生物化學 第十講 Biomembrane Transport-1

§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain

CharlesOverton–研究植物根毛細胞對物質的吸收時，注意到不同的物質進入細胞的速度不同，并且與分子的大小無關，猜想吸收的速度和物質與細胞膜的親和性有關。進一步研究發(fā)現吸收的速度正比于物質在脂的溶解度。得出結論：細胞的邊界由脂構成，并建議含有膽固醇和磷脂酰膽堿。1890′s：認識到細胞膜含脂成分IrvingLangmuir–研究脂的行為，發(fā)現溶解在揮發(fā)性溶劑中的脂分子在水面上排列為單分子層（根據脂的濃度對面積的精確計算）。因此建議，脂分子象磷脂酰甘油一樣是兼性分子，親水的一端指向水分子，疏水的一端背離水分子。1900′s：脂單層技術GorterandGrendel

-解決細胞的邊界由幾層脂分子構成的問題。方法：（1）測紅細胞的面積；（2）提取紅細胞的脂；（3）用Langmuir的方法測這些脂形成的單分子層面積。結果：單分子層的面積是紅細胞表面積的2倍。結論：細胞邊界（至少紅細胞如此）由雙脂分子層構成，親水的頭部朝向水分子，疏水的尾部朝向雙分子層內部。1920′s：確定細胞膜為脂雙分子層HughDavsonandJamesDanielli-研究油－水界面的表面張力時發(fā)現，細胞膜的表面張力總是低于人工膜的表面張力。當把蛋白質加入人工膜時，可降低其表面張力。因此建議蛋白質也是細胞膜的成分，并提出了“三明治”模型。1930′s：提出包含蛋白的“三明治”模型1950s-電鏡出現，觀察到細胞器的膜結構，1960年，J.DavidRobertson綜合各種生物膜的結果，提出“單位膜”一詞，認為所有生物膜都具有三層結構（兩側的蛋白層和中間的脂雙分子層，共約7－8nm）。1950′s：提出生物膜的“單位膜”概念不能解釋不同膜的具有不同的蛋白質與膜脂比列和成分。不能解釋提取的膜蛋白具有不同的形狀和大?。∕odelsuggestsproteinsshouldbe“sheets”）。不能解釋磷脂酶能夠破壞膜的完整性（lipidsshouldbeprotectedifcoveredwithprotein）。不能解釋增加鹽濃度不可以洗去膜上的蛋白（shouldbe,ifattachedbyionicbondsasmodelsuggests）。

單位膜模型的問題1972：FluidmosaicmodelLipids(bilayer)formaliguidcrystalMembranesareasymmetricProteinsformthemosaic：integralandperipheralmembraneproteinsSupportfortheFLUID(1)Frye&Edidin的熒光抗體標記的細胞融合實驗Fluorescencerecoveryafterphotobleaching(FRAP)demonstratesthatbothlipidsandproteinsaremobileinthemembraneSupportfortheFLUID(2)LipidMovementEffectsofsomefactorsonlipidmovementCompositionofsomemembranesMembrane%Protein%Lipid%Carbo-hydrateInnerMitomembrane76222OuterMitomembrane52462BacterialPM60-7040-300-10LiverPM50-6045-355HumanRBCs504010Myelin18793

DecreasingproteinIncreasinglipidVariablecarbohydrateDecreasingfunctionalcomplexityDifferentmembranes:differentlipidsDifferentlipidsintwolayersSupportfortheMOSAIC(1)冰凍蝕刻SupportfortheMOSAIC(2)SupportfortheMOSAIC(3)膜的原子力顯微鏡形貌Integralmembraneproteins

singlespan-helixmultispan-helix-barrelPeripheralmembraneproteins

lipidlinkedlipidboundproteinboundAssociationsofproteinswithmembranelipidlinkedproteinsTheways(topology)of-helixspanningmembraneExperimentstodeterminethetransmembranearrangementofmembraneproteinsHydropathyplots可以預測膜蛋白的跨膜螺旋跨膜蛋白的Trp、Tyr以及帶電氨基酸殘基位置：膜-水界面跨膜蛋白中的β-barrel結構§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain2.

Functionalsummary⑥

Lipidraft&Caveolae特殊功能分區(qū)：線粒體特殊功能分區(qū)：葉綠體易化擴散Na-Kpump協同運輸簡單擴散細胞的物質運輸信號的化學傳導信號的膜電位傳導CertainIntegralProteinsMediateCell-CellInteractionsandAdhesion膜筏是分布在質膜的外葉的微區(qū)(microdomains）結構，可在液晶的海洋中移動，形象地稱為膜筏(lipidraft)；對去污劑的溶解具有一定的抗性，利用此特點可方便膜筏與其他成分的分離。Lipidraft(膜筏)膜筏微區(qū)的結構模型已發(fā)現的角色：膜筏可攜帶與其結合的胞內或外源蛋白象穿梭機(transportshuttles)在細胞膜上往返運動。膜筏可作為分子分選機

(molecularsortingmachines),在質膜的一些區(qū)域參與信號轉導的時空序列調控。膜筏可以作為各種病源，包括病毒、細菌及其毒素侵入細胞內的入口(portalsofentry)。膜筏也是朊蛋白(PrPSc)及Alzheimer’sdisease的β淀粉樣肽的多發(fā)位點

(preferentialsites)。膜筏的作用膜筏在HIV感染中的作用膜筏在朊病毒傳播中的作用monensinmonensin(鞘脂)(膽固醇)Caveolae(膜穴)：specialmembraneraft小窩蛋白Caveolae(膜穴)的形成MembraneFusionIsCentraltoManyBiologicalProcessesFusioninducedbythehemagglutinin(HA)proteinduringviralinfection§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain早在1854年，對細胞學的創(chuàng)立做出決定性貢獻的德國病理學家魏爾嘯（Virchow，RudolphCarl1821～1902）就發(fā)現，神經細胞髓聚脂溶液具有偏光性，這本是液晶的重要特征之一。1933年，法拉第液晶討論會上，生物結構的液晶性質被正式提出來討論。1965年，在肯特（Kent）召開的第一屆國際液晶會議上，生物液晶已被列為正式議題。1974年，在斯德哥爾摩召開的第五屆國際液晶會議上，生物膜與溶致液晶被正式聯系在一起進行討論。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論生物液晶研究的起點是關于紅血球的形狀問題。固體與液面的形狀始終都是凝聚態(tài)物理的難題！1901年，伍爾夫（Wulff）曾利用表面能極化變分確定晶體表面形狀。60年代又得到了伍爾夫定理對二維晶體的嚴格證明，但對三維晶體的證明至今未能解決。雖然液面形狀方程，H（平均曲率）=Δp（界面兩側滲透壓差）/2γ（表面張力）早在1806年就由拉普拉斯給出，但是關于肥皂泡的球面解唯一性的嚴格證明，直到本世紀50年代才由前蘇聯幾何學家亞歷山大洛夫完成。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)WhydoesRBCshapelikethis?內質網、高爾基體等細胞器的形狀？3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1965年，Murphy把雙凹的成因歸結為膜中膽固醇的分布不均——軸心部分的膽固醇少于外周，所以“碟的”的邊緣有較大的內應力而外凸彎曲，而中部應力較小而內凹平坦。但實驗發(fā)現膽固醇在膜上的分布卻是均勻的。1968年，馮元楨與湯（Tong）曾從薄殼力學角度，給出了紅血球的計算模型。這個模型類似兩個彈性薄殼包住各向同性液體的“三明治”，為使薄殼呈向內凹狀，必須假定薄殼厚度是不均勻的，然而這個假設與顯微鏡的觀察并不一致。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1968年，羅佩茲（Lopez）等人從電學角度做了解釋，認為向內雙凹的原因是中間膜部分帶電與四周不同的結果。但Greer和Baker（1970）的測量表明膜帶電是均勻的。1969年，史里瓦斯塔夫（Shrivastav）和布頓Button）又假定紅血球膜的相向部分，存在有某種長程力，中間的雙內陷正是這種引力的結果。這個說法又被電鏡的檢驗否定。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory:

1970年，加拿大一位生物力學家卡恩漢（Can－h(huán)an）從彈性勢能最小狀態(tài)提出了一個數學模型。他令H為膜面平均曲率，膜面彈性勢能E=∮(2H)2dA應呈最小值，由此經過計算機模擬，恰好得到雙凹碟形狀態(tài)。然而，在1976年，有人否定了這一結果，因為可以證明，杠鈴狀也能滿足表面膜彈性勢能最小值的要求，可是這種形狀的紅血球卻從未見到過。由此，紅血球的形狀成為一個長期懸而未解之謎。3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)其中H與K分別為膜面的平均曲率與高斯曲率，△p及λ則是膜內外滲透壓差及膜表面張力，

及

是液晶的彈性系數及其與膜厚度的乘積。理論推得k與k的數量級為10-11爾格，已被實驗證實.Answersinhistory積分方程3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory微分方程對F進行變分，細胞或人工生物膜的形狀便由下列的曲面方程(Ou-Ying,Helfrich,1987)所描述。方程中是曲面的拉普拉斯算符，而c0是Helfrich自曲率常數，與膜的生物功能有關.3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory上述微分方程有形如紅細胞形狀的解圖2：紅細胞的形狀3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Answersinhistory3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：環(huán)形解3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：環(huán)形解Helfrich理論的發(fā)展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)Helfrich理論的發(fā)展：手征生物膜3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論(ctnd)3.Liquidcrystalfeature—紅細胞形狀的液晶理論生物膜的各種形狀唯一由液晶理論決定嗎？細胞、各種細胞器的形狀是怎樣維持的？蛋白質參與生物膜形狀的產生和維持嗎？4.BARdomain--生物膜形狀感受器§10Biomembrane&Transport§10.1Introduction§10.2Passivetransport§10.3

ActivetransportComposition&StructureFunctionalsummaryLiquidcrystalfeatureBARdomain問題的由來BAR結構域蛋白家族BAR結構域的結構特征BAR結構域的機制BAR結構域蛋白與小G蛋白BAR結構域蛋白理論問題的由來（1）明顯的事實：在生物膜行使的生命活動過程中，如膜泡運輸、出芽、內吞、融合等，蛋白質發(fā)揮著重要作用。很多報道，體外向磷脂雙層膜加入某些蛋白，能促進膜的成管或成泡作用。解釋1:蛋白質疏水基團（部分）插入雙層膜的一葉（leaflet）增加該葉的表面積促進膜的自發(fā)彎曲。解釋2:當某些膜結合蛋白，如clathrin、COPI、COPII等，聚合形成coat

或cage時能使膜彎曲（如內吞泡等）。

問題的由來（2）BARDomainsasSensorsofMembraneCurvature:theAmphiphysinBARstructureScience303,495-499，2004.解釋3問題的由來（3）BAR結構域蛋白家族BAR:bin,amphiphysinandRvs161/167Bin:bridgingintegratorAmphiphysin:雙親蛋白Rvs161/167：逆轉錄病毒蛋白以上三類都屬于Amphiphysin蛋白家族BAR結構域的結構特征(1)BARdomainsarefrequentlyN-terminalsequencesandarecalledN-BARdomains.banana-shapeddimer.acoiled-coilofthreelongkinkeda-helices,formingasix-helixbundlearoundthedimer.ThehydrophobicresiduesarelargelyplacedattheinterfacebetweentheMonomers.theconcavesurfaceofthedimerhasseveralpatchesofpositivelychargedresiduesandtheflexibleloopbetweenhelices2and3foundattheextremeendsofthedimerisstronglybasic.BAR結構域的結構特征(2)BAR結構域的結構特征(3)BAR結構域的機制（1）BARBendsmembranetotubeorvesicle.BARisacurvaturesensorofmembrane.Theconcavesurfaceofthedimerinteractswithphospholipidmembranes.BARwillinducecurvatureonlyiftheelectrostaticbindingenergyisgreaterthantheenergyrequiredtobendthemembrane.BARdomainstendtopolymerization.BARdomainsarefrequentlyfoundincombinationwithotherlipidbindingdomains(e.g.PH,pleckstrinhomology;PX