運輸?shù)奶菍Ｒ?，EⅠ和HPr則無此種專一性。E.coli中發(fā)現(xiàn)有7種EⅡ，分別對葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺、甘露醇、葡萄糖醇和半乳糖醇專一。細菌中的脂肪酸、嘌呤和嘧啶等的運輸可能也是通過基團轉(zhuǎn)位機制進行的。

圖3.23細菌糖-磷酸轉(zhuǎn)位系統(tǒng)圖解（EⅡ、EⅢ糖底物專一性在右上角注明）PEP3.4.2大分子的跨膜運輸

生活細胞需要主動地攝入或排出蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等大分子，在細胞內(nèi)，不同的細胞器、房室之間也有大分子的跨膜轉(zhuǎn)位。幾乎所有的蛋白質(zhì)都是在胞液中的核糖體上合成的。新生多肽鏈的氨基酸序列中不僅包含指導它折疊的立體化學密碼，還包含指導其分揀、加工、包裝、靶向和定位的信息。依靠這些信息和有關(guān)分子的協(xié)助，新生多肽鏈才能正確地折疊、加工、運輸、到位、在指定的時空發(fā)揮應(yīng)有的功能。這個過程涉及的蛋白質(zhì)發(fā)生突變，就會影響功能蛋白的分揀、加工、包裝、靶向和定位，從而影響其生理功能，甚至造成嚴重后果。因此，闡明大分子跨膜運輸?shù)臋C制具有重大的理論意義與應(yīng)用前景，已成為新的熱門研究領(lǐng)域。蛋白質(zhì)的跨膜運輸有三種不同的基本途徑（圖3.24）：細胞核過氧物酶體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基器細胞溶質(zhì)細胞表面分泌囊泡質(zhì)體溶酶體胞內(nèi)體線粒體外排內(nèi)吞囊泡運輸跨膜轉(zhuǎn)位孔門運輸圖3.24蛋白質(zhì)運輸路線示意圖3.4.2.1新生肽鏈經(jīng)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)位

粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體合成的蛋白質(zhì)可分為兩類，一類與ER膜結(jié)合，留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)投送成為質(zhì)膜和其它細胞器的膜蛋白；另一類則進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，經(jīng)一系列加工、修飾、包裝、投送，進入溶酶體、質(zhì)膜或分泌到細胞外。二者均經(jīng)相同的轉(zhuǎn)運機制跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。此類蛋白質(zhì)的新生肽鏈N-端有引導其跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的信號肽（signalsequence）。信號肽一般由10～40個氨基酸組成，氨基端至少有一個帶正電荷的氨基酸，中部為10～15個殘基組成的高度疏水的肽段，如果其中某個疏水殘基被親水殘基取代，信號肽就會喪失其功能。信號肽C-端有可被信號肽酶識別的水解位點，此

位點上游常有一段疏水性較強的5肽，其-1和-3位常為小側(cè)鏈氨基酸（如Ala）（見圖3.25）。有的蛋白質(zhì)（如卵清蛋白）的信號肽位于肽鏈中部，但功能相同。

切點人生長激素MATGSRTSLLLAFGLLCLPWLQEGSAFPT人胰島素原MALWM

R

LLPLLALLALWGPDPAAAFVN牛血白蛋白原MK

WVTFISLLLFSSAYSRGF小鼠抗體H鏈MK

VLSLLYLLTAIPHIMSDVQ水溶菌酶M

K

SLLILVLCFLP

KLAALGKVF蜂毒蛋白MK

FLVNVALVFMV

VYISYIYAAPE果蠅膠蛋白MK

LLVVAVI

ACMLIGFADPASGCKD玉米蛋白19MAA

K

IFCLIMLLG

LSASAATASIF圖3.25一些真核細胞新生肽鏈N-端的信號肽氨基酸序列（堿性氨基酸殘基用斜體表示，中部疏水片段的疏水氨基酸殘基用底紋表示）（1）新生多肽鏈轉(zhuǎn)位進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的步驟：①N-端的信號肽與胞液中信號肽識別顆粒（signalrecognitionparticle,SRP）結(jié)合。SRP分子量約325kDa，由7SLRNA（～300nt）與6種不同的多肽組成。SRP的一端識別并結(jié)合信號肽，另一端則與核糖體結(jié)合并暫時中斷肽鏈合成。②SRP-核糖體復合體移動到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜外表面，并與那里的SRP受體或稱停泊蛋白（dockingprotein）相結(jié)合。SRP受體是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白，由α亞單位（69kDa）和β亞單位（30kDa）組成，它一旦與SRP-核糖體復合體結(jié)合，即可釋放SRP并恢復肽鏈合成。SRP和SRP受體中各有一條肽鏈含有GTP結(jié)合域，通過GTP的結(jié)合與水解引發(fā)的構(gòu)象變化，完成SRP與其受體的結(jié)合-解離循環(huán)。

③SRP受體近旁有核糖體受體和蛋白轉(zhuǎn)移器。蛋白轉(zhuǎn)移器由兩個膜整合蛋白ribophorinⅠ和Ⅱ組成，構(gòu)成一個跨膜通道。當SRP-核糖體復合體與SRP受體結(jié)合時，核糖體即可與其受體蛋白結(jié)合，同時新生肽鏈彎曲插入轉(zhuǎn)移器通道。隨著肽鏈合成的進行，肽鏈逐漸進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，直到羧基端通過，再由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)表面上的信號肽酶將信號肽切除。切下的片段在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)進一步降解為氨基酸。上述過程總結(jié)于圖3.26。（2）轉(zhuǎn)移的多肽鏈整合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的機制。單跨膜蛋白可通過伴翻譯插入與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合。這類蛋白新生肽鏈N-端有信號肽，又有停止轉(zhuǎn)移肽（stop-transferpeptide）或停止轉(zhuǎn)移信號（stop-transfersignal），它也是肽鏈中的疏水片段。信號肽是其開始轉(zhuǎn)移的信號，隨著肽鏈延伸，停止轉(zhuǎn)移肽進入轉(zhuǎn)移器并與其結(jié)合，轉(zhuǎn)移器隨即鈍化停止轉(zhuǎn)位過程。肽鏈合成完成之后停止轉(zhuǎn)移肽就成了跨膜片段，C-端在胞液一側(cè)，N-端在膜內(nèi)側(cè)。如果信號肽在肽鏈內(nèi)部則稱為內(nèi)部開始轉(zhuǎn)移肽（internalstart-transferpertide），它同樣可被SRP識別并引導核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合，然后啟動肽鏈跨膜轉(zhuǎn)位。當內(nèi)部開始轉(zhuǎn)移肽到達轉(zhuǎn)移器時，即保留在脂雙層中形成單一的跨膜α-螺旋。如果內(nèi)部開始轉(zhuǎn)移肽疏水核心之前比其后（羧基端）有更多的帶正電荷的氨基酸，則按羧基端朝向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔插入，氨基端留在胞液面（圖3.27A）。如果內(nèi)部開始轉(zhuǎn)移肽疏水核心之后比其前（氨基端）有更多的帶正電荷的氨基酸，則以氨基端朝向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔插入，把羧基端留在胞液面（圖3.27B）。圖3.27具有內(nèi)部開始轉(zhuǎn)移肽的膜蛋白與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的整合3.4.2.2蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)位進入線粒體和葉綠體

線粒體含有數(shù)百種蛋白質(zhì)，只有極少數(shù)由線粒體DNA編碼，在線粒體內(nèi)合成并從襯質(zhì)一側(cè)嵌入內(nèi)膜。大多數(shù)線粒體蛋白是由核基因編碼的，由細胞質(zhì)中游離的核糖體以前體的形式合成，再運送至線粒體。完成運輸需要前體蛋白帶有運輸信號的特殊肽段，膜上專一的轉(zhuǎn)位復合物以及細胞溶膠和線粒內(nèi)的分子伴侶之間的協(xié)同配合。（1）線粒體前體蛋白的導肽：通過線粒體被膜的蛋白質(zhì)前體N-端有20～80個氨基酸組成的導肽（leadersequence或tragettingsequence。導肽的作用與信號肽相同，但它富含帶正電荷的氨基酸和親水的絲氨酸、蘇氨酸，不含或幾乎不含有帶負電荷的氨基酸（圖3.28）。MLFNLKILLNNAAFRNGHNFMVRNFRCG-QPLQNKMLSLRQSIRFFKPATRT

LCSSRYLLQQ人鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（襯質(zhì)中）酵母細胞色素氧化酶亞基Ⅳ（內(nèi)膜中）酵母孔蛋白（外膜中）MSPPYVSDISRNINDLLNKDFYHATPAAF-DVQTTTANGIKFSLKAKQPVK酵母細胞色素C1（膜間隙中）MFSNLSKRWAQRTLSKSFYSTATGAASKS-GKLTQKLVTAGVAAAGITASTLLYADS-LTAEAMTA圖3.28幾個線粒體前體蛋白N-端的導肽氨基酸序列堿性氨基酸殘基用斜體表示，絲氨酸和蘇氨酸殘基用黑體字表示，箭頭表示切點（2）線粒體膜上的轉(zhuǎn)位復合物：

線粒體兩層膜擁有各自的前體蛋白轉(zhuǎn)位復合物，分別為外膜轉(zhuǎn)位復合物（TOM）和內(nèi)膜轉(zhuǎn)位復合物（TIM）。盡管有關(guān)TOM和TIM復合物的研究主要是用酵母和脈孢菌完成的，現(xiàn)已證實其結(jié)果同樣適用于哺乳動物。TOM復合物至少有8種組分；TIM復合物至少涉及5種組分。這些組分有的具有識別導肽的受體功能，有的構(gòu)成允許前體蛋白通過或嵌入的跨膜通道或通用內(nèi)嵌孔隙（generalinsertionpore,GIP），有的則是定向運輸驅(qū)動系統(tǒng)的組成部分以及分子伴侶。表3.6和3.7列舉了酵母線粒體TOM和TIM復合物已知的組分、功能和對生存的必要性。表3.6酵母線粒體外膜轉(zhuǎn)位復合物的組分組分其它名稱已知的功能對生存的必要性Tom20MOM19,Mas20p表面受體－aTom22MOM22,Mas22p表面受體，可能是通道的組分+Tom70MOM72,Mas70p表面受體－Tom71Tom72表面受體－Tom37Mas37pTom70的輔助蛋白，－Tom40MOM38,Isp42GIP組分+Tom6ISP6p,Mos8b可能是通道的組分，與Tom40與前體蛋白相互作用－Tom7MOM7GIP組分？－Tom5MOM8aGIP組分？？a.不能在非發(fā)酵碳源上生長表3.7酵母線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位復合物的組分組分其它名稱已知的功能對生存的必要性Tim23Mas6p,MIM23輸入通道的組分，依賴ΔΨ的導肽結(jié)合調(diào)節(jié)通道+Tim17MIM17,Sms1輸入通道的組分+Tim44Mpi1p,Isp45與輸入通道結(jié)合，以依賴ATP的方式與mtHsp70結(jié)合；定向運輸驅(qū)動系統(tǒng)的組分+mtHsp70Ssc1pDnaK型分子伴侶；促進襯質(zhì)中蛋白質(zhì)的輸入、折疊、組裝和降解；與Tim44相互作用+MGE1Mge1p,mGropE,Yge1p輔分子伴侶，在大多數(shù)情況下與mtHsp70合作；襯質(zhì)中的核苷酸交換因子+(3)分子伴侶：

細胞溶膠和線粒體襯質(zhì)中的分子伴侶在蛋白質(zhì)前體運輸中發(fā)揮多方面的作用。首先，這些前體從核糖體上合成完畢后，必須與胞液中的Hsp70結(jié)合，防止其錯誤折疊或被降解，使之保持伸展狀態(tài)以便能通過線粒體膜上的孔道。其次，當導肽經(jīng)由通道進入襯質(zhì)時，mtHsp70可識別并與之結(jié)合，通過水解ATP提供驅(qū)動力使前體蛋白不斷地跨膜進入線粒體襯質(zhì)。最后，完全進入襯質(zhì)之后，前體蛋白還要在mtHsp70和mtHsp60等分子伴侶的幫助下切除導肽、正確地折疊和組裝。線粒體前體蛋白的輸入是個需要多種蛋白質(zhì)參與的、多步驟耗能的復雜過程。圖3.29簡要地概括了蛋白質(zhì)輸進線粒體襯質(zhì)（基質(zhì)）的過程。圖3.29蛋白質(zhì)進入線粒體襯質(zhì)示意圖圖示在細胞質(zhì)中合成的帶有N-端導肽的前體蛋白進入線粒體的主要過程與步驟：①與細胞溶膠中的分子伴侶Hsp70結(jié)合，使前體蛋白保持伸展狀態(tài)；②前體蛋白-Hsp70與外膜轉(zhuǎn)位復合物中的受體組分結(jié)合；③前體蛋白橫跨內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位復合物形成的通道，該過程需要跨膜電位；④前體蛋白與mtHsp結(jié)合，利用ATP水解提供的能量驅(qū)動前體蛋白繼續(xù)輸入，并防止其聚集或進行錯誤折疊；⑤與mtHsp70解離，再與mtHsp60結(jié)合，在水解ATP的情況下折疊、組裝至最終成為成熟構(gòu)型；⑥切除導肽，成熟的蛋白質(zhì)保留在襯質(zhì)中。3.4.2.3核質(zhì)運輸（nucleocytoplasmictransport）

細胞核是真核細胞最大的細胞器，DNA的復制、基因轉(zhuǎn)錄、RNA的轉(zhuǎn)錄后加工等重要反應(yīng)均發(fā)生在核內(nèi)，因此是細胞生命活動的控制中心。細胞核各種結(jié)構(gòu)蛋白、染色質(zhì)蛋白、核酸生物合成涉及的各種酶和蛋白質(zhì)因子、基因表達調(diào)控所需的轉(zhuǎn)錄因子輔活化子、輔阻遏子等，都是在細胞質(zhì)合成的，必須運輸入核。另一方面，在核內(nèi)合成和組裝的核糖體亞基、mRNA與蛋白質(zhì)組裝成的信息體（informosome）等要輸出到細胞質(zhì)發(fā)揮作用。還有許多蛋白質(zhì)，如一些分子伴侶、載體、受體和轉(zhuǎn)錄因子等，在細胞質(zhì)與核之間不斷穿梭。因此，核質(zhì)運輸以很高的水平運行，據(jù)保守的估計，在一個生長著的哺乳動物細胞中，每分鐘經(jīng)核質(zhì)運輸?shù)拇蠓肿映^106個。（1）核輸入：

輸入細胞核的蛋白質(zhì)內(nèi)有一段特殊的氨基酸序列作為輸入信號，稱為核定位信號（nuclearlocalizationsignal,NLS）。例如，病毒SV40的TAg蛋白126PKKKRKV132是其NLS的最小單位；核糖體L29和多瘤病毒TAg蛋白的NLS由分開的兩段富含堿性氨基酸的片段組成，它們分別是KHRKHPG……KTRKHRG和VSRKRPRPA……PKKARED。芳烴受體核轉(zhuǎn)位子的NLS除兩段分開的堿性序列外，還需要二者之間的一段酸性序列。迄今已知的NLS都是短序列，一般不超過8～10個殘基；堿性氨基酸（K和R）比例高；在多肽鏈中沒有特定的位點，常在分子表面；在同一蛋白中可多次出現(xiàn)，而且表現(xiàn)出一定的加合效應(yīng)。（2）核輸出：

與核輸入形成對照，輸出的多為巨大的核蛋白顆粒（RNP），如搖蚊幼蟲唾液腺編碼的mRNA（35～40kb）與500多個蛋白結(jié)合，形成50nm的顆粒，轉(zhuǎn)位時打開成為直徑的25nm的顆粒，可能是NPC最大輸出尺寸。對蛋白質(zhì)等大分子上核輸出信號(nuclearexportsignal,NES)所知有限，如UsnRNA上單甲基鳥苷帽子可能是已知的最簡單的NES。馬感染性貧血病病毒（EIAV）Rev蛋白的NES為GPLESGQWCRVLRQSLPE。這些NES常常是接應(yīng)蛋白的結(jié)合部位。已鑒定的輸出素（exportin）為CRM1／CAS,CRM1與NPC的CAN／Nup214相結(jié)合；CAS以一種依賴Ran·GTP的方式與輸入素α結(jié)合。核輸入和核輸出可能的過程見圖3.30。圖3.30核質(zhì)運輸示意圖Ran·GTP在核內(nèi)促進輸出復合物的組裝和輸入復合物的解離。輸出貨物的釋放和使輸入素恢復活性構(gòu)象都需要Ran結(jié)合的GTP水解，細胞溶質(zhì)中的RanBP1和NPC結(jié)合的RanBP2以及RanGAP1可活化Ran的GTPase活性，促進GTP水解。

α-Importin3.4.2.4泡囊運輸（vesicletraffic）

蛋白質(zhì)等生物大分子通過質(zhì)膜進／出細胞（內(nèi)吞／外排），以及經(jīng)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-Golgi器運輸?shù)劫|(zhì)膜和其它內(nèi)膜系統(tǒng)，均需依賴有被泡囊運輸（coatedvesicletraffic）系統(tǒng)（見圖3.24）。泡囊運輸過程可劃分成三個階段：①貨物在供體膜上聚集，膜發(fā)生凹陷，出芽，形成有被小泡；②運輸小泡在細胞內(nèi)定向轉(zhuǎn)移（靶向）；③小泡?？吭谑荏w膜（靶膜）上，拆卸外被，小泡膜與靶膜融合，釋放出內(nèi)涵物，完成貨物運送。泡囊在介導蛋白質(zhì)運輸時保持了膜的不對稱性，出芽時小泡的胞液面就是供體膜的胞液面，與受體膜融合時小泡的胞液面又成了受體膜的胞液面。圖3.31Golgi器結(jié)構(gòu)模式圖圖3.32Golgi器結(jié)構(gòu)模式圖

②接合蛋白或適配素（adaptin）：接合蛋白復合物（AP2和AP1）的功能是促進籠形蛋白三叉輻射體組裝成網(wǎng)格狀籠子。AP2由adaptin-α（～1