1、,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2015.10,Mobile:15339264581E-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,生物膜功能概述生物膜的化学组成与性质生物膜的结构物质跨膜运输
2、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）能量转换（energy conversion）细胞识别（cell recognition）,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
3、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。,Spatial distribution of RNA polymerase(RNAP)in Escherichia coli.(A)Under fast growth,distinct foci of GFP-labeled RNAP can be seen.(B)Upon rifampicin treatment,RNAP distribution becomes more homogenous.Trends Genet.2014 Jul;30(7):287-97,2.物质的跨膜运输（transport）,生物膜既要防止细胞与环
4、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（energy conversion）,a.线粒体,b.叶绿体,c.“能势膜”,c.“能势膜”示例,4.细胞识别（cell recognition）,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.Cell surface lectincarbohydrate interactions.Lectins serve as means of attachment of d
5、ifferent kinds of cell as well as viruses to other cells via the surface carbohydrates of the latter.In some cases,cell-surface lectins bind particular glycoproteins(e.g.,asialoglycoproteins),whereas in other cases the carbohydrates of cell surface glycoproteins or glycolipids serve as sites of atta
6、chment for biologically active molecules that themselves are lectins(e.g.carbohydrate-specific bacterial and plant toxins,or galectins).Based on an original diagram from BioCarbAB(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
7、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
8、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,Fig.1.Phospholipid hydrolysis by phospholipase A2(PLA2)into lyso-phospholipids(Lyso-PL)and free fatty acids(FFA).X stands for:choline
9、(phosphatidylcholine,PC);ethanolamine(phosphatidylethanolamine,PE);serine(phosphatidylserine,PS);inositol(phosphatidylinositol,PI),hydrogen(phosphatidic acid,PA).Lyso-PL is precursor of platelet activating factor(PAF).European Journal of PharmacologyVolume 691,Issues 13,15 September 2012,Pages 18,只有
10、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。,Snake presynaptic neurotoxins with phospholipase A2 activity block nerve terminals in an unknown way.Here,we propose that they enter the lumen of synaptic vesicles following endocytosis and hydrolyse phospholipids of the inner leaflet of the mem
11、brane.The transmembrane pH gradient drives the translocation of fatty acids to the cytosolic monolayer,leaving lysophospholipids on the lumenal layer.Such vesicles are highly fusogenic and release neurotransmitter upon fusion with the presynaptic membrane,but cannot be retrieved because of the high
12、local concentration of fatty acids and lysophospholipids,which prevents vesicle neck closure.Trends Biochem Sci.2000 Jun;25(6):266-,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
13、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。膜糖脂分类,甘油糖脂,糖鞘脂,MGDG(monogalactosyl diacylglycerol,单半乳糖二酰基甘油).DGDG(digalactosyl diacylglycerol,双半乳糖二酰基甘油).SQDG(sulfoquinovosyl diacylglycerol,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。,Biochim
14、ieVolume 90,Issue 6,June 2008,Pages 947956,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。,Nat Commun.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
15、固醇(cholesterol)在动物细胞中占总脂可达50%,谷固醇(sitosterol),麦角固醇(ergosterol),1819,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
16、使脂双层在凝胶态和液晶态之间转换,六角形相 立方体相,J Cell Biol.Jun 19,2006;173(6):839844.,Identification of cubic membrane morphologies in TEM micrographs.Two examples of the DTC method,applied to TEM images of OSER(adopted from Snapp et al.,2003).(a)The original TEM micrograph(Snapp et al.,2003 Fig.2 c)matches perfectly t
17、o the theoretical superimposed projections of balanced(2-parallel surfaces)gyroid cubic membranes,as depicted in b.Asterisks indicate one of the multicontinuous,yet distinct,subvolumes of cubic membrane architecture.A double diamond projection(c)matches the TEM micrograph(d)adopted from Fig.7 b of S
18、napp et al.,(2003).The arrows in a and d indicate the continuity of one cubic membrane subvolume(between closely arranged bilayers)and the cytoplasm(Cy).Signature patterns of the theoretical projection are indistinguishable to the electron density pattern of the TEM micrographs.The simulated project
19、ions are generated from sections with a thickness of 1/4 of a unit cell,viewed along the direction 36,30,17 for gyroid(b)and 28,16,5 for double diamond-type(c).The unit cell is the smallest structural unit that possesses the symmetry and properties of cubic membranes.Bars:(a)100 nm;(d)160 nm.,2.2 膜蛋
20、白,不同生物膜中蛋白质的种类和数量有很大差异（髓鞘膜25%，细胞质膜50%，线粒体内膜75%）。生物膜的功能主要由膜蛋白承担。膜蛋白和膜脂分子共同 维持膜的完整性、多样性和不对称性。,膜蛋白的功能不仅取决于自身固有的结构，生物膜构成的特殊环境对膜蛋白形 成并保持正确的构象起着不可或缺的作用。,按照膜蛋白与脂双层结合的方式，膜蛋白可分为：整合蛋白（1、2）外周蛋白（5、6）锚定蛋白（3、4）,2.2.1 整合(integral)蛋白或内在(intrinsic)蛋白,主要靠疏水力与膜脂相结 合。有的部分嵌在脂双层 中（占少数），有的横跨 全膜（一次或多次，占多 数）。膜内在蛋白不易分离，只 有用较
21、剧烈的条件（如去 垢剂、有机溶剂和超声波 等）才能把它们溶解下来。,Inside,Outside,一个典型的一次穿膜蛋白 黄色和绿色是疏水氨基酸每次跨膜螺旋由20-30个氨基酸残基组成3-4.5nm,氨基酸序列疏水性分析 其结果与穿膜区域吻合,其他跨膜结构,-桶（孔蛋白）,兼性-螺旋构成的亲水通道,2.2.2 外周(peripheral)蛋白或外在(extrinsic)蛋白,分布于膜的脂双层（外层或内层）的表面，通过静电力或 非共价键与其他膜蛋白相互作用连接在膜上。膜周边蛋白质比较易于分离，通过改变离子强度或加入金 属螯合剂即可提取。,红细胞中的骨架膜蛋白,2.2.3 脂锚定(lipid-an
22、chored)蛋白,脂锚定蛋白(lipid-anchored)又称脂连接蛋 白(lipid-linked protein)，通过共价健的方 式同脂分子结合。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另 一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是 通过一个糖分子间接同脂结合。,目前已知有4种常见的脂锚定蛋白：棕榈酰结合蛋白豆蔻酰结合蛋白 异戊烯基化蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白,棕榈酰结合蛋白(palmitoylated proteins)肽链C-末端附近的Cys-SH残基与棕榈酰以硫酯键结合，极 少数为肽链N-末端的Gly残基的氨基以酰胺键与棕榈酰结 合。,Intracellular pa
23、lmitoylationdepalmitoylation cycle of H-Ras and N-Ras.Both H-Ras(red)and N-Ras(purple)can become palmitoylated in the Golgi apparatus by a transmembrane Palmitoyl-Acyl-Transferase(PAT).Palmitoylated H-Ras and N-Ras then traffic toward the plasma membrane using vesicular transport.Palmitoylated H-Ras
24、 can translocate to lipid rafts whereas palmitoylated N-Ras typically becomes enriched in lipid raft boundaries.The action of an Acyl Protein Thioesterase(APT)depalmitoylates H-Ras and N-Ras which can traffic in a retrograde manner toward endomembranes and the Golgi apparatus where they become repal
25、mitoylated(please see text for details).,Ras:All Ras protein family members belong to a class of protein called small GTPase,and are involved in transmitting signals within cellsBiochimica et Biophysica Acta(BBA)-BiomembranesVolume 1808,Issue12,December 2011,Pages 29812994,豆蔻酰结合蛋白(myristoylated prot
26、eins)豆蔻酰结合于蛋白质的N-末端，要求蛋白质N-末端必需有 特定的氨基酸序列(1Gly-5Ser/Thr)。,豆蔻酰化不可逆。可以磷酸化，磷酸化是可逆的。,Myristoylation plays a vital role,in membrane targeting and signal transduction in plant responses to environmental stress.,In signal transduction via G,protein,palmitoylation of the subunit,prenylation of the subunit,a
27、nd myristoylation is involved in tethering the G protein to the inner surface of the plasma membrane so that the G protein can interact with its receptor.,Cell.Signal.Vol.8,No.6,pp.433-437,1996,异戊烯基化蛋白(prenylated proteins)蛋白质C-末端的-CaaX（C：Cys，a：脂肪族氨基酸，X：Ser/Met/Gln）序列中的Cys残基以硫醚键共价连接法尼基 或牻牛儿牻牛儿基。之后，aa
28、X被蛋白酶切除，新生成的 羟基被甲基化。,Post-translational prenylation of eukaryotic proteins.Proteins that contain a C-terminal CaaX motif are recognized by prenyltransferases(FTase,GGTases I and GGTase II).The X residue of the CaaX motif determines the prenyl group to be linked to the conserved cysteine residue:Ala,
29、Ser,Cys or Gln lead to farnesylation by FTase,whereas for Leu or Val,geranylgeranyl is linked to the CaaX motif by GGTase I.Moreover,when X is Thr,Ile,Phe or Met,the protein may be modified by both GGTases.After addition of a prenyl group in the cytoplasm,the aaX tripeptide is cleaved in the ER by R
30、CE1 protease,which is followed by addition of a methyl group to the prenylated cysteine by the enzyme IcmT.The prenylated protein is subsequently targeted from the ER to specific membranes.,Trends in Microbiology,Volume 19,Issue 12,573-579,11 October 2011,CaaX protein S-farnesylation and S-geranylge
31、ranylation(top).Rab protein dual S-geranylgeranylation(bottom).,G-蛋白中的异戊烯基化 Cell.Signal.Vol.8,No.6,pp.433-437,1996,糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-Pr）此类蛋白完全定位于细胞质膜的外表 面，它们的C-末端氨基酸通过酰胺键 与磷酸乙醇胺相连。,Prion Attached to Membrane by GPI AnchorImage Courtesy:Nature Reviews Microbiology 4,765-777(October 2006),Prion Protein,
32、2.3 膜糖,质膜含糖约占膜重2-10%，多为糖蛋白，少数为糖脂。（红细胞质膜 中，糖蛋白为93%，糖脂为7%）构成生物膜寡糖的单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、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。生物膜上的糖类 几乎都定位于膜 的非胞浆面，在 质膜外侧形成细 胞外被或糖萼。,糖萼（glycocalyx）,The gp120 molecule with the,location of the variable regions marked in boxes(V1V5).The glycosylation sites containing high man
33、nose-type and/or hybrid-type oligosaccharide structures are indicated by the branched structures,and glycosylation sites containing complex-type oligosaccharide structures are indicated by the U-shaped branches.Epitopes in gp120 that induce neutralizing antibodies are highlighted in colour.These include the highly conformational CD4-binding domain(key epitopes highlighted in yellow),the CD4-induce
