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Membrane Biophysics

Membrane Biophysics. 尹长城 北京大学医学部生物物理学系. Membrane Biophysics. 参考书： 林克椿、吴本玠主编：医学生物物理学 北京大学医学出版社 2004 隋森芳 编著：膜分子生物学 高等教育出版社 2003 实验室网页： http://medicine.bjmu.edu.cn//20041027/column/1018.htm. 引言. 什么是膜生物物理学 (membrane biophysics)? 膜生物物理学是研究生物膜结构、物理化学性质和生物膜功能的物理化学本质的学科 内容

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Presentation Transcript

  1. Membrane Biophysics 尹长城 北京大学医学部生物物理学系

  2. Membrane Biophysics • 参考书： • 林克椿、吴本玠主编：医学生物物理学 北京大学医学出版社 2004 • 隋森芳 编著：膜分子生物学 高等教育出版社 2003 • 实验室网页：http://medicine.bjmu.edu.cn//20041027/column/1018.htm

  3. 引言 什么是膜生物物理学 (membrane biophysics)? • 膜生物物理学是研究生物膜结构、物理化学性质和生物膜功能的物理化学本质的学科 • 内容 • 脂质聚集体的结构和物理化学性质 • 生物膜的模型研究 • 蛋白质的三维结构 • 生物膜的结构

  4. 1. 脂质及脂质聚集体

  5. 什么是脂质 (lipids)? • 脂质是一类脂肪类物质 • 脂质是生物膜的重要成分 • 脂质是形成生物膜的基础 • 脂质相互作用遵从物理化学规律

  6. 1. 1 膜脂质的类型 • 磷脂 (phospholipid) • 甘油磷脂 (glycerophospholipids) • 鞘磷脂 (sphingomyelin) • 糖脂 (glycolipid) • 类固醇 (steroid)

  7. 甘油磷脂的一般结构式 • R1, R2为脂肪 烃链 R1一般为不饱和 R2一般为饱和 • X为极性基团 (GPL)

  8. PC 甘油磷脂 glycero-phospholipids • 是细胞膜的主要成分 • 存在于所有生物中 • 形成生物膜的骨架 PE CL PS PG PI

  9. 鞘氨醇 鞘磷脂 (SM) • 鞘磷脂主要存在与动物的脑， 神经，血液中 • 植物及微生物细胞中很少 神经酰胺

  10. 鞘磷脂和甘油磷脂的区别 GPL SM • 骨架 • 甘油磷脂：甘油 • 鞘磷脂：鞘氨醇 • 碳氢链 • 甘油磷脂：长度近似相等; 一条饱和，一条不饱和 • 鞘磷脂：一长一短；两条都为饱和 • 氢键 • 甘油磷脂：受体，只能用氢键形成3分子聚集体 • 鞘磷脂：既可作受体，亦可作供体，可用氢键形成分子网络 氢键供体 氢键受体

  11. 糖脂 (glycolipid) • 动物细胞中主要是鞘糖脂 • 由神经酰胺 (ceramide) 糖基 化形成 • 糖脂仅存在于质膜外表面 • 糖脂起信号识别的作用 • Gal = 半乳糖 • Glc = 葡萄糖 • GalNAc = 乙酰氨基半乳糖 • NANA = 唾液酸 • 唾液酸带负电，是细胞膜 • 表面电荷的主要来源

  12. 胆固醇 (cholesterol)

  13. 脂质分子的双亲性

  14. 脂质分子的形状

  15. 脂质分子理化性质的意义 • 脂质分子的双亲性决定了其在水中以聚集形式存在 • 脂质分子的形状决定其以何种聚集方式存在

  16. 1.2 脂质的聚集状态-相行为 • 相的概念：物质的不同聚集状态 • H2O: 固态-冰，液态-水，气态-蒸汽 • 不同相态具有不同物理化学性质 • H2O：固态-不能流动，液态-流动，气态-随机扩散 • 物质从一种聚集状态转变成另一种聚集状态称为相变 (phase transition) • H2O: 固态（冰） 液态（水）  气态（蒸汽）

  17. 如何测量相变? • 不同相中分子具有不同的势能 • 运动能力越强势能越高： • 气态﹥液态﹥固态 • 相变伴随能量变化-热量吸收 • 通过测量热量吸收可观察相变 • 测量方法-微分热分析

  18. 微分热分析differential thermal analysis (DTA) • DTA原理： 样品对照 同时△ 无相变 发生相变   △T ＝ 0 △T ≠ 0 通过纪录 △T -T 曲线即可测定相变

  19. 1.2.1 无水脂质的相变

  20. 1.2.2 含水脂质的相变 • 含水脂质的相变温度低于无水脂质 • 含水脂质相变的测定-微分扫描量热 • 含水脂质相结构的测定-X射线衍射

  21. 相变和水化程度的关系

  22. 微分扫描量热differential scanning calorimetry (DSC) • DSC原理： 样品 对照 同时△ 无相变 发生相变  △T ＝ 0 △T ≠ 0 供能 (△H) △T ＝ 0 通过纪录△H-T曲线即可测量相变

  23. X-射线衍射X-ray diffraction • 当分子在空间按照一定周期有序排列时，形成晶体 (crystal) • 晶体由晶面组成，晶面对X-射线有反射作用（如同镜面对光有反射作用） • 来自于同一晶面上任意两点的反射线同相，而来自于不同晶面的反射线可能同相，也可能不同相 • 当来自于不同晶面的反射线同相时，反射线由于相干而加强，产生衍射 (diffraction) 现象

  24. 由图可见 由晶面A和镜面A'反射线的光程差为 根据光学，当光程差为波长的整数倍时，反射线由于相干而加强，即 n = 1,2,3…… 此即Bragg 定律，它给出了给定X-射线波长和反射晶面间距d所允许的反射角 产生衍射的条件

  25. 热致相变 • 磷脂聚集体由于温度变化而引起的相变 • 磷脂聚集体一般有两个相变 • 无水: Tm-磷脂头部集团间静电相互作用消失，磷脂聚集体由固体转变成液体，因此Tm亦称熔点 • 含水: Tt-磷脂烃链旋转异构化，一般称之为有序-无序或凝胶(gel phase, L)-液晶(liquid crystalline phase, L)相转变

  26. 凝胶-液晶相转变 DSC L phase L phase

  27. 凝胶-液晶相转变的后果 • 脂肪酰链构像发生变化 全反式 (all trans)  歪扭式 (gauche) • 磷脂分子间距离增加 0.42nm0.46nm • 脂双层厚度减小 4.5nm3.9nm (diC16:0PE)

  28. 凝胶-液晶相转变的后果 • 膜流动性增加 • 在液晶态，脂分子可在膜平面内扩散，旋转 • 在凝胶态，脂分子处于类似于固体状态，分子的运动受到限制

  29. 磷脂名称 Tt Tm 电荷（pH =7） DMPA (diC14:0PA) 51 -1 DPPA (diC16:0PA) 67 -1 DLPG (diC12:0PG) 4 -1 DMPG (diC14:0PG) 23 -1 DPPG (diC16:0PG) 41 -1 DSPG (diC18:0PG) 55 -1 DOPG (diC18:1PG) -18 -1 DMPE (diC14:0PE) 49.5 198 部分负电荷 DPPE (diC16:0PE) 60 198 部分负电荷 DMPS (diC14:0PS) 38 -1 DPPS (diC16:0PS) 51 -1 DLPC (diC12:0PC) -1.8 230 0 DMPC (diC14:0PC) 23 230 0 DPPC (diC16:0PC) 41 230 0 DSPC (diC18:0PC) 55 230 0 DOPC (diC18:1PC) -22 230 0 一些磷脂的相变温度

  30. PE的Tt与链长和双键数目的关系

  31. 磷脂的相变温度 • 熔点Tm只与头部基团的性质有关，与烃链的长度无关 • 凝胶-液晶相变温度Tt既与头部基团的性质有关，亦与烃链的长度和双键的数目有关 • 头部越大，Tt越低 • 烃链越长，Tt越高 • 双键越多，Tt越低 • 生物膜中的鞘磷脂都是饱和磷脂, Tt=37-41 °C • 生物膜中的甘油磷脂都是不饱和磷脂, Tt <0 °C

  32. 溶致相变 • 磷脂聚集体在恒温条件下由于水分增加而引起的相变 X-射线衍射分析表明 • 磷脂水化时，磷脂聚集体膨胀，厚度增加，到一定程度，到达极限 (37 °C, DMPC ~21%)。 • 磷脂水化时，脂双层厚度降低。对DMPC, 当水分由10%21%时，脂双层的厚度由4.4nm 3.55nm。 • 磷脂水化时，磷脂表面积增加。对DMPC, 当水分由10%21%时，磷脂的表面积由0.5nm2 0.622nm2。

  33. 1.3 膜上分子的运动 侧向运动 翻转运动 摆动 旋转运动

  34. 烃类化合物的构象 二面角

  35. 烃类化合物的构象

  36. 1.3 膜上分子的运动 1.3.1 链内旋转异构化运动 • 脂类的烃链可绕C-C间自由旋转，产生旋转异构体 • 当烃链骨架上连续4个碳原子形成的二面角=180°，为反式构象（trans-, t-构象） • 当=+60°，为正歪扭构象（gauche+-，g+-构象）；当=-60°, 为负歪扭构象（gauche--，g--构象） • 当=0°，为顺式构象（cis-, c-构象）

  37. 1.3.1 链内旋转异构化运动 • 烃链的旋转异构化运动是脂双层流动性的分子基础 • 各种构象的能量：顺式 ﹥歪扭式﹥反式 • 烃链处于反式构象时，链间的距离最近，相互作用最强，形成有序的晶态脂双层结构，此时膜流动性最低。 • 烃链处于歪扭式构象时，烃链的弯折破坏了链间的有序排列，链间的距离增大，相互作用减弱，脂双层的有序性降低，膜流动性增加。

  38. 旋转异构化的测定 • 旋转异构化的能量变化在振动能量范围之内 • 旋转异构化可用振动光谱分析 • 拉曼光谱 • 红外光谱

  39. 磷脂的拉曼 (Raman) 光谱

  40. 磷脂的拉曼 (Raman) 光谱 • 烃链区的振动模式 • -C-C-伸缩模式：1000-1150 cm-1 • -C-H-伸缩模式：2800-2900 cm-1 • 谱线归属 • -C-C-伸缩模式 • 反式构象：1064 cm-1，1129 cm-1 • 歪扭式构象：1100 cm-1 • -C-H-伸缩模式 • -CH2对称伸缩：2847 cm-1 • -CH2反对称伸缩：2882 cm-1

  41. 磷脂的拉曼 (Raman) 光谱 • 谱线的强度（面积）与振动模式的几率成正比 • 谱线强度的比值Igauche/Itrans代表烃链有序度的信息 • Ig/It比值越大，烃链有序度越低，脂双层流动性越高 • 谱线强度的比值I2882/I2847代表烃链侧向相互作用的信息 • I2882/I2847比值越小，分子链间的有序性越低，脂双层流动性越高 例：DMPC, DPPC, DSPC

  42. 磷脂的拉曼 (Raman) 光谱

  43. 1.3.2 膜内分子的扩散运动 1.3.2.1 理论描述 • 生物膜是液晶态的流体，遵从流体力学规律 • 流体运动的快慢可用扩散系数D来描述 • 对于二维的各向同性系统 • 侧向扩散 • 旋转扩散 式中， 为均方位移， 为均方转角，t 为时间

  44. 扩散方程 • 侧向扩散 • 旋转扩散 r为旋转驰豫时间。对半径为r的球形分子 为介质的粘滞系数

  45. 1.3.2.2 脂质和蛋白质在膜上的运动 • 侧向扩散 (lateral diffusion) • 脂质：DL为 1  10-8 cm2/s • 蛋白质：DL= 1  10-8 —1  10-10 cm2/s • 小蛋白：DL为 1  10-8 cm2/s • 大蛋白：DL为 1  10-10 cm2/s • 旋转扩散 (rotation) • 脂质：Dr为 1  10-8 cm2/s • 翻转运动(flip-flop): 从脂双层的一侧运动到另一侧 • 脂质：104-105s (数小时-数天) • 蛋白质：不发生 (why?)

  46. 1.4 脂质的聚集方式 1.4.1 脂质的多型性 • 1968年，Luzzati 等用X-射线衍射发现 • 脂质结构不同 • 实验条件不同 脂质在水中可以多种聚集状态存在，称为脂的多型性 (lipid polymorphism)

  47. 临界微团浓度 • 两性分子 (amphipathic molecule): 兼有亲水(hydrophilic) 和疏水(hydrophobic) 性质 • 在极低浓度，两性分子以单体形式存在，富集于气-液表面 • 在一定浓度（临界浓度），单体达到饱和，过量分子形成聚集体-微团 (micelle) • 形成微团的临界浓度称为临界微团浓度(critical micelle concentration, CMC) • 微团中分子的数目n取决于两性分子的结构和介质成分：小到2个，大到200个。

  48. 兼性分子的聚集状态与浓度的关系

  49. Chemical CMC (mmol/L) n SDS 8.2 62 Sodium cholate 13-15 2-4 Sodium deoxycholate 5 7 Triton X-100 0.24 140 C16-lysoPC 0.05 180 DPPC 10-10 ∞  常见两亲性分子的CMC和n值

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