《生物物理课1-2.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物物理课1-2.ppt(107页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、生物物理学(第二部分),隋森芳 (2003.11.7),什么是生物物理学?,生物物理学的定义是生物物理学领域几乎每一本教科书都难以回答的问题! 要从物理科学与生物科学之间的关系来认识生物物理学!,生物物理学的核心是生物学!,生物物理学的基本思路是 相互作用(interactions)!,G蛋白偶联受体对腺苷酸环化酶的激活途径示意图,G蛋白介导的跨膜信号传导, Epinephrine binds to a specific receptor., The occupied receptor causes the replacement of the GDP bound to Gs by GTP,
2、activating Gs.,GTP,GDP, Gs (a subunit) moves to adenylate cyclase and activates it.,ATP,cAMP, Adenylate cyclase catalyzes the formation of 3,5-cyclic AMP.,项目切入点,生物物理学(二)的研究对象,生物膜的基本结构特征,膜主要是由脂类(lipid) 和蛋白质以非共价键相互作用结合而成的二维流动体系。 脂类分子呈连续的双分子层(bilayer)排列。 膜具有双亲性(amphipathic nature)。 蛋白质相对于脂双层的不同镶嵌方式。 生物
3、膜中各种组分的分布是高度不对称的。,生物膜的主要功能,它们是把细胞分割成一个个“小室” (compartment) 的物理屏障。 它们具有选择通透性。 它们是“小室”间传递化学信息和能量的介面。 它们为蛋白质的合成、加工与修饰、分选与定位,提供了工作平台和输运载体。,1.对生物膜结构的认识,对生物膜结构的认识,1765年, Benjamin Franklin 将橄榄油倒入Commen池塘中,注意到由风所吹起的水面微波被平息了。 注意到同样数量的油永远覆盖同样大小的面积。 Franklin还计算到(根据油量和面积)油层的厚度是25,而且“它不可能扩展得更薄了。事实证明,用现代方法测定的橄榄油的单
4、分子层的厚度几乎与Franklin当时估算的一样!,对生物膜结构的认识,1902年,E.Overton 发现分子的极性越大,进入细胞的速度越小; 增加分子的非极性基团,分子进入细胞的速度增加; 基于脂溶性物质容易透过质膜,Overton提出质膜是由一层薄的类脂所组成。 - Vjschr. Naturforsch Ges. Zurich 44 (1899)88-98.,对生物膜结构的认识,1917年, Langmuir 发现脂肪酸放在水和空气界面上形成单分子膜 -Langmuir film.,对生物膜结构的认识,1925年,E.Gorter and F.Grendel 从红细胞膜抽提出磷脂,用表
5、面天平测出被抽提出的磷脂铺成单层膜时所占有面积大约是红细胞表面积的2倍。提出双分子类脂层是细胞膜的基本结构。 - J. Exp. Med. 41 (1925) 439-443.,对生物膜结构的认识,1935年,J.F.Danielli and H.Davson 胎鱼卵的脂滴实验: 卵脂滴表面张力低,而纯化后的脂滴表面张力大大提高; 纯化后的脂滴表面吸附蛋白之后,表面张力降低大大提高; 提出两层球蛋白层夹着脂双分子层的三夹层结构(the unit membrane model).,对生物膜结构的认识,1972年,S.J.Singer and G.Nicholson,提出液体镶嵌模型(The fl
6、uid mosaic model): 强调膜结构的流动性 强调膜组分的不对称性 膜蛋白以不同镶嵌方式与膜结合 - Science 175 (1972) 720-731.,对生物膜结构的认识,1977年, M.K.Jain and H.B.White,提出板块模型: 在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。因此,膜平面实际上是由组织结构和物化性质不同的许多板块组成。 膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。 - Adv. Lipid Res. 15 (1977) 1-60.,对生物膜结构的认识,1997年, K. Simons, 细胞膜中的功能
7、化筏(Functional rafts in cell manbrane): 细胞的质膜上存在一些特殊的畴结构域微区。它们富含糖基鞘磷脂,胆固醇和鞘磷脂,4oC不溶于非离子型去污剂TritonX100。 这种特殊的微畴结构域提供了一个可以侧向移动的平台(筏)。一些蛋白选择性地富集于筏上,而另一些蛋白质则排挤出筏。 功能:膜的分选与运输;信号传导等。 - Simons & Ikonen, Nature 387 (1997) 569-572,caveolin,2.生物膜的基本组成,生物膜的基本组成,生物膜的基本组成 (一),细胞质膜 细胞内膜系统 膜与细胞骨架,生物膜的基本组成,细胞质膜 所有细胞
8、的表面都包围着一层膜,在动物细胞中,我们通常将其称为质膜(plasma membrane)。而对于其它生物体,则根据其细胞种类分别称为细胞质膜(cytoplasmic membrane)、表面膜(surface membrane)、原生质膜(plasmalemma)等。 这层质膜构成了细胞质与外环境的反应界面,是细胞对所有的胞外刺激产生最初反应的地方。所有的营养物质都要经过它进入细胞;所有排泄、分泌的分子也要通过它排出细胞。,生物膜的基本组成,细胞质膜 一些非离子小分子如水、尿素、O2、CO2、甘油等,及许多脂溶性分子可以自由通过细胞的质膜。 而葡萄糖(glucose)和氨基酸(amino a
9、cid)等分子的跨膜运输则需要一些特定的膜蛋白形成的转运系统。 离子的跨膜运输也需要专门的转运系统,如,Na+-K+-ATP酶是利用蛋白水解ATP的能量把Na+运出细胞,把 K+运进细胞;Ca2+ATP酶则是把Ca2+泵到胞外。 胰岛素 (insulin) 等多肽类激素可以与质膜外表面的受体蛋白结合,引起膜内表面的响应,然后将信号传递到细胞内。,生物膜的基本组成,细胞内膜系统: 与原核细胞不同,真核细胞具有复杂的内膜系统,即细胞质中有许多膜性细胞器(membrane-bound organelle)。,细胞内膜系统:线粒体 线粒体(mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。线粒体具有
10、高度特异化的两层膜结构,即外膜(outer membrane)和内膜(inner membrane),其直径约1m。 线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porin), 它们穿越磷脂双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小于10kd的分子是自由通透的。 线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristae)状结构,以增加总的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高,按重量计算,蛋白质约占70,脂类约占30。 内膜上的许多蛋白质是与其能量转换功能相关的,一组是呼吸链电子传递酶复合体,其功能是引导电子有序地从一个载体蛋白传递到另一个载体蛋白;另一组是ATP合成酶复合体,用于催化ATP的合成。,细胞内膜
11、系统:溶酶体 溶酶体(lysosome)是细胞内主要的消化系统,内含大量的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷酶等),用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单体。 溶酶体内水解酶的最适pH值为5,这个低pH值微环境是由溶酶体膜上的质子ATP酶维持的。 待水解的生物大分子通过内吞小泡(endocytic compartent)进入溶酶体。 溶酶体酶在粗面内质网中合成,溶酶体在trans Golgi面形成。,细胞内膜系统: 内质网和高尔基体 内质网和高尔基体(Golgi apparatus)的膜将细胞质与其围成的腔隔开。 粗面内质网(rough endoplasmic retic
12、ulum)可能直接与核膜相连, 其细胞质面附着着大量的核糖体,是膜蛋白合成的场所。 滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum)则是合成膜脂的场所, 包括磷脂和胆固醇。滑面内质网与高尔基体的膜上都可以进行蛋白和脂的糖基化。 高尔基体参与蛋白质和脂类的分选与定向运输。 高尔基体还参与蛋白聚糖(proteoglycans)的合成, 参与这些反应的酶也主要集中于trans高尔基体的膜上。,细胞内膜系统: 膜囊泡 细胞内有许许多多的膜囊泡(membrane vesicle),它们主要参与各种各样的运输过程。这些膜囊泡将蛋白和脂类运向细胞内的特定地点,同时,它们还是胞吐作用(e
13、xocytosis)和胞吞作用(endocytosis)的载体。,细胞内膜系统:核膜 真核生物的遗传物质被核膜(nuclear membrane)所包围(细胞处于分裂时除外)。 核膜由内膜与外膜组成。核膜的内外膜是连续的,这一点与线粒体的内外膜分离是不同的。内核膜上连接着染色质(chromatin);外核膜表面结合着核糖体(ribosome),而且其某些区域与内质网(endoplasmic reticulum)膜相连。 核膜上面有核孔。核孔参与调节生物大分子在核基质与细胞质之间的运输。蛋白进入核内是ATP依赖性过程,而且还需要特定的氨基酸定位序列。核孔直径约nm,允许直径9nm以下的分子自由通
14、过, 说明核孔是有一定柔性的。,生物膜的基本组成,膜与细胞骨架:细胞骨架可以稳定细胞膜, 维持细胞形状。Membrane-attached cytoskeletal networks provide mechanical support to plasma membrane. 是维持红细胞耐性及变形性的主要组分。,SDS polyacrylamide-gel electrophoresis the proteins in the human red blood cell membrane,红细胞膜骨架蛋白: 血影蛋白(spectrin) 锚蛋白(ankyrin 膜整合带3蛋白 (Band 3)
15、 血型糖蛋白 (glycophorin) 带4.1蛋白(band4.1) 肌动蛋白(actin),Spectrin molecules from human red blood cells Each spectrin heterodimer consists of two antiparallel polypeptide chains.,Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic side of the human red blood cell membrane,血影蛋白(spectrin)是红细胞中一种主要的膜连接蛋白(membrane-as
16、sociated protein)。已经有证据表明,血影蛋白可能通过三种方式非价键的与质膜结合。 血影蛋白可以通过锚蛋白(ankyrin)与膜整合蛋白带3蛋白(Band 3)连接,从而桥连到膜上。带3蛋白是镶嵌在质膜上的内在蛋白。锚蛋白的N端与带3蛋白结合,其另一端与血影蛋白结合。 血影蛋白还可以通过带4.1蛋白(band4.1)与膜上的血型糖蛋白(glycophorin)连接。 此外,血影蛋白还可以直接与质膜内表面的带有负电荷的丝氨酸磷脂(PS)结合。,正常红细胞的外形呈双凹型, 当病变时,如一些溶血性贫血症,红细胞可呈现异常的形态: 球形(遗传性球形红细胞增多症,hereditary sp
17、herocytosis HS), 椭圆形(遗传性椭圆形红细胞增多症,hereditary elliptocytosis HE), 卵圆形(遗传性卵圆形红细胞增多症,hereditary ovalocytosis HO) 这些病人红细胞形态变化的原因,多是由于先天性膜骨架蛋白缺失或变异所致。,球形,HS (hereditary spherocytosis): spectrin,ankyrin, 椭圆形,HE (hereditary elliptocytosis): spectrin, Band 4.1, glycorin 卵圆形,HO (hereditary ovalocytosis): Ban
18、d 3,整合素蛋白与细胞骨架的结合:很多细胞外基质分子中含有RGD(ArgGlyAsp)序列,这是整合素蛋白的一个通用识别序列。与胞外基质分子的结合,可以引起整合素蛋白的聚集以及细胞骨架的组装。很多胞质蛋白参与了细胞骨架的重组过程,如talin,paxillin,vinculin等,它们可以与整合素蛋白亚基的胞质结构域相互作用,同时又可以与actin纤维结合,将整合素蛋白与细胞骨架连接起来。,A model for how transmembrane linker glycoproteins in the plasma membrane connect intracellular matrix
19、 at a focal contact.,生物膜的基本组成 (二),膜脂 磷脂 糖脂 固醇 膜蛋白,膜脂 细胞中含有两种脂类。一种属非极性脂质,如由脂肪酸与甘油酯化所形成的三酯。它们是一类疏水的脂质,称为真脂。另一类属极性脂质,这种脂质分子具有一个亲水的头部(即极性端)和一个疏水的尾部(即非极性端),具有双亲性(amphipathic或amphiphilic)的特点,这种脂质称为类脂。 生物膜中的脂类,大都是极性脂质,主要包括三种类型:磷脂(phosnholipid)、固醇(sterol)和糖脂(glycolipid)。 l微米l微米面积的类脂双层膜(lipid bilayer)大约有5 10
20、6个类脂分子。,1) 磷脂 含有磷酸基团的脂类称为磷脂。它们是生物膜中最重要的脂类。 磷脂分子都含有亲水的极性头部和疏水尾链。这两部分通过甘油骨架或神经鞘氨醇(sphingosine)骨架相连接,甘油骨架在原核和真核细胞膜中都广泛存在,而神经鞘氨醇骨架则主要存在于动物中。,以甘油为骨架的磷脂 即甘油分子中三个羟基有两个与高级脂肪酸形成酯,另一个与磷酸衍生物形成酯: 其中R1、R2为脂肪酸碳氢链。根据X的成分不同,可以形成不同的磷脂。,(1)磷脂酸胆碱(phosphatidylcholine,PC) 磷脂酸胆碱亦称卵磷脂(lecithin)。它是动物细胞膜中含量最丰富的磷脂,约占膜脂的4050。
21、磷脂酰胆碱有控制动物机体代谢,防止脂肪肝形成的作用 (?)。 (2) 磷脂酸乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE) XCH2CH2NH2 磷脂酸乙醇胺又称脑磷脂(cephalin)。它是细菌细胞膜的主要磷脂,其脂肪酸碳氢链不饱和程度比磷脂酰胆碱高。磷脂酰乙醇胺与血液凝结有关。,(3) 磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI) 磷脂酰肌醇的含量一般为510。它在神经组织(主要在髓鞘)中含量较高。据报道,它在细胞信息传递过程中起着重要的作用。 (4)磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS) 磷脂酰丝氨酸广泛分布于各 类细胞膜系中,但其
22、浓度通 常低于磷脂总量的10。在 中性pH时,带负电荷。,(5) 磷脂酸(phosphatidic acid,PA) XH 磷脂酸在上述磷脂的生物合成中起着关键作用。它分布广泛,以低浓度(占全部磷脂含量的15%)存在许多组织之中。,(6) 磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG) 磷脂酸甘油的含量变化很大,在动物细胞膜系中含量很低,在植物细胞膜中一般高达 2030的含量(叶绿体中为 4060)。革兰氏阳性细菌中则高达 70。它也是二磷脂酸甘油生物合成的前体。,(7) 二磷脂酸甘油(diphosphatidylglycerol,DPG) 二磷脂酸甘油是由二个磷脂酸(phosp
23、hatedc acid)分别与甘油缩合而成,亦称心磷脂(cardiolipin,CL)。 它主要存在于线粒体、叶绿体和许多细菌中, 特别于线粒体内膜。这种磷脂由于只带磷酸基团而带负电荷。,A: PC B: PE C: PS D: PI E: PG F: DPG,以神经鞘氨醇为骨架的磷脂 神经鞘氨醇(sphinogsine)的C2上的氨基(-NH2)与脂肪酸(R)缩合生成神经鞘脂类(sphingolipid), Cl上的羟基与磷酸衍生物(X)缩合即生成磷酸神经鞘脂类(phosphasphingolipid): 若: X磷脂胆碱(PC), 则生成神经鞘磷脂(sphingomyelin, SM ).
24、 若: XH, 则生成神经酸胺(ceramide)。,2) 糖脂 糖脂(glycolipids)广泛分布于动物、植物和微生物细胞的膜系中。它是生物膜中的寡糖与脂质结合形成的一种类脂。糖脂中类脂的极性头部基团是通过糖苷键与糖分予相连,而不是象磷脂那样通过磷酸酯键相连接。生物膜中的糖脂只存在于脂双层的外层表面,一般不超过脂分子的10。 糖脂分为糖鞘脂和甘油醇糖脂两类。,糖鞘脂类(glycosphingolipids) 动物细胞中的糖脂主要以糖鞘脂类的形式存在。这类糖脂包括两个种类, 脑苷类脂和神经节苷脂。 由于糖鞘脂在质膜的外单层含量很高,这就有助于质膜表面通过寡糖链部分与外源配体相互作用,或起着
25、调节蛋白质受体的作用。再者,鞘糖脂可作为胚胎细胞分化的标记物,被其他细胞的表面所识别,这是细胞识别和分化的重要基础。最近,还发现其在蛋白分选中起作用。,糖鞘脂类(glycosphingolipids) (1) 脑苷类脂(cerebroside) 糖分子与神经鞘脂类的末端羟甲基,通过糖苷键相连接,这类糖脂呈电中性。 如半乳糖神经酰胺,它是脑中重要的类脂成分,也广泛分布于哺乳动物细胞膜系中:,(2) 神经节苷脂(ganglioside) 在这类化合物中,与神经鞘脂类相连的部分含有1个或多个唾液酸残基(sialic acid residues), 也称为N乙酸神经氨酸 (Nacetylneurami
26、nic acid,NANA). 神经节甘脂属于酸性糖脂,带负电,主要存在于许多动物细胞,特别是神经细胞的外膜中。它是细胞表面负电荷主要来源。,NANA: sialic acid, Gal: galactose, Glc: glucose, GalNac: N-acetylgalactosamine. Right: the structure of sialic acid ,3) 固醇(sterol) (1) 动物固醇(zoosterol) 胆固醇(cholesterol)是最重要的一种动物固醇。由于胆结石几乎完全是由胆固醇组成的,胆固醇的名称也由此而来。 胆固醇是双亲性分子。其一端带有一个极性
27、亲水羟基,另一端含疏水碳氢链。 胆固醇在哺乳类的质膜中含量丰富。此外,高尔基体膜、溶酶体膜中含量也很丰富。而在内质网膜及线粒体膜中含量少。,(2) 植物固醇(phytosterol) 常见的高等植物细胞膜中的固醇是豆固醇(stigmasterol)和谷固醇(sitosterol),它们分别存在于大豆、麦芽中。植物固醇是植物细胞的重要组分,不能为动物所吸收利用。它们通常在C24上和(或)在 C22上有双键。,胆固醇的确切的生理功能还不十分清楚 ! 已知与生物膜的相行为,流动性,膜的分选与运输。 膜中胆固醇含量与细胞老化(aging)有一定关联。,膜的不对称性,膜组成的不对称性,有些细胞是有极性的
28、,如上皮细胞。 细胞膜的横向不对称性,即内外两个片层的组成不同。 细胞膜的侧向分布的不对称性,即二维平面内膜组分的分布是不均一的。 不同细胞器中脂类组成是不同的。,质膜可划分成不同的功能区,上皮细胞的质膜可划分成形态不同功能区域。 上皮细胞(如肠和肾脏上皮细胞)的质膜被紧密连接(tight junction)分隔为顶生结构域(apical domain) 和基底结构域(basolateral domain)。,膜组成侧向分布的不对称性 Lipid domains,Depending on whether the domains on both surfaces colocalize, four
29、 discrete bilayer thicknesses could be present in these membranes.,Lateral sorting of membrane proteins,膜脂内外分布的不对称性,膜脂内外分布的不对称性,外层 glycolipids Phosphatidylcholine(PC) Cholesterol 内层 phosphatidylserine (PS) phosphatidyl-ethanolamine (PE) phosphatidylinositol (PI),由于脂分子不能自发地在单层与单层之间以适当的速度翻转,这种不对称可能在内质
30、网合成时已经开始了。 脂双层的不对称性有重要的生物学功能!,不同细胞器膜的脂类组成不同,大鼠肝脏,PL:磷脂,C:胆固醇,G:糖脂,其它脂未标记。,不同细胞器膜的磷脂组成不同,大鼠肝脏:PC,PE,SM, PS,PI,CL,不同细胞器膜脂组成特点,质膜:PC,SM,glycolipids, Chol. 线粒体内膜:几乎不含Chol., 富含CL 核膜/ER/线粒体外膜:脂类组成类似 Golgi膜:介于ER与质膜之间,老化过程膜脂的变化,红细胞老化过程膜脂的变化,人红细胞有寿命大约为120天,兔约为20天,狗约为100天。 人红细胞大约每天更新率为21011,细胞存活时间受许多因素影响。 老化红
31、细胞消亡有两条途径:一个是老化细胞自身破溶;另一个是被吞噬细胞含噬。无论是自溶或被含噬都与膜结构的改变有关。 成熟的红细胞在血液中占绝大多数,它们无核、自身无修复能力,易被检测。,红细胞老化过程膜脂的变化,密度梯度离心:老化的红细胞的密度比年轻者高. 老化细胞膜表面抗原的变化. 老化细胞膜渗透脆性高. C/P比值变化:0.780.09 正常 0.960.09 老化 脂双层不对称性:老化过程,PC、PE,SM两侧分布无显著变化,而PS原来几乎全部在内侧,老化后有10翻向外侧。老化细胞的骨架蛋白变化与PS结合松弛,造成PS外翻,同时造成细胞形状改变! 表面电荷:sialic acid, PS.,A
32、ge-dependent changes of sphingomyelin and phosphatidylcholine in human aorta.,Phospholipid and cholesterol content in rat hearts as a function of age.,Alteration of lipid composition during physiological processes, such as aging alteration of lipid composition cholesterol/phospholipids: cholesterol
33、sphingomyelin/PC: sphingomyelin saturated/unsaturated: saturated ,膜蛋白,膜蛋白 1) 膜外周蛋白 2) 通过一段疏水肽链插入脂双层中,从而 抛锚在膜上 3) 膜整合蛋白(膜内在蛋白) 4) 膜外周结构域与特定的糖脂或脂肪酸形 成共价连接将蛋白抛锚在膜上,膜蛋白镶嵌方式,第一类是膜外周蛋白(peripheral membrane proteins, extrinsic membrane proteins) 这些蛋白主要通过静电作用与磷脂的极性头部或其它膜蛋白相结合。适当加大溶液中的离子强度,可以使这一类蛋白从膜上脱落下来(eas
34、ily detached without the use of detergent)。 如细胞色素和ATP合成酶的F1亚基,它们没有疏水片断使之锚定于脂双层。一些胞外基质与细胞膜外表面的结合,以及一些骨架蛋白与细胞膜胞质面的结合都可以属于第一类膜蛋白。,Some proteins exhibit both a solute and a membrane-bound form. 如;谷氨酸脱氢酶 (glutamate dehydrogenase) 属于mitochodrial soluble matrix enzymes 的一种, 在生理条件下结合于线粒体内膜的cardiolipin,活性被抑制
35、。在离子浓度提高时,如NH4+浓度升高,该蛋白从膜上脱下而成为 to activate glutamate formation.,The current sewing machine model SecA binds functionally and with high affinity at sites of SecYEGDF plus acidic phospholipid (Stage 1). This binding of the SecB-preprotein complex activates SecA (Stage 2). ATP binding (Stage 3) drives
36、 the insertion of a 30-kDa domain of SecA into, and partially across, the membrane (Stage 4). This SecA insertion is accompanied by the insertion of a “loop” of about 25aminoacyl residues of the preprotein across the membrane. Hydrolysis of a second ATP are necessary for SecA deinsertion (Stage 5).
37、When SecA is in the deinserted state, it can exchange freely with cytosolic SecA. SecA can rebind to SecYEGDF(Stage 1), associate with the translocation intermediate(Stage 2), and bind ATP (Stage 3) and insert (Stage 4). (J.Biol.Chem,1996, 271, 29514-29516),第二类膜蛋白是通过一段疏水肽链插入脂双层中,从而抛锚在膜上。 目前尚未得到确凿的证据
38、证明这一类蛋白的疏水片断插入膜的外单层中。但实验表明,影响膜功能的一些毒素(如蜂毒素)可能部分插入膜的外表面。,The possible binding models of melittin on the membranes,Bouma等人根据ApoH的晶体结构提出了ApoH的膜结合模型。Bouma等人发现ApoH的第五结构域有一块面积约为2000平方埃的正电区。这一区域含有12个Lys, 1 Arg 和 1 His(图B)。这个正电荷区域与负电磷脂的负电荷相互作用,而Ser311-Ser-Leu-Ala-Phe-Trp-Lys317则插入膜中,Trp316就位于ApoH与膜结合的界面处。,载
39、脂蛋白H的膜结合模型,(A) (B) ApoH在膜表面有两种状态的模型图 (Wang et al. Biophysical. J. 2002),第三类和第四类膜蛋白都是膜整合蛋白(膜内在蛋白),transmembrane protein, integral membrane protein. 膜整合蛋白含有较大的极性氨基酸序列位于胞外或胞浆侧,分别与膜脂的极性头部及细胞内外环境发生相互作用。这些胞外和胞浆结构域通过一条或几条跨过膜脂双分子层的疏水肽段(通常2030氨基酸残基)相连接。其中含有一条跨膜序列的属于第三类膜蛋白,含有多条跨膜序列的属于第四类膜蛋白。,红细胞膜上的血型糖蛋白以及很多膜上
40、的受体都只有一条跨膜序列,属于第三类膜蛋白。,-domain,-domain,Structure of insulin receptor according to Sui et al. (Biochemistry 1988). The distribution of domains of -helical, -sheet, and random-coil structure as predicted by the probabilistic method.,extracellular: 913 a.a. In bilayer: 23 a.a. Cytoplasm : 423 a.a.,一些通道
41、蛋白或离子泵则属于第四类膜蛋白。这类蛋白中,一般含有几段疏水片段,可以多次跨膜。 如红细胞膜上的带3蛋白(Band 3)就是通过七条跨膜片段而形成的阴离子通道蛋白。细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin, bR)是嗜盐细菌的紫膜上光驱动的质子泵,它也有七段跨膜区,膜内的跨膜序列均呈现螺旋结构。 由于跨膜蛋白在膜中有确定的取向,它们呈现出一种功能的不对称性。 这些蛋白只有用适当的去污剂才能从膜上溶解下来。,嗜盐菌(Halobacterium halobium living in saltwater pools where they exposed to a large amount o
42、f sunlight) 的质膜上存在膜片(patch), 称之为紫膜(purple membrane)。 紫膜是一种光能转换膜, 只含有一种蛋白:视紫红质(bacteriorhodopsin BR), 248 a.a., MW 26,000 BR 占紫膜总量的 75。 BR利用光能驱使质子跨膜转移形成重要的电化学梯度,这种电化学梯度存储的能量用于合成ATP。,The structure of one BR molecule and its relationship to the lipid bilayer.,all-trans-retinal* 11-cis-retinal,什么作用使七段螺旋
43、在膜中稳定缔合 连接多肽对bR有稳定作用? No ! 蛋白水解酶的裂解实验表明,连接多肽的裂解并未改变蛋白二维晶体的衍射图样。 极性相互作用可能对bR的稳定性有贡献? Possible! 中子衍射实验表明,各螺旋段的极性基团指向分子内部,极性基团在非极性中的相互作用可能对结构起稳定作用。 偶极作用可使取向反平行的两段螺旋有相互吸引趋势。 脂相的堆积效应? Possible! 几何不匹配诱导的相分离,How freeze-fracture electron microscopy provides images of the hydrophobic interior of the cytoplas
44、mic half of the bilayer (P face) and the external half of the bilayer (E face).,Probable fates of band 3 and glycophorin molecules in the human red blood cell membrane during freeze-fracture.,第五类膜蛋白,这类蛋白的膜外周结构域可以与特定的糖脂或脂肪酸形成共价连接,从而将蛋白抛锚在膜脂双分子层上。 现在发现许多膜结合酶(membrane-bound enzyme),像核酸酶、碱性磷酸酶、乙酰胆碱酯酶、G蛋
45、白等,都是靠一个脂锚(lipid-anchor)连接在膜上的。它们不对称地分布上细胞膜上,催化位点在胞外。这些脂锚可能使蛋白在膜上具有较高的侧向移动能力,但确切的功能特征尚不清楚。,肉豆蔻酸结合蛋白(myristoylated proteins) 蛋白质通过酰胺键(amide linkages)与肉豆蔻酸与(myristic acid, 14:0)结合。 蛋白的N端必须是Gly, 并对与Gly相邻的氨基酸有高度选择,即必须是Asn, Gly, Val, 或Leu。这是由于肉豆蔻酸酰基转移酶(N-myristoyl acyl-transferase NMT)所要求的。 当游离核糖体合成多肽延伸3
46、0-40氨基酸时,氨基肽酶将其第一个(N端)氨基酸(Met)切去,暴露出第二个氨基酸(Gly), 一旦出现Gly, 由NMT作用使多肽链酰化。然后定位在膜上。 由于NMT是ribosome complex 的一部分,故N-myristoylation是伴随蛋白质合成而形成,此过程又称为co-translational N-myristoylation.,co-translational N-myristoylation,棕榈酸结合蛋白(palmitoylated proteins),蛋白通过Cys的-SH与棕榈酸(16:0)形成thiolester(下图a). 由于棕榈酸转移酶位于Golgi内
47、,故该过程又称为post-translational attachment of fatty acid.,糖肌醇磷脂结合蛋白 (glycosyl-phosphatidylinositol anchored proteins GPI-proteins) 蛋白C端与糖脂(肌醇磷脂)相连,以肌醇磷脂中的两个脂肪酸插入脂双层。 肌醇磷脂与氨基葡萄糖相连,再结合3个甘露糖,最后一个甘露糖与乙醇胺相连,通过乙醇胺的-NH2与蛋白质的-COOH以酰胺键相联。 此外,有的GPI-protein还在肌醇基团的第二位羟基上再结合一个棕榈酸插入膜内。,GPI-proteins 结构示意图,肌醇磷脂与氨基葡萄糖相连,再结合3个甘露糖,最后一个甘露糖与乙醇胺相连,通过乙醇胺的-NH2与蛋白质的-COOH以酰胺键相联。 此外,有的GPI-protein还在肌醇基团的第二位羟基上再结合一个棕榈酸插入膜内。,Phospholipids, cholesterol and the core sugars in smooth ER - Prog. Lipid Res. 27:193,1988,GPI-protein的生物合成,几种共价锚定脂的结构,登顶成功,可惜神仙都被一脸幸福地俺们吓跑了。,膜分子生物学 游击队,
链接地址:https://www.31doc.com/p-3357939.html