生物膜的结构与功能

生物膜的结构与功能西北农林科技大学生命科学学院许晓东2015.10Mobile:[phone]E-mail:[e-mail]硕士研究生《高级生物化学》生物膜（biomembrane）包括质膜和细胞内膜，是极性脂与蛋白质组成的片状超分子复合物，具有独特的结构与功能，是细胞结构的重要组成部分。生物膜与生命科学中许多基本理论问题以及一些亟待解决的实际问题相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂、分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和毒物的作用等等。膜系统占细胞干重70-80%本章内容1.生物膜功能概述2.生物膜的化学组成与性质3.生物膜的结构4.物质跨膜运输5.生物膜在能量转换中的功能1生物膜功能概述1.区隔化或房室化（compartmentalization）2.物质的跨膜运输（transport）3.能量转换（energyconversion）4.细胞识别（cellrecognition）……1.区隔化或房室化（compartmentalization）内膜结构将细胞分隔成若干独立空间。在每一个膜包裹的空间聚集着特定种类的生物大分子，共同完成着某一项特定的生命活动。如细胞核主要进行DNA的复制和转录等；而线粒体主要进行呼吸作用，提供能量；溶酶体则负责将一些吸收的或损伤的大分子降解为可以利用的小分子等等。事实上，除了生物膜的区隔化之外，细胞中还有其他的机制使生理途径在空间上隔离开来。SpatialdistributionofRNApolymerase(RNAP)inEscherichiacoli.(A)Underfastgrowth,distinctfociofGFP-labeledRNAPcanbeseen.(B)Uponrifampicintreatment,RNAPdistributionbecomesmorehomogenous.TrendsGenet.2014Jul;30(7):287-972.物质的跨膜运输（transport）生物膜既要防止细胞与环境之间以及细胞内各房室之间的物质自由混合，又要维持各区间物质有控制地交流。3.能量转换（energyconversion）a.线粒体b.叶绿体c.“能势膜”c.“能势膜”示例4.细胞识别（cellrecognition）细胞通过其表面的特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作用，触发细胞内一系列生理生化变化，最终导致细胞的总体生物学效应相应改变，这样的过程称为细胞识别。Fig.2.Cellsurfacelectin–carbohydrateinteractions.Lectinsserveasmeansofattachmentofdifferentkindsofcellaswellasvirusestoothercellsviathesurfacecarbohydratesofthelatter.Insomecases,cell-surfacelectinsbindparticularglycoproteins(e.g.,asialoglycoproteins),whereasinothercasesthecarbohydratesofcellsurfaceglycoproteinsorglycolipidsserveassitesofattachmentforbiologicallyactivemoleculesthatthemselvesarelectins(e.g.carbohydrate-specificbacterialandplanttoxins,orgalectins).BasedonanoriginaldiagramfromBioCarbAB(Lund,Sweden).Glycobiology(2004)14(11):53R-62R.2生物膜的化学组成与性质所有生物膜都具有双亲性，即两侧亲水表面中间夹着疏水的核心。生物膜的所有组分有规则地排列以维持这种双亲结构。生物膜的三种基本组分是：脂类、蛋白质和糖（以糖脂或糖蛋白的形式存在）。2.1膜脂构成生物膜的脂类有磷脂(phospholipids)、糖脂(glycolipids)、类固醇(steroids)等。其中磷脂为主要组分，分布广泛。磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。2.1.1磷脂（phospholipids,PL）甘油磷脂（phosphoglycerides）：鞘氨醇磷脂（sphingophospholipids）：鞘氨醇sphingosine神经酰胺ceramide胆碱Choline鞘氨醇-1-磷酸是一种重要的信号脂类分子。磷脂酰胆碱鞘磷脂甘油磷脂和鞘磷脂的脂肪链长度不同，导致以鞘磷脂为主的双层膜较厚，或鞘磷脂的疏水长链深入膜脂双分子层的两个半叶之间，从而显著地增强膜的刚性和稳定性。天然膜中PC+Sph为常数，年轻组织中PC/Sph1，老化组织中PC/Sph1.磷脂中的脂肪酰链：酯酰基含12-26个碳原子；包含0-5个双键；双键多为顺式构型。顺式构型的不饱和脂肪酸导致分子覆盖面积增大EuropeanJournalofPharmacologyVolume691,Issues1–3,15September2012,Pages1–8Fig.1.PhospholipidhydrolysisbyphospholipaseA2(PLA2)intolyso-phospholipids(Lyso-PL)andfreefattyacids(FFA).Xstandsfor:choline(phosphatidylcholine,PC);ethanolamine(phosphatidylethanolamine,PE);serine(phosphatidylserine,PS);inositol(phosphatidylinositol,PI),hydrogen(phosphatidicacid,PA).Lyso-PLisprecursorofplateletactivatingfactor(PAF).只有一条酯酰基烃链的溶血磷脂（Lyso-PL）呈圆锥体，可能形成非脂双分子层构象，进而调节膜的通透性和流动性。SnakepresynapticneurotoxinswithphospholipaseA2activityblocknerveterminalsinanunknownway.Here,weproposethattheyenterthelumenofsynapticvesiclesfollowingendocytosisandhydrolysephospholipidsoftheinnerleafletofthemembrane.ThetransmembranepHgradientdrivesthetranslocationoffattyacidstothecytosolicmonolayer,leavinglysophospholipidsonthelumenallayer.Suchvesiclesarehighlyfusogenicandreleaseneurotransmitteruponfusionwiththepresynapticmembrane,butcannotberetrievedbecauseofthehighlocalconcentrationoffattyacidsandlysophospholipids,whichpreventsvesicleneckclosure.TrendsBiochemSci.2000Jun;25(6):266-70.PLA2磷脂的电荷特性：极性头由带负电荷的磷酸基与带电或不带电的极性基团组成，决定整个磷脂的电荷特性。磷酸基带负电，胆碱季铵盐带正电，使磷脂酰胆碱在生理pH下呈电中性。生理状态下，磷脂在膜内外分布的不均衡使膜内侧带有额外的负电荷。C激酶作用途径可见磷脂酰肌醇的磷酸化产物在其中扮演的重要角色磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二酰基甘油肌醇-1,4,5-三磷酸一些磷脂还具有重要的生物学活性2.1.2糖脂（glycolipids）糖脂与磷脂有几乎完全相同的结构形式，也是二酰甘油或N-酰基鞘氨醇衍生产物，所不同的是亲水部分是由一系列单糖残基构成。甘油糖脂二酰甘油糖基化产物中性糖鞘脂神经酰胺糖基化产物酸性糖鞘脂膜糖脂分类甘油糖脂糖鞘脂(A)MGDG(monogalactosyldiacylglycerol,单半乳糖二酰基甘油).(B)DGDG(digalactosyldiacylglycerol,双半乳糖二酰基甘油).(C)SQDG(sulfoquinovosyldiacylglycerol,6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油).叶绿体被膜和类囊体膜中含量较高。BiochimieVolume90,Issue6,June2008,Pages947–956甘油糖脂中性糖鞘脂：半乳糖脑苷脂(galactocerebroside)脑苷脂是动植物细胞膜重主要的鞘脂，一般定为于脂双层的外叶酸性糖鞘脂：神经节苷脂(gangliosides,GM)神经节苷脂是最复杂的膜糖脂，约占神经细胞质膜总脂的5-10%。一些神经节苷脂还是某些毒素蛋白（破伤风杆菌和霍乱弧菌的外毒素）的受体。NatCommun.2013;4:2058.doi:10.1038/ncomms3058.肉毒杆菌毒素B与双受体结合的结构糖鞘脂决定了人的血型2.1.3类固醇（steroids）胆固醇(cholesterol)在动物细胞中占总脂可达50%谷固醇(sitosterol)麦角固醇(ergosterol)1918带短链的环戊烷多氢菲构成扁平的疏水部分类固醇是动植物细胞膜的重要组分，对膜的特性产生显著影响。一方面提高膜的刚性和微粘度，另一方面它的烃链固有的运动型又能增加膜的局部微区的无序性，使膜的流动性增加。类固醇对膜的这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽的温度范围（30-40℃）内行使功能。小结：据估计生物膜中的脂类至少有100种，在不同类型细胞的质膜和细胞内膜体系中，各种膜脂的组成和含量各不相同。2.1.4膜脂组织的多态性液晶相凝胶相温度的变化使脂双层在凝胶态和液晶态之间转换六角形相立方体相……JCellBiol.Jun19,2006;173(6):839–844.IdentificationofcubicmembranemorphologiesinTEMmicrographs.TwoexamplesoftheDTCmethod,appliedtoTEMimagesofOSER(adoptedfromSnappetal.,2003).(a)TheoriginalTEMmicrograph(Snappetal.,2003Fig.2c)matchesperfectlytothetheoreticalsuperimposedprojectionsofbalanced(2-parallelsurfaces)gyroidcubicmembranes,asdepictedinb.Asterisksindicateoneofthemulticontinuous,yetdistinct,subvolumesofcubicmembranearchitecture.Adoublediamondprojection(c)matchestheTEMmicrograph(d)adoptedfromFig.7bofSnappetal.,(2003).Thearrowsinaanddindicatethecontinuityofonecubicmembranesubvolume(betweencloselyarrangedbilayers)andthecytoplasm(Cy).Signaturepatternsofthetheoreticalprojectionareindistinguishabletotheelectrondens