细胞生物学 · 原理精讲 · 中英对照

专题3 细胞质膜

《细胞分子生物学》第七版 — 第10章 膜的结构

Molecular Biology of the Cell, Seventh Edition — Chapter 10 Membrane Structure · Bruce Alberts; Rebecca Heald; Alexander Johnson; et al. · 137 段教材原文 · 28 幅插图
From the textbook

Cell membranes are crucial to the life of the cell. The plasma membrane encloses the cell, defines its boundaries, and maintains the essential differences between the cytosol and the extracellular environment. Without plasma membranes, cells could not have evolved as individual self-replicating units. Inside eukaryotic cells, the membranes of the nucleus, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, mitochondria, and other membrane-enclosed organelles maintain the characteristic differences between the contents of each organelle and the cytosol. Ion gradients across membranes, established by the activities of specialized membrane proteins, can be used to synthesize ATP, to drive the transport of selected solutes across the membrane, or, as in nerve and muscle cells, to produce and transmit electrical signals. In all cells, the plasma membrane also contains proteins that act as sensors of external signals, allowing the cell to change its behavior in response to environmental cues, including signals from other cells; these protein sensors, or receptors, transfer information—rather than molecules—across the membrane. Despite their differing functions, all biological membranes have a common general structure: each is a very thin film of lipid and protein molecules, held together mainly by noncovalent interactions (Figure 10–1).

开篇导读

细胞膜对细胞的生命活动至关重要。质膜包裹细胞、界定细胞的边界,并维持细胞质基质(cytosol)与胞外环境之间的本质差异。没有质膜,细胞就不可能演化成能够独立自我复制的单位。在真核细胞内部,细胞核、内质网、高尔基体、线粒体以及其他膜包被细胞器的膜,维持着各细胞器内容物与细胞质基质之间的特征性差异。专门的膜蛋白通过其活动在膜两侧建立起离子梯度;细胞可以利用这种梯度合成 ATP,可以驱动特定溶质跨膜运输,也可以像神经细胞和肌细胞那样产生并传导电信号。在所有细胞中,质膜还含有一类充当外界信号感受器的蛋白质,使细胞能够根据环境线索(包括来自其他细胞的信号)改变自身行为;这些蛋白感受器又称受体,它们跨膜传递的是信息,而不是分子。尽管功能各异,所有生物膜都具有共同的基本结构:每一层膜都是一层极薄的脂质与蛋白质分子薄膜,主要靠非共价相互作用维系在一起(图 10–1)。

脂双层是一切细胞膜的基本骨架:膜脂都是兼性分子The Lipid Bilayer Provides the Basic Structure of All Cell Membranes: Membrane Lipids Are Amphiphilic

笔记 考点一:细胞质膜的结构模型与基本成分(膜脂成分总论)
Original text

The lipid molecules are arranged as a continuous double layer about 5 nm thick. This lipid bilayer provides the basic fluid structure of the membrane and serves as an essentially impermeable barrier to the passage of most water-soluble molecules. Most membrane proteins span the lipid bilayer and mediate nearly all of the other functions of the membrane, including the transport of specific molecules across it, and the catalysis of membrane-associated reactions such as ATP synthesis.

中文翻译

膜脂分子排列成连续的双层,厚约 5 nm。这层脂双层(lipid bilayer)为膜提供了基本的流动性结构,同时充当一道屏障,使绝大多数水溶性分子基本无法通过。多数膜蛋白贯穿脂双层,膜的其余功能几乎全部由它们承担,包括把特定分子运过膜,以及催化像 ATP 合成这类与膜相关的反应。

§Chapter 10 章首导言 · 教材 p. 604
Original text

The lipid bilayer provides the basic structure for all cell membranes. It is easily seen by electron microscopy, and its bilayer structure is attributable exclusively to the special properties of the lipid molecules, which assemble spontaneously into bilayers even under simple artificial conditions.

中文翻译

脂双层构成一切细胞膜的基本结构。用电子显微镜很容易看到它;而它的双层结构,完全取决于膜脂分子本身的特殊性质——即使在简单的人工条件下,这些脂分子也会自发装配成双层。

§THE LIPID BILAYER(节首导言) · 教材 p. 604
原理解读

【原理】这两段先把整节的骨架立起来:膜 = 连续的脂双层(约 5 nm 厚)+ 嵌在其中的膜蛋白。三个要点必须记死。第一,脂双层既是膜的结构骨架,又是膜的通透屏障——离子和绝大多数水溶性分子(糖、氨基酸、核苷酸)过不去,这正是「跨膜运输必须依赖膜蛋白」的前提。第二,双层结构完全由脂分子自身性质决定:把纯磷脂丢进水里就能自发形成双层,不需要蛋白质、不需要模板、也不消耗 ATP,属于典型的自组装(self-assembly),驱动力是疏水效应(熵驱动)。第三,膜的其余功能主要由膜蛋白承担,所以「结构靠脂、功能靠蛋白」是全章总纲。 【对应笔记】考点一「细胞质膜的结构模型与基本成分」。1972 年 Singer 与 Nicolson 提出流动镶嵌模型(fluid mosaic model),两个关键词就是「流动」(膜脂与多数膜蛋白可运动)和「镶嵌」(球形蛋白以不同方式镶嵌于脂双层)——本段所说的「基本的流动性结构」正是模型中「流动」的物质基础。 【常见考法】① 简答「简述生物膜的基本结构特征」,答题骨架 = 脂双层为基本骨架 + 蛋白质镶嵌其中 + 膜的流动性 + 膜的不对称性;② 选择题辨析膜的厚度,本书给脂双层约 5 nm(部分教材写 7~8 nm,指电镜下含蛋白与糖萼的整张膜,须看清题干问哪一个);③ 填空「膜脂能自发形成双层,其驱动力是疏水作用/疏水效应」。

图 10–2 一个典型磷脂分子的各个部分。这里以磷脂酰胆碱为例,分别用 (A) 结构式、(B) 空间填充模型(Movie 10.1)、(C) 示意图和 (D) 符号表示。
图注 · 图 10–2 一个典型磷脂分子的各个部分。这里以磷脂酰胆碱为例,分别用 (A) 结构式、(B) 空间填充模型(Movie 10.1)、(C) 示意图和 (D) 符号表示。
Caption · Figure 10–2 The parts of a typical phospholipid molecule. This example is phosphatidylcholine, represented (A) by a formula, (B) as a space-filling model (Movie 10.1), (C) schematically, and (D) as a symbol.
怎么看 · 四种画法讲的是同一个分子——磷脂酰胆碱:胆碱+磷酸=亲水头,甘油为连接枢纽,两条脂肪酸链为疏水尾,这就是「兼性(双亲媒性)」的结构基础。考研必答点:一条尾饱和呈直链、另一条含顺式双键而折弯,正是这个折弯决定膜的流动性。
讲解 · 背这张图要背「一头两尾」的通式:自上而下依次是胆碱—磷酸—甘油—两条烃链。胆碱加磷酸构成极性(亲水)头部,两条烃链是非极性(疏水)尾部,因此磷脂是典型的兼性分子。注意两条尾巴长得不一样:一条是笔直的饱和链,另一条中间有一个顺式双键,因而出现明显折弯(kink)——这个折弯正是后面解释「不饱和脂肪酸提高膜流动性」的结构基础。(D) 的符号(一个圆头加两条尾)是后面所有膜示意图的通用画法,考试画图题直接用它。
图内标注中英对照 · 23 条
English中文
(A)(A) 分图A:结构式(化学式画法)
CH2—N+(CH3)3CH2—N+(CH3)3(胆碱的季铵基,带正电)
CH2CH2(亚甲基,碳氢链的重复单元)
OO(氧原子)
O=P—O−O=P—O−(磷酸基团,带负电)
CH2—CH—CH2CH2—CH—CH2(甘油三碳骨架)
C=OC=O(酯键中的羰基,脂肪酸与甘油成酯处)
CHCH(次甲基,此处为双键两侧的碳)
double bond双键(顺式碳碳双键,使尾部出现折弯)
CH3CH3(甲基,脂肪酸烃链末端)
(B)(B) 分图B:空间填充模型(球棍/实心球模型)
polar (hydrophilic) head极性(亲水)头部
CHOLINE胆碱
PHOSPHATE磷酸
GLYCEROL甘油
11(第1条脂肪酸尾,sn-1位)
22(第2条脂肪酸尾,sn-2位,常含不饱和双键)
nonpolar (hydrophobic) tails非极性(疏水)尾部
HYDROCARBON TAIL碳氢尾(烃链尾部)
(C)(C) 分图C:模块示意图
head头部(极性头基)
tails尾部(两条疏水烃链)
(D)(D) 分图D:符号表示(后续各图统一使用的简化符号)
Original text

Lipid molecules constitute about 50% of the mass of most animal cell membranes, nearly all of the remainder being protein. There are approximately 5 × 106 lipid molecules in a 1 μm × 1 μm area of lipid bilayer, or about 7 × 108 lipid molecules in the plasma membrane of a red blood cell. All of the lipid molecules in cell membranes are amphiphilic; that is, they have a hydrophilic (“water-loving”) or polar end and a hydrophobic (“water-fearing”) or nonpolar end.

中文翻译

在大多数动物细胞膜中,脂分子约占膜质量的 50%,其余几乎全是蛋白质。1 μm × 1 μm 的一小片脂双层中约有 5 × 10⁶ 个脂分子;一个红细胞的质膜中约有 7 × 10⁸ 个脂分子。细胞膜中所有的脂分子都是兼性(双亲媒性,amphiphilic)分子:它们一端亲水(“喜水”)即极性,另一端疏水(“厌水”)即非极性。

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 605
Original text

The most abundant membrane lipids are the phospholipids. These have a polar head group, which includes a phosphate group, and two hydrophobic hydrocarbon tails. In animal, plant, and bacterial cells, the tails are usually fatty acids, and they can differ in length (they normally contain between 14 and 24 carbon atoms). One tail typically has one or more cis-double bonds (that is, it is unsaturated), while the other tail does not (that is, it is saturated). As shown in Figure 10–2, each cis-double bond creates a kink in the tail. Differences in the length and saturation of the fatty acid tails influence how phospholipid molecules pack against one another, thereby affecting the fluidity of the membrane, as we discuss later.

中文翻译

含量最丰富的膜脂是磷脂(phospholipid)。磷脂有一个极性头部基团(其中含一个磷酸基团),还有两条疏水的烃链尾部。在动物、植物和细菌细胞中,这两条尾部通常是脂肪酸,长度可以不同(一般含 14~24 个碳原子)。通常一条尾部带有一个或多个顺式双键(cis double bond),也就是不饱和的;另一条尾部没有双键,也就是饱和的。如图 10–2 所示,每一个顺式双键都会在尾部造成一个折弯。脂肪酸尾部在长度和饱和度上的差异,影响磷脂分子彼此之间如何堆积,从而影响膜的流动性——这一点我们后面再讨论。

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 605
原理解读

【原理】兼性(amphiphilic)是理解膜的第一把钥匙:一个分子同时带亲水端和疏水端,进入水中就只能采取「亲水端朝水、疏水端抱团」的排列,双层因此成为热力学上的必然结果。 【数字怎么记】脂分子约占动物细胞膜质量的 50%,但按分子个数算,脂远多于蛋白——因为脂分子小得多(教材后文给出:在蛋白质占一半质量的膜中,每 1 个蛋白约配 50 个脂分子)。红细胞质膜约 7 × 10⁸ 个脂分子,用来说明脂分子数量之巨。 【磷脂通式三要素】① 一个含磷酸的极性头;② 两条疏水尾;③ 尾一般是脂肪酸,14~24 C,一条饱和、一条不饱和,不饱和的那条几乎总是顺式双键,造成约 30° 的折弯。这种「一饱和一不饱和」的搭配是动物细胞磷脂的常态,直接决定了膜在体温下既不凝固也不过分松散。 【对应笔记】考点一「膜脂成分」:膜脂三大类 = 磷脂(最多)、胆固醇、糖脂(最少);磷脂又分甘油磷脂与鞘脂。 【常见考法】① 选择「膜脂中含量最多的是」→ 磷脂;② 判断「膜脂都是兼性分子」→ 正确(胆固醇、糖脂同样是兼性分子);③ 简答「为什么不饱和脂肪酸含量升高会使膜流动性增大」→ 顺式双键造成折弯,妨碍脂肪酸链紧密堆积、削弱范德华力,使相变温度下降;④ 常见陷阱:反式双键不产生明显折弯,因此不能像顺式双键那样提高流动性。

术语对照
  • 脂双层lipid bilayer膜的基本骨架,厚约 5 nm;名词解释高频
  • 兼性(双亲媒性)分子amphiphilic molecule一端亲水一端疏水;所有膜脂都是兼性分子
  • 亲水/疏水hydrophilic / hydrophobic教材原文用 “water-loving”/“water-fearing” 作形象说明
  • 磷脂phospholipid含量最丰富的膜脂;一个含磷酸的极性头 + 两条疏水尾
  • 顺式双键cis double bond在烃链上造成折弯,是提高膜流动性的结构基础;反式双键无此效应
  • 饱和/不饱和脂肪酸saturated / unsaturated fatty acid动物磷脂常为「一条饱和 + 一条不饱和」
  • 流动镶嵌模型fluid mosaic modelSinger & Nicolson 1972;两个关键词:流动性、镶嵌性

甘油磷脂与鞘脂:骨架不同的两类磷脂Glycerophospholipids and Sphingolipids: Two Subclasses of Phospholipid with Different Backbones

笔记 考点一:膜脂成分——甘油磷脂笔记 考点一:膜脂成分——鞘脂(鞘磷脂)
Original text

The main phospholipids in most animal cell membranes are the glycerophospholipids, which have a three-carbon glycerol backbone (see Figure 10–2). Two long-chain fatty acids are linked through ester bonds to adjacent carbon atoms of the glycerol, and the third carbon atom of the glycerol is attached to a phosphate group, which in turn is linked to one of several types of head group. By combining several different fatty acids and head groups, cells make many different glycerophospholipids. Phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, and phosphatidylcholine are the most abundant ones in mammalian cell membranes (Figure 10–3A, B, and C).

中文翻译

在大多数动物细胞膜中,主要的磷脂是甘油磷脂(glycerophospholipid),它以三碳的甘油为骨架(见图 10–2)。两条长链脂肪酸通过酯键连在甘油相邻的两个碳原子上;甘油的第三个碳原子连着一个磷酸基团,磷酸基团再连上若干种头部基团中的一种。细胞把不同的脂肪酸和不同的头部基团组合起来,就造出了许多种甘油磷脂。在哺乳动物细胞膜中,含量最高的是磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)和磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)这三种(图 10–3A、B、C)。

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 605
Original text

Another important class of phospholipids is the sphingolipids, which are built from sphingosine rather than glycerol (Figure 10–3D and E). Sphingosine is a long fatty acid tail with an amino group (NH2) and two hydroxyl groups (OH) at one end. In sphingomyelin, the most common sphingolipid, a fatty acid tail

中文翻译

另一类重要的磷脂是鞘脂(sphingolipid),它的骨架不是甘油,而是鞘氨醇(图 10–3D 和 E)。鞘氨醇本身就是一条长长的脂肪酸尾链,一端带有一个氨基(NH2)和两个羟基(OH)。在最常见的鞘脂即鞘磷脂(sphingomyelin)中,一条脂肪酸尾链……(原书此句在此处翻页,续文见下一条引文)

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 605
Original text

is attached to the amino group, and a phosphocholine group is attached to the terminal hydroxyl group. Together, the phospholipids phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, and sphingomyelin constitute more than half the mass of lipid in most mammalian cell membranes (see Table 10–1, p. 610). In addition to phospholipids, the lipid bilayers in many cell membranes contain glycolipids and sterols. Glycolipids resemble sphingolipids, but, instead of a phosphate-linked head group, they have sugars attached. We discuss glycolipids later.

中文翻译

(承上条)……连在这个氨基上,同时一个磷酸胆碱基团连在末端的羟基上。磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和鞘磷脂这四种磷脂加在一起,占了大多数哺乳动物细胞膜脂质质量的一半以上(见表 10–1,第 610 页)。除磷脂之外,许多细胞膜的脂双层还含有糖脂(glycolipid)和固醇(sterol)。糖脂与鞘脂很像,只是头部不接磷酸基团,而是接上糖基。糖脂留待后面讨论。

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 606
原理解读

【原理:怎样一眼分清四大膜脂】只看骨架和头部两件事。 ① 甘油磷脂 = 甘油骨架(3 个碳)+ C1、C2 上各接一条脂肪酸(酯键)+ C3 上接磷酸 + 磷酸再接头部基团。换头部基团就得到不同品种:接胆碱 = 磷脂酰胆碱(PC,即卵磷脂)、接乙醇胺 = 磷脂酰乙醇胺(PE,即脑磷脂)、接丝氨酸 = 磷脂酰丝氨酸(PS)、接肌醇 = 磷脂酰肌醇(PI)。 ② 鞘脂 = 鞘氨醇骨架(本身自带一条长烃链)+ 氨基上以酰胺键接第二条脂肪酸 + 末端羟基上接头部。头部接磷酸胆碱 = 鞘磷脂(SM);头部改接糖 = 糖脂。 ③ 由此有两个必须绕清楚的关系:鞘磷脂既属于磷脂(含磷酸),又属于鞘脂(骨架是鞘氨醇);糖脂是鞘脂的近亲,但不含磷酸,不属于磷脂。 ④ 记忆锚点:PC、PE、PS、SM 四种加起来超过膜脂质量的一半。 ⑤ 电荷:只有 PS 带净负电荷(图 10–3 的注释写得很明确),PC、PE、SM 在生理 pH 下带一正一负、净电荷为零。PS 的负电荷是后面两个大考点的伏笔——胞质面的负电荷招募蛋白激酶 C(PKC),以及细胞凋亡时 PS 外翻成为「吃我」信号。 【对应笔记】考点一「甘油磷脂」「鞘脂」两小节。 【常见考法】① 名词解释「鞘磷脂」;② 选择「下列膜脂中带净负电荷的是」→ 磷脂酰丝氨酸;③ 判断「鞘磷脂不属于磷脂」→ 错误;④ 简答「比较甘油磷脂与鞘脂的结构异同」,答题点:骨架不同(甘油 vs 鞘氨醇)、脂肪酸连接键不同(酯键 vs 酰胺键)、都含磷酸和极性头、都是兼性分子。

图 10–3 哺乳动物质膜中的四种主要磷脂。符号图中用不同颜色代表不同的头部基团。(A–C) 三种脂分子属于甘油磷脂,由甘油衍生而来。(D) 是鞘磷脂,由 (E) 鞘氨醇衍生而来,因此属于鞘脂。请注意:只有磷脂酰丝氨酸带净负电荷,其重要性后面会讨论;另外三种在生理 pH 下带一个正电荷和一个负电荷,因此呈电中性。
图注 · 图 10–3 哺乳动物质膜中的四种主要磷脂。符号图中用不同颜色代表不同的头部基团。(A–C) 三种脂分子属于甘油磷脂,由甘油衍生而来。(D) 是鞘磷脂,由 (E) 鞘氨醇衍生而来,因此属于鞘脂。请注意:只有磷脂酰丝氨酸带净负电荷,其重要性后面会讨论;另外三种在生理 pH 下带一个正电荷和一个负电荷,因此呈电中性。
Caption · Figure 10–3 Four major phospholipids in mammalian plasma membranes. Different head groups are represented by different colors in the symbols. The lipid molecules shown in (A–C) are glycerophospholipids, which are derived from glycerol. The molecule in (D) is sphingomyelin, which is derived from (E) sphingosine and is therefore a sphingolipid. Note that only phosphatidylserine carries a net negative charge, the importance of which we discuss later; the other three are electrically neutral at physiological pH, carrying one positive and one negative charge.
怎么看 · 横向比较五个分子:A—C 都是甘油磷脂(甘油骨架+两条酯键脂肪酸),只是头基换成乙醇胺、丝氨酸、胆碱;D 的骨架换成鞘氨醇、用酰胺键接一条脂肪酸,故属鞘脂。考研高频:磷脂酰丝氨酸头基净带负电(其余三者为两性离子、净电中性),且它是唯一被限制在胞质侧的负电磷脂。
讲解 · 这张图是本节最值得背的一张。横向从左到右:PE(乙醇胺头,带 NH3⁺)、PS(丝氨酸头,同时带 NH3⁺ 和 COO⁻,故净负电)、PC(胆碱头,带 N⁺(CH3)3)、SM(鞘磷脂,头部同样是磷酸胆碱,但骨架换成鞘氨醇),以及 (E) 鞘氨醇本体。把 (C) 与 (D) 竖着比较最能说明问题:PC 与 SM 的头部一模一样,差别只在骨架——所以两者理化性质接近,在膜中也常常一起分布于外层。教材用「不同颜色代表不同头部」的符号,在后面图 10–15(膜脂不对称分布)里会原样复用,务必把颜色与分子对上号。
图内标注中英对照 · 27 条
English中文
(A)(A) 分图A:磷脂酰乙醇胺
NH3 (⊕)NH3+(氨基,带正电;乙醇胺头基)
CH2CH2(亚甲基)
OO(氧原子)
O=P—O (⊖)O=P—O−(磷酸基团,带负电)
CH2—CH—CH2CH2—CH—CH2(甘油三碳骨架)
C=OC=O(酯键羰基)
FATTY ACID TAIL脂肪酸尾
phosphatidylethanolamine磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)
(B)(B) 分图B:磷脂酰丝氨酸
H—C—COO (⊖)H—C—COO−(羧基,带负电;丝氨酸头基的特征基团)
phosphatidylserine磷脂酰丝氨酸
(⊖)⊖(净负电荷标记:磷脂酰丝氨酸头基净带一个负电荷)
(C)(C) 分图C:磷脂酰胆碱
CH3CH3(甲基)
N (⊕)N+(季铵氮,带正电;胆碱的三甲铵基)
phosphatidylcholine磷脂酰胆碱(卵磷脂)
(D)(D) 分图D:鞘磷脂
OHOH(羟基)
CH=CHCH=CH(反式双键,鞘氨醇骨架上的特征双键)
NHNH(酰胺键的氮;鞘脂用酰胺键而非酯键连接脂肪酸)
FATTY CHAIN脂肪链(鞘氨醇自带的长链烃尾)
sphingomyelin鞘磷脂
(E)(E) 分图E:鞘氨醇
HCHC(次甲基碳)
NH3 (⊕)NH3+(氨基,带正电)
sphingosine鞘氨醇(神经鞘氨醇)

固醇(胆固醇)与不同生物膜的脂质组成Sterols (Cholesterol) and the Diverse Lipid Compositions of Different Membranes

笔记 考点一:膜脂成分——固醇(胆固醇)笔记 考点一:膜脂成分——各类生物膜脂质组成的差异
Original text

Sterols are rigid ring structures related to steroids but containing a single polar hydroxyl group and a short nonpolar hydrocarbon chain (Figure 10–4). Different types of sterols, distinguished primarily by the side chain attached to the ringed scaffold, are found in fungi, plants, and animal cells. Eukaryotic plasma membranes contain especially large amounts of sterols—up to one molecule for every phospholipid molecule. Cholesterol is the major sterol found in animal cells. The cholesterol molecules orient themselves in the bilayer with their hydroxyl group close to the polar head groups of adjacent phospholipid molecules (Figure 10–5).

中文翻译

固醇是与类固醇有亲缘关系的刚性环状结构,但只带一个极性的羟基和一条短的非极性烃链(图 10–4)。真菌、植物和动物细胞中的固醇种类各不相同,区别主要在于连在环状骨架上的侧链。真核细胞的质膜含固醇特别多——最多可以达到每一个磷脂分子就配一个固醇分子。动物细胞中主要的固醇是胆固醇(cholesterol)。胆固醇分子在脂双层中的取向很固定:羟基一端靠近相邻磷脂分子的极性头部(图 10–5)。

§Glycerophospholipids, Sphingolipids, and Sterols Are the Major Lipids in Cell Membranes · 教材 p. 606
原理解读

【原理】胆固醇分子分三段:一个羟基(极小的极性头)+ 四个稠合环构成的刚性平板(甾核)+ 一条短而柔软的非极性烃链。因此它同样是兼性分子,但「头小尾短」,整体比磷脂矮、比磷脂硬。 【插入方式必考】羟基朝向磷脂的极性头部(即朝向膜表面),刚性甾环紧贴磷脂靠近头部的那几个 CH2,短烃链插向双层疏水核心。这一取向决定了它作用的两个位置:靠近头部的区域被「箍紧」,靠近双层中心的区域仍然松散。 【含量】真核质膜中胆固醇∶磷脂最高可接近 1∶1,这是真核质膜区别于细菌质膜的重要特征。植物用豆甾醇、菜油甾醇,真菌用麦角甾醇(麦角甾醇是两性霉素 B 等抗真菌药的靶点),彼此差别只在侧链。 【对应笔记】考点一「固醇」。 【常见考法】① 选择「胆固醇在膜中的位置/取向」→ 羟基靠近磷脂极性头部,甾环插入靠近头部的疏水区;② 判断「原核细胞质膜含大量胆固醇」→ 错误;③ 胆固醇对膜流动性的双向调节留到 1b 细讲,此处先把结构与取向记牢。

图 10–4 胆固醇的结构。胆固醇是一种固醇,图中分别用 (A) 结构式、(B) 空间填充模型和 (C) 示意图表示。
图注 · 图 10–4 胆固醇的结构。胆固醇是一种固醇,图中分别用 (A) 结构式、(B) 空间填充模型和 (C) 示意图表示。
Caption · Figure 10–4 The structure of cholesterol. Cholesterol, a sterol, is represented (A) by a formula, (B) as a space-filling model, and (C) by a schematic drawing.
怎么看 · 胆固醇是「小头大身子」的兼性分子:一个—OH 朝水相、刚性甾环嵌在近头基一段、短烃尾插向膜中央。考研答题模板就靠这三段结构:羟基定位、甾环限制邻近脂肪酸链运动(降流动性/防冻结)、短尾维持流动。
讲解 · 看图记三段式:(A) 左上角那个 OH 就是极性头;中间四个环是刚性平面甾环;右下角伸出的短链是非极性烃尾。(C) 的示意图把这三段简化成「小圆点+方块板+短尾」,后面图 10–5、图 10–13(脂筏)里的胆固醇都用这个符号。与图 10–2 的磷脂对照着看:磷脂头大、尾长且柔软;胆固醇的头极小、身体又矮又硬——正是这种「矮而硬」的体型,使它既能限制磷脂链的摆动,又能阻止磷脂链彼此靠拢结晶。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
(A)(A) 分图A:结构式
OHOH(羟基,胆固醇唯一的极性基团)
CH3CH3(甲基,甾核上的角甲基)
CHCH(次甲基)
CH2CH2(亚甲基)
(B)(B) 分图B:空间填充模型
polar head group极性头基(即羟基—OH)
rigid planar steroid ring structure刚性平面甾环结构(四个稠合环)
nonpolar hydrocarbon tail非极性烃尾
(C)(C) 分图C:示意图(后续图中使用的简化画法)
Original text

Table 10–1 compares the lipid compositions of several biological membranes. Note that bacterial plasma membranes are often composed of one main type of phospholipid and contain no cholesterol. In archaea, lipids usually contain 20- to 25-carbon-long prenyl chains instead of fatty acids; prenyl and fatty acid chains are similarly hydrophobic and flexible (see Figure 10–18F). In thermophilic archaea, the longest lipid chains span both leaflets, making the membrane particularly stable to heat. Thus, lipid bilayers can be built from molecules with similar features but different molecular designs.

中文翻译

表 10–1 比较了几种生物膜的脂质组成。请注意,细菌质膜常常只由一种主要的磷脂构成,而且不含胆固醇。在古菌中,脂质通常不用脂肪酸,而含有 20~25 个碳长的异戊二烯(prenyl)链;异戊二烯链与脂肪酸链一样疏水、一样柔性(见图 10–18F)。在嗜热古菌中,最长的脂链能同时贯穿两层单层,使膜对热特别稳定。由此可见,脂双层可以由特征相似、但分子设计不同的分子搭建而成。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 610
Original text

The plasma membranes of most eukaryotic cells are more varied than those of prokaryotes and archaea, not only in containing large amounts of sterols but also in containing a mixture of different phospholipids. Analysis of membrane lipids by mass spectrometry has revealed that the lipid composition of a typical eukaryotic cell membrane is much more complex than originally thought. These membranes contain a bewildering variety of perhaps 500–2000 different lipid species with even the simple plasma membrane of a red blood cell containing well over 150. Lipid heterogeneity antagonizes phase transitions and may help membrane-spanning proteins to fit better in the bilayer, avoiding leaks.

中文翻译

大多数真核细胞的质膜比原核生物和古菌的质膜更为多样:不但含有大量固醇,还含有多种磷脂的混合物。用质谱分析膜脂之后人们发现,典型真核细胞膜的脂质组成远比原先设想的复杂。这些膜含有约 500~2000 种不同的脂质,种类之多令人目不暇接;即便是结构简单的红细胞质膜,也含有 150 种以上。脂质的高度异质性可以对抗相变,还可能帮助跨膜蛋白更好地嵌合在双层中,避免出现渗漏。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 610
Original text

While some of this complexity reflects the combinatorial variation in head groups, hydrocarbon chain lengths, and desaturation of the major phospholipid classes, some membranes also contain many structurally distinct minor lipids, at least some of which have important functions. The inositol phospholipids, for example, are present in small quantities in animal cell membranes and have crucial functions in guiding membrane traffic and in cell signaling (discussed in Chapters 13 and 15, respectively). Their local synthesis and destruction are regulated by a large number of enzymes, which create both small intracellular signaling molecules and lipid docking sites on membranes that recruit specific proteins from the cytosol, as we discuss later.

中文翻译

这种复杂性有一部分来自主要磷脂类别在头部基团、烃链长度和去饱和程度上的组合变化;除此之外,某些膜还含有许多结构上截然不同的次要脂质,其中至少一部分具有重要功能。例如肌醇磷脂(inositol phospholipid)在动物细胞膜中含量很少,却在引导膜运输和细胞信号转导中发挥关键作用(分别见第 13 章和第 15 章)。大量的酶调控着肌醇磷脂在局部的合成与降解,由此既产生细胞内的小信号分子,也在膜上制造出脂质停靠位点,把细胞质基质中特定的蛋白质招募过来——这一点我们后面还会讨论。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 610
原理解读

【原理】这三段回答「不同的膜,脂质组成一样吗」——完全不一样,而且差异有功能意义。 ① 原核 vs 真核:细菌质膜往往以一种主要磷脂为主、不含胆固醇;真核质膜既含大量固醇,又是多种磷脂的混合物。这是最常考的一句对比。 ② 古菌的特殊性:脂链是 20~25 C 的异戊二烯(prenyl)链,而不是脂肪酸;嗜热古菌中最长的脂链一根贯穿两个单层,等于把「双层」变成「单分子层跨膜」,因而极耐高温。教材由此得出一个漂亮的结论:脂双层可以由「特征相似(疏水、柔性)但分子设计不同」的分子搭成——这正是「结构服从理化性质」的典型例证。 ③ 脂质种类之多:质谱分析显示典型真核细胞膜含 500~2000 种脂质,红细胞质膜也有 150 种以上。这种异质性有两个好处:对抗相变(成分越杂越不容易整齐结晶,膜在较宽的温度区间都保持液态),以及帮助跨膜蛋白匹配双层厚度、避免渗漏。 ④ 次要脂质不等于不重要:肌醇磷脂含量极低,却是膜泡运输和信号转导的枢纽——脂激酶给肌醇环的不同位置加磷酸,就在膜上「打印」出招募胞质蛋白的停靠位点;磷脂酶再把它切开产生第二信使。这条线索会在 1c「膜脂不对称性的功能意义」中继续展开。 【对应笔记】考点一「膜脂成分」中关于各类膜脂含量差异的表格,也是「膜的不对称性」的组成学基础。 【常见考法】① 选择「不含胆固醇的膜是」→ 细菌质膜;② 简答「举例说明生物膜脂质组成的多样性及其意义」;③ 名词解释「肌醇磷脂」;④ 判断「同一细胞的各种膜脂质组成相同」→ 错误。

术语对照
  • 甘油磷脂glycerophospholipid甘油骨架 + 2 条酯键脂肪酸 + 磷酸头;动物细胞膜主要磷脂
  • 磷脂酰胆碱(卵磷脂)phosphatidylcholine, PC含量最高的甘油磷脂之一,主要分布于外层
  • 磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)phosphatidylethanolamine, PE主要分布于胞质面单层
  • 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine, PS唯一带净负电荷的主要磷脂;凋亡外翻信号,名词解释高频
  • 鞘脂sphingolipid以鞘氨醇为骨架;第二条脂肪酸以酰胺键相连
  • 鞘磷脂sphingomyelin, SM最常见的鞘脂;既是鞘脂又是磷脂,头部为磷酸胆碱
  • 固醇/胆固醇sterol / cholesterol刚性甾环 + 羟基 + 短烃链;真核质膜可达每磷脂 1 分子
  • 肌醇磷脂inositol phospholipid含量少但功能关键,参与膜运输与信号转导

磷脂为什么会自发形成双层:疏水效应、胶束与自封闭Phospholipids Spontaneously Form Bilayers

笔记 考点一:膜脂的兼性性质与脂双层的自发形成笔记 考点一:脂质体
Original text

The shape and amphiphilic nature of the phospholipid molecules cause them to form bilayers spontaneously in aqueous environments. As discussed in Chapter 2, hydrophilic molecules dissolve readily in water because they contain charged groups or uncharged polar groups that can form either favorable electrostatic

中文翻译

磷脂分子的形状和兼性本质,使它们在水环境中自发形成双层。正如第 2 章讨论过的,亲水分子很容易溶于水,因为它们含有带电基团或者不带电的极性基团,这些基团能与水分子形成有利的静电……(原书此句在此处翻页,续文见下一条引文)

§Phospholipids Spontaneously Form Bilayers · 教材 p. 606
Original text

interactions or hydrogen bonds with water molecules (Figure 10–6A). Hydrophobic molecules, by contrast, are insoluble in water because all, or almost all, of their atoms are uncharged and nonpolar and therefore cannot form energetically favorable interactions with water molecules. If dispersed in water, this forces the adjacent water molecules to reorganize into icelike cages that surround the hydrophobic molecule (Figure 10–6B). Because these cage structures are more ordered than the surrounding water, their formation increases the free energy. This entropic free-energy cost is minimized, however, if the hydrophobic molecules (or the hydrophobic portions of amphiphilic molecules) cluster together so that the smallest number of water molecules is affected.

中文翻译

(承上条)……相互作用或氢键(图 10–6A)。疏水分子则相反,它们不溶于水,因为其原子全部或几乎全部不带电、非极性,无法与水分子形成能量上有利的相互作用。如果把疏水分子分散到水里,它会迫使周围的水分子重排成冰状的笼子,把它包围起来(图 10–6B)。这些笼状结构比周围的水更有序,因此形成笼子会升高自由能。不过,只要疏水分子(或者兼性分子的疏水部分)聚集抱团,使受影响的水分子数目降到最少,这份由熵带来的自由能代价就被降到最低。

§Phospholipids Spontaneously Form Bilayers · 教材 p. 607
原理解读

【原理:疏水效应到底是什么】这是全节最容易背错的一处。脂尾聚在一起,并不是因为「油和油之间有很强的吸引力」,而是因为水的熵。把一个非极性分子塞进水中,水分子无法与它形成氢键,只好在它周围重排成有序的「冰状笼」;有序度上升即熵下降,自由能升高。反过来,如果所有疏水基团抱成一团,被迫成笼的水分子数目最少,体系熵最大、自由能最低。所以脂双层的形成是熵驱动的自发过程(ΔG < 0),不消耗 ATP。 【逻辑链】兼性分子 → 疏水效应 → 疏水端抱团、亲水端朝水 → 双层(或胶束)→ 自我封闭 → 密闭区室 → 细胞得以存在。这条链是简答题的标准答题线。 【对应笔记】考点一「膜脂的兼性性质」「脂双层的形成」。 【常见考法】① 简答「为什么磷脂在水中能自发形成双层」,必须答到「疏水效应/熵驱动」,只答「疏水基团互相吸引」要扣分;② 名词解释「疏水作用」;③ 判断「脂双层的形成需要消耗能量」→ 错误。

Original text

When phospholipid molecules are exposed to an aqueous environment, they behave as you would expect from the above discussion. They spontaneously pack together to minimize exposure of their hydrophobic tails to water and maximize exposure of their hydrophilic heads to water. Depending on their shape, the optimal packing arrangement is achieved in either of two ways: they can form spherical micelles, with the tails inward, or they can form double-layered sheets, or bilayers, with the hydrophobic tails sandwiched between the hydrophilic head groups (Figure 10–7).

中文翻译

把磷脂分子放进水环境,它们的行为正如上面的讨论所预料的那样:它们自发堆聚在一起,尽量减少疏水尾部与水的接触,同时尽量增大亲水头部与水的接触。视分子形状不同,最佳堆积方式有两种:或者形成尾部朝内的球形胶束(micelle),或者形成双层片状结构即双层,把疏水尾部夹在两层亲水头部基团之间(图 10–7)。

§Phospholipids Spontaneously Form Bilayers · 教材 p. 607
图 10–7 兼性分子在水环境中的堆积方式。(A) 这些分子在水中自发形成胶束或双层,取决于分子的形状。锥形的兼性分子(上)形成胶束,而像磷脂这样的圆柱形兼性分子(下)形成双层。(B) 胶束与脂双层的横切面。请注意,人们认为兼性分子形成的胶束比图中画的要不规则得多(见图 10–26C)。
图注 · 图 10–7 兼性分子在水环境中的堆积方式。(A) 这些分子在水中自发形成胶束或双层,取决于分子的形状。锥形的兼性分子(上)形成胶束,而像磷脂这样的圆柱形兼性分子(下)形成双层。(B) 胶束与脂双层的横切面。请注意,人们认为兼性分子形成的胶束比图中画的要不规则得多(见图 10–26C)。
Caption · Figure 10–7 Packing arrangements of amphiphilic molecules in an aqueous environment. (A) These molecules spontaneously form micelles or bilayers in water, depending on their shape. Cone-shaped amphiphilic molecules (above) form micelles, whereas cylindershaped amphiphilic molecules such as phospholipids (below) form bilayers. (B) A micelle and a lipid bilayer seen in cross section. Note that micelles of amphiphilic molecules are thought to be much more irregular than drawn here (see Figure 10–26C).
怎么看 · 形状决定聚集体:单尾、呈圆锥形的分子(如去垢剂、溶血磷脂)挤成球形胶束;双尾、近似圆柱形的磷脂只能排成平面脂双层。考研问「为什么磷脂自发形成双层而不是胶束」,答案就是分子的圆柱形几何加疏水效应。
讲解 · 这张图回答一个高频问答:同样是兼性分子,为什么有的成胶束、有的成双层?答案只有两个字——形状。单尾的脂肪酸、去污剂分子头大尾小,整体呈锥形(圆锥),锥尖朝里正好拼成球,于是形成胶束;磷脂有两条尾,头部横截面与尾部横截面相当,整体呈圆柱形,圆柱只能并排成片,于是形成双层。记忆口诀:「一条尾=锥形=胶束,两条尾=柱形=双层」。这也解释了为什么去污剂(单尾)能把膜溶解成胶束——这是后文提纯膜蛋白的原理。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
shape of molecule分子的形状
packing of molecules in water分子在水中的堆积(聚集)方式
micelle胶束
water
lipid bilayer脂双层
(A)(A) 分图A:分子形状与堆积方式
(B)(B) 分图B:两种聚集体的截面(胶束与脂双层)
Original text

The same forces that drive phospholipids to form bilayers also provide a self-sealing property. A small tear in the bilayer creates a free edge exposed to water; because this is energetically unfavorable, the lipids will rearrange spontaneously to eliminate the free edge. The prohibition of free edges has a profound consequence: the only way for a bilayer to avoid having edges is by closing in on

中文翻译

驱使磷脂形成双层的那些力,同时也赋予双层自我封闭的性质。双层上出现一个小裂口,就会产生暴露于水的游离边缘;由于这在能量上不利,脂分子会自发重排,把游离边缘消除掉。「不允许存在游离边缘」这一点带来了深远的后果:脂双层要想避免边缘,唯一的办法就是自身卷曲闭合……(原书此句在此处翻页)

§Phospholipids Spontaneously Form Bilayers · 教材 p. 607
原理解读

【原理】上一条引文在教材第 607 页末尾被翻页切断,第 608 页的续文是:双层卷曲闭合、形成一个密闭区室(图 10–8);教材强调,这一「对生命的产生具有根本意义」的行为,直接来自磷脂分子的形状与兼性本质。由于原书这半句被分页打断,此处不作逐字引用,改用中文说明——完整表述可对照下方图 10–8 的原文图注。 【为什么重要】膜「不能有边」是细胞得以存在的物理前提:只要有游离边缘,疏水尾就暴露于水,能量上不允许;因此双层必然闭合成囊。由此可以一口气推出三件事——① 细胞和细胞器都是封闭区室;② 膜受损时能自动愈合(自封闭性);③ 人工磷脂在水中一定形成封闭的脂质体,而不是平展的膜片。 【对应笔记】考点一「脂双层的自发形成与自封闭性」「脂质体」。 【常见考法】① 简答「脂双层为什么总是闭合成囊状」;② 名词解释「脂质体」;③ 应用题:脂质体可作药物载体、基因转染载体和研究膜蛋白的模式膜(教材图 10–9 图注即点明它常用作模式膜)。

图 10–8 磷脂双层自发闭合形成密闭区室。这种闭合结构之所以稳定,是因为它避免了疏水烃尾暴露于水,而暴露在能量上是不利的。
图注 · 图 10–8 磷脂双层自发闭合形成密闭区室。这种闭合结构之所以稳定,是因为它避免了疏水烃尾暴露于水,而暴露在能量上是不利的。
Caption · Figure 10–8 The spontaneous closure of a phospholipid bilayer to form a sealed compartment. The closed structure is stable because it avoids the exposure of the hydrophobic hydrocarbon tails to water, which would be energetically unfavorable.
怎么看 · 顺着两个箭头看「平面片层→弯曲→自动封口成球」的自发过程,白色夹层就是暴露的疏水尾。考研要点:膜天生「自我封闭、自我修复」,其驱动力是疏水效应(避免疏水尾与水接触),这也是细胞能形成封闭区室的物理基础。
讲解 · 图中上半部标着「ENERGETICALLY UNFAVORABLE(能量上不利)」:平展的磷脂双层片,边缘处疏水尾(白色层)暴露在水里;下半部标着「ENERGETICALLY FAVORABLE(能量上有利)」:双层卷起来闭合成囊,疏水尾被完全屏蔽。这一上一下就是「膜必然闭合」的全部论证。答简答题时把这张图口述出来即可得分。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
ENERGETICALLY UNFAVORABLE能量上不利(不利于能量稳定)
in a planar phospholipid bilayer, hydrophobic tails (white layer) are exposed to water along the edges在平面状的磷脂双层中,疏水尾部(白色层)沿边缘暴露于水中
formation of a sealed compartment shields hydrophobic tails from water形成封闭的腔室后,疏水尾部被屏蔽而不再接触水
ENERGETICALLY FAVORABLE能量上有利(能量更稳定)
术语对照
  • 疏水效应(疏水作用)hydrophobic effect熵驱动;脂双层自发形成的真正原因
  • 胶束micelle锥形(单尾)兼性分子在水中形成的球形聚集体
  • 脂质体liposome人工磷脂形成的球形封闭囊泡;模式膜与药物载体,名词解释高频
  • 自封闭性self-sealing property双层不允许游离边缘,故能自动闭合、自动修补

脂双层是二维流体:膜脂的四种运动方式与翻转酶The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid

笔记 考点一:膜脂的运动方式(侧向扩散、旋转、摆动、翻转)笔记 考点一:脂质体笔记 考点一:膜的流动性
Original text

A lipid bilayer also has other characteristics that make it an ideal structure for cell membranes. One of the most important of these is its fluidity, which is crucial to many membrane functions (Movie 10.2). Around 1970, researchers first recognized that individual lipid molecules are able to diffuse freely within the plane of a lipid bilayer. The initial demonstration came from studies of synthetic (artificial) lipid bilayers, which can be made in the form of spherical vesicles, called liposomes (Figure 10–9), or planar lipid films.

中文翻译

脂双层还有一些别的特性,使它成为细胞膜的理想结构。其中最重要的一条就是流动性,它对许多膜功能都至关重要(Movie 10.2)。大约在 1970 年,研究者首次认识到单个脂分子能够在脂双层平面内自由扩散。最初的证据来自对人工合成脂双层的研究:这种人工双层可以做成球形囊泡即脂质体(liposome,图 10–9),也可以做成平面脂膜。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 608
Original text

Biophysical studies showed that phospholipid molecules in synthetic bilayers very rarely migrate from the monolayer (also called a leaflet) on one side to that on the other. This process, known as “flip-flop,” occurs on a time scale of hours for any individual molecule. It is slow because during flip-flop, the hydrophilic head groups must transiently enter and pass through the hydrophobic core of the bilayer, which is energetically disfavored. Cholesterol is an exception to this rule and can flip-flop rapidly, having only a single hydroxyl group to accommodate transiently in the hydrophobic core.

中文翻译

生物物理学研究表明,人工双层中的磷脂分子极少从一侧的单层(也称小叶,leaflet)迁移到另一侧。这一过程称为「翻转」(flip-flop);对任何一个分子来说,翻转发生的时间尺度以小时计。翻转之所以慢,是因为在翻转过程中,亲水的头部基团必须暂时进入并穿过双层的疏水核心,而这在能量上是不利的。胆固醇是个例外,它能够快速翻转,因为它只有一个羟基需要暂时安置在疏水核心里。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 608
Original text

By contrast to flip-flop, all lipid molecules rapidly exchange places with their neighbors within a monolayer (∼107 times per second). This gives rise to a rapid lateral diffusion, with a diffusion coefficient (D) of about 10–8 cm2/sec, which means that an average lipid molecule diffuses the length of a large bacterial cell (∼2 μm) in about 1 second.

中文翻译

与翻转形成鲜明对照,所有脂分子都会在同一单层内与相邻分子迅速交换位置(每秒约 10⁷ 次)。这就产生了快速的侧向扩散,其扩散系数(D)约为 10⁻⁸ cm²/秒;这意味着一个普通脂分子大约 1 秒钟就能扩散过一个大细菌那么长的距离(约 2 μm)。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 608
Original text

These studies have also shown that individual lipid molecules rotate very rapidly about their long axis and have flexible hydrocarbon chains. Computer simulations show that lipid molecules in synthetic bilayers are very disordered, presenting an irregular, ragged surface of variously spaced and oriented head groups to the water phase on either side of the bilayer (Figure 10–10). The liquidity of membranes allows lipids to rapidly patch transient holes that may appear in the bilayer through mechanical or other stresses.

中文翻译

这些研究还表明,单个脂分子会绕自身长轴飞快旋转,而且它的烃链柔软可弯曲。计算机模拟显示,人工双层中的脂分子非常无序:面对双层两侧的水相,它们呈现出一个不规则、参差不齐的表面,头部基团间距不等、取向各异(图 10–10)。膜的这种液态性,使脂分子能够迅速修补因机械应力或其他应力而在双层上出现的暂时性孔洞。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 608
原理解读

【原理:四种运动方式,一张表背下来】教材图 10–10B 把脂分子的运动分成四种,笔记考点一的「膜脂运动方式」就是这四条。 ① 侧向扩散(lateral diffusion):同一单层内与邻居换位,每秒约 10⁷ 次,D ≈ 10⁻⁸ cm²/秒,1 秒可移动约 2 μm。这是最主要、最快的运动,也是膜「流动」的主体。 ② 旋转(rotation):绕自身长轴飞快自转。 ③ 摆动/弯曲(flexion):烃链柔软,尾部不断弯曲摆动;靠近双层中心的部位摆动最剧烈。 ④ 翻转(flip-flop):从一层单层跨到另一层,天然状态下极罕见,时间尺度以小时计。 【翻转为什么慢?——必考因果】翻转要求亲水头部穿过疏水核心,能量上极不利,因此速率极低。反过来看胆固醇:它的极性头只有一个羟基,穿越核心的代价很小,所以能快速翻转——这是一个绝好的「结构决定性质」的例证,也是常见的选择题干扰项来源(问「哪种膜脂可以快速翻转」,答胆固醇)。 【别忽略的一句】膜的液态性让脂分子能随时补上双层里出现的暂时性孔洞——这是膜自我修复能力的分子基础。 【对应笔记】考点一「膜脂的运动方式」。 【常见考法】① 简答/填空「列举膜脂的四种运动方式」,写全四种并注明侧向扩散最快、翻转最慢;② 选择「膜脂运动中最常见的是」→ 侧向扩散;③ 判断「磷脂可以自由地从一层翻到另一层」→ 错误(需酶催化);④ 测流动性的经典实验(荧光漂白恢复 FRAP、人鼠细胞融合实验)在本章后面讲膜蛋白扩散时出现,属于考点二的内容,注意别与本节混答。

图 10–10 人工脂双层中磷脂分子的运动性。(A) 先给出一个由 100 个磷脂酰胆碱分子规则排成双层的模型,再由计算机算出模拟 300 皮秒之后每一个原子的位置。这些理论计算给出的脂双层模型,几乎能解释人工脂双层所有可测量的性质,包括厚度、单位膜面积的脂分子数目、水的渗入深度以及两个表面的凹凸不平。请注意,只要尾部足够长,一层单层中的尾部就能与另一层单层中的尾部发生相互作用。(B) 脂分子在双层中的几种不同运动。
图注 · 图 10–10 人工脂双层中磷脂分子的运动性。(A) 先给出一个由 100 个磷脂酰胆碱分子规则排成双层的模型,再由计算机算出模拟 300 皮秒之后每一个原子的位置。这些理论计算给出的脂双层模型,几乎能解释人工脂双层所有可测量的性质,包括厚度、单位膜面积的脂分子数目、水的渗入深度以及两个表面的凹凸不平。请注意,只要尾部足够长,一层单层中的尾部就能与另一层单层中的尾部发生相互作用。(B) 脂分子在双层中的几种不同运动。
Caption · Figure 10–10 The mobility of phospholipid molecules in an artificial lipid bilayer. (A) Starting with a model of 100 phosphatidylcholine molecules arranged in a regular bilayer, a computer calculated the position of every atom after 300 picoseconds of simulated time. From these theoretical calculations, a model of the lipid bilayer emerges that accounts for almost all of the measurable properties of a synthetic lipid bilayer, including its thickness, number of lipid molecules per membrane area, depth of water penetration, and unevenness of the two surfaces. Note that the tails in one monolayer can interact with those in the other monolayer, if the tails are long enough. (B) The different motions of a lipid molecule in a bilayer.
怎么看 · 记牢四种运动的速率差:侧向扩散、旋转、弯曲都极快(μs 级),唯有 flip-flop 因极性头基须穿过疏水核心而几乎不自发发生。考研常接着追问:所以磷脂的跨单层转移必须靠翻转酶(flippase)等催化,这正是脂双层保持不对称性的原因。
讲解 · (B) 图上的四个标注就是必背的四种运动:lateral diffusion(侧向扩散)、flip-flop(翻转,rarely occurs = 极少发生)、flexion(摆动/弯曲)、rotation(旋转)。(A) 图的价值在于纠正一个常见的错误印象:真实的脂双层表面不是教科书示意图里那样整整齐齐的两排小球,而是参差不齐、头部间距不等、取向各异的「毛面」。图注还提到一个容易被忽略的细节——尾部足够长时,两层单层的尾部可以互相交错作用,这正是后面解释「链长影响相变温度」的微观基础。
图内标注中英对照 · 9 条
English中文
(A)(A) 分图A:脂双层的分子动力学模拟图像
fatty acid tails脂肪酸尾(黄色,膜中央的疏水核心)
lipid head groups脂质头基(红色)
water molecules水分子(蓝白色)
(B)(B) 分图B:脂质分子的四种运动方式示意图
lateral diffusion侧向扩散(同一单层内的横向移动)
flexion弯曲运动(烃链的挠曲摆动)
flip-flop (rarely occurs)翻转/翻越(两单层间的翻转,极少自发发生)
rotation旋转(绕自身长轴的转动)
Original text

Similar mobility studies on labeled lipid molecules in isolated biological membranes and in living cells give results similar to those in synthetic bilayers. They demonstrate that the lipid component of a biological membrane is a twodimensional liquid in which the constituent molecules are free to move laterally. As in synthetic bilayers, individual phospholipid molecules are normally confined to their own monolayer. This confinement creates a problem for the growth of biological membranes. Phospholipid molecules are manufactured in only one monolayer of a membrane, mainly in the cytosolic monolayer of the endoplasmic reticulum membrane. If none of these newly made molecules could migrate reasonably promptly to the noncytosolic monolayer, the membrane would expand asymmetrically. The problem is solved by a special class of membrane proteins called phospholipid translocators, or flippases and scramblases, which catalyze the rapid flip-flop of phospholipids from one monolayer to the other, as discussed in Chapter 12.

中文翻译

对分离出来的生物膜以及活细胞中的标记脂分子所做的类似迁移率研究,得到了与人工双层相似的结果。这些研究证明,生物膜的脂质部分是一种二维液体,其中的分子可以自由地做侧向运动。与人工双层一样,单个磷脂分子通常被限制在自己所在的那一层单层内。这种限制给生物膜的生长带来了一个问题:磷脂分子只在膜的一侧单层中合成,主要是在内质网膜的胞质面单层中合成。如果这些新合成的分子都不能比较及时地迁移到非胞质面单层,膜就会不对称地扩张。解决办法是一类特殊的膜蛋白,称为磷脂转位蛋白(phospholipid translocator),也就是翻转酶(flippase)和加扰酶(scramblase);它们催化磷脂在两层单层之间快速翻转,这一点在第 12 章讨论。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 608
原理解读

【原理:一个漂亮的「问题—解决」逻辑,最适合出简答题】 前提:磷脂只在内质网膜的胞质面单层合成(因为合成酶的活性位点朝向细胞质基质)。 矛盾:磷脂又极少自发翻转。 后果:如果放任不管,只有胞质面那一层会越长越大,膜将不对称地膨胀,最终撕裂。 解决:细胞用磷脂转位蛋白(翻转酶 flippase 与加扰酶 scramblase)催化磷脂快速翻转,把新合成的磷脂送到非胞质面单层。 【翻转酶与加扰酶的区别(考研常考的辨析)】教材此处并列给出两个名字,具体机制在第 12 章:翻转酶具有底物特异性、需消耗 ATP,把特定磷脂定向搬到某一侧,因而是「建立并维持不对称性」的酶;加扰酶没有特异性、不耗 ATP,双向随机搬运,结果是「让不对称性消失」。二者一个建立不对称、一个消除不对称,正好构成 1c 中「凋亡时 PS 外翻」的分子机制。 【对应笔记】考点一「膜脂的运动方式——翻转」与「膜的不对称性」。 【常见考法】① 名词解释「翻转酶」「加扰酶」;② 简答「新合成的磷脂如何到达膜的另一侧?为什么必须如此?」;③ 判断「磷脂在生物膜中的翻转与在人工膜中一样罕见」→ 错误,生物膜中有酶催化,可以很快。

Original text

polar lipid head groups bind water molecules and ions that need to be displaced for the bilayers of two different liposomes to come into sufficiently close contact to fuse. Biological membranes have an even larger hydration shell due to the proteins embedded or associated with them. This hydration shell insulates the many internal membranes in a eukaryotic cell and prevents their uncontrolled fusion, thereby maintaining the compartmental integrity of membrane-enclosed organelles. All cell membrane fusion events are catalyzed by tightly regulated tethers that bring appropriate membranes close together and fusion proteins that force out the water layer that keeps the bilayers apart, as we discuss in Chapter 13.

中文翻译

(承上文「脂质体在水中悬浮时不会自发彼此融合,原因是……」)……极性的脂质头部基团结合着水分子和离子;要让两个不同脂质体的双层靠得足够近以便融合,就必须先把这些水和离子排开。生物膜由于嵌有或结合有蛋白质,水化壳还要更厚。这层水化壳把真核细胞内众多的内膜彼此隔开,防止它们不受控制地融合,从而维持了膜包被细胞器的区室完整性。细胞中所有的膜融合事件,都由受到严格调控的系链蛋白(tether)和融合蛋白共同催化:系链蛋白把该融合的两张膜拉近,融合蛋白则把使双层彼此隔开的那层水挤走——这些内容在第 13 章讨论。

§The Lipid Bilayer Is a Two-dimensional Fluid · 教材 p. 609
原理解读

【原理】这一段回答一个很容易被忽视的问题:膜既然是流动的,为什么细胞里成千上万张膜不会乱融合成一团?答案是水化壳(hydration shell)。极性头部牢牢结合水分子和离子,形成一层「水垫」;两张膜要融合,先得把这层水挤走,而这需要能量和专门的蛋白机器。生物膜还嵌着蛋白质,水化壳更厚,绝缘效果更好。 【推论】膜融合从来不是自发的,而是被严格调控的:系链蛋白负责「拉近」,融合蛋白(如 SNARE)负责「排水并撮合」。这保证了区室的完整性——细胞器不会自己粘成一片。 【对应笔记】考点一「膜的流动性」的延伸,也与后续「膜泡运输」专题相衔接。 【常见考法】① 简答「膜具有流动性,为什么细胞内各种膜不会随意融合」;② 判断「脂质体在水中会自发相互融合」→ 错误。

膜流动性的影响因素:温度、链长、不饱和度与胆固醇The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition

笔记 考点一:膜的流动性及其影响因素笔记 考点一:相变与相变温度笔记 考点一:胆固醇的双向调节作用
Original text

The fluidity of cell membranes has to be precisely regulated. It allows membrane proteins to interact rapidly and transiently, and certain membrane transport processes and enzyme activities, for example, cease when the bilayer viscosity is experimentally increased beyond a threshold level. The fluidity of a lipid bilayer depends on both its composition and its temperature, as is readily demonstrated in studies of synthetic lipid bilayers.

中文翻译

细胞膜的流动性必须受到精确调节。流动性使膜蛋白能够快速而短暂地相互作用;举例来说,如果用实验手段把双层黏度提高到某个阈值以上,某些膜转运过程和酶活性就会停止。脂双层的流动性既取决于它的组成,也取决于温度——这一点在人工合成脂双层的研究中很容易证实。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 609
Original text

A synthetic bilayer made from a single type of phospholipid changes from a liquid state to a two-dimensional rigid crystalline (or gel) state at a characteristic temperature. This change of state is called a phase transition, and the temperature at which it occurs is lower (that is, the membrane becomes more difficult to freeze) if the hydrocarbon chains are short or have double bonds. A shorter chain length reduces the tendency of the hydrocarbon tails to interact with one another in both the same and opposite monolayer so that the membrane remains fluid at lower temperatures. Fluidity is also favored by cis-double bonds because they produce kinks in the chains that make them more difficult to pack together (Figure 10–11).

中文翻译

由单一种类磷脂做成的人工双层,会在某个特征温度下由液态变为二维的刚性晶态(或凝胶态)。这种状态变化称为相变(phase transition),发生相变的温度就是相变温度;如果烃链较短,或者链上带有双键,相变温度就更低(也就是说,膜更难被冻住)。链长较短会削弱烃尾之间相互作用的倾向——同一单层内和相对两层之间都是如此——于是膜在更低的温度下仍能保持流动。顺式双键同样有利于流动性,因为它们在链上造成折弯,使链更难彼此紧密堆积(图 10–11)。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 609
原理解读

【原理:相变与相变温度】把单一磷脂做成的人工膜降温,到某个特征温度它会从「液晶态(液态)」整齐冻结成「凝胶态(二维晶态)」,这一转变叫相变,对应的温度叫相变温度(Tm,教材写作 phase-transition point)。相变温度越低,膜在越低的温度下仍保持流动,也就是流动性越好。 【两个降低相变温度的结构因素——必背】 ① 链短:烃尾之间可发生范德华相互作用的接触面小,彼此抓得不牢,Tm 下降。注意教材特别点出,这种相互作用既发生在同一单层内,也发生在相对的两层单层之间(长尾可以互相交错)。 ② 顺式双键:造成折弯,链无法紧密平行堆积,范德华力被削弱,Tm 下降。 把这两条反过来说就是:链越长、越饱和 → 堆积越紧 → Tm 越高 → 膜越易凝固、流动性越差。 【最容易写错的地方】不要写成「双键使膜更容易冻结」。教材原话是相变温度更低,即膜更难被冻住、更不容易变成凝胶态。 【对应笔记】考点一「膜的流动性及其影响因素」。 【常见考法】① 简答「影响膜流动性的因素有哪些」,标准答案 = 温度 + 脂肪酸链长 + 脂肪酸不饱和度(顺式双键)+ 胆固醇含量 + 膜蛋白与卵磷脂/鞘磷脂比值;② 名词解释「相变」「相变温度」;③ 比较题:含硬脂酸(18:0)与含油酸(18:1 顺式)的膜,哪个流动性更好 → 后者。

Original text

The makeup of membranes as a complex mix of many different lipid species further adjusts most membranes so that they remain liquids just above the phase-transition point. Bacteria, yeasts, and other organisms whose temperature fluctuates with that of their environment adjust the fatty acid composition of their membrane lipids to maintain a relatively constant fluidity. As the temperature falls, for instance, the cells of those organisms synthesize fatty acids with more cis-double bonds, thereby avoiding the decrease in bilayer fluidity that would otherwise result from the temperature drop.

中文翻译

膜由许多不同脂种混合而成,这种组成上的复杂性进一步把大多数膜调节到「刚好在相变点以上仍为液态」的状态。细菌、酵母以及其他体温随环境波动的生物,会调整膜脂中脂肪酸的组成,以维持相对恒定的流动性。例如当温度下降时,这类生物的细胞就合成含更多顺式双键的脂肪酸,从而避免双层流动性因降温而下降。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 609
原理解读

【原理:稳态思维】膜不是被动地随温度变稀变稠,而是主动把自己维持在「刚好在相变点之上」这个最佳工作点上——既足够流动以保证膜蛋白扩散和相互作用,又不至于松散到失去屏障功能。这种调节叫做膜流动性的稳态(homeoviscous adaptation,恒黏适应)。 【两条实现途径】① 成分复杂化:脂种越杂,越难整齐结晶,相变被「摊平」成一个温度区间而非一个陡峭的点;② 主动改变脂肪酸组成:变温生物(细菌、酵母,也包括鱼类、越冬植物)在低温下多合成顺式不饱和脂肪酸,用折弯抵消降温带来的凝固趋势。 【举例扩展】深水鱼、耐寒植物膜脂中不饱和脂肪酸比例高,正是同一原理;这也是「为什么鱼油在冰箱里仍是液体」的通俗解释。 【对应笔记】考点一「膜的流动性——温度与脂肪酸组成的关系」。 【常见考法】① 简答「变温生物如何维持膜流动性恒定」;② 分析题「把细菌培养温度由 37 °C 降到 20 °C,其膜脂脂肪酸组成会怎样变化」→ 不饱和脂肪酸比例升高、链长可能缩短。

Original text

Sterols, such as cholesterol, modulate the properties of lipid bilayers. When mixed with phospholipids, they enhance the permeability-barrier properties of the lipid bilayer. Cholesterol inserts into the bilayer with its hydroxyl group close to the polar head groups of the phospholipids, so that its rigid, platelike steroid rings interact with—and stiffen—those regions of the hydrocarbon chains closest to the polar head groups (see Figure 10–5 and Movie 10.3). By decreasing the mobility of the first few CH2 groups of the hydrocarbon chains of the phospholipid molecules, cholesterol makes the lipid bilayer less deformable in this region and thereby decreases the permeability of the bilayer to small water-soluble molecules.

中文翻译

像胆固醇这样的固醇能够调节脂双层的性质。把固醇与磷脂混在一起,会增强脂双层作为通透屏障的性能。胆固醇插入双层时,羟基靠近磷脂的极性头部,于是它那刚性的、平板状的甾环就与烃链上最靠近极性头部的那几段发生相互作用,并使这些区段变得僵硬(见图 10–5 和 Movie 10.3)。胆固醇降低了磷脂分子烃链上头几个 CH2 基团的活动性,使脂双层在这一区域不易变形,从而降低了双层对小的水溶性分子的通透性。

§The Fluidity of a Lipid Bilayer Depends on Its Composition · 教材 p. 609
原理解读

【原理:胆固醇的双向调节(本节最重要的考点之一)】上面这段引文在教材第 609 页末尾以「Although cholesterol tightens the packing of the lipids in a bilayer, it does」结束,被表 10–1 和分页切断,第 610 页续以「not make membranes any less fluid because it also prevents the hydrocarbon chains from coming together and crystallizing.」。由于这一句被分页打断,此处不作逐字引用,改用中文讲透其含义:胆固醇虽然把双层中脂分子的堆积拉紧了,却并不会让膜变得不流动,因为它同时也阻止烃链彼此靠拢结晶。 于是胆固醇有两个方向相反、同时存在的效应: ① 在高于相变温度时(膜本来是液态):刚性甾环限制靠近头部那几个 CH2 的摆动,使膜变「硬」、变致密,**降低流动性**,同时**降低通透性**(小的水溶性分子更难穿过)。 ② 在低于相变温度时(膜本来要凝固):胆固醇夹在磷脂之间,妨碍烃链整齐排列、结晶,**阻止膜凝固,提高流动性**。 所以标准表述是:胆固醇是膜流动性的「双向调节器」/「缓冲剂」,把膜稳定在一个适中的流动区间,防止流动性的剧烈变化。 【位置记忆】效应发生在靠近头部的区域(甾环所在处),双层中心仍然是松散的;这也解释了为什么胆固醇主要影响「小分子通透性」而不是彻底冻住整张膜。 【对应笔记】考点一「胆固醇对膜流动性的调节」。 【常见考法】① 简答「试述胆固醇对膜流动性的影响」,必须写出双向调节 + 分温度讨论,只答「降低流动性」会失分;② 选择「胆固醇能降低膜对小分子的通透性」→ 正确;③ 判断「胆固醇含量越高膜流动性越大」→ 错误(要看温度与原有状态)。

图 10–5 脂双层中的胆固醇。(A) 按比例绘制的示意图,画出一个胆固醇分子与同一层单层中两个磷脂分子的相互作用;(B) 表示它在脂双层中的位置。
图注 · 图 10–5 脂双层中的胆固醇。(A) 按比例绘制的示意图,画出一个胆固醇分子与同一层单层中两个磷脂分子的相互作用;(B) 表示它在脂双层中的位置。
Caption · Figure 10–5 Cholesterol in a lipid bilayer. (A) Schematic drawing (to scale) of a cholesterol molecule interacting with two phospholipid molecules in one monolayer of a lipid bilayer shown in (B).
怎么看 · 看纵坐标定位:胆固醇的羟基与磷脂头基形成氢键,甾环只覆盖尾部靠近头基的上半段(约1—2 nm),下半段仍保持流动。考研常考结论:胆固醇是「双向调节剂」——生理温度下降低流动性、阻止膜结冰般的凝固相变,同时不让膜变得完全僵硬。
讲解 · 这张图把「双向调节」画成了两块区域:靠近头部一侧标着 cholesterol-stiffened region(被胆固醇僵硬化的区域),那里甾环紧贴磷脂烃链的前几个 CH2;靠近双层中心一侧标着 more fluid region(较为流动的区域),那里只有胆固醇的短烃尾和磷脂尾的末端,仍然松散。答题时把这两块区域说清楚,就等于把胆固醇「既限制摆动、又阻止结晶」的机制讲透了。另外注意图中胆固醇的羟基(极小的极性头)恰好与磷脂的极性头部齐平,这是它的定位方式。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
cholesterol胆固醇
phospholipid磷脂
33(纵坐标刻度,3 nm)
22(纵坐标刻度,2 nm)
11(纵坐标刻度,1 nm)
00(纵坐标刻度,0 nm)
nmnm(纳米,纵坐标单位,按比例绘制)
polar head groups极性头基
cholesterol-stiffened region被胆固醇硬化(僵化)的区域
more fluid region流动性较强的区域
(A)(A) 分图A:按比例绘制的示意图(1个胆固醇与同一单层中2个磷脂相互作用)
(B)(B) 分图B:脂双层的分子模拟(空间填充)图像
术语对照
  • 膜流动性membrane fluidity流动镶嵌模型的核心;受温度、链长、不饱和度、胆固醇影响
  • 相变phase transition液态(液晶态)↔ 凝胶态(二维晶态)的转变
  • 相变温度transition temperature / phase-transition point链短、含顺式双键则相变温度更低,膜更难冻结
  • 侧向扩散lateral diffusionD ≈ 10⁻⁸ cm²/秒;最主要的膜脂运动
  • 翻转(横向翻转)flip-flop天然极少发生,以小时计;胆固醇例外,可快速翻转
  • 翻转酶flippase有特异性、耗 ATP,建立并维持膜脂不对称性
  • 加扰酶scramblase无特异性、不耗 ATP,双向随机搬运,使不对称性消失
  • 磷脂转位蛋白phospholipid translocator翻转酶与加扰酶的统称
  • 水化壳hydration shell阻止细胞内各种膜自发融合的「水垫」

流动之中仍有分区:膜结构域与脂筏Despite Their Fluidity, Lipid Bilayers Can Form Domains of Different Compositions

笔记 考点一:膜的流动性——膜脂的分区(脂筏)笔记 考点一:膜的不对称性(侧向不对称)
Original text

Because a lipid bilayer is a two-dimensional fluid, we might expect most types of lipid molecules in it to be well mixed and randomly distributed in their own monolayer. The van der Waals attractive forces between neighboring hydrocarbon tails are not selective enough to hold groups of phospholipid molecules together. With certain lipid mixtures in artificial bilayers, however, one can observe phase transitions that lead to the lateral segregation of lipids with specific lipids coming

中文翻译

既然脂双层是二维流体,我们大概会预期其中大多数种类的脂分子都在各自的单层内充分混合、随机分布。相邻烃尾之间的范德华引力选择性不够强,不足以把一群磷脂分子拴在一起。然而在人工双层中使用某些脂质混合物时,人们可以观察到相变,它会使脂质发生侧向分离,特定的脂质聚集到……(原书此句在此处翻页,续文见下一条引文)

§Despite Their Fluidity, Lipid Bilayers Can Form Domains of Different Compositions · 教材 p. 610
Original text

together in separate domains (Figure 10–12). In these cases, attractive forces between lipid molecules must outweigh the entropic cost associated with concentrating them. Phase transitions thus break the homogeneity of the bilayer into a patchwork of domains with different properties. There has been a long debate among cell biologists about whether the lipid molecules in the plasma membrane of living cells similarly segregate into specialized domains, called lipid rafts.

中文翻译

(承上条)……一起,形成彼此分开的结构域(图 10–12)。在这些情形下,脂分子之间的吸引力必定超过了把它们集中在一起所付出的熵的代价。于是相变打破了双层原本的均一性,把它变成一块块性质各异的结构域拼图。细胞生物学家长期争论一个问题:活细胞质膜中的脂分子,是否也同样会分离成专门的结构域,也就是所谓的脂筏(lipid raft)。

§Despite Their Fluidity, Lipid Bilayers Can Form Domains of Different Compositions · 教材 p. 611
Original text

Although many lipids and membrane proteins are not distributed uniformly, large-scale lipid phase segregations are seen rarely in living cell membranes. Instead, specific membrane proteins and lipids are seen to concentrate in a more temporary, dynamic fashion facilitated by protein–protein interactions that allow the transient formation of specialized membrane regions (Figure 10–13). Such clusters can be tiny nanoclusters on a scale of a few molecules or larger assemblies that can be seen with electron microscopy, such as the caveolae (discussed in Chapter 13).

中文翻译

尽管许多脂质和膜蛋白的分布并不均匀,但在活细胞膜上很少见到大范围的脂质相分离。人们看到的是另一种情形:特定的膜蛋白和脂质以更为暂时、更为动态的方式聚集起来;这种聚集由蛋白质—蛋白质相互作用促成,从而短暂地形成专门的膜区域(图 10–13)。这类聚集体可以小到只有几个分子的纳米簇,也可以是电子显微镜下能看到的较大装配体,例如小窝(caveolae,见第 13 章)。

§Despite Their Fluidity, Lipid Bilayers Can Form Domains of Different Compositions · 教材 p. 611
Original text

The tendency of mixtures of lipids to undergo phase transitions, as seen in artificial bilayers (see Figure 10–12), may help create rafts in living cell membranes—organizing and concentrating membrane proteins either for transport in membrane vesicles (discussed in Chapter 13) or for working together in protein assemblies, such as when they convert extracellular signals into intracellular ones (discussed in Chapter 15).

中文翻译

脂质混合物容易发生相变的这种倾向(正如人工双层中所见,见图 10–12),可能有助于在活细胞膜上形成脂筏,把膜蛋白组织并富集起来:或者是为了让它们装进膜泡被运走(见第 13 章),或者是为了让它们在蛋白质装配体中协同工作,比如把胞外信号转变成胞内信号的时候(见第 15 章)。

§Despite Their Fluidity, Lipid Bilayers Can Form Domains of Different Compositions · 教材 p. 611
原理解读

【原理:为什么流动的膜里还能有「岛」】先想清楚矛盾在哪儿——二维流体理应让分子混匀,而且相邻烃尾之间的范德华力选择性太差,抓不住特定的一群磷脂。所以要形成结构域,必须有一种额外的吸引力大到能压过「集中起来」所付出的熵代价。在人工双层里,这个额外的力来自胆固醇 + 鞘脂的特殊配合(图 10–12:PC + SM 的 1∶1 混合物只形成均一双层,再加入胆固醇变成 1∶1∶1,就出现两个分开的相)。 【第七版的重要修订,务必注意】老教材常把脂筏说成质膜上「由胆固醇和鞘脂自发相分离形成的稳定小岛」。本版明确指出:活细胞膜上很少见到大范围的脂质相分离;实际观察到的是由蛋白质—蛋白质相互作用促成、更短暂更动态的聚集,尺度可小到几个分子的纳米簇,也可大到电镜可见的小窝(caveolae)。相变倾向只是「可能有助于」形成脂筏,而不是唯一原因。答题时若写「脂筏是稳定存在的固态小岛」是不严谨的。 【脂筏的组成与功能】组成上富含胆固醇、鞘脂、糖脂和 GPI 锚定蛋白(见图 10–13);由于鞘脂的烃链更长更直,脂筏区域的膜比周围更厚,这本身就成了一种「筛子」,只有跨膜区足够长的蛋白才愿意待进去。功能上有两个:① 分选与运输——把该走的膜蛋白集中起来打包进膜泡;② 信号平台——把信号通路的组分聚在一处协同工作。 【对应笔记】考点一「膜的流动性」中脂筏一项,也是「膜的不对称性」在膜平面内(侧向)的表现。 【常见考法】① 名词解释「脂筏」,标准答法:质膜上富含胆固醇、鞘脂和特定蛋白质(如 GPI 锚定蛋白)的、动态形成的微区,膜较厚、流动性较低,参与信号转导和膜泡运输;② 选择「脂筏中富集的成分」→ 胆固醇、鞘脂、糖脂、GPI 锚定蛋白;③ 名词解释「小窝(caveolae)」。

图 10–13 脂筏结构域的一个模型。蛋白质—蛋白质、蛋白质—脂质和脂质—脂质之间的弱相互作用彼此加强,把发生相互作用的各种组分分配进脂筏结构域。胆固醇、鞘脂、糖脂、糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定蛋白以及某些跨膜蛋白,都在这些结构域中富集。请注意,由于组成不同,人们认为脂筏结构域的膜厚度比周围更大。糖脂、GPI 锚定蛋白和寡糖连接子留待后面讨论。
图注 · 图 10–13 脂筏结构域的一个模型。蛋白质—蛋白质、蛋白质—脂质和脂质—脂质之间的弱相互作用彼此加强,把发生相互作用的各种组分分配进脂筏结构域。胆固醇、鞘脂、糖脂、糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定蛋白以及某些跨膜蛋白,都在这些结构域中富集。请注意,由于组成不同,人们认为脂筏结构域的膜厚度比周围更大。糖脂、GPI 锚定蛋白和寡糖连接子留待后面讨论。
Caption · Figure 10–13 A model of a raft domain. Weak protein–protein, protein–lipid, and lipid–lipid interactions reinforce one another to partition the interacting components into raft domains. Cholesterol, sphingolipids, glycolipids, glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored proteins, and some transmembrane proteins are enriched in these domains. Note that because of their composition, raft domains are thought to have an increased membrane thickness. We discuss glycolipids, GPI-anchored proteins, and oligosaccharide linkers later.
怎么看 · 看中间方括号框出的 raft domain:胆固醇、鞘脂/糖脂、GPI 锚定蛋白和部分跨膜蛋白在此富集,且因链更长更直而膜厚度明显增大(对比两侧非筏区)。考研要点:脂筏靠弱的蛋白–蛋白、蛋白–脂、脂–脂相互作用协同形成,功能是把相关蛋白聚集起来做信号转导和膜泡运输的分选平台。
讲解 · 这张图有三个必须看出来的细节。第一,脂筏区(raft domain)比两侧的普通膜明显更厚——因为鞘脂的烃链长而直、又被胆固醇撑得笔挺;膜厚差异本身就是一种分选机制。第二,富集在筏内的成分被一一标出:胆固醇、糖脂(外层,六边形糖头)、GPI 锚定蛋白(只挂在外层)、糖蛋白与某些跨膜蛋白。第三,图注强调这些相互作用都是「弱」相互作用,靠彼此加强才把组分聚拢——这正对应正文所说的「动态、暂时」,而不是稳定的固相小岛。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
transmembrane glycoprotein跨膜糖蛋白
oligosaccharide linker寡糖连接子(连接蛋白与 GPI 锚的糖链)
GPI-anchored proteinGPI 锚定蛋白(糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白)
glycolipid糖脂
cholesterol胆固醇
CYTOSOL胞质溶胶(细胞质基质,膜的胞质侧)
raft domain脂筏结构域
lipid bilayer脂双层
术语对照
  • 脂筏lipid raft富含胆固醇、鞘脂、糖脂与 GPI 锚定蛋白的动态微区;名词解释高频
  • 小窝caveolae电镜可见的较大脂筏类装配体,参与内吞
  • 侧向相分离lateral phase separation人工双层中可见;活细胞膜中大范围相分离罕见
  • GPI 锚定蛋白GPI-anchored protein只锚在非胞质面单层,富集于脂筏

脂滴:唯一被磷脂单层包围的细胞器Lipid Droplets Are Surrounded by a Phospholipid Monolayer

笔记 考点一:膜脂成分的延伸——中性脂与脂滴笔记 考点一:脂双层与单层包被结构的区别
Original text

Most eukaryotic cells store an excess of lipids in lipid droplets, from where they can be retrieved as building blocks for membrane synthesis or as a food source fueling metabolic energy generation. Fat cells, or adipocytes, are specialized for lipid storage. They contain a giant lipid droplet that fills up most of their cytoplasm. Most other cells have many smaller lipid droplets, the number and size varying with the cell’s metabolic state. Fatty acids can be liberated from lipid droplets on demand and exported to other cells through the bloodstream.

中文翻译

大多数真核细胞把多余的脂质储存在脂滴(lipid droplet)中;需要时可以把它们取出来,用作合成膜的原料,或者用作产生代谢能的燃料。脂肪细胞(adipocyte)专门负责储脂,它含有一个巨大的脂滴,几乎占满整个细胞质。其他大多数细胞含有许多较小的脂滴,其数目和大小随细胞的代谢状态而变化。脂肪酸可以按需从脂滴中释放出来,经血流输送到其他细胞。

§Lipid Droplets Are Surrounded by a Phospholipid Monolayer · 教材 p. 611
Original text

Lipid droplets store neutral lipids, such as triacylglycerols and cholesterol esters, which are synthesized from fatty acids and cholesterol by enzymes in the endoplasmic reticulum membrane. Because these lipids do not contain hydrophilic head groups, they are exclusively hydrophobic molecules, and therefore aggregate into three-dimensional droplets rather than into bilayers.

中文翻译

脂滴储存的是中性脂,例如三酰甘油和胆固醇酯;它们由内质网膜上的酶以脂肪酸和胆固醇为原料合成。由于这些脂质不含亲水的头部基团,它们是彻头彻尾的疏水分子,因此聚集成三维的油滴,而不是形成双层。

§Lipid Droplets Are Surrounded by a Phospholipid Monolayer · 教材 p. 611
Original text

In order for these hydrophobic droplets to reside in the aqueous cytosol of the cell, their surface is covered by phospholipids oriented with their hydrophobic acyl chains facing the lipid droplet and hydrophilic head groups facing the cytosol. This is why lipid droplets are surrounded by a monolayer of phospholipids rather than the bilayer that defines all other membrane-bounded compartments of the cell. The surface of lipid droplets contains a large variety of proteins, some of which are enzymes involved in lipid metabolism.

中文翻译

为了让这些疏水的油滴能待在细胞的水性细胞质基质中,它们的表面覆盖着一层磷脂:磷脂的疏水酰基链朝向脂滴内部,亲水头部基团朝向细胞质基质。这就是为什么脂滴外面包的是一层磷脂单层,而不是细胞里其他所有膜包被区室都具有的双层。脂滴表面含有种类繁多的蛋白质,其中一些是参与脂质代谢的酶。

§Lipid Droplets Are Surrounded by a Phospholipid Monolayer · 教材 p. 612
原理解读

【原理:为什么偏偏是单层?一句话推出来】三酰甘油和胆固醇酯没有亲水头部,是纯疏水分子。纯疏水分子在水中的最优解不是排成双层(双层的意义是让两侧的亲水头都面向水),而是团成一个三维油滴,把与水的接触面积降到最小。油滴表面仍要与细胞质基质的水接触,于是细胞在表面铺一层磷脂:疏水尾插进油滴、亲水头朝向胞质。这样一来,脂滴自然就只需要一层磷脂——这是全书中唯一由单层磷脂包被的「细胞器」,是极好的辨析题素材。 【对比记忆】双层包被的区室:细胞核、内质网、高尔基体、线粒体、溶酶体、各种膜泡;单层包被:脂滴。 【功能】脂滴既是膜合成的原料库,又是能量库;脂肪细胞几乎被一个巨大脂滴占满;其他细胞的脂滴数目和大小随代谢状态波动。 【对应笔记】考点一「膜脂成分」的延伸,也是「膜的基本结构是脂双层」这一命题的边界条件。 【常见考法】① 选择/判断「细胞内所有膜包被的结构都由脂双层构成」→ 错误,脂滴是磷脂单层;② 简答「为什么脂滴由磷脂单层而非双层包被」,答题点:储存的是无亲水头的中性脂 → 聚成三维油滴 → 表面只需一层磷脂即可屏蔽疏水核心;③ 名词解释「脂滴」。

Original text

Lipid droplets form rapidly when cells are exposed to high concentrations of fatty acids. They form from the endoplasmic reticulum membrane where many enzymes of lipid metabolism are localized. Figure 10–14 shows one model of how lipid droplets form and acquire their surrounding monolayer of phospholipids and proteins. In some specialized cells, such as liver cells and enterocytes (the absorptive cells of the gut), droplets bud into the lumen of the endoplasmic reticulum from where they are secreted as lipoprotein particles that move metabolic energy in the form of triglycerides through the body.

中文翻译

当细胞暴露在高浓度脂肪酸中时,脂滴会迅速形成。它们从内质网膜上生成,因为许多脂质代谢的酶都定位在那里。图 10–14 给出了脂滴如何形成、又如何获得外围那层磷脂与蛋白质的一种模型。在肝细胞和肠上皮吸收细胞(enterocyte)等某些特化细胞中,脂滴向内质网腔内出芽,随后作为脂蛋白颗粒被分泌出去,以三酰甘油的形式把代谢能量输送到全身。

§Lipid Droplets Are Surrounded by a Phospholipid Monolayer · 教材 p. 612
图 10–14 脂滴形成的一种模型。中性脂沉积在内质网(ER)膜的两层单层之间,在两层之间形成一个透镜状结构。随着三酰甘油和胆固醇酯不断合成、在 ER 膜内积累并自行聚集,这个透镜状结构逐渐成形。多个跨膜蛋白 seipin 与一个脂滴装配因子一起装配成环。一旦有三酰甘油存在,seipin 就与装配因子解离;装配因子随即迁移到 ER 膜的胞质面单层,在那里推动如下过程:油滴出芽、被非极性脂质灌满,最后掐断脱离,成为一种独特的细胞器——外面只包着单层磷脂和与之结合的蛋白质。在脂肪细胞等某些细胞中,脂滴还会互相融合,可以长到极大的体积。
图注 · 图 10–14 脂滴形成的一种模型。中性脂沉积在内质网(ER)膜的两层单层之间,在两层之间形成一个透镜状结构。随着三酰甘油和胆固醇酯不断合成、在 ER 膜内积累并自行聚集,这个透镜状结构逐渐成形。多个跨膜蛋白 seipin 与一个脂滴装配因子一起装配成环。一旦有三酰甘油存在,seipin 就与装配因子解离;装配因子随即迁移到 ER 膜的胞质面单层,在那里推动如下过程:油滴出芽、被非极性脂质灌满,最后掐断脱离,成为一种独特的细胞器——外面只包着单层磷脂和与之结合的蛋白质。在脂肪细胞等某些细胞中,脂滴还会互相融合,可以长到极大的体积。
Caption · Figure 10–14 A model for the formation of lipid droplets. Neutral lipids are deposited between the two monolayers of the endoplasmic reticulum (ER) membrane forming a lenslike structure between the two monolayers. The lens forms as triacylglycerides and cholesterol esters are made and accumulate in the ER membrane and self-aggregate. Multiple copies of the transmembrane protein seipin assemble into a ring together with a lipid droplet assembly factor. In the presence of triacylglycerides, seipin dissociates from the assembly factor, which migrates to the cytosolic monolayer of the ER membrane where it facilitates a process in which the droplet buds, fills up with nonpolar lipids, and pinches off as a unique organelle that is surrounded by a single monolayer of phospholipids and associated proteins. In some cells, such as adipocytes, droplets fuse and can reach a gigantic size.
怎么看 · 顺着三个黑箭头看四步:seipin 与装配因子结合成环→中性脂在内质网膜两单层之间堆成透镜状→向胞质侧出芽→脱落成独立脂滴。考研必背结论:脂滴是唯一被「磷脂单层」而非脂双层包裹的细胞器,内核为三酰甘油和胆固醇酯,表面镶嵌相关蛋白。
讲解 · 顺着图看四步:① 中性脂在 ER 膜的双层「夹心」中间积累,把两层单层撑开,形成透镜状的油核;② seipin 与装配因子在膜上围成一圈,标定出芽位置;③ 有三酰甘油存在时 seipin 与装配因子解离,装配因子跑到胞质面单层,促使油滴朝胞质一侧出芽、灌注、掐断;④ 脱落的脂滴只带走 ER 膜胞质面那一层磷脂——这就直观解释了「为什么脂滴外面只有单层」。理解这一步,比死背结论牢固得多。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
associated proteins相关(结合)蛋白,指脂滴表面结合的蛋白
growing lipid droplet正在长大的脂滴
triacylglycerols and cholesterol esters in budding lipid droplet出芽中脂滴内的三酰甘油(甘油三酯)和胆固醇酯
assembly factor装配因子(脂滴装配因子)
assembly factor–seipin complex装配因子–seipin 复合物
phospholipid monolayer磷脂单层
seipinseipin(跨膜蛋白,多个拷贝装配成环)
ER LUMEN内质网腔(ER 腔)
phospholipid bilayer of ER内质网的磷脂双层
CYTOSOL胞质溶胶(细胞质基质)

膜脂的不对称性及其功能意义The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important

笔记 考点一:膜的不对称性(膜脂不对称分布)笔记 考点一:磷脂酰丝氨酸外翻与细胞凋亡笔记 考点一:膜脂参与信号转导
Original text

The lipid compositions of the two monolayers of the lipid bilayer in many membranes are strikingly different. In the human red blood cell (erythrocyte) membrane, for example, almost all of the phospholipid molecules that have choline—(CH3)3N+CH2CH2OH—in their head group (phosphatidylcholine and sphingomyelin) are in the outer monolayer, whereas almost all that contain a terminal primary amino group (phosphatidylethanolamine and phosphatidylserine) are in the inner monolayer (Figure 10–15). Because the negatively charged phosphatidylserine is located in the inner monolayer, there is a significant difference in charge between the two halves of the bilayer. We discuss in Chapter 12 how membrane-bound phospholipid translocators generate and maintain lipid asymmetry.

中文翻译

在许多膜中,脂双层两层单层的脂质组成差别惊人。以人红细胞(erythrocyte)膜为例,头部基团中含胆碱——(CH3)3N+CH2CH2OH——的磷脂分子(磷脂酰胆碱和鞘磷脂)几乎全部位于外层单层;而含末端伯氨基的磷脂(磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸)几乎全部位于内层单层(图 10–15)。由于带负电荷的磷脂酰丝氨酸位于内层单层,双层的两半之间就存在显著的电荷差异。膜结合的磷脂转位蛋白如何产生并维持这种脂质不对称性,我们在第 12 章讨论。

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 612
原理解读

【原理:不对称性的三个层次】① 膜脂不对称——本段内容;② 膜蛋白不对称——每种膜蛋白的跨膜取向固定不变(考点二);③ 膜糖不对称——糖链一律朝向非胞质面(下一节糖脂)。三条合起来构成「膜的不对称性」这个大考点。 【红细胞膜的分布必须背下来】外层(胞外面):磷脂酰胆碱 PC、鞘磷脂 SM——共同特点是头部含胆碱;内层(胞质面):磷脂酰乙醇胺 PE、磷脂酰丝氨酸 PS——共同特点是头部含伯氨基。记忆口诀:「含胆碱的在外,含氨基的在内」。糖脂全部在外层。胆固醇则在两层中分布大致相等(见图 10–15 的图注)。 【后果】PS 带负电且只在内层,因此质膜胞质面带净负电荷,双层两半之间存在电荷差——这是下面 PKC 结合的物理基础,也是凋亡检测(Annexin V 结合外翻的 PS)的原理。 【机制】不对称性不是自发维持的,而是靠膜结合的磷脂转位蛋白(翻转酶/加扰酶)主动建立并维持——这一点与 1b 中「翻转极少自发发生」互为因果。 【对应笔记】考点一「膜的不对称性」。 【常见考法】① 简答「什么是膜的不对称性?举例说明」;② 选择「主要分布于质膜胞质面单层的磷脂是」→ PE 和 PS;③ 判断「胆固醇也是不对称分布的」→ 错误,本书图 10–15 图注指出胆固醇在两层中大致均等。

图 10–15 人红细胞脂双层中磷脂与糖脂的不对称分布。磷脂头部基团所用的颜色沿用图 10–3 中的约定。此外,糖脂画成六边形的极性头部(蓝色)。胆固醇(图中未画出)在两层单层中的分布大致相等。
图注 · 图 10–15 人红细胞脂双层中磷脂与糖脂的不对称分布。磷脂头部基团所用的颜色沿用图 10–3 中的约定。此外,糖脂画成六边形的极性头部(蓝色)。胆固醇(图中未画出)在两层单层中的分布大致相等。
Caption · Figure 10–15 The asymmetric distribution of phospholipids and glycolipids in the lipid bilayer of human red blood cells. The colors used for the phospholipid head groups are those introduced in Figure 10–3. In addition, glycolipids are drawn with hexagonal polar head groups (blue). Cholesterol (not shown) is distributed roughly equally in both monolayers.
怎么看 · 按颜色数两侧的头基:含胆碱的(磷脂酰胆碱、鞘磷脂,红)和糖脂(蓝六边形)在外单层,含端氨基的(磷脂酰乙醇胺黄、磷脂酰丝氨酸绿)在内单层,故胞质侧净带负电(一排⊖)。考研高频:不对称性由翻转酶等磷脂转位蛋白建立并维持;胆固醇不显示,因其在两单层大致均等分布;磷脂酰丝氨酸外翻是细胞凋亡的「吃我」信号。
讲解 · 这张图是「膜脂不对称性」的标准答题图,务必能默画:上方是胞外空间(EXTRACELLULAR SPACE),外层单层里是磷脂酰胆碱、鞘磷脂和头部呈六边形的糖脂;下方是细胞质基质(CYTOSOL),内层单层里是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸,胞质面还标了一排负号,表示 PS 带来的净负电荷。三个采分点:含胆碱的磷脂在外、含氨基的磷脂在内、糖脂只在外层且糖链朝外;再加一个易错点——胆固醇两层大致均等,不属于不对称分布。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
EXTRACELLULAR SPACE细胞外空间(膜的非胞质侧)
lipid bilayer脂双层
CYTOSOL胞质溶胶(细胞质基质)
(−)负电荷标记(胞质侧单层因磷脂酰丝氨酸富集而带净负电荷)
[blue hexagonal head groups]蓝色六边形头基=糖脂(仅位于外单层,糖链朝向细胞外)
[red head groups]红色头基=磷脂酰胆碱与鞘磷脂(主要在外单层,配色沿用图 10–3)
[yellow head groups]黄色头基=磷脂酰乙醇胺(主要在内单层)
[green head groups]绿色头基=磷脂酰丝氨酸(几乎全在内单层,带负电)
Original text

Lipid asymmetry is functionally important, especially in converting extracellular signals into intracellular ones (discussed in Chapter 15). Many cytosolic proteins bind to specific lipid head groups found in the cytosolic monolayer of the lipid bilayer. The enzyme protein kinase C (PKC), for example, which is

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脂质不对称性具有重要的功能意义,在把胞外信号转变成胞内信号方面尤其如此(见第 15 章)。许多胞质蛋白会结合到脂双层胞质面单层中特定的脂质头部基团上。例如蛋白激酶 C(PKC)这个酶,它……(原书此句在此处翻页,续文见下一条引文)

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 612
Original text

activated in response to various extracellular signals, binds to the cytosolic face of the plasma membrane, where phosphatidylserine is concentrated, and requires this negatively charged phospholipid for its activity. In other cases, specific lipid head groups must first be modified to create protein-binding sites at a particular time and place. One example is phosphatidylinositol (PI), one of the minor phospholipids that are concentrated in the cytosolic monolayer of cell membranes (see Figure 13–10A, B, and C). Various lipid kinases can add phosphate groups at distinct positions on the inositol ring, creating binding sites that recruit specific proteins from the cytosol to the membrane.

中文翻译

(承上条)……受到各种胞外信号的激活之后,就结合到质膜的胞质面,而那里正是磷脂酰丝氨酸富集的地方;PKC 的活性需要这种带负电荷的磷脂。在另外一些情况下,特定的脂质头部基团必须先经过修饰,才能在特定的时间、特定的地点造出蛋白质结合位点。一个例子是磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI),它属于富集在细胞膜胞质面单层的次要磷脂之一(见图 13–10A、B、C)。多种脂激酶能在肌醇环的不同位置上加磷酸基团,由此产生的结合位点会把胞质中特定的蛋白质招募到膜上。

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 613
Original text

An important example of such a lipid kinase is phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase), which is activated in response to extracellular signals and helps to recruit specific intracellular signaling proteins to the cytosolic face of the plasma membrane (see Figure 15–53). Similar lipid kinases phosphorylate inositol phospholipids in intracellular membranes and thereby help to recruit proteins that guide membrane transport.

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这类脂激酶的一个重要例子是磷脂酰肌醇 3-激酶(PI 3-kinase)。它受胞外信号激活,帮助把特定的胞内信号蛋白招募到质膜的胞质面(见图 15–53)。类似的脂激酶也会磷酸化细胞内膜上的肌醇磷脂,从而帮助招募那些引导膜运输的蛋白质。

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 613
Original text

Phospholipids in the plasma membrane are used in yet another way to convert extracellular signals into intracellular ones. The plasma membrane contains various phospholipases that are activated by extracellular signals to cleave specific phospholipid molecules, generating fragments of these molecules that act as short-lived intracellular messengers. Phospholipase C, for example, cleaves an inositol phospholipid in the cytosolic monolayer of the plasma membrane to generate two fragments, one of which remains in the membrane and helps activate protein kinase C, while the other is released into the cytosol and stimulates the release of Ca2+ from the endoplasmic reticulum (see Figure 15–29).

中文翻译

质膜上的磷脂还以另一种方式把胞外信号转变成胞内信号。质膜含有多种磷脂酶,它们受胞外信号激活后切割特定的磷脂分子,产生的片段充当寿命很短的胞内信使。例如磷脂酶 C 切割质膜胞质面单层中的一种肌醇磷脂,产生两个片段:一个留在膜上,帮助激活蛋白激酶 C;另一个释放到细胞质基质中,刺激内质网释放 Ca2+(见图 15–29)。

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 613
原理解读

【原理:膜脂不对称性 → 信号转导,三条通路一次记清】 ① 静电招募:PS 只在胞质面 → 胞质面带负电 → 蛋白激酶 C(PKC)被胞外信号激活后结合到胞质面,且其活性必须依赖这种带负电荷的磷脂。这解释了「为什么 PKC 只能在膜的内表面工作」。 ② 化学修饰造停靠位点:磷脂酰肌醇(PI)富集于胞质面单层;脂激酶(如 PI 3-激酶)在肌醇环的不同位置加磷酸,等于在膜上「按需打印」出一批带地址的停靠位点,把胞质中特定的信号蛋白(含 PH 结构域等)招募到膜上。细胞内膜上的同类反应则招募引导膜泡运输的蛋白。 ③ 水解产生第二信使:磷脂酶 C 切割胞质面的肌醇磷脂,一刀切出两个片段——留在膜上的那个(DAG,二酰甘油)帮助激活 PKC,释放到胞质的那个(IP3)刺激内质网放出 Ca2+。教材此处未点名 DAG 与 IP3,留到第 15 章,但考研笔记通常直接写出这两个名字。 【逻辑闭环】三条通路都建立在同一个前提上:脂质头部在两层单层中的分布是不对称的。所以「膜的不对称性有什么意义」这道简答题,最漂亮的答法就是从这三条展开。 【对应笔记】考点一「膜的不对称性的功能意义」;与「细胞信号转导」专题直接相连。 【常见考法】① 简答「膜脂不对称分布有何生理意义」;② 名词解释「磷脂酶 C」「PI 3-激酶」;③ 选择「PKC 结合到质膜哪一面、依赖何种磷脂」→ 胞质面、磷脂酰丝氨酸。

Original text

Animals exploit the phospholipid asymmetry of their plasma membranes to distinguish between live and dead cells. When animal cells undergo apoptosis (discussed in Chapter 18), phosphatidylserine, which is normally confined to the cytosolic (or inner) monolayer of the plasma membrane lipid bilayer, rapidly translocates to the extracellular (or outer) monolayer. The phosphatidylserine exposed on the cell surface signals neighboring cells, such as macrophages, to phagocytose the dead cell and digest it. The translocation of the phosphatidylserine in apoptotic cells occurs because the active mechanisms that generate and maintain lipid bilayer asymmetry are impaired.

中文翻译

动物利用质膜的磷脂不对称性来区分活细胞和死细胞。动物细胞发生细胞凋亡(apoptosis,见第 18 章)时,本来只限于质膜脂双层胞质面(内层)单层的磷脂酰丝氨酸,会迅速转位到胞外面(外层)单层。暴露在细胞表面的磷脂酰丝氨酸向邻近细胞(例如巨噬细胞)发出信号,招呼它们把这个死细胞吞噬并消化掉。凋亡细胞中磷脂酰丝氨酸之所以发生转位,是因为原本产生并维持脂双层不对称性的主动机制失灵了。

§The Asymmetry of the Lipid Bilayer Is Functionally Important · 教材 p. 613
原理解读

【原理:一个必考的完整故事】正常细胞里,翻转酶不断消耗 ATP 把 PS 拉回胞质面,所以细胞表面「干干净净」。细胞一旦启动凋亡,这套主动机制失灵(翻转酶被 caspase 切断失活,同时加扰酶被活化,双向随机搬运),PS 迅速翻到细胞外表面。巨噬细胞识别暴露的 PS,把凋亡细胞整个吞掉并消化——既清除尸体,又不引起炎症。 【教材的措辞值得注意】原文说转位发生的原因是「产生并维持不对称性的主动机制受损」,即强调「主动维持」四个字:不对称性是靠持续耗能维持的动态平衡,不是一次建成就永久不变的。 【应用】临床与实验室用荧光标记的膜联蛋白 V(Annexin V)特异结合外翻的 PS,检测细胞凋亡,这是最常见的凋亡检测方法之一。 【对应笔记】考点一「膜的不对称性」与「磷脂酰丝氨酸外翻」;与「细胞凋亡」专题联动。 【常见考法】① 简答「举例说明膜脂不对称分布的生理意义」——PS 外翻作为「吃我」信号是最标准的例子;② 名词解释「Annexin V 检测法」;③ 分析题「凋亡细胞表面 PS 暴露的分子机制」,答题点:翻转酶失活 + 加扰酶活化 → 不对称性丧失。

糖脂只朝细胞外:糖脂、神经节苷脂与本节小结Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes; Summary

笔记 考点一:膜脂成分——糖脂笔记 考点一:膜的不对称性(膜糖的不对称)笔记 考点一:糖萼(细胞外被)
Original text

Sugar-containing lipid molecules called glycolipids have the most extreme asymmetry in their membrane distribution: these molecules, whether in the plasma membrane or in intracellular membranes, are found exclusively in the monolayer facing away from the cytosol. In animal cells, they are made from sphingosine, just like sphingomyelin (see Figure 10–3). These intriguing molecules tend to selfassociate, partly through hydrogen bonds between their sugars and partly through van der Waals forces between their long and straight hydrocarbon chains, which causes them to partition preferentially into lipid raft phases (see Figure 10–13).

中文翻译

含糖的脂分子称为糖脂(glycolipid),它们在膜中分布的不对称性最为极端:无论是在质膜还是在细胞内膜上,这些分子都只出现在背离细胞质基质的那一层单层中。在动物细胞里,糖脂和鞘磷脂一样,也由鞘氨醇合成而来(见图 10–3)。这些有趣的分子倾向于彼此缔合,一部分靠糖基之间的氢键,一部分靠长而直的烃链之间的范德华力;这使它们优先分配到脂筏相中(见图 10–13)。

§Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes · 教材 p. 613
Original text

The asymmetric distribution of glycolipids in the bilayer results from the addition of sugar groups to the lipid molecules in the lumen of the Golgi apparatus. Thus, the compartment in which they are manufactured is topologically equivalent to the exterior of the cell (discussed in Chapter 12). As they are delivered to the plasma membrane, the sugar groups are exposed at the cell surface (see Figure 10–15), where they have important roles in interactions of the cell with its surroundings.

中文翻译

糖脂在双层中的不对称分布,源于糖基是在高尔基体腔内加到脂分子上的。也就是说,制造糖脂的那个区室在拓扑学上等同于细胞外部(见第 12 章)。当糖脂被运送到质膜时,糖基就暴露在细胞表面(见图 10–15),并在细胞与周围环境的相互作用中发挥重要作用。

§Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes · 教材 p. 613
原理解读

【原理:糖脂为什么「只朝外」——拓扑学一句话讲透】糖基是在高尔基体腔(lumen)内加上去的。膜泡运输过程中,腔面(lumenal face)始终对应着质膜的非胞质面。所以在高尔基体腔内朝腔的那一面,运到质膜后必然朝向细胞外——教材原话是「制造糖脂的区室在拓扑学上等同于细胞外部」。掌握这一条,就同时解释了糖脂、糖蛋白的糖链为什么一律朝向细胞外或细胞器腔内,永远不朝细胞质基质。这是「膜糖不对称」的根本原因,也是最常考的机制题。 【糖脂为什么爱扎堆到脂筏里】两股力:糖基之间可以形成氢键;烃链又长又直(鞘氨醇骨架),范德华力强。二者叠加使糖脂优先分配到脂筏相。 【与糖萼的联系】质膜外表面的糖脂糖链、糖蛋白糖链和蛋白聚糖共同构成糖萼(glycocalyx,细胞外被),本书在后面讲膜蛋白糖基化时正式提出这一概念;笔记中的「糖萼」考点即由此而来。糖萼的功能:保护、润滑、细胞识别与黏着。 【对应笔记】考点一「糖脂」「膜的不对称性——膜糖的不对称」「糖萼」。 【常见考法】① 简答「为什么细胞膜上的糖链总是分布在细胞外表面」,答题点:糖基化发生在 ER 腔和高尔基体腔,腔面拓扑上等同于细胞外面,膜泡运输过程中该面始终朝外;② 名词解释「糖萼(细胞外被)」;③ 判断「糖脂在两层单层中均匀分布」→ 错误。

Original text

Glycolipids probably occur in all eukaryotic cell plasma membranes, where they generally constitute about 5% of the lipid molecules in the outer monolayer. They are also found in some intracellular membranes. The most complex of the glycolipids, the gangliosides, contain oligosaccharides with one or more sialic acid moieties, which give gangliosides a net negative charge (Figure 10–16). The most abundant of the more than 40 different gangliosides that have been identified are in the plasma membrane of nerve cells, where gangliosides constitute 5–10% of the total lipid mass; they are also found in much smaller quantities in other cell types.

中文翻译

糖脂大概存在于所有真核细胞的质膜上,通常约占外层单层脂分子的 5%。某些细胞内膜上也有糖脂。糖脂中最复杂的是神经节苷脂(ganglioside),它含有带一个或多个唾液酸基团的寡糖,这些唾液酸使神经节苷脂带净负电荷(图 10–16)。已鉴定的神经节苷脂有 40 多种,其中含量最高的几种存在于神经细胞的质膜上,在那里神经节苷脂占脂质总量的 5~10%;其他类型的细胞中也有,但含量少得多。

§Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes · 教材 p. 613
Original text

Hints as to the functions of glycolipids come from their localization. In the plasma membrane of epithelial cells, for example, glycolipids are confined to the exposed apical surface, where they may help to protect the membrane against the harsh conditions frequently found there (such as low pH and high concentrations of degradative enzymes). Charged glycolipids, such as gangliosides, may be important because of their electrical effects: their presence alters the electrical field across the membrane and the concentrations of ions—especially Ca2+—at the membrane surface. Glycolipids also function in cell-recognition processes, in which membrane-bound carbohydrate-binding proteins (lectins) bind to the sugar groups on both glycolipids and glycoproteins in the process of cell–cell adhesion (discussed in Chapter 19).

中文翻译

关于糖脂功能的线索,来自它们的定位。例如在上皮细胞的质膜上,糖脂只限于暴露在外的顶端表面;那里的环境往往很恶劣(比如低 pH 和高浓度的降解酶),糖脂可能有助于保护膜。像神经节苷脂这样带电荷的糖脂,其重要性可能在于电学效应:它们的存在改变了跨膜的电场,也改变了膜表面的离子浓度,尤其是 Ca2+ 的浓度。糖脂还参与细胞识别过程:在细胞—细胞黏着过程中,膜结合的糖结合蛋白(凝集素,lectin)会结合糖脂和糖蛋白上的糖基(见第 19 章)。

§Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes · 教材 p. 614
Original text

The ubiquitous presence of glycolipids on the cell surface has been exploited by a number of bacterial toxins and viruses as a means to enter cells. For example, influenza virus interacts with sialic acid sugars on gangliosides during its entry into cells (see Figure 10–16). Polyomaviruses also enter the cell after binding initially to gangliosides. Similarly, the ganglioside GM1 acts as a cell-surface receptor for the bacterial toxin that causes the debilitating diarrhea of cholera. Cholera toxin binds to and enters only those cells that have GM1 on their surface, including intestinal epithelial cells.

中文翻译

细胞表面普遍存在糖脂,这一点被许多细菌毒素和病毒利用,成了它们进入细胞的途径。例如流感病毒进入细胞时,就与神经节苷脂上的唾液酸糖基发生相互作用(见图 10–16)。多瘤病毒也是先结合神经节苷脂,然后进入细胞。同样,神经节苷脂 GM1 充当霍乱致病菌毒素的细胞表面受体,霍乱正是那种令人虚弱的腹泻病。霍乱毒素只结合并进入表面带有 GM1 的细胞,其中包括肠上皮细胞。

§Glycolipids Are Found on the Surface of All Eukaryotic Plasma Membranes · 教材 p. 614
原理解读

【原理:糖脂的四大功能,按「定位推功能」的思路记】教材的写法很有启发性——先看它长在哪里,再推它干什么。 ① 保护:上皮细胞的糖脂只集中在顶端面(面向肠腔、体表等恶劣环境:低 pH、高浓度降解酶),因此推测有保护作用。 ② 电学效应:神经节苷脂带净负电(来自唾液酸),改变跨膜电场和膜表面的离子浓度,尤其是 Ca2+。 ③ 细胞识别与黏着:凝集素(lectin)识别糖脂、糖蛋白上的糖基,介导细胞—细胞黏着。 ④ 充当受体(被病原体利用):流感病毒结合神经节苷脂上的唾液酸;多瘤病毒结合神经节苷脂;霍乱毒素以 GM1 为受体进入肠上皮细胞。教材接着说明霍乱毒素进入细胞后使胞内 cAMP 持续升高,引起大量 Cl⁻ 外流,从而把 Na⁺、K⁺、HCO3⁻ 和水一起分泌进肠腔——这就是霍乱剧烈水样腹泻的分子机制。 【数字】糖脂约占外层单层脂分子的 5%;神经节苷脂已知 40 多种,在神经细胞质膜中占脂质总量的 5~10%。 【对应笔记】考点一「糖脂」及其功能。 【常见考法】① 名词解释「神经节苷脂」;② 简答「糖脂的分布特点及功能」;③ 分析题「霍乱毒素如何引起腹泻」,答题链:GM1 受体 → 毒素入胞 → cAMP 持续升高 → Cl⁻ 大量外流 → Na⁺、水随之进入肠腔;④ 选择「流感病毒识别的细胞表面成分」→ 神经节苷脂上的唾液酸。

术语对照
  • 糖脂glycolipid只分布于非胞质面单层;约占外层脂分子 5%
  • 神经节苷脂ganglioside最复杂的糖脂,含唾液酸故带净负电;神经细胞膜中占脂质 5~10%
  • 唾液酸sialic acid (NANA)人细胞中主要为 N-乙酰神经氨酸;流感病毒的结合位点
  • 凝集素lectin糖结合蛋白,介导细胞识别与黏着
  • 糖萼(细胞外被)glycocalyx糖脂、糖蛋白与蛋白聚糖的糖链在细胞外表面构成的糖衣
  • 细胞凋亡apoptosisPS 外翻为「吃我」信号,供巨噬细胞识别
Original text

Biological membranes consist of a continuous double layer of lipid molecules in which membrane proteins are embedded. This lipid bilayer is fluid, with individual lipid molecules able to diffuse rapidly within their own monolayer. The membrane lipid molecules are amphiphilic. When placed in water, they assemble spontaneously into bilayers, which form sealed compartments. Although cell membranes can contain hundreds of different lipid species, the plasma membrane in animal cells contains three major classes—phospholipids,

中文翻译

生物膜由连续的脂分子双层构成,膜蛋白镶嵌其中。这层脂双层是流动的,单个脂分子能在自己所在的单层内快速扩散。膜脂分子都是兼性分子;把它们放进水中,它们会自发装配成双层,并进而形成密闭区室。细胞膜可以含有数百种不同的脂质,但动物细胞质膜主要含三大类——磷脂、……(原书此句在此处翻页,续文见下一条引文)

§Summary(THE LIPID BILAYER 小结) · 教材 p. 614
Original text

cholesterol, and glycolipids. Because of their different backbone structure, phospholipids fall into two subclasses—glycerophospholipids and sphingolipids. The lipid compositions of the inner and outer monolayers are different, reflecting the different functions of the two faces of a cell membrane. Different mixtures of lipids are found in the membranes of cells of different types, as well as in the various membranes of a single eukaryotic cell. Inositol phospholipids are a minor class of phospholipids, which in the cytosolic leaflet of the plasma membrane lipid bilayer play an important part in cell signaling: in response to extracellular signals, specific lipid kinases phosphorylate the head groups of these lipids to form docking sites for cytosolic signaling proteins, whereas specific phospholipases cleave certain inositol phospholipids to generate small intracellular signaling molecules.

中文翻译

(承上条)……胆固醇和糖脂。由于骨架结构不同,磷脂又分为两个亚类——甘油磷脂和鞘脂。内层与外层两层单层的脂质组成不同,这反映出细胞膜两个面的功能各异。不同类型细胞的膜含有不同的脂质混合物,同一个真核细胞的各种膜之间也是如此。肌醇磷脂属于含量很少的一类磷脂,它们位于质膜脂双层的胞质面小叶中,在细胞信号转导中扮演重要角色:细胞受到胞外信号刺激后,特定的脂激酶把这些脂质的头部基团磷酸化,形成供胞质信号蛋白停靠的位点;而特定的磷脂酶则切割某些肌醇磷脂,产生细胞内的小信号分子。

§Summary(THE LIPID BILAYER 小结) · 教材 p. 615
原理解读

【本节总纲——按教材小结的顺序背一遍】 ① 结构:生物膜 = 连续脂双层 + 镶嵌其中的膜蛋白。 ② 流动性:脂双层是二维流体,单个脂分子在自身单层内快速侧向扩散(翻转极慢)。 ③ 自发性:膜脂是兼性分子,入水自发形成双层,并进而封闭成密闭区室。 ④ 成分:动物质膜三大类膜脂 = 磷脂、胆固醇、糖脂;磷脂按骨架再分甘油磷脂与鞘脂。 ⑤ 不对称性:内外两层单层组成不同,反映两个面功能不同。 ⑥ 多样性:不同细胞的膜、同一细胞的不同膜,脂质混合物各不相同。 ⑦ 次要脂质的关键作用:肌醇磷脂位于胞质面小叶,脂激酶磷酸化其头部造停靠位点,磷脂酶切割它产生小信号分子。 【答题提示】这七条正好覆盖笔记考点一「膜脂」部分的全部小标题(膜脂成分、甘油磷脂、鞘脂、固醇、膜脂运动方式、脂质体、膜流动性、膜不对称性)。遇到大题「试述细胞质膜的化学组成与结构特点」时,按「成分 → 兼性与自组装 → 双层与封闭 → 流动性(四种运动、影响因素)→ 不对称性(脂、蛋白、糖)→ 功能意义」这条主线展开,基本不会漏采分点。

膜蛋白与脂双层结合的多种方式Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

本节回答两个问题:膜蛋白在膜里占多大分量,以及它们用几种方式挂在脂双层上。第一问是数据题——髓鞘膜蛋白质不足 25%、线粒体与叶绿体内膜约 75%、典型质膜约 50%;而且即便按质量各占一半,脂质分子数仍约为蛋白质分子数的 50 倍,因为脂质分子小得多。这三组数字连同「50∶1」是选择题与填空题的常客。第二问是分类题:中文笔记把膜蛋白分成整合膜蛋白(integral membrane protein)、外周膜蛋白(peripheral membrane protein)、脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)三大类,MBoC 图 10–17 则用 10 个例子把这三类摊开讲。关键在于分类依据不是「位置」而是「结合方式」:凡疏水区插入双层疏水核心的(贯穿膜的、只插一侧的、两亲性螺旋卧在单层上的),以及靠共价脂锚固定的,都必须用去垢剂才能溶出;只靠非共价蛋白–蛋白相互作用贴在膜面上的,才是外周膜蛋白,用高盐、低盐或极端 pH 就能剥下来而双层不破。这条「按提取方法判定归属」的实验判据是最典型的考法。

Original text

Although the lipid bilayer provides the basic structure of biological membranes, the membrane proteins perform most of the membrane’s specific tasks and therefore give each type of cell membrane its characteristic functional properties. Accordingly, the amounts and types of proteins in a membrane are highly variable. In the myelin membrane, which serves mainly as electrical insulation for nerve-cell axons, less than 25% of the membrane mass is protein. By contrast, in the membranes involved in ATP production (such as the internal membranes of mitochondria and chloroplasts), approximately 75% is protein.

中文翻译

虽然脂双层提供了生物膜的基本结构,但膜的大多数特定任务由膜蛋白完成,因此各类细胞膜特有的功能性质也由膜蛋白赋予。相应地,膜中蛋白质的含量与种类差异极大。髓鞘膜主要充当神经细胞轴突的电绝缘层,其膜质量中蛋白质不足 25%。相比之下,在参与 ATP 生成的膜中(例如线粒体和叶绿体的内膜),蛋白质约占 75%。

§MEMBRANE PROTEINS · 教材 p. 615
Original text

A typical plasma membrane is somewhere in between, with protein accounting for about half of its mass. Because lipid molecules are small compared with protein molecules, however, there are always many more lipid molecules than protein molecules in cell membranes—about 50 lipid molecules for each protein molecule in cell membranes that are 50% protein by mass. Membrane proteins vary widely in structure and in the way they associate with the lipid bilayer, which reflects their diverse functions.

中文翻译

典型质膜介于两者之间,蛋白质约占其质量的一半。不过,脂质分子比蛋白质分子小得多,所以细胞膜中脂质分子的数目总是远多于蛋白质分子——在质量上含 50% 蛋白质的细胞膜里,每个蛋白质分子约对应 50 个脂质分子。膜蛋白在结构上、以及在与脂双层结合的方式上差别很大,这正反映出它们功能的多样性。

§MEMBRANE PROTEINS · 教材 p. 615
Original text

Figure 10–17 shows the different ways in which proteins can associate with the membrane. Like their lipid neighbors, membrane proteins are amphiphilic, having hydrophobic and hydrophilic regions. Many membrane proteins extend through the lipid bilayer, and hence are called transmembrane proteins, with part of their mass extruding from the membrane on both sides (Figure 10–17, examples 1, 2, and 5).

中文翻译

图 10–17 展示了蛋白质与膜结合的不同方式。与相邻的脂质一样,膜蛋白也是两亲性(amphiphilic)的,兼有疏水区和亲水区。许多膜蛋白贯穿脂双层,因而称为跨膜蛋白(transmembrane protein),其部分质量在膜的两侧都伸出膜外(图 10–17,例 1、2、5)。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 615
Original text

Other transmembrane proteins are inserted with the bulk of their mass exposed almost exclusively on one or the other side of the membrane (Figure 10–17, examples 3 and 4). In all cases their hydrophobic regions pass through the membrane and interact with the hydrophobic tails of the lipid molecules in the interior of the bilayer, where they are sequestered away from water. Their hydrophilic regions are exposed to water on either side of the membrane.

中文翻译

另一些跨膜蛋白虽然插入膜中,但其大部分质量几乎只暴露在膜的某一侧(图 10–17,例 3 和例 4)。在所有情况下,它们的疏水区都穿过膜,与双层内部脂质分子的疏水尾部相互作用,从而被隔离在水相之外;它们的亲水区则暴露于膜两侧的水中。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 615
原理解读

把上面两段合起来看,就得到「跨膜蛋白」的完整定义框架:跨膜 = 疏水区贯穿双层疏水核心。至于两端质量怎么分配(两侧都伸出,还是几乎全在一侧),只影响它长什么样,不改变它「跨膜」的属性。图 10–17 里例 3、例 4 常被误判成「不跨膜」——例 3 是高尔基体中的糖基转移酶,例 4 是催化膜融合的 SNARE 蛋白,它们都只用一小段跨膜锚把庞大的功能结构域拴在膜的一侧,属于典型的单次跨膜蛋白(single-pass),这是判断题里的高频陷阱。另外注意教材用词:疏水区「被隔离在水相之外」,这正是两亲性分子在双层中自发定向的热力学根源,与上一节讲脂双层自组装是同一条原理——膜蛋白之所以只能以特定取向嵌进膜,说到底是疏水效应在决定。

Original text

Other membrane proteins are located entirely in the cytosol and are attached to the cytosolic monolayer of the lipid bilayer, either by an amphiphilic α helix exposed on the surface of the protein (Figure 10–17, example 6) or by one or more covalently attached lipid chains (Figure 10–17, example 7). The lipid-linked proteins in example 7 in Figure 10–17 are made as soluble proteins in the cytosol and are subsequently anchored to the membrane by the covalent attachment of the lipid group. Lipids can also be attached to the cytosolic facing domains of transmembrane proteins as an additional means of anchoring them to the membrane (see Figure 10–17, example 1).

中文翻译

还有一些膜蛋白完全位于胞质溶胶中,它们或者借助蛋白表面暴露的一段两亲性 α 螺旋(图 10–17,例 6),或者借助一条乃至多条共价连接的脂链(图 10–17,例 7),附着在脂双层的胞质侧单层上。图 10–17 例 7 中的脂连接蛋白先在胞质溶胶中作为可溶性蛋白合成,随后通过共价连上脂基团而锚定到膜上。脂基团也可以连到跨膜蛋白朝向胞质的结构域上,作为把它们锚定于膜的额外手段(见图 10–17,例 1)。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 616
Original text

Yet other membrane proteins are entirely exposed at the external cell surface, being attached to the lipid bilayer only by a covalent linkage (via a specific oligosaccharide) to a lipid anchor in the outer monolayer of the plasma membrane (Figure 10–17, example 8). These proteins are initially made and inserted into the endoplasmic reticulum (ER) by a single transmembrane segment at the C-terminus (similar to example 4 in Figure 10-17). While still in the ER, the transmembrane segment of the protein is cleaved off and a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor is added, leaving the protein bound to the noncytosolic surface of the ER membrane solely by this anchor (discussed in Chapter 12); transport vesicles eventually deliver the protein to the plasma membrane (discussed in Chapter 13).

中文翻译

另有一些膜蛋白完全暴露在细胞外表面,仅通过一处共价连接(经由一段特定寡糖)与质膜外单层中的脂锚相连(图 10–17,例 8)。这类蛋白最初合成时,由 C 端的单个跨膜片段插入内质网(ER)(类似图 10-17 中的例 4)。仍在内质网内时,该蛋白的跨膜片段被切除,并加上一个糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚,使蛋白仅靠此锚结合在内质网膜的非胞质面(见第 12 章);运输小泡最终把该蛋白送到质膜(见第 13 章)。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 616
原理解读

GPI 锚的生成路线是笔记「脂锚定膜蛋白」里最容易背错的一条,务必按四步记:① 蛋白先以 C 端单跨膜片段插入 ER 膜,此时它是货真价实的跨膜蛋白;② 还在 ER 里时跨膜片段被切掉;③ 同时接上 GPI 锚,蛋白就只靠这个锚挂在 ER 膜的非胞质面;④ 由运输小泡送到质膜。因为 ER 腔在拓扑上等同于细胞外空间,所以 GPI 锚定蛋白最终必然朝向细胞外,绝不会朝胞质——这是「GPI 锚定蛋白位于质膜外小叶」这一结论的拓扑学依据,也是简答题的标准答法。与之对照,脂肪酸锚和异戊二烯锚都加在已经合成好的胞质可溶性蛋白上,因此只出现在胞质侧单层。一外一内,务必对比记忆。顺带一提,用磷脂酰肌醇特异性磷脂酶 C(PI-PLC)处理细胞能把 GPI 锚定蛋白从表面切下来,这是鉴定 GPI 锚定蛋白的经典实验,也常作为选择题选项出现。

Original text

By contrast to these examples, membrane-associated proteins do not extend into the hydrophobic interior of the lipid bilayer at all; they are instead bound to either face of the membrane by noncovalent interactions with other membrane proteins (Figure 10–17, examples 9 and 10).

中文翻译

与上述例子不同,膜结合蛋白根本不伸入脂双层的疏水内部;它们只是通过与其他膜蛋白的非共价相互作用,结合在膜的任一面上(图 10–17,例 9 和例 10)。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 616
Original text

Many of the proteins of this type can be released from the membrane by relatively gentle extraction procedures, such as exposure to solutions of very high or low ionic strength or of extreme pH, which interfere with protein–protein interactions but leave the lipid bilayer intact; these proteins are often referred to as peripheral membrane proteins, and their association with membranes is often regulated by the cell as we discuss next. Transmembrane proteins and many proteins held in the bilayer by lipid groups or hydrophobic polypeptide regions that insert into the hydrophobic core of the lipid bilayer cannot be released in these ways.

中文翻译

这一类蛋白中,许多可以用相对温和的抽提手段从膜上释放下来,例如用极高或极低离子强度的溶液、或极端 pH 的溶液处理:这些条件干扰蛋白–蛋白相互作用,却让脂双层保持完整。这类蛋白常被称作外周膜蛋白(peripheral membrane protein),而且正如下文将讨论的,它们与膜的结合往往受细胞调控。跨膜蛋白,以及许多靠脂基团、或靠插入脂双层疏水核心的疏水多肽区段而固定在双层中的蛋白,都不能用这些方法释放。

§Membrane Proteins Can Be Associated with the Lipid Bilayer in Various Ways · 教材 p. 616
原理解读

这一段给出了整个考点的判据条,也就是外周膜蛋白与整合膜蛋白的操作性定义。① 外周膜蛋白——高盐、低盐或极端 pH(有时再加螯合剂)即可洗脱,而双层保持完整,说明它只是靠离子键、氢键等非共价力贴在膜面或别的膜蛋白上;② 整合膜蛋白(含跨膜蛋白与靠疏水肽段插入的蛋白)以及脂锚定蛋白——必须用去垢剂或有机溶剂破坏双层才能溶出。注意教材在这里悄悄给了提醒:脂锚定蛋白虽然「不跨膜」,但因为是共价连脂,抽提行为与整合膜蛋白一致,所以国内教材常把它单列为第三类而不并入外周膜蛋白。答题时按「结合方式 + 提取条件」两条一起写,几乎不会失分。教材末句还留了一个伏笔——外周膜蛋白与膜的结合「往往受细胞调控」,这正引出下一节的脂锚开关。

术语对照
  • 跨膜蛋白transmembrane protein疏水区贯穿双层疏水核心;分单次跨膜与多次跨膜
  • 整合膜蛋白(内在膜蛋白)integral membrane protein必须用去垢剂破坏双层才能溶出,名词解释高频
  • 外周膜蛋白(表在膜蛋白)peripheral membrane protein高盐/低盐/极端 pH 即可洗脱且双层完整,考实验判据
  • 膜结合蛋白membrane-associated proteinMBoC 用语,指完全靠非共价作用贴在膜面上者(图 10–17 例 9、10)
  • 两亲性amphiphilic膜脂与膜蛋白共有的性质,是自组装与定向的根源
  • 单次跨膜/多次跨膜single-pass / multipass按多肽链穿膜次数分类
  • 糖基磷脂酰肌醇锚(GPI 锚)glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor经寡糖连接子接到外单层磷脂酰肌醇上;必朝细胞外
  • 两亲性 α 螺旋amphiphilic α helix以疏水面插入胞质侧单层,并不跨膜(图 10–17 例 6)
  • SNARE 蛋白SNARE protein催化膜融合;图 10–17 例 4 型单次跨膜蛋白
蛋白质与脂双层结合的各种方式。多数膜蛋白被认为以下列方式贯穿双层:(1) 单条 α 螺旋;(2) 多条 α 螺旋;(5) 卷成筒状的 β 折叠片(即 β 桶)。
图注 · 蛋白质与脂双层结合的各种方式。多数膜蛋白被认为以下列方式贯穿双层:(1) 单条 α 螺旋;(2) 多条 α 螺旋;(5) 卷成筒状的 β 折叠片(即 β 桶)。
Caption · Various ways in which proteins associate with the lipid bilayer. Most membrane proteins are thought to extend across the bilayer as (1) a single α helix, (2) as multiple α helices, or (5) as a rolled-up β sheet (a β barrel).
怎么看 · 这是「膜蛋白分类」的总纲图,按编号横着记:①②⑤真正跨膜(整合膜蛋白,含单次跨膜、多次跨膜、β桶),③④也跨膜但主体偏于一侧,⑥⑦⑧靠脂/两亲螺旋锚定,⑨⑩为外周膜蛋白。考研判分点:只有⑨⑩能被高盐或极端 pH 温和抽提下来(不破坏脂双层),其余需去垢剂才能溶解。
讲解 · 这张图是整个考点的骨架图,务必能把 10 个编号一口气默出来。跨膜类:1 单次跨膜 α 螺旋(其胞质侧还额外连了一条脂肪酸链)、2 多次跨膜 α 螺旋、5 β 桶。只露一侧类:3 高尔基体糖基转移酶、4 SNARE 蛋白,两者仍属跨膜蛋白。脂锚定与单层插入类:6 以两亲性 α 螺旋的疏水面插入胞质侧单层;7 仅靠共价脂链(脂肪酸链或异戊二烯基团)挂在胞质侧;8 经寡糖连接子挂在外单层磷脂酰肌醇上,即 GPI 锚。外周类:9、10 只靠与其他膜蛋白的非共价相互作用附着。按「跨膜/单层插入或脂锚/非共价附着」三档归位,比死记编号有效得多。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
(1)①单次跨膜的单一 α 螺旋蛋白(此例还共价连一条脂肪酸链插入胞质侧单层)
(2)②多次跨膜蛋白(多条 α 螺旋跨膜)
HOOCHOOC(羧基端,C 端)
(3)③大部分肽段暴露于非胞质侧的跨膜蛋白(如高尔基体中的糖基转移酶)
(4)④大部分肽段暴露于胞质侧的跨膜蛋白(如催化膜融合的 SNARE 蛋白)
COOHCOOH(羧基端,C 端)
(5)⑤卷成筒状的 β 折叠跨膜蛋白,即 β 桶
(6)⑥靠两亲性 α 螺旋的疏水面插入胞质侧单层而锚定的蛋白
lipid bilayer脂双层
(7)⑦仅靠共价连接的脂链锚定于胞质侧单层的蛋白(脂锚定蛋白)
COOHCOOH(羧基端,C 端)
(8)⑧经寡糖连接子连到非胞质侧单层磷脂酰肌醇上的蛋白,即 GPI 锚定蛋白
NH2NH2(氨基端,N 端)
PP(磷酸基,GPI 锚中连接寡糖与磷脂酰肌醇的磷酸)
CYTOSOL胞质溶胶(细胞质基质)
(9)⑨仅靠非共价相互作用结合在胞质侧的膜结合蛋白(外周膜蛋白)
(10)⑩仅靠非共价相互作用结合在非胞质侧的膜结合蛋白(外周膜蛋白)

脂锚定:部分信号蛋白的膜定位开关Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

这一节把「结构决定功能」落到实处:一个膜蛋白以什么方式结合双层,直接限定了它能干什么。只有跨膜蛋白能同时在膜两侧行使功能、或把分子运过膜;只在一侧工作的蛋白就没必要跨膜,用脂锚挂在那一侧即可。中文笔记的「脂锚定膜蛋白」在这里获得三种具体化学形式:豆蔻酰锚(myristoyl,14 碳饱和脂肪酸,酰胺键连 N 端甘氨酸)、棕榈酰锚(palmitoyl,16 碳饱和脂肪酸,硫酯键连半胱氨酸)、异戊二烯锚(farnesyl 15 碳或 geranylgeranyl 20 碳,硫醚键连半胱氨酸)。三种锚的「脂类—键型—连接残基」是名词解释与填空的三要素,必须能一一对上号。

Original text

How a membrane protein is associated with the lipid bilayer reflects the function of the protein. Only transmembrane proteins can function on both sides of the bilayer or transport molecules across it. Cell-surface receptors, for example, are usually transmembrane proteins that bind signal molecules in the extracellular space and generate different intracellular signals on the opposite side of the plasma membrane, as we discuss in Chapter 15.

中文翻译

膜蛋白与脂双层的结合方式反映该蛋白的功能。只有跨膜蛋白才能在双层两侧同时发挥作用,或把分子运过双层。例如细胞表面受体通常是跨膜蛋白,它们在细胞外空间结合信号分子,并在质膜另一侧产生不同的胞内信号,这将在第 15 章讨论。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 616
Original text

To transfer small hydrophilic molecules across a membrane, a membrane transport protein must provide a path for the molecules to cross the hydrophobic permeability barrier of the lipid bilayer; the molecular architecture of multipass transmembrane proteins (Figure 10–17, examples 2 and 5) is ideally suited for this task, as we discuss in Chapter 11. Proteins that function on only one side of the lipid bilayer, by contrast, are often associated exclusively with either the lipid monolayer or a protein domain on that side.

中文翻译

要把小的亲水分子转运过膜,膜转运蛋白必须为这些分子提供一条越过脂双层疏水通透屏障的通路;多次跨膜蛋白的分子构筑(图 10–17,例 2 和例 5)最适合完成这项任务,详见第 11 章。相反,只在脂双层一侧发挥功能的蛋白,往往只与该侧的脂单层、或该侧的某个蛋白结构域结合。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 616
Original text

Some intracellular signaling proteins, for example, that help relay extracellular signals into the cell interior are bound to the cytosolic half of the plasma membrane by one or more covalently attached lipid groups, which can be fatty acid chains or prenyl groups (Figure 10–18). In some cases, myristic acid is added to the N-terminal amino group of the protein during its synthesis on a ribosome. All members of the Src family of cytoplasmic protein tyrosine kinases (discussed in Chapter 15) are myristoylated in this way.

中文翻译

例如,一些帮助把细胞外信号传递到细胞内部的胞内信号蛋白,借助一个或多个共价连接的脂基团结合在质膜的胞质侧半层上,这些脂基团可以是脂肪酸链,也可以是异戊二烯基团(图 10–18)。在某些情况下,豆蔻酸(myristic acid)在蛋白于核糖体上合成的过程中被加到其 N 端氨基上。胞质型蛋白酪氨酸激酶 Src 家族的所有成员(见第 15 章)都以这种方式发生豆蔻酰化。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 616
Original text

Membrane attachment through a single lipid anchor is not very strong, however, and a second lipid group is often added to anchor proteins more firmly to a membrane. For most Src kinases, the second lipid modification is the attachment of palmitic acid to a cysteine side chain of the protein.

中文翻译

然而,仅靠单个脂锚的膜结合并不很牢固,因此常常再加上第二个脂基团,把蛋白更牢固地锚在膜上。对多数 Src 激酶而言,第二次脂修饰是把棕榈酸(palmitic acid)连到蛋白的一个半胱氨酸侧链上。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 616
原理解读

「单锚不牢、双锚才稳」是本节的力学要点,也是理解可逆调控的关键。单条 14–16 碳脂链插入单层所提供的疏水结合能有限,蛋白容易脱膜;加上第二条脂链后结合能大致翻倍,蛋白才真正被固定住。妙处在于第二条链往往是可逆的:豆蔻酰化发生在核糖体合成时且不可逆;棕榈酰化靠硫酯键,可由棕榈酰转移酶加上、再由硫酯酶去掉。于是细胞就得到一个开关——有信号则加棕榈酸、成双锚、上膜;信号撤去则去棕榈酸、退回单锚、回胞质。问「脂锚定蛋白如何被可逆调控」时,这一套就是标准答案。

Original text

When the signaling pathway is turned off, the palmitic acid is removed, allowing the kinase to return to the cytosol. Other intracellular signaling proteins, such as the Ras family small GTPases (discussed in Chapter 15), use a combination of prenyl group and palmitic acid attachment to recruit the proteins to the plasma membrane. Many proteins attach to membranes transiently. Some are classical peripheral membrane proteins that associate with membranes by regulated protein–protein interactions.

中文翻译

当信号通路关闭时,棕榈酸被移去,使激酶得以返回胞质溶胶。另一些胞内信号蛋白,例如 Ras 家族小 GTP 酶(见第 15 章),则联合使用异戊二烯基团与棕榈酸的连接,把蛋白募集到质膜上。许多蛋白只是短暂地附着于膜。有些属于经典的外周膜蛋白,通过受调控的蛋白–蛋白相互作用与膜结合。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 617
Original text

Others undergo a transition from soluble to membrane protein by a conformational change that exposes a hydrophobic peptide or covalently attached lipid anchor. Many of the small GTPases of the Rab protein family that regulate intracellular membrane traffic (discussed in Chapter 13), for example, switch depending on the nucleotide that is bound to the protein.

中文翻译

另一些蛋白则通过构象变化暴露出一段疏水肽或共价连接的脂锚,从而完成由可溶性蛋白到膜蛋白的转变。例如,调控细胞内膜运输的 Rab 蛋白家族的许多小 GTP 酶(见第 13 章),就依据自身所结合的核苷酸而切换状态。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 617
Original text

In their GDPbound state they are soluble in the cytosol, often stabilized by binding to a GDP dissociation inhibitor, or GDI, whereas in their GTP-bound state their lipid anchor is exposed and tethers them to membranes. They are membrane proteins at one moment and soluble proteins at the next. Such highly dynamic interactions greatly expand the repertoire of membrane functions.

中文翻译

在结合 GDP 的状态下,它们可溶于胞质溶胶,常靠结合 GDP 解离抑制因子(GDI)来稳定;而在结合 GTP 的状态下,它们的脂锚暴露出来,把它们系留到膜上。它们上一刻是膜蛋白,下一刻就是可溶性蛋白。这类高度动态的相互作用极大地扩展了膜功能的种类。

§Lipid Anchors Control the Membrane Localization of Some Signaling Proteins · 教材 p. 617
原理解读

Rab 的 GDP/GTP 开关把「膜蛋白」与「可溶性蛋白」的界线彻底打通,是本节最有思想的一段。机制拆开看有两层:第一层,核苷酸控制构象——结合 GTP 时构象把异戊二烯锚露出来,锚插入膜;结合 GDP 时构象把锚藏回蛋白内部。第二层,伴侣蛋白 GDI 把 GDP 型 Rab 的脂锚包裹住,使它在胞质中保持可溶,不会随便插到膜上。考试常问「同一条多肽为什么可以时而是膜蛋白、时而是可溶性蛋白」,答案就落在「脂锚的可及性受构象与伴侣蛋白双重调控」这一句。还要补一句:中文笔记把膜蛋白分成三类是静态分类,真实细胞里第三类(脂锚定)与可溶性蛋白之间是动态互变的——论述题里加上这一层,层次立刻不同。

术语对照
  • 脂锚定蛋白lipid-anchored protein靠共价脂基团挂在单层上,并不跨膜;名词解释高频
  • 豆蔻酰化myristoylation14 碳豆蔻酸经酰胺键连 N 端甘氨酸;合成时加上,不可逆
  • 棕榈酰化palmitoylation16 碳棕榈酸经硫酯键连半胱氨酸;可逆,是上膜/离膜开关
  • 异戊二烯化(异戊烯化)prenylation法尼基 15 碳或牻牛儿基牻牛儿基 20 碳,经硫醚键连半胱氨酸
  • 法尼基锚farnesyl anchor15 碳不饱和烃,由 3 个 5 碳异戊二烯单位组成
  • GDP 解离抑制因子GDP dissociation inhibitor (GDI)包裹 Rab 脂锚,使 GDP 型 Rab 保持胞质可溶
  • 小 GTP 酶small GTPaseRas 家族管信号、Rab 家族管膜运输,均为脂锚定蛋白
  • Src 家族蛋白酪氨酸激酶Src family protein tyrosine kinase豆蔻酰化 + 棕榈酰化双锚的典型例子
借助脂肪酸链或异戊二烯基团实现的膜蛋白附着。共价连上任一类脂质,都能在蛋白于胞质中合成之后帮助把这个水溶性蛋白定位到膜上。(A) 一条脂肪酸链(豆蔻酸)经酰胺键连到 N 端甘氨酸上。(B) 一条脂肪酸链(棕榈酸)经硫酯键连到一个半胱氨酸上。(C) 一条异戊二烯链(法尼基,或更长的牻牛儿基牻牛儿基链)经硫醚键连到一个半胱氨酸残基上,该残基起初位于距蛋白 C 端第四位。
图注 · 借助脂肪酸链或异戊二烯基团实现的膜蛋白附着。共价连上任一类脂质,都能在蛋白于胞质中合成之后帮助把这个水溶性蛋白定位到膜上。(A) 一条脂肪酸链(豆蔻酸)经酰胺键连到 N 端甘氨酸上。(B) 一条脂肪酸链(棕榈酸)经硫酯键连到一个半胱氨酸上。(C) 一条异戊二烯链(法尼基,或更长的牻牛儿基牻牛儿基链)经硫醚键连到一个半胱氨酸残基上,该残基起初位于距蛋白 C 端第四位。
Caption · Membrane protein attachment by a fatty acid chain or a prenyl group. The covalent attachment of either type of lipid can help localize a water-soluble protein to a membrane after its synthesis in the cytosol. (A) A fatty acid chain (myristic acid) is attached via an amide linkage to an N-terminal glycine. (B) A fatty acid chain (palmitic acid) is attached via a thioester linkage to a cysteine. (C) A prenyl chain (either farnesyl or a longer geranylgeranyl chain) is attached via a thioether linkage to a cysteine residue that is initially located four residues from the protein’s C-terminus.
怎么看 · 三种脂锚配三种化学键,成对背:肉豆蔻酸—N 端甘氨酸—酰胺键;棕榈酸—半胱氨酸—硫酯键;法尼基/香叶基香叶基—半胱氨酸—硫醚键。考研常考延伸:单个脂锚结合力弱,Src 家族酪氨酸激酶等常需第二个脂修饰(如棕榈酰化)才牢固定位于质膜胞质面;棕榈酰化可逆,因而可被调控。
讲解 · 按「三种脂 × 三种键 × 两种连接位点」建表最省事:豆蔻酸—酰胺键—N 端甘氨酸;棕榈酸—硫酯键—内部半胱氨酸;法尼基或牻牛儿基牻牛儿基—硫醚键—C 端第四位半胱氨酸。图注还给出异戊二烯化的后续加工:异戊二烯化之后,末端 3 个氨基酸被切除,新暴露的 C 端先甲基化,然后锚才插入膜——这个「切三个、再甲基化」的细节常出现在填空题里。图 D、E、F 分别是豆蔻酰锚(14 碳饱和)、棕榈酰锚(16 碳饱和)、法尼基锚(15 碳不饱和、三个异戊二烯单位),碳数要能默写。还要记住:这三种锚全在胞质侧单层,与 GPI 锚(外单层)恰好相反。
图内标注中英对照 · 20 条
English中文
(A)(A) 分图A:肉豆蔻酸(豆蔻酰化)锚定
(B)(B) 分图B:棕榈酸(棕榈酰化)锚定
(C)(C) 分图C:异戊二烯基(异戊烯化/法尼基化)锚定
lipid bilayer脂双层
CYTOSOL胞质溶胶(细胞质基质)
C=OC=O(羰基)
amide linkage between terminal amino group and myristic acid末端氨基(N 端甘氨酸的氨基)与肉豆蔻酸之间形成的酰胺键
H—NH—N(酰胺键中的氮氢)
SS(硫,半胱氨酸侧链的巯基硫)
thioester linkage between cysteine and palmitic group半胱氨酸与棕榈酰基之间形成的硫酯键
CH2CH2(亚甲基)
thioether linkage between cysteine and prenyl group半胱氨酸与异戊二烯基之间形成的硫醚键
CC(碳原子,此处为半胱氨酸的 α 碳)
HH(氢原子)
OO(氧原子)
CH3CH3(甲基,异戊烯化后新 C 端被甲基化)
(D) myristoyl anchor(D) 肉豆蔻酰锚(豆蔻酰锚,来自 14 碳饱和脂肪酸链)
(E) palmitoyl anchor(E) 棕榈酰锚(来自 16 碳饱和脂肪酸链)
(F) farnesyl anchor(F) 法尼基锚(15 碳异戊二烯类链)
CH2CH2(亚甲基,法尼基与半胱氨酸硫相连的碳)

跨膜结构域的两种构象:α 螺旋与 β 桶,兼论疏水性图预测In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

本节的推理链条很漂亮,务必按因果顺序背,而不是背结论。前提:① 膜中心是疏水的,没有水;② 肽键本身(C=O 与 N–H)却是极性的。矛盾在于,极性肽键进入无水疏水环境后,原本可以与水形成的氢键无处可去,能量代价极高。唯一出路是让肽键彼此形成氢键,把极性「自我中和」。而能让肽键氢键最大化的规则二级结构只有两种:α 螺旋(链内氢键,n 与 n+4)与 β 折叠(链间氢键)。β 折叠若以片状存在必然暴露出未配对的边缘,在膜中同样不利,于是只能卷成筒——这就是 β 桶(β barrel)。所以「跨膜段要么是 α 螺旋、要么是 β 桶」不是规定,而是氢键饱和这一条热力学要求的必然结果。这是论述题「为什么跨膜结构域只有这两种构象」的完整答法。

Original text

A transmembrane protein always has a unique orientation in the membrane. This reflects both the asymmetric manner in which it is inserted into the lipid bilayer in the ER during its biosynthesis (discussed in Chapter 12) and the different functions of its cytosolic and noncytosolic domains. These domains are separated by the membrane-spanning segments of the polypeptide chain, which contact the hydrophobic environment of the lipid bilayer and are composed largely of amino acids with nonpolar side chains.

中文翻译

跨膜蛋白在膜中总有唯一确定的取向。这既反映它在生物合成过程中以不对称方式插入内质网脂双层(见第 12 章),也反映其胞质结构域与非胞质结构域的功能不同。这两类结构域由多肽链的跨膜片段隔开,跨膜片段接触脂双层的疏水环境,主要由带非极性侧链的氨基酸组成。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 617
Original text

Because the peptide bonds themselves are polar and because water is absent in the bilayer, all peptide bonds in the membranespanning segments of a polypeptide are driven to form hydrogen bonds with one another (discussed in Chapter 3). There are two ways that hydrogen-bonding between peptide bonds can be maximized.

中文翻译

由于肽键本身是极性的,而双层中没有水,跨膜片段中所有肽键都被驱使彼此形成氢键(见第 3 章)。要让肽键之间的氢键达到最大化,有两条途径。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 617
原理解读

教材紧接着说:最常见的那条途径,见于绝大多数跨膜蛋白,就是多肽链以规则 α 螺旋的形式穿过双层(图 10–19)。这句话正好被印刷页 617/618 的分页切断,所以下面的引文从「单次跨膜蛋白」接续。记忆要点:α 螺旋是主流,β 桶是少数派,且 β 桶只见于细菌外膜、线粒体外膜、叶绿体外膜——这个分布本身就是革兰氏阴性菌内共生起源的旁证,常被拿来出综合题。另外注意,跨膜蛋白「取向唯一」这一条也是考点:它是共翻译插入 ER 时就被决定的,此后无论膜怎么流动、小泡怎么出芽融合,蛋白的哪一面朝胞质都不再改变——这正是「膜的不对称性一旦建立就被继承」的分子基础。

Original text

In single-pass transmembrane proteins, the polypeptide chain crosses only once (see Figure 10–17, example 1), whereas in multipass transmembrane proteins, the polypeptide chain crosses multiple times (see Figure 10–17, example 2). An alternative way for the peptide bonds in the lipid bilayer to satisfy their hydrogen-bonding requirements is for multiple transmembrane strands of a polypeptide chain to be arranged as a β sheet that is rolled up into a cylinder (a so-called b barrel; see Figure 10–17, example 5, and Figure 3–7). This protein architecture is seen in the porin proteins that we discuss later.

中文翻译

在单次跨膜蛋白中,多肽链只穿膜一次(见图 10–17,例 1);而在多次跨膜蛋白中,多肽链多次穿膜(见图 10–17,例 2)。脂双层中的肽键满足其氢键需求的另一条途径,是让多肽链的多条跨膜链排成一片 β 折叠,再卷成圆筒——即所谓的 β 桶(见图 10–17 例 5,以及图 3–7)。这种蛋白构筑见于后文讨论的孔蛋白。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 618
Original text

Progress in x-ray crystallography and single-particle cryo-electron microscopy of membrane proteins has enabled the determination of the three-dimensional structure of many of them. The structures confirm that it is often possible to predict from the protein’s amino acid sequence which parts of the polypeptide chain extend across the lipid bilayer. Segments containing about 20–30 amino acids, with a high degree of hydrophobicity, are long enough to span a lipid bilayer as an α helix, and they can often be identified in hydropathy plots (Figure 10–20). From such plots, it is estimated that about 30% of an organism’s proteins are transmembrane proteins, emphasizing their importance.

中文翻译

膜蛋白 X 射线晶体学和单颗粒冷冻电镜的进展,使许多膜蛋白的三维结构得以测定。这些结构证实:常常可以从蛋白的氨基酸序列预测多肽链的哪些部分横跨脂双层。含约 20–30 个氨基酸、疏水性很高的片段,长度足以以 α 螺旋形式跨越脂双层,而且往往能在疏水性图(hydropathy plot)上识别出来(图 10–20)。据此类图估计,一种生物约 30% 的蛋白质是跨膜蛋白,这凸显了它们的重要性。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 618
原理解读

「20–30 个氨基酸」这个数字必须能算出来而不是死记:α 螺旋每圈 3.6 个残基、螺距 0.54 nm,即每个残基沿轴推进约 0.15 nm;脂双层疏水核心厚约 3 nm,3 ÷ 0.15 = 20 个残基。若螺旋略微倾斜或双层稍厚,就需要 20–30 个。考场上被问「为什么跨膜 α 螺旋大约需要 20 个氨基酸」,把这三步算式写出来即可满分。另一个必背数字是「约 30% 的蛋白质是跨膜蛋白」——这是强调膜蛋白重要性的经典引用数据,也解释了为何药物靶点大量集中在膜蛋白上。

Original text

Hydropathy plots cannot identify the membrane-spanning segments of a β barrel, as 10 amino acids or fewer are sufficient to traverse a lipid bilayer as an extended β strand, and only every other amino acid side chain is hydrophobic. The strong drive to maximize hydrogen-bonding in the absence of water means that most transmembrane helices span the membrane completely.

中文翻译

疏水性图无法识别 β 桶的跨膜片段,因为以伸展的 β 链跨越脂双层只需 10 个甚至更少的氨基酸,而且只有每隔一个氨基酸的侧链才是疏水的。在无水条件下最大化氢键的强烈驱动力,意味着大多数跨膜螺旋会完整地跨越整个膜。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 618
原理解读

这一段是疏水性图的「局限性」考点,几乎是简答题的标准问法:疏水性图为什么测不出 β 桶?两条理由要一起答。① 长度不够:β 链是伸展构象,每个残基沿链方向推进约 0.35 nm,跨过 3 nm 疏水核心只需约 10 个残基甚至更少,这么短的窗口在疏水性图上淹没在噪声里。② 疏水性不连续:β 桶的链是「一面朝脂、一面朝水」,因此侧链沿序列交替出现疏水、亲水,平均下来疏水性指数不高,形不成明显的峰。补充第三条局限:只延伸到膜一半深度的短螺旋(如水通道蛋白 aquaporin 的两条短螺旋)也测不出来,只能靠解析三维结构或与已知结构的同源蛋白做序列比对来发现。

Original text

But multipass transmembrane proteins can also contain regions that fold into the membrane from either side, squeezing into spaces between transmembrane α helices without contacting the hydrophobic core of the lipid bilayer. Because such regions interact only with other polypeptide regions, they do not need to maximize hydrogen-bonding; they can therefore have a variety of secondary structures, including helices that extend only partway across the lipid bilayer (Figure 10–21).

中文翻译

但多次跨膜蛋白也可以含有从任一侧折入膜内的区段,它们挤进跨膜 α 螺旋之间的空隙,并不接触脂双层的疏水核心。由于这类区段只与其他多肽区段相互作用,它们无需最大化氢键,因此可以具有多种二级结构,包括只延伸到脂双层一半深度的螺旋(图 10–21)。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 618
Original text

Such regions are important for the function of some membrane proteins, including water channel and ion channel proteins, in which the regions contribute to the walls of the pores traversing the membrane and confer substrate specificity on the channels, as we discuss in Chapter 11.

中文翻译

这类区段对某些膜蛋白的功能很重要,包括水通道蛋白和离子通道蛋白:在这些蛋白中,该区段参与构成贯穿膜的孔道壁,并赋予通道以底物特异性,详见第 11 章。

§In Most Transmembrane Proteins, the Polypeptide Chain Crosses the Lipid Bilayer in an α-Helical Conformation · 教材 p. 618
术语对照
  • α 螺旋α helix跨膜段最常见构象;每圈 3.6 残基,跨膜需约 20–30 个氨基酸
  • β 桶β barrelβ 折叠卷成圆筒;跨膜只需约 10 个残基,疏水性图测不出
  • 疏水性图(疏水性作图)hydropathy plot以固定窗口滑动计算疏水指数,峰即跨膜 α 螺旋;名词解释高频
  • 疏水指数hydropathy index由非极性溶剂转入水所需自由能计算;正值 = 疏水
  • 水通道蛋白aquaporin含两条只跨半膜的短螺旋,四聚体,每单体中央一条亲水孔
  • 跨膜片段membrane-spanning segment又称跨膜结构域,隔开胞质域与非胞质域
  • 单颗粒冷冻电镜single-particle cryo-electron microscopy不需结晶即可解析膜蛋白结构
把多肽链上依次取出的片段由非极性溶剂转入水中所需的自由能,可根据每个片段的氨基酸组成、并利用模型化合物获得的数据计算出来。计算按固定大小的片段进行(通常约 10–20 个氨基酸),从链中每一个氨基酸依次起始。该片段的疏水指数作为其在链中位置的函数标在 Y 轴上。正值表示转入水中需要自由能(即该片段是疏水的),所赋的数值就是所需能量多少的一个指标。疏水指数的峰出现在氨基酸序列中疏水片段所在的位置。(A 和 B) 本章后面讨论的两种膜蛋白的疏水性图。血型糖蛋白 (A) 有一条跨膜 α 螺旋,疏水性图上对应一个峰。细菌视紫红质 (B) 有七条跨膜 α 螺旋,疏水性图上对应七个峰。
图注 · 把多肽链上依次取出的片段由非极性溶剂转入水中所需的自由能,可根据每个片段的氨基酸组成、并利用模型化合物获得的数据计算出来。计算按固定大小的片段进行(通常约 10–20 个氨基酸),从链中每一个氨基酸依次起始。该片段的疏水指数作为其在链中位置的函数标在 Y 轴上。正值表示转入水中需要自由能(即该片段是疏水的),所赋的数值就是所需能量多少的一个指标。疏水指数的峰出现在氨基酸序列中疏水片段所在的位置。(A 和 B) 本章后面讨论的两种膜蛋白的疏水性图。血型糖蛋白 (A) 有一条跨膜 α 螺旋,疏水性图上对应一个峰。细菌视紫红质 (B) 有七条跨膜 α 螺旋,疏水性图上对应七个峰。
Caption · The free energy needed to transfer successive segments of a polypeptide chain from a nonpolar solvent to water is calculated from the amino acid composition of each segment using data obtained from model compounds. This calculation is made for segments of a fixed size (usually around 10–20 amino acids), beginning with each successive amino acid in the chain. The hydropathy index of the segment is plotted on the Y axis as a function of its location in the chain. A positive value indicates that free energy is required for transfer to water (that is, the segment is hydrophobic), and the value assigned is an index of the amount of energy needed. Peaks in the hydropathy index appear at the positions of hydrophobic segments in the amino acid sequence. (A and B) Hydropathy plots for two membrane proteins that are discussed later in this chapter. Glycophorin (A) has a single membrane-spanning α helix and one corresponding peak in the hydropathy plot. Bacteriorhodopsin (B) has seven membrane-spanning α helices and seven corresponding peaks in the hydropathy plot.
怎么看 · 先看顶部条带(深绿=跨膜段),再对照下方曲线:疏水性指数的正向高峰数=跨膜 α 螺旋数——血型糖蛋白 1 个(单次跨膜),细菌视紫红质 7 个(七次跨膜)。考研会考的两条限制:跨膜 α 螺旋约需 20–30 个疏水氨基酸;疏水性图查不出 β 桶的跨膜段(β 链只需约 10 个残基且疏水侧链隔位排列)。
讲解 · 读这张图要抓三点。第一,纵轴的物理含义:把一段肽从非极性溶剂搬进水里所需的自由能,正值越大越疏水——所以峰高就代表疏水程度。第二,横轴是「窗口起始残基编号」,即用一个约 10–20 残基的窗口沿序列滑动逐点计算,因此峰的宽度反映疏水段长度。第三,也是考试最爱的一点:峰数 = 跨膜 α 螺旋数。血型糖蛋白(glycophorin)单峰,对应单次跨膜;细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)七峰,对应七次跨膜。给一张疏水性图让你判断跨膜次数、或反过来给跨膜次数让你画草图,是本考点最常见的图题形式。别忘了配上局限性:β 桶和半膜短螺旋都不会出峰。
图内标注中英对照 · 20 条
English中文
H2NH2N(氨基端,N 端)
COOHCOOH(羧基端,C 端)
(+)(+)(纵轴正方向:疏水性强,转入水相需消耗自由能)
hydropathy index疏水性指数(纵坐标)
00(纵坐标零线,正值以上为疏水段)
11(第1个疏水峰=第1段跨膜 α 螺旋)
(−)(−)(纵轴负方向:亲水性强)
00(横坐标起点,氨基酸编号)
5050(横坐标刻度,第50号氨基酸)
100100(横坐标刻度,第100号氨基酸)
amino acid number氨基酸编号(横坐标,沿多肽链的位置)
(A) GLYCOPHORIN(A) 血型糖蛋白(红细胞膜单次跨膜蛋白)
22(第2个疏水峰=第2段跨膜 α 螺旋)
33(第3段跨膜 α 螺旋)
44(第4段跨膜 α 螺旋)
55(第5段跨膜 α 螺旋)
66(第6段跨膜 α 螺旋)
77(第7段跨膜 α 螺旋)
200200(横坐标刻度,第200号氨基酸)
(B) BACTERIORHODOPSIN(B) 细菌视紫红质(嗜盐菌的七次跨膜蛋白)

跨膜 α 螺旋之间的相互作用:多次跨膜蛋白为何能造出亲水通道Transmembrane α Helices Often Interact with One Another

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

这一节解决一个看似矛盾的问题:膜内部是疏水的,可离子通道、转运体偏偏要让亲水的离子和糖穿过去,它们靠什么在疏水环境里造出一条亲水通路?答案就是螺旋间的堆积——把极性、带电氨基酸藏进螺旋束内部的界面上,让螺旋束外表面全是疏水氨基酸去面对脂质。「外疏水、内亲水」这八个字是整节的核心,也是与 β 桶「外疏水、内亲水」形成呼应的通用膜蛋白设计原则。

Original text

The transmembrane α helices of many single-pass membrane proteins do not contribute to the folding of the protein domains on either side of the membrane. As a consequence, it is often possible to engineer cells to produce just the cytosolic or extracellular domains of these proteins as water-soluble molecules. This approach has been invaluable for studying the structure and function of these domains, especially the domains of transmembrane receptor proteins (discussed in Chapter 15).

中文翻译

许多单次跨膜蛋白的跨膜 α 螺旋,对膜两侧蛋白结构域的折叠并无贡献。因此,常常可以对细胞做基因工程改造,让它只表达这些蛋白的胞质结构域或胞外结构域,作为水溶性分子获得。这一手段对研究这些结构域的结构与功能极有价值,尤其适用于跨膜受体蛋白的结构域(见第 15 章)。

§Transmembrane α Helices Often Interact with One Another · 教材 p. 619
Original text

A transmembrane α helix, even in a single-pass membrane protein, however, often does more than just anchor the protein to the lipid bilayer. Many single-pass membrane proteins form homodimers or heterodimers that are held together by noncovalent, but strong and highly specific, interactions between the two transmembrane α helices; the sequence of the amino acids of these helices contains the information that directs the protein–protein interaction.

中文翻译

然而,即便在单次跨膜蛋白中,一条跨膜 α 螺旋往往也不只是把蛋白锚在脂双层上那么简单。许多单次跨膜蛋白会形成同源二聚体或异源二聚体,靠两条跨膜 α 螺旋之间非共价、却强而高度特异的相互作用维系在一起;这些螺旋的氨基酸序列本身就携带着指导该蛋白–蛋白相互作用的信息。

§Transmembrane α Helices Often Interact with One Another · 教材 p. 619
原理解读

两个实验性要点值得记。其一,单次跨膜蛋白的三段结构(胞外域—跨膜段—胞质域)在折叠上彼此独立,所以可以单独表达可溶性胞外域用于结晶、结合实验——这是研究受体的常规策略,也是「结构域独立折叠」这一概念在膜蛋白上的应用。其二,跨膜螺旋不是惰性的「插销」:许多受体靠跨膜螺旋之间特异的堆积形成二聚体,序列信息就写在螺旋里(经典例子是血型糖蛋白跨膜段的 GxxxG 基序)。这解释了为什么受体酪氨酸激酶配体一结合就能二聚化并激活——跨膜螺旋的配对本身就是信号传递的一个环节。

Original text

Similarly, the transmembrane α helices in multipass membrane proteins occupy specific positions in the folded protein structure that are determined by interactions between the neighboring helices (Figure 10–22). These interactions are crucial for the structure and function of the many receptors, channels, and transporters that communicate or move molecules across cell membranes. In these proteins, each transmembrane helix shields regions of neighboring transmembrane helices from membrane lipids.

中文翻译

同样,多次跨膜蛋白中的各条跨膜 α 螺旋在折叠好的蛋白结构中占据特定位置,这些位置由相邻螺旋之间的相互作用决定(图 10–22)。这些相互作用对许多受体、通道和转运体的结构与功能至关重要——正是它们在细胞膜上传递信息或转运分子。在这些蛋白中,每条跨膜螺旋都为相邻跨膜螺旋的某些区域屏蔽膜脂。

§Transmembrane α Helices Often Interact with One Another · 教材 p. 619
Original text

When all the helices are packed together into the final folded structure, the outer surface of the helical bundle that is exposed to lipids is composed primarily of hydrophobic amino acids. By contrast, the interior of the helical bundle, which is not exposed directly to lipids, can contain polar and even charged amino acids that would ordinarily be disfavored in the membrane.

中文翻译

当所有螺旋堆积成最终的折叠结构后,螺旋束朝外、暴露给脂质的表面主要由疏水氨基酸构成。相反,螺旋束内部并不直接暴露于脂质,因而可以含有极性甚至带电的氨基酸——这些氨基酸在膜环境中通常是不受欢迎的。

§Transmembrane α Helices Often Interact with One Another · 教材 p. 619
Original text

The ability to accommodate hydrophilic amino acids within a bundle of transmembrane helices means that multipass membrane proteins can contain binding sites and channels across the membrane for hydrophilic molecules. This property affords multipass membrane proteins considerable functional diversity and probably explains why they represent the majority of membrane proteins.

中文翻译

跨膜螺旋束能够容纳亲水氨基酸,意味着多次跨膜蛋白可以在膜上具备结合位点、以及供亲水分子通过的通道。这一性质赋予多次跨膜蛋白相当大的功能多样性,大概也解释了它们为何构成膜蛋白的大多数。

§Transmembrane α Helices Often Interact with One Another · 教材 p. 619
原理解读

把这三段串成一条因果链来答题:螺旋互相屏蔽 → 束外全疏水、束内可藏亲水残基 → 束内亲水残基能构成结合位点和亲水孔道 → 多次跨膜蛋白因此功能极其多样,成为膜蛋白的主体。反过来也说明为什么疏水性图对多次跨膜蛋白的预测会「漏算」:某条实际跨膜的螺旋若含有较多极性残基(因为它被相邻螺旋屏蔽了),疏水指数就可能达不到阈值而不出峰。教材还提示,这种界面接触既可发生在同一条多肽的相邻螺旋之间,也可发生在不同亚基的螺旋之间——许多离子通道正是靠数个亚基的螺旋围成中央孔,这一点在第 11 章会反复用到。

术语对照
  • 同源二聚体/异源二聚体homodimer / heterodimer单次跨膜蛋白靠跨膜螺旋特异配对形成
  • 螺旋束helical bundle多次跨膜蛋白的核心构筑;外疏水、内可亲水
  • 多次跨膜蛋白multipass membrane protein膜蛋白的大多数;受体、通道、转运体的基本构型
  • 跨膜螺旋堆积transmembrane helix packing决定螺旋在折叠结构中的位置,并屏蔽彼此不受膜脂影响
多次跨膜蛋白折叠的各步骤。跨膜螺旋中所含的极性氨基酸和带电氨基酸,在脂双层的疏水环境中于能量上是不利的。在折叠好的膜蛋白中,它们被埋在空间上相邻的螺旋之间的界面处。在膜蛋白复合物中,这类接触还可以发生在来自不同蛋白亚基的螺旋之间,许多离子通道就是如此(见第 11 章)。通过这种方式,多次跨膜蛋白能够在双层的疏水屏障上提供一条亲水通路。
图注 · 多次跨膜蛋白折叠的各步骤。跨膜螺旋中所含的极性氨基酸和带电氨基酸,在脂双层的疏水环境中于能量上是不利的。在折叠好的膜蛋白中,它们被埋在空间上相邻的螺旋之间的界面处。在膜蛋白复合物中,这类接触还可以发生在来自不同蛋白亚基的螺旋之间,许多离子通道就是如此(见第 11 章)。通过这种方式,多次跨膜蛋白能够在双层的疏水屏障上提供一条亲水通路。
Caption · Steps in the folding of a multipass transmembrane protein. Polar and charged amino acids contained in transmembrane helices are energetically disfavored in the hydrophobic environment of the lipid bilayer. They become buried in the interface between spatially adjacent helices in folded membrane proteins. In membrane protein complexes, these contacts can occur between helices from different protein subunits, as is the case for many ion channels as discussed in Chapter 11. In this way, multipass membrane proteins can provide a hydrophilic path across the hydrophobic barrier of the bilayer.
怎么看 · 跟着两个箭头看:分散的跨膜螺旋上暴露的亲水残基在脂双层中能量不利,于是螺旋互相靠拢、把这些极性残基埋进螺旋之间的界面;最右为俯视截面,可见螺旋束外表面全是疏水氨基酸、内部却是亲水环境。考研答题落点:这正是离子通道、转运蛋白能在疏水屏障中提供亲水通路和结合位点的结构原理。
讲解 · 这张图把折叠过程画成两步:新合成的多次跨膜蛋白,各条螺旋还散开在膜中,极性与带电残基直接暴露给脂质(能量上不利);随后螺旋彼此靠拢堆积,这些亲水残基被埋进螺旋界面,蛋白进入折叠态。要能一句话说清它证明了什么:亲水残基并没有消失,只是换了个「藏身处」——从暴露于脂质变成埋于蛋白–蛋白界面,于是既满足了热力学,又保留了造亲水孔的能力。图注特别点出界面可以跨亚基,这正是四聚体、五聚体离子通道中央孔的由来,答「离子通道如何在疏水膜中形成亲水通路」时务必写上这一层。
图内标注中英对照 · 6 条
English中文
hydrophilic amino acids亲水氨基酸(图中橙黄色圆点,位于跨膜螺旋上的极性/带电残基)
lipid bilayer脂双层
hydrophilic environment亲水环境(螺旋束内部形成的亲水通路)
newly synthesized multipass transmembrane protein新合成的多次跨膜蛋白
folded membrane protein折叠完成的膜蛋白
[red rotation arrow]红色旋转箭头:将左侧视角旋转 90°,改为从膜的上方俯视螺旋束横截面

β 桶:从孔蛋白到 FepA 的刚性通道Some β Barrels Form Large Channels

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

先补上被印刷页 619/620 分页切断的那句原理:与可以有多种排列方式的 α 螺旋束不同,β 桶膜蛋白总是排成圆柱形;原因是所有氢键都必须被满足,而暴露出边缘的 β 折叠片在膜中于能量上是不利的。请把这条推理与上一节接起来看——α 螺旋靠链内氢键就能自我饱和,所以螺旋束怎么排都行;β 折叠靠链间氢键,一旦是平片就必然有两条边缘的氢键无人配对,在无水的膜里没法补救,唯一办法是首尾相接卷成筒。「β 桶必为圆筒」不是观察结论,而是氢键饱和的必然推论,这是简答题的高分写法。

Original text

This means that β barrels all share the same overall architecture in which the amino acids facing the outside of the cylinder are hydrophobic. By contrast, the size of the barrel, and the content inside the barrel, are highly variable and suited to the function of each β-barrel membrane protein. For example, the number of β strands in a β barrel varies widely, from as few as 8 strands to as many as 22 (Figure 10–23). β-Barrel proteins are abundant in the outer membranes of bacteria, mitochondria, and chloroplasts.

中文翻译

这意味着所有 β 桶都共有同一种总体构筑:面向圆筒外侧的氨基酸都是疏水的。相比之下,桶的大小以及桶内的内容物变化很大,各自与相应 β 桶膜蛋白的功能相适应。例如,一个 β 桶中 β 链的数目差别悬殊,少则 8 条,多至 22 条(图 10–23)。β 桶蛋白大量存在于细菌、线粒体和叶绿体的外膜中。

§Some β Barrels Form Large Channels · 教材 p. 620
Original text

Some are pore-forming proteins, which create water-filled channels that allow selected small hydrophilic molecules to cross the membrane. The porins are well-studied examples (Figure 10–23C). Many porin barrels are formed from a 16-strand, antiparallel β sheet rolled up into a cylindrical structure. Polar amino acid side chains line the aqueous channel on the inside, while nonpolar side chains project from the outside of the barrel to interact with the hydrophobic core of the lipid bilayer.

中文翻译

有些 β 桶蛋白是成孔蛋白,它们造出充水的通道,允许选定的小分子亲水物质跨膜通过。孔蛋白(porin)就是研究得很透彻的例子(图 10–23C)。许多孔蛋白的桶由一片 16 链的反平行 β 折叠卷成圆筒结构。极性氨基酸侧链衬在内侧的水性通道上,非极性侧链则从桶外伸出,与脂双层的疏水核心相互作用。

§Some β Barrels Form Large Channels · 教材 p. 620
原理解读

孔蛋白是名词解释的高频词,答案要含四个要素:① 存在部位——革兰氏阴性细菌外膜,以及线粒体、叶绿体外膜;② 结构——多为 16 条反平行 β 链卷成的 β 桶;③ 极性分布——桶内侧衬极性侧链形成充水孔道,桶外侧为非极性侧链面对脂双层疏水核心;④ 功能——形成允许一定大小的小分子亲水物质通过的通道,故这些外膜通透性远大于质膜。再补一句选择性的来源:多肽链的一些环折入孔腔使孔径变窄,从而筛选溶质,麦芽糖孔蛋白(maltoporin)优先通过麦芽糖及麦芽寡糖就是例证。这条「环决定选择性」常被拿来与「离子通道的选择性滤器」对照命题。

Original text

Loops of the polypeptide chain often protrude into the lumen of the channel, narrowing it so that only certain solutes can pass. Some porins are therefore highly selective: maltoporin, for example, preferentially allows maltose and maltose oligomers to cross the outer membrane of E. coli. The FepA protein is a more complex example of a β-barrel transport protein (Figure 10–23D). It transports iron ions across the bacterial outer membrane. It is constructed from 22 β strands, and a large globular domain completely fills the inside of the barrel. Iron ions bind to this domain, which changes its conformation to transfer the iron across the membrane.

中文翻译

多肽链的一些环常常突入通道腔内,使通道变窄,以致只有某些溶质才能通过。因此有些孔蛋白具有高度选择性:例如麦芽糖孔蛋白(maltoporin)优先允许麦芽糖及麦芽寡糖穿过大肠杆菌(E. coli)外膜。FepA 蛋白是一个更复杂的 β 桶转运蛋白例子(图 10–23D)。它把铁离子运过细菌外膜。它由 22 条 β 链构成,桶内被一个大的球状结构域完全填满。铁离子结合到该结构域上,该结构域随即改变构象,把铁转运过膜。

§Some β Barrels Form Large Channels · 教材 p. 620
Original text

Not all β-barrel proteins are transporters. Some form smaller barrels that are completely filled by amino acid side chains that project into the center of the barrel. These proteins function as receptors or enzymes (Figure 10–23A and B); the barrel serves as a rigid anchor, which holds the protein in the membrane and orients the cytosolic loops that form binding sites for specific intracellular molecules.

中文翻译

并非所有 β 桶蛋白都是转运体。有些形成较小的桶,桶内被伸向桶心的氨基酸侧链完全填满。这类蛋白起受体或酶的作用(图 10–23A 和 B);此时桶充当刚性锚,把蛋白固定在膜中,并为胞质侧的环定向——这些环构成结合特定胞内分子的位点。

§Some β Barrels Form Large Channels · 教材 p. 620
Original text

Most multipass membrane proteins in eukaryotic cells and in the bacterial plasma membrane are constructed from transmembrane α helices. The helices can slide against each other, allowing conformational changes in the protein that can open and shut ion channels, transport solutes, or transduce extracellular signals into intracellular ones. In β-barrel proteins, by contrast, hydrogen bonds bind each β strand rigidly to its neighbors, making conformational changes within the wall of the barrel unlikely.

中文翻译

真核细胞以及细菌质膜中的大多数多次跨膜蛋白,都由跨膜 α 螺旋构筑而成。这些螺旋能彼此滑动,从而允许蛋白发生构象变化,开闭离子通道、转运溶质,或把细胞外信号转导为细胞内信号。相反,在 β 桶蛋白中,氢键把每条 β 链牢牢地绑在相邻链上,使桶壁内部不大可能发生构象变化。

§Some β Barrels Form Large Channels · 教材 p. 620
原理解读

α 螺旋束与 β 桶的对比是本节的压轴考点,按「柔性 vs 刚性」一条线索答就不会乱。α 螺旋束:螺旋之间只有堆积作用,能相对滑动,因此蛋白可以做大幅构象变化——开关离子通道、转运溶质、跨膜信号转导都需要这种柔性,所以真核细胞和细菌质膜的多次跨膜蛋白几乎全是 α 螺旋型。β 桶:相邻 β 链之间是密集的氢键,桶壁被锁死,构象变化极难,因此 β 桶多用作固定孔道(孔蛋白)或刚性锚(OmpA 受体、OMPLA 脂酶)。教材接着指出(该句被 620/621 分页切断):正因为这种刚性,β 桶格外稳定,比 α 螺旋型膜蛋白更容易纯化和结晶,所以 β 桶蛋白是最早被解析结构的多次跨膜蛋白之一——这条「刚性→稳定→易结晶→最早解析」的因果链常出现在实验方法题里。桶内内容物的三档也要记:全空(孔蛋白,通道)、被球状结构域填满(FepA,主动转运)、被侧链填满(OmpA/OMPLA,受体或酶)。

术语对照
  • 孔蛋白porin多为 16 链反平行 β 桶,形成充水孔道;名词解释高频
  • 成孔蛋白pore-forming protein造出允许选定小分子亲水物质通过的水性通道
  • 麦芽糖孔蛋白maltoporin高度选择性孔蛋白,优先通过麦芽糖及麦芽寡糖
  • FepAFepA22 链 β 桶,桶内被球状结构域填满,转运铁离子
  • OmpAOmpA8 链小 β 桶,充当细菌病毒受体
  • OMPLAOMPLA12 链 β 桶,是水解脂质的酶(脂酶)
  • 反平行 β 折叠antiparallel β sheet卷成 β 桶的基本单元;链间氢键使桶壁刚性极高
(A) 大肠杆菌(Escherichia coli)的 OmpA 蛋白充当一种细菌病毒的受体。(B) 大肠杆菌的 OMPLA 蛋白是一种酶(脂酶),水解脂质分子。催化该酶促反应的氨基酸(以红色标出)从桶的外表面伸出。(C) 来自荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)的一种孔蛋白,在外膜上形成一条充水的孔道。通道直径受突入通道的环(以黄色显示)限制。(D) 大肠杆菌的 FepA 蛋白转运铁离子。桶内被一个球状蛋白结构域(以黄色显示)完全填满,该结构域含有一个铁结合位点(图中未示出)。
图注 · (A) 大肠杆菌(Escherichia coli)的 OmpA 蛋白充当一种细菌病毒的受体。(B) 大肠杆菌的 OMPLA 蛋白是一种酶(脂酶),水解脂质分子。催化该酶促反应的氨基酸(以红色标出)从桶的外表面伸出。(C) 来自荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)的一种孔蛋白,在外膜上形成一条充水的孔道。通道直径受突入通道的环(以黄色显示)限制。(D) 大肠杆菌的 FepA 蛋白转运铁离子。桶内被一个球状蛋白结构域(以黄色显示)完全填满,该结构域含有一个铁结合位点(图中未示出)。
Caption · (A) The Escherichia coli OmpA protein serves as a receptor for a bacterial virus. (B) The E. coli OMPLA protein is an enzyme (a lipase) that hydrolyzes lipid molecules. The amino acids that catalyze the enzymatic reaction (indicated in red) protrude from the outside surface of the barrel. (C) A porin from the bacterium Rhodobacter capsulatus forms a water-filled pore across the outer membrane. The diameter of the channel is restricted by loops (shown in yellow) that protrude into the channel. (D) The E. coli FepA protein transports iron ions. The inside of the barrel is completely filled by a globular protein domain (shown in yellow) that contains an iron-binding site (not shown).
怎么看 · 四个桶从左到右 β 股数依次增多(8→12→16→22),横向对比可看出:β 桶的整体架构相同(外表面全是疏水氨基酸),变化的只是桶径与桶内填充物,功能因此分为受体、酶、通道、转运体。考点是「多次跨膜蛋白的两种基本形式:α 螺旋束 vs β 桶」,以及 β 桶因链间氢键刚性大、不易发生构象变化,故易纯化结晶。
讲解 · 这张图按 β 链数从少到多排成一列,正好对应功能从「锚」到「通道」的过渡,是一张天然的对比表:OmpA 8 链(受体,桶小、被侧链填满)→ OMPLA 12 链(脂酶,催化残基在桶外表面,因为底物是脂)→ 孔蛋白 16 链(通道,黄色的环突入腔内限制孔径)→ FepA 22 链(转运体,黄色球状结构域完全塞满桶腔,靠构象变化把铁递过去)。四个名字、四个链数、四种功能,最好直接背成一张表。注意 OMPLA 的催化残基之所以朝桶外而非桶内,是因为它的底物是膜脂本身——这个细节常被出成「为什么该酶活性位点面向脂质」的小问答。图中标尺 2 nm 也提示了这些桶的实际口径量级。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
lipid bilayer脂双层(灰蓝色横条,代表细菌外膜的疏水核心区)
EXTRACELLULAR SPACE细胞外空间(膜的上方一侧)
PERIPLASM周质空间(革兰氏阴性菌外膜与内膜之间的间隙,膜的下方一侧)
2 nm2 nm(比例尺)
(A)(A)分图 A
8-stranded OmpA8 股 β 链构成的 OmpA(大肠杆菌外膜蛋白 A,充当噬菌体受体)
(B)(B)分图 B
12-stranded OMPLA12 股 β 链构成的 OMPLA(外膜磷脂酶 A,一种水解脂分子的酶;红色为催化活性氨基酸)
(C)(C)分图 C
16-stranded porin16 股 β 链构成的孔蛋白(来自荚膜红细菌 Rhodobacter capsulatus,形成充水的跨膜孔道;黄色环状肽段伸入孔中限制孔径)
(D)(D)分图 D
22-stranded FepA22 股 β 链构成的 FepA(大肠杆菌铁离子转运蛋白;桶内被黄色的球状结构域完全填满)

膜蛋白的糖基化与糖萼Many Membrane Proteins Are Glycosylated

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

本节的主线是「膜的不对称性」在糖和二硫键两方面的体现,也是笔记里「糖基化」小节的完整出处。要先立住一条拓扑学原理:糖残基在内质网腔和高尔基体腔内添加,而这些腔在拓扑上与细胞外空间相通,因此寡糖链只能出现在膜的非胞质面——在质膜上就是细胞外表面。同样,二硫键只在非胞质侧形成,因为胞质溶胶是还原性环境,把半胱氨酸维持在还原的 –SH 状态。「糖在外、二硫键在外」这两条对称的结论,是判断题和简答题的常客,答题时一定要写出各自的成因(合成部位的拓扑关系/胞质的还原性环境),而不是只背结论。

Original text

The plasma membrane of a cell is exposed to the often harsh and constantly changing extracellular environment. How are the membrane and its embedded proteins protected from damage? One answer is that many cells have a layer of oligosaccharide and polysaccharide chains that are attached to the lipids and protein domains facing the outside. Most transmembrane proteins in animal cells are glycosylated. As in glycolipids, the sugar residues are added in the lumen of the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus (discussed in Chapters 12 and 13). For this reason, the oligosaccharide chains are always present on the noncytosolic side of the membrane.

中文翻译

细胞质膜暴露在往往严酷且不断变化的细胞外环境中。膜及其中嵌着的蛋白如何免受损伤?一个答案是:许多细胞在朝外的脂质和蛋白结构域上连着一层寡糖链和多糖链。动物细胞中大多数跨膜蛋白都被糖基化。与糖脂一样,糖残基在内质网腔和高尔基体腔内添加(见第 12 章和第 13 章)。正因如此,寡糖链总是位于膜的非胞质侧。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
Original text

Another important difference between proteins (or parts of proteins) on the two sides of the membrane results from the reducing environment of the cytosol. This environment decreases the likelihood that intrachain or interchain disulfide (S–S) bonds will form between cysteines on the cytosolic side of membranes. These bonds form on the noncytosolic side, where they can help stabilize either the folded structure of the polypeptide chain or its association with other polypeptide chains (Figure 10–24).

中文翻译

膜两侧的蛋白(或蛋白位于两侧的部分)之间还有一个重要差别,来自胞质溶胶的还原性环境。这一环境降低了膜胞质侧半胱氨酸之间形成链内或链间二硫键(S–S)的可能性。这些键在非胞质侧形成,可以帮助稳定多肽链的折叠结构,或稳定它与其他多肽链的结合(图 10–24)。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
原理解读

这里可以顺手把「膜的不对称性」做一次总结,因为专题3 前后两个考点都在用它。脂的不对称:磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺富集于胞质面,磷脂酰胆碱、鞘磷脂富集于外层;糖脂全部位于外层(非胞质面)。蛋白的不对称:每种膜蛋白取向唯一,由插入 ER 时决定,此后不可翻转;寡糖链只在非胞质面;二硫键只在非胞质面。这三组「只在一侧」的事实来源不同——脂靠翻转酶(flippase/scramblase)主动维持,蛋白取向靠共翻译插入决定,糖与二硫键靠合成部位的拓扑与氧化还原环境决定。论述「生物膜的不对称性及其形成机制」时,把这三条分层写出来,比笼统罗列现象得分高得多。

Original text

Because the extracellular parts of most plasma membrane proteins are glycosylated, carbohydrates extensively coat the surface of all eukaryotic cells. These carbohydrates occur as oligosaccharide chains covalently bound to membrane proteins (glycoproteins) and lipids (glycolipids). They also occur as the polysaccharide chains of integral membrane proteoglycan molecules. Proteoglycans, which consist of long polysaccharide chains linked covalently to a protein core, are found mainly outside the cell, as part of the extracellular matrix (discussed in Chapter 19). But, for some proteoglycans, the protein core either extends across the lipid bilayer or is attached to the bilayer by a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor.

中文翻译

由于大多数质膜蛋白的胞外部分都被糖基化,糖类广泛覆盖着所有真核细胞的表面。这些糖类以共价结合在膜蛋白(糖蛋白)和脂质(糖脂)上的寡糖链形式存在,也以整合膜蛋白聚糖分子的多糖链形式存在。蛋白聚糖由长多糖链共价连接到一个蛋白核心上构成,主要分布在细胞外,是细胞外基质的一部分(见第 19 章)。但对某些蛋白聚糖而言,其蛋白核心或者贯穿脂双层,或者通过糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚附着于双层。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
Original text

The terms cell coat or glycocalyx are sometimes used to describe the carbohydrate-rich zone on the cell surface. This carbohydrate layer can be visualized by various stains, such as ruthenium red (Figure 10–25A), as well as by its affinity for carbohydrate-binding proteins called lectins, which can be labeled with a fluorescent dye or some other visible marker.

中文翻译

细胞被(cell coat)或糖萼(glycocalyx)这两个术语,有时用来描述细胞表面富含糖类的区带。这层糖类可用多种染色剂显示,例如钌红(图 10–25A);也可以利用它与凝集素(lectin,一类结合糖类的蛋白)的亲和力来显示,凝集素可用荧光染料或其他可见标记进行标记。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
原理解读

糖萼的化学组成是名词解释必答的三项,一项都不能少:① 膜糖蛋白的寡糖侧链;② 膜糖脂的寡糖侧链;③ 膜蛋白聚糖的多糖链。再加上第四项才完整——先分泌到细胞外、随后又吸附回细胞表面的糖蛋白和蛋白聚糖。所以糖萼不全是「自产」的,这也是质膜与细胞外基质界线模糊的原因。检测方法两条:钌红染色(电镜下显示为质膜外一层绒毛状致密层)与凝集素结合(可荧光标记)。凝集素本身也是高频名词:能特异识别并结合糖类的蛋白,既是研究工具,也是细胞识别与黏附的天然介导者。

Original text

Although most of the sugar groups are attached to intrinsic plasma membrane molecules, the carbohydrate layer also contains both glycoproteins and proteoglycans that have been secreted into the extracellular space and then adsorbed onto the cell surface (Figure 10–25B). Many of these adsorbed macromolecules are components of the extracellular matrix, so that the boundary between the plasma membrane and the extracellular matrix is often not sharply defined. One of the many functions of a slippery carbohydrate layer is to protect cells against mechanical and chemical damage; it also keeps various other cells at a distance, preventing unwanted cell–cell interactions.

中文翻译

虽然大多数糖基连在质膜的固有分子上,但这层糖类还含有先被分泌到细胞外空间、随后又吸附到细胞表面的糖蛋白和蛋白聚糖(图 10–25B)。这些被吸附的大分子中,许多是细胞外基质的组分,因而质膜与细胞外基质的界线往往并不分明。这层滑腻的糖类有一项重要功能,就是保护细胞免受机械损伤和化学损伤;它还让其他各种细胞保持一定距离,防止不必要的细胞–细胞相互作用。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
Original text

The oligosaccharide side chains of glycoproteins and glycolipids are enormously diverse in their arrangement of sugars. Although they usually contain fewer than 15 sugars, the chains are often branched, and the sugars can be bonded together by various kinds of covalent linkages—unlike the amino acids in a polypeptide chain, which are all linked by identical peptide bonds. Even three sugars can be put together to form hundreds of different trisaccharides. How sugars can form such a vast variety of different structures is discussed in Chapter 2.

中文翻译

糖蛋白和糖脂的寡糖侧链,在糖的排列方式上极其多样。虽然它们通常含不到 15 个糖,但糖链常有分支,而且糖与糖之间可以由多种不同的共价键连接——这一点与多肽链中氨基酸全部靠相同的肽键连接截然不同。仅仅三个糖就能组合出数百种不同的三糖。糖为何能形成如此繁多的结构,将在第 2 章讨论。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
Original text

Both the diversity and the exposed position of the oligosaccharides on the cell surface make them especially well suited to function in specific cell-recognition processes. Plasma-membrane-bound lectins that recognize specific oligosaccharides on cell-surface glycolipids and glycoproteins mediate a variety of transient cell–cell adhesion processes, including those occurring in lymphocyte recirculation and inflammatory responses (see Figure 19–28).

中文翻译

寡糖既高度多样,又位于细胞表面这一暴露的位置,这使它们特别适合在特异性细胞识别过程中发挥作用。结合在质膜上的凝集素能识别细胞表面糖脂和糖蛋白上的特定寡糖,从而介导多种短暂的细胞–细胞黏附过程,包括淋巴细胞再循环和炎症反应中发生的黏附(见图 19–28)。

§Many Membrane Proteins Are Glycosylated · 教材 p. 621
原理解读

「糖为什么适合做识别分子」是一道极常考的原理题,答案要落在信息容量上。多肽链里氨基酸只用一种连接方式(肽键)、只能连成线性链;而糖之间可以用多种糖苷键(不同碳位、α/β 构型)连接,还能分支,所以即便寡糖通常不到 15 个糖,可能的结构数也远超同样长度的肽——教材给的量化例子是「仅三个糖就能组出数百种三糖」。再加上寡糖恰好位于细胞最外层这一暴露位置,就成了理想的「细胞身份标签」。功能上要能举出三类:① 保护(滑腻的糖层抗机械与化学损伤,并把其他细胞推开,避免不必要的接触);② 识别与黏附(凝集素识别特定寡糖,介导淋巴细胞再循环、炎症反应中的白细胞滚动);③ 血型抗原(ABO 血型由红细胞表面糖脂/糖蛋白的寡糖差异决定,这是国内教材的标配例子)。

术语对照
  • 糖基化glycosylation在 ER 腔与高尔基体腔内加糖;产物只在膜的非胞质面
  • 寡糖oligosaccharide通常不足 15 个糖,常有分支,连接方式多样
  • 糖萼(细胞被)glycocalyx / cell coat细胞表面富糖区带;组成四项须能默写
  • 糖蛋白glycoprotein寡糖链共价连于蛋白
  • 糖脂glycolipid寡糖链共价连于脂质,全部位于外层
  • 蛋白聚糖proteoglycan长多糖链连于蛋白核心;核心可跨膜或经 GPI 锚附着
  • 凝集素lectin结合糖类的蛋白;既作检测工具,也介导细胞识别与黏附
  • 钌红ruthenium red电镜染色剂,用于显示糖萼
一个单次跨膜蛋白。请注意,多肽链以右手 α 螺旋的形式穿过脂双层,而且寡糖链和二硫键全部位于膜的非胞质面。如图所示,跨膜蛋白内部的巯基既可以彼此形成链内二硫键,也可以与其他蛋白中的巯基形成链间二硫键。该蛋白胞质结构域中的巯基通常不形成二硫键,因为胞质溶胶的还原性环境使这些基团保持在还原(–SH)状态。
图注 · 一个单次跨膜蛋白。请注意,多肽链以右手 α 螺旋的形式穿过脂双层,而且寡糖链和二硫键全部位于膜的非胞质面。如图所示,跨膜蛋白内部的巯基既可以彼此形成链内二硫键,也可以与其他蛋白中的巯基形成链间二硫键。该蛋白胞质结构域中的巯基通常不形成二硫键,因为胞质溶胶的还原性环境使这些基团保持在还原(–SH)状态。
Caption · A single-pass transmembrane protein. Note that the polypeptide chain traverses the lipid bilayer as a right-handed α helix and that the oligosaccharide chains and disulfide bonds are all on the noncytosolic surface of the membrane. As shown, sulfhydryl groups within a transmembrane protein can form either intrachain disulfide bonds with each other or interchain disulfide bonds with sulfhydryl groups in other proteins. The sulfhydryl groups in the cytosolic domain of the protein do not normally form disulfide bonds because the reducing environment in the cytosol maintains these groups in their reduced (–SH) form.
怎么看 · 一张图记住单次跨膜蛋白的「侧别不对称」三要素:寡糖链和二硫键(链内+链间)全在非胞质侧,胞质侧只有游离 —SH。考研常考问答:为什么二硫键只在膜外侧形成——答胞质是还原性环境。同时注意此例为 N 端在胞内、C 端在胞外的取向。
讲解 · 这张图把「膜蛋白不对称性」的三条结论压缩到一幅示意里,适合作为默画题的模板:① 跨膜段是右手 α 螺旋(注意「右手」二字,选择题会拿左手来设错项);② 寡糖链只在非胞质面;③ 二硫键(含链内与链间两种)只在非胞质面,胞质域的半胱氨酸保持游离 –SH。第三点的原因要能一句话答出:胞质溶胶是还原性环境(谷胱甘肽等维持),把巯基保持在还原态,二硫键形不成也存不住。反过来,ER 腔是氧化性环境,还有蛋白二硫键异构酶(PDI)催化,所以二硫键在那里形成并帮助稳定折叠。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
interchain disulfide bond链间二硫键(红色 S—S,把本链与另一条多肽链(浅绿)连在一起)
S–SS—S(二硫键)
COOHCOOH(羧基端/C 端,位于非胞质侧即细胞外侧)
intrachain disulfide bonds链内二硫键(同一条多肽链内部形成的 S—S)
oligosaccharides寡糖链(蓝色六边形串,只连在非胞质侧)
transmembrane α helix跨膜 α 螺旋(右手 α 螺旋,单次跨膜)
lipid bilayer脂双层
CYTOSOL (reducing environment)胞质溶胶(还原性环境)
sulfhydryl group巯基(—SH)
SH—SH(游离巯基,胞质侧因还原环境保持还原态、不成二硫键)
NH2NH₂(氨基端/N 端,位于胞质侧)
细胞表面的糖层。(A) 这幅用钌红染色的淋巴细胞表面电镜照片,突出显示了包围细胞的那层厚厚的富糖区带。(B) 这层糖由膜糖脂和膜糖蛋白的寡糖侧链、以及膜蛋白聚糖上的多糖链构成。此外,吸附上来的糖蛋白(以及未示出的吸附蛋白聚糖)在许多细胞中也参与构成这层糖。请注意,所有糖都位于膜的细胞外表面。
图注 · 细胞表面的糖层。(A) 这幅用钌红染色的淋巴细胞表面电镜照片,突出显示了包围细胞的那层厚厚的富糖区带。(B) 这层糖由膜糖脂和膜糖蛋白的寡糖侧链、以及膜蛋白聚糖上的多糖链构成。此外,吸附上来的糖蛋白(以及未示出的吸附蛋白聚糖)在许多细胞中也参与构成这层糖。请注意,所有糖都位于膜的细胞外表面。
Caption · The carbohydrate layer on the cell surface. (A) This electron micrograph of the surface of a lymphocyte stained with ruthenium red emphasizes the thick carbohydrate-rich layer surrounding the cell. (B) The carbohydrate layer is made up of the oligosaccharide side chains of membrane glycolipids and membrane glycoproteins and the polysaccharide chains on membrane proteoglycans. In addition, adsorbed glycoproteins, and adsorbed proteoglycans (not shown), contribute to the carbohydrate layer in many cells. Note that all of the carbohydrate is on the extracellular surface of the membrane.
怎么看 · 上图(A)看糖萼的实物形态——质膜外侧一层厚而致密的深染带;下图(B)拆解它的四个来源:跨膜糖蛋白、糖脂、跨膜蛋白聚糖和吸附上来的糖蛋白。考点是糖萼「全部糖基一律位于非胞质面(细胞外侧)」及其功能:润滑保护、防止不必要的细胞—细胞接触、通过凝集素介导细胞识别与黏附。
讲解 · A 图(钌红染色电镜,标尺 200 nm)给出糖萼的形态学证据——质膜外一层明显增厚的染色带,做实验题时可直接引用为「糖萼存在的电镜证据」。B 图是组成拆解图,请按四类逐一指认:跨膜糖蛋白的寡糖链、糖脂的寡糖链、跨膜蛋白聚糖的多糖链,以及吸附上来的糖蛋白。图注最后一句是全图的落点,也是最容易被出成判断题的一句:所有糖都在膜的细胞外表面,胞质面一个糖也没有。把它与图 10–24 的二硫键结论并列记忆,「糖与二硫键同侧」这一条就稳了。
图内标注中英对照 · 15 条
English中文
(A)(A)分图 A:钌红染色的淋巴细胞表面电镜照片
carbohydrate layer糖被/糖类外层(即糖萼,深染的致密层)
cytosol胞质溶胶
nucleus细胞核
plasma membrane质膜
200 nm200 nm(比例尺)
(B)(B)分图 B:糖萼组成的示意图
transmembrane glycoprotein跨膜糖蛋白
adsorbed glycoprotein吸附型糖蛋白(分泌到细胞外后又吸附回细胞表面)
transmembrane proteoglycan跨膜蛋白聚糖
= sugar residue=糖残基(蓝色六边形图例)
carbohydrate layer糖类外层/糖萼(左侧方括号标注范围)
glycolipid糖脂(红色两条尾巴,糖链连在脂分子上)
lipid bilayer脂双层
CYTOSOL胞质溶胶

去垢剂:结构、胶束与临界胶束浓度Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

这一节是笔记「去垢剂」小节的原始出处,也是把前面所有结论串起来的实验环节:既然整合膜蛋白靠疏水作用嵌在双层里,就只能用能破坏疏水作用、拆散双层的试剂把它弄下来,这类试剂就是去垢剂。去垢剂本身是小分子两亲性物质——一端亲水、一端疏水,与磷脂同为两亲分子,区别在于分子形状:磷脂近似圆柱形,故自发形成双层;去垢剂只有一条疏水尾、头部相对大,整体呈锥形,故自发形成胶束而非双层。「形状决定聚集体类型」这条几何原理是简答题的采分点。

Original text

In general, only agents that disrupt hydrophobic associations and disassemble the lipid bilayer can liberate membrane proteins in a soluble form. The most useful of these for the membrane biochemist are detergents, which are small amphiphilic molecules of variable structure (Movie 10.4). Detergents are much more soluble in water than in lipids. Their polar (hydrophilic) ends can be either charged (ionic), as in sodium dodecyl sulfate (SDS), or uncharged (nonionic), as in b-octylglucoside and Triton X-100 (Figure 10–26A).

中文翻译

一般来说,只有能破坏疏水结合、并把脂双层拆散的试剂,才能把膜蛋白以可溶形式释放出来。其中对膜生化研究者最有用的是去垢剂(detergent),它们是结构多样的小分子两亲性物质(视频 10.4)。去垢剂在水中的溶解度远大于在脂质中的溶解度。它们的极性(亲水)端可以带电荷(离子型),例如十二烷基硫酸钠(SDS);也可以不带电荷(非离子型),例如 β-辛基葡糖苷和 Triton X-100(图 10–26A)。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 622
Original text

At low concentration, detergents are monomeric in solution, but when their concentration is increased above a threshold, called the critical micelle concentration (CMC), they aggregate to form micelles (Figure 10–26B, C, and D). Above the CMC, detergent molecules rapidly diffuse in and out of micelles, keeping the concentration of monomer in the solution constant, no matter how many micelles are present.

中文翻译

浓度低时,去垢剂在溶液中以单体形式存在;但当浓度升高到某一阈值即临界胶束浓度(CMC)以上时,它们就聚集形成胶束(图 10–26B、C、D)。在 CMC 以上,去垢剂分子迅速进出胶束,使溶液中单体的浓度保持恒定,无论存在多少胶束都是如此。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 622
原理解读

临界胶束浓度(CMC)是名词解释高频词,标准答法两句:去垢剂开始聚集形成胶束所需的最低浓度;低于 CMC 时以单体存在,高于 CMC 时新加入的去垢剂全部进入胶束,而单体浓度保持恒定。第二句是图 10–26B 那条折线的全部含义,也是理解「去除去垢剂」的关键——透析、稀释、加吸附树脂之所以能把去垢剂拿掉,正是因为只有单体能被移走,而胶束会不断解离补充单体。由此推出一条实用规律:CMC 高的去垢剂(如 β-辛基葡糖苷)单体浓度高、易透析除去,适合做重建实验;CMC 低的去垢剂(如 Triton X-100)则很难透析掉。这条常出现在实验设计题里。

Original text

Because of this dynamic behavior, the structure of a micelle changes constantly: at any moment most, but not all, of the hydrophilic ends of the detergent molecules will be external facing the water phase and most, but not all, of the hydrophobic ends will be internal to the micelle. Both the CMC and the average number of detergent molecules in a micelle are characteristic properties of each detergent, but they also depend on the temperature, pH, and salt concentration. Detergent solutions are therefore complex systems and are difficult to study.

中文翻译

由于这种动态行为,胶束的结构不断变化:在任一瞬间,去垢剂分子的亲水端大多(但并非全部)朝外面向水相,疏水端大多(但并非全部)位于胶束内部。CMC 以及胶束中去垢剂分子的平均数目,都是各种去垢剂的特征性质,但它们同时也取决于温度、pH 和盐浓度。因此去垢剂溶液是复杂体系,很难研究。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 622
Original text

When mixed with membranes, the hydrophobic ends of detergents bind to the hydrophobic regions of the membrane proteins, where they displace lipid molecules with a collar of detergent molecules. Because the other end of the detergent molecule is polar, this binding tends to bring the membrane proteins into solution as detergent–protein complexes (Figure 10–27). Usually, some lipid molecules also remain attached to the protein.

中文翻译

与膜混合时,去垢剂的疏水端结合到膜蛋白的疏水区上,在那里用一圈去垢剂分子取代脂质分子。由于去垢剂分子的另一端是极性的,这种结合就把膜蛋白以去垢剂–蛋白复合物的形式带入溶液(图 10–27)。通常还有一些脂质分子仍附着在蛋白上。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 623
Original text

Strong ionic detergents, such as SDS, can solubilize even the most hydrophobic membrane proteins. This allows the proteins to be analyzed by SDS polyacrylamidegel electrophoresis (discussed in Chapter 8). Such strong detergents, however, unfold (denature) proteins by disrupting their internal hydrophobic cores, thereby rendering the proteins inactive and unusable for functional studies. Nonetheless, proteins can be readily separated and purified in their SDS-denatured form.

中文翻译

强离子型去垢剂如 SDS,连最疏水的膜蛋白也能增溶。这使得这些蛋白可以用 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳分析(见第 8 章)。不过,这类强去垢剂会破坏蛋白内部的疏水核心,使蛋白去折叠(变性),从而令其失活、无法用于功能研究。尽管如此,蛋白仍可在 SDS 变性状态下方便地分离和纯化。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 623
原理解读

增溶(solubilize)的分子机制要能一步步讲清:去垢剂的疏水端占据膜蛋白原本被脂质包裹的疏水区,围成一圈「衣领」;由于去垢剂另一端是极性的,整个复合物对外呈亲水,于是膜蛋白以去垢剂–蛋白复合物的形式进入水溶液,同时被拆下来的磷脂形成脂–去垢剂混合胶束。注意教材的一句细节:通常仍有一些脂质分子留在蛋白上,这解释了为什么很多膜蛋白纯化后仍带「结构脂」,去掉它们反而失活。离子型与非离子型的取舍是本节最典型的考法:SDS(离子型,强)——增溶能力最强,连最疏水的膜蛋白也拿得下,但会破坏蛋白内部疏水核心而使其变性失活,只适合做 SDS-PAGE 分析和变性状态下的分离纯化;Triton X-100、β-辛基葡糖苷(非离子型,温和)——只覆盖跨膜段暴露出来的疏水面,不拆散蛋白内部结构,因而能保留活性,用于功能研究与重建。

术语对照
  • 去垢剂(去污剂、洗涤剂)detergent小分子两亲性物质;破坏疏水作用、拆散双层
  • 离子型去垢剂ionic detergent极性端带电,如 SDS;增溶力强但使蛋白变性
  • 非离子型去垢剂nonionic detergent极性端不带电,如 Triton X-100、β-辛基葡糖苷;温和、保活性
  • 十二烷基硫酸钠sodium dodecyl sulfate (SDS)阴离子去垢剂,用于 SDS-PAGE
  • Triton X-100Triton X-100非离子型;括号内区段重复 9–10 次的混合物
  • β-辛基葡糖苷β-octylglucoside非离子型,CMC 较高、易透析除去
  • 胶束micelle去垢剂因分子呈锥形而形成的球状聚集体,非双层
  • 临界胶束浓度critical micelle concentration (CMC)开始形成胶束的最低浓度;此上单体浓度恒定
  • 增溶solubilize以去垢剂–蛋白复合物形式把膜蛋白带入水溶液
去垢剂的结构与功能。(A) 三种常用去垢剂:十二烷基硫酸钠(SDS)是阴离子去垢剂,Triton X-100 和 β-辛基葡糖苷是两种非离子型去垢剂。Triton X-100 是一类化合物的混合物,其中方括号内的区段重复 9 到 10 次。每种去垢剂的疏水部分以黄色显示,亲水部分以橙色显示。(B) 浓度低时,去垢剂分子在溶液中以单体形式存在。当浓度升高超过临界胶束浓度(CMC)后,一部分去垢剂分子形成胶束。请注意,在 CMC 以上,去垢剂单体的浓度保持恒定。
图注 · 去垢剂的结构与功能。(A) 三种常用去垢剂:十二烷基硫酸钠(SDS)是阴离子去垢剂,Triton X-100 和 β-辛基葡糖苷是两种非离子型去垢剂。Triton X-100 是一类化合物的混合物,其中方括号内的区段重复 9 到 10 次。每种去垢剂的疏水部分以黄色显示,亲水部分以橙色显示。(B) 浓度低时,去垢剂分子在溶液中以单体形式存在。当浓度升高超过临界胶束浓度(CMC)后,一部分去垢剂分子形成胶束。请注意,在 CMC 以上,去垢剂单体的浓度保持恒定。
Caption · The structure and function of detergents. (A) Three commonly used detergents are sodium dodecyl sulfate (SDS), an anionic detergent, and Triton X-100 and β-octylglucoside, two nonionic detergents. Triton X-100 is a mixture of compounds in which the region in brackets is repeated between 9 and 10 times. The hydrophobic portion of each detergent is shown in yellow, and the hydrophilic portion is shown in orange. (B) At low concentration, detergent molecules are monomeric in solution. As their concentration is increased beyond the critical micelle concentration (CMC), some of the detergent molecules form micelles. Note that the concentration of detergent monomer stays constant above the CMC.
怎么看 · 按 A→B→C→D 顺序看:A 记住「离子型 SDS(强,变性)」与「非离子型 Triton X-100/β-辛基葡萄糖苷(温和,保活性)」的分类;B 抓住曲线拐点 CMC——超过 CMC 后单体浓度恒定、多余分子全部进入胶束;C 解释为什么去垢剂形成胶束而非双层(分子呈锥形,单条疏水尾)。考研简答常问「去垢剂溶解膜蛋白的原理」和「SDS 与温和去垢剂的区别」。
讲解 · A 图用来记三种去垢剂的归类与结构特征:SDS 头部是带负电的硫酸根(阴离子型),尾部是 12 碳直链;Triton X-100 头部是重复 9–10 次的聚氧乙烯链、尾部是带支链的苯环烷基(非离子型,故它是混合物而非单一化合物);β-辛基葡糖苷头部是葡萄糖、尾部是 8 碳链(非离子型)。B 图是必须会画的一张图:横轴总去垢剂浓度、纵轴单体或胶束的浓度;CMC 之前单体浓度随总浓度线性上升、无胶束;CMC 之后单体浓度画成水平线,新加的去垢剂全部转入胶束。图 C、D 补充两点常被忽略的细节:胶束形状不规则且不断变化,由于堆积限制,疏水尾会短暂暴露于水——这正是去垢剂能「抓住」膜蛋白疏水面的原因。
图内标注中英对照 · 25 条
English中文
(A)(A)分图 A:三种常用去垢剂的化学结构(橙色=亲水部分,黄色=疏水部分)
O⊖ Na⊕O⁻ Na⁺(磺酸根负离子与钠离子,SDS 为阴离子型去垢剂)
O=S=OO=S=O(硫酸酯基团)
CH2CH₂(亚甲基,构成十二烷基疏水尾)
CH3CH₃(甲基,链末端)
OHOH(羟基,Triton X-100 聚氧乙烯链末端)
OO(醚键氧原子)
9–109~10(方括号内的氧乙烯单元重复 9~10 次;Triton X-100 是混合物)
HC / CH / CHC/CH/C(苯环上的碳与氢,Triton X-100 的芳香环)
H3C–C–CH3H₃C—C—CH₃(叔丁基分支,构成疏水尾)
HOHO(羟基,葡萄糖环上)
CH2OHCH₂OH(葡萄糖 6 位羟甲基)
sodium dodecyl sulfate (SDS)十二烷基硫酸钠(SDS),阴离子型(强)去垢剂
Triton X-100Triton X-100(曲拉通 X-100),非离子型(温和)去垢剂
β-octylglucosideβ-辛基葡萄糖苷,非离子型(温和)去垢剂
(B)(B)分图 B:去垢剂浓度与单体/胶束的关系曲线
detergent concentration in monomers or in micelles以单体形式或以胶束形式存在的去垢剂浓度(纵坐标)
CMCCMC(临界胶束浓度)
monomers单体(橙线:达到 CMC 后浓度保持恒定不再上升)
micelles胶束(红线:超过 CMC 后随总浓度线性增加)
detergent concentration (total)去垢剂总浓度(横坐标)
(C)(C)分图 C:胶束的示意结构
hydrophilic head group亲水头部基团(橙色椭圆)
hydrophobic tail疏水尾部(黄色链)
(D)(D)分图 D:由 20 个 β-辛基葡萄糖苷分子组成的胶束的空间填充模型(分子动力学模拟;红色=头部基团,灰色=疏水尾)

温和去垢剂纯化、功能性重建与纳米盘Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents (continued): purification, functional reconstitution, and nanodiscs

笔记 考点一:膜蛋白
原理解读

这一段是「去垢剂」考点的实验落地部分,把整条技术路线串起来:温和非离子型去垢剂增溶 → 层析纯化 → 去除去垢剂并补加磷脂 → 蛋白自发掺入脂质体 → 得到有功能的重建体系。中间有一句被印刷页 624/625 分页切断,先补上:如果把增溶后的膜蛋白溶液中的去垢剂浓度降下来(例如靠稀释),膜蛋白就不再保持可溶。这句话正是重建的前提——蛋白一旦失去去垢剂「衣领」,疏水面就会重新暴露,此时若周围有过量磷脂,它就会钻进自发形成的小脂质体里,而不是聚沉。上一段还有一句同样被分页切断:在某些情况下,去除 SDS 后可让纯化的蛋白复性,并恢复功能活性——这是 SDS 变性纯化仍有价值的原因。

Original text

Many membrane proteins can be solubilized and then purified in an active form by the use of mild detergents. These detergents cover the hydrophobic regions on membrane-spanning segments that become exposed after lipid removal but do not unfold the protein. Especially when working with multipass membrane proteins, it is often important to maintain a thin layer of lipids upon detergent extraction to retain the protein’s activity.

中文翻译

许多膜蛋白可以用温和去垢剂增溶,并以有活性的形式纯化出来。这类去垢剂覆盖住脂质被移走后暴露出来的跨膜片段疏水区,却不会使蛋白去折叠。尤其在处理多次跨膜蛋白时,去垢剂抽提后保留一薄层脂质,对保持蛋白活性往往很重要。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 624
Original text

In the presence of an excess of phospholipid molecules in such a solution, however, membrane proteins incorporate into small liposomes that form spontaneously. In this way, functionally active membrane protein systems can be reconstituted from purified components, providing a powerful means of analyzing the activities of membrane transporters, ion channels, signaling receptors, and so on (Figure 10–28). Such functional reconstitution can determine which proteins are both necessary and sufficient for a particular cell function. For example, the approach provided proof for the hypothesis that the enzymes that make ATP (ATP synthases) use H+ gradients in mitochondrial, chloroplast, and bacterial membranes to produce ATP.

中文翻译

然而,若这样的溶液中存在过量的磷脂分子,膜蛋白就会掺入自发形成的小脂质体中。用这种办法,可以由纯化的组分重建出有功能活性的膜蛋白体系,从而为分析膜转运体、离子通道、信号受体等的活性提供了有力手段(图 10–28)。这种功能性重建可以确定哪些蛋白对某一细胞功能既必需又充分。例如,该方法为下述假说提供了证明:合成 ATP 的酶(ATP 合酶)利用线粒体膜、叶绿体膜和细菌膜上的 H⁺ 梯度来生成 ATP。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 625
原理解读

功能性重建(functional reconstitution)是名词解释与实验设计题的双料考点。定义:把纯化的膜蛋白与磷脂重新组装成脂质体,使其恢复在天然膜中的功能活性。逻辑价值一句话点透——它能判定某些蛋白对某一功能是否「既必需又充分」(necessary and sufficient)。必需性可以靠敲除或抑制来证,但充分性只有靠「把纯组分放回去仍能工作」来证,所以重建实验在因果论证上不可替代。教材给的经典战例是 ATP 合酶利用 H⁺ 梯度合成 ATP——这正是化学渗透假说的关键判决性实验(Racker 与 Stoeckenius 把细菌视紫红质与 ATP 合酶共重建进脂质体,光照造 H⁺ 梯度即产生 ATP)。图 10–28 用 Na⁺-K⁺ 泵作示例,答题时两个例子都可举。

Original text

Membrane proteins can also be reconstituted from detergent solution into nanodiscs, which are small, uniformly sized patches of membrane that are surrounded by a belt of a specially designed protein, which covers the exposed edge of the bilayer to keep the patch in solution (Figure 10–29). The belt protein is derived from high-density lipoproteins (HDLs), whose normal function is to keep lipids soluble for transport in the blood.

中文翻译

膜蛋白也可以从去垢剂溶液重建到纳米盘(nanodisc)中。纳米盘是小而尺寸均一的膜片,四周围着一圈经过专门设计的蛋白带,这条蛋白带盖住双层暴露的边缘,使膜片保持在溶液中(图 10–29)。这条带状蛋白来自高密度脂蛋白(HDL),其正常功能是让脂质保持可溶,以便在血液中运输。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 625
Original text

In nanodiscs the membrane protein of interest can be studied in its native lipid environment and is experimentally accessible from both sides of the bilayer, which is useful, for example, for ligand-binding experiments. Proteins contained in nanodiscs can also be analyzed by single-particle electron microscopy techniques to determine their structure.

中文翻译

在纳米盘中,目标膜蛋白可以在其天然脂质环境中加以研究,而且从双层两侧都能在实验上接触到,这对配体结合实验等很有用。纳米盘中的蛋白还可以用单颗粒电子显微技术分析,以测定其结构。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 625
Original text

By this technique (discussed in Chapter 9), the structure of a membrane protein can be determined to high resolution without a requirement of the protein of interest to crystallize into a regular lattice, which is often hard to achieve for membrane proteins. These developments have led to a rapid increase in the number of three-dimensional structures of membrane proteins and protein complexes that are known, although they are still few compared to the known structures of water-soluble proteins and protein complexes.

中文翻译

用这项技术(见第 9 章),可以在不要求目标蛋白结晶成规则晶格的前提下,把膜蛋白的结构解析到高分辨率——而结晶对膜蛋白来说往往很难做到。这些进展使已知的膜蛋白及蛋白复合物三维结构数量迅速增加,尽管与已知的水溶性蛋白及其复合物结构相比仍然很少。

§Membrane Proteins Can Be Solubilized and Purified in Detergents · 教材 p. 625
原理解读

纳米盘是新版教材新增的内容,笔记里未必写全,但正因为「新」而容易成为命题点,按三点记即可。构造:一小片尺寸均一的脂双层,边缘由一圈来自高密度脂蛋白(HDL)的带状蛋白包住;这条带的作用是遮蔽双层暴露的疏水边缘,使整个组装体溶于水——原理与去垢剂遮蔽膜蛋白疏水面完全一致,只是这里遮蔽的是脂片的边而不是蛋白的面。优点三条:① 膜蛋白处在天然脂环境中,比泡在去垢剂胶束里更接近生理状态;② 双层两侧都可实验接触,便于做配体结合等两面操作,这一点脂质体做不到(脂质体内腔封闭);③ 尺寸均一、单分散,适合单颗粒冷冻电镜分析。最后一句话点明整节的意义:借助单颗粒电镜,膜蛋白结构不再必须结晶即可高分辨解析,这正是近年膜蛋白结构数量暴增的技术原因;但要注意教材的克制表述——与水溶性蛋白相比,膜蛋白的已知结构仍然很少。

术语对照
  • 重建reconstitute把纯化膜蛋白与磷脂重组为脂质体并恢复功能
  • 功能性重建functional reconstitution判定某蛋白对某功能「既必需又充分」的关键手段
  • 脂质体liposome过量磷脂存在时自发形成的小囊泡,膜蛋白掺入其中
  • 纳米盘nanodiscHDL 蛋白带围住的均一小膜片;供单颗粒电镜与两面操作
  • 高密度脂蛋白high-density lipoprotein (HDL)纳米盘蛋白带的来源;天然功能是使脂质在血中保持可溶
  • Na⁺-K⁺ 泵Na+-K+ pump图 10–28 的重建示例;水解 ATP 泵出 Na⁺、泵入 K⁺
  • ATP 合酶ATP synthase重建实验证明其利用 H⁺ 梯度合成 ATP
用温和非离子型去垢剂增溶、纯化并重建有功能的膜蛋白体系。在这个例子中,有功能的 Na+-K+ 泵分子被纯化出来并掺入磷脂囊泡。这种泵存在于大多数动物细胞的质膜上,它利用 ATP 水解的能量把 Na+ 泵出细胞、把 K+ 泵入细胞,详见第 11 章。
图注 · 用温和非离子型去垢剂增溶、纯化并重建有功能的膜蛋白体系。在这个例子中,有功能的 Na+-K+ 泵分子被纯化出来并掺入磷脂囊泡。这种泵存在于大多数动物细胞的质膜上,它利用 ATP 水解的能量把 Na+ 泵出细胞、把 K+ 泵入细胞,详见第 11 章。
Caption · The use of mild nonionic detergents for solubilizing, purifying, and reconstituting functional membrane protein systems. In this example, functional Na+-K+ pump molecules are purified and incorporated into phospholipid vesicles. This pump is present in the plasma membrane of most animal cells, where it uses the energy of ATP hydrolysis to pump Na+ out of the cell and K+ in, as discussed in Chapter 11.
怎么看 · 自上而下是一条完整的实验流程线:温和去垢剂增溶 → 纯化目的膜蛋白 → 补加磷脂 → 除去垢剂 → 蛋白自发插入脂质体形成功能性重构体系。考点是「重构(reconstitution)实验能证明某蛋白对某项功能是必需且充分的」,经典例证即 ATP 合酶利用 H⁺ 梯度合成 ATP;同时注意新加入的磷脂在图中画成白色头部以示区分。
讲解 · 这张图就是「去垢剂增溶—纯化—重建」的完整流程图,按四步复述即可作为实验题的答题骨架:① 加温和非离子型去垢剂,双层被拆散,膜蛋白以增溶膜蛋白(蛋白–脂–去垢剂复合物)形式进入溶液,磷脂则形成脂–去垢剂混合胶束;② 纯化 Na+-K+ 泵,把目标蛋白与其他膜蛋白分开;③ 加入磷脂(图中新加的磷脂画成白色极性头部,便于与原有脂区分);④ 去除去垢剂(透析、稀释或吸附),蛋白随即掺入自发形成的磷脂囊泡,得到有功能的重建体系——图右下角标出 ATP→ADP 与 Na+ 出、K+ 入,说明泵活性确实恢复了。注意步骤顺序不能颠倒:必须先补磷脂、后撤去垢剂,否则蛋白疏水面暴露就会聚沉失活。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
Na+-K+ pumpNa⁺-K⁺ 泵(钠钾泵,绿色跨膜蛋白)
lipid bilayer脂双层
CYTOSOL胞质溶胶
detergent micelles + monomers去垢剂胶束+单体(加入温和非离子去垢剂)
solubilized membrane proteins被增溶的膜蛋白(表面被去垢剂分子包裹成蛋白—脂—去垢剂复合物)
++(并生成)
lipid–detergent micelles脂—去垢剂混合胶束(膜磷脂同时被增溶)
PURIFICATION OF Na+-K+ PUMP纯化 Na⁺-K⁺ 泵(层析等手段分离出目的蛋白)
ADDITION OF PHOSPHOLIPIDS (mixed with detergent)加入磷脂(与去垢剂混合后加入)
REMOVAL OF DETERGENT去除去垢剂(透析或稀释)
detergent micelles + monomers去垢剂胶束+单体(被除去的部分)
K+K⁺(钾离子,被泵入囊泡内)
Na+Na⁺(钠离子,被泵出)
ADPADP(二磷酸腺苷)
ATPATP(三磷酸腺苷,水解供能)
functional Na+-K+ pump incorporated into phospholipid vesicle重构入磷脂囊泡(脂质体)中、具有功能活性的 Na⁺-K⁺ 泵

细菌视紫红质:以七次跨膜 α 螺旋穿膜的光驱动质子泵Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

笔记「考点二:细胞质膜的基本特征与功能」讲膜的功能时,第一条就是「物质运输」,而膜运输离不开多次跨膜蛋白。细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)是教材专门挑出来做「多次跨膜蛋白结构范例」的分子:它是历史上第一个被解出三维结构的膜运输蛋白,七次跨膜 α 螺旋这一构型后来被证明是整个 GPCR 超家族的通用骨架。考研中它有三个高频落点——①名词解释「细菌视紫红质」;②简答「为什么细菌视紫红质能率先被解析结构」(答案:紫膜中它天然排成二维晶体阵列);③论述「光能如何转变为化学能」(光子→视黄醛异构→蛋白构象变化→泵 H+→跨膜 H+ 梯度→驱动 ATP 合成)。

Original text

In Chapter 11, we consider how multipass transmembrane proteins mediate the selective transport of small hydrophilic molecules across cell membranes. But a detailed understanding of how such a membrane transport protein works requires precise information about its three-dimensional structure in the bilayer. Bacteriorhodopsin was the first membrane transport protein whose structure was determined, and it emerged as the prototype of many multipass membrane proteins that have a similar structure.

中文翻译

第 11 章将讨论多次跨膜蛋白如何介导小分子亲水物质跨细胞膜的选择性运输。但要透彻理解这类膜运输蛋白怎样工作,就必须精确掌握它在脂双层中的三维结构。细菌视紫红质是第一个被测定出结构的膜运输蛋白,此后它成为许多具有相似结构的多次跨膜蛋白的原型。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 625
Original text

The “purple membrane” of the archaeon Halobacterium salinarum is a specialized patch in the plasma membrane that contains a single species of protein molecule, bacteriorhodopsin (Figure 10–30A). The protein functions as a light-activated H+ pump that transfers H+ out of the archaeal cell.

中文翻译

古菌盐生盐杆菌(Halobacterium salinarum)的「紫膜」是质膜上一块特化的膜片,其中只含一种蛋白质分子,即细菌视紫红质(图 10–30A)。这种蛋白起光激活 H+ 泵的作用,把 H+ 转运到古菌细胞外。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 626
原理解读

为什么偏偏是细菌视紫红质最先被解析?关键在两点。① 紫膜里几乎只有这一种蛋白,纯度天然极高,省去了膜蛋白最难的纯化环节;② 这些分子彼此紧密堆积成平面的二维晶体阵列,可以直接用电子晶体学(而不是当年很难做的三维结晶)测结构。这一点正好呼应笔记里「膜蛋白可以被限制在特定区域、聚集成大聚集体而扩散极慢」的表述——紫膜就是「自我装配成大聚集体从而被固定」这种限制方式(图 10–36A)的教科书实例。

Original text

Each bacteriorhodopsin molecule is folded into seven closely packed transmembrane α helices and contains a single light-absorbing group, or chromophore (in this case, retinal), which gives the protein its purple color. Retinal is vitamin A in its aldehyde form and is identical to the chromophore found in rhodopsin of the photoreceptor cells of the vertebrate eye (discussed in Chapter 15). Retinal is covalently linked to a lysine side chain of the bacteriorhodopsin protein.

中文翻译

每个细菌视紫红质分子折叠成七条紧密堆积的跨膜 α 螺旋,并含一个吸光基团即发色团(chromophore),此处为视黄醛(retinal),它使该蛋白呈紫色。视黄醛是醛式的维生素 A,与脊椎动物眼内光感受器细胞的视紫红质(rhodopsin)所含发色团完全相同(第 15 章讨论)。视黄醛与细菌视紫红质多肽链上的一个赖氨酸侧链共价相连。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 626
Original text

When activated by a single photon of light, the excited chromophore changes its shape and causes a series of small conformational changes in the protein, resulting in the transfer of one H+ from the inside to the outside of the cell (Figure 10–31A).

中文翻译

被单个光子激活后,处于激发态的发色团改变自身形状,并引发蛋白发生一连串细微构象变化,最终把一个 H+ 从细胞内侧转移到细胞外侧(图 10–31A)。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 626
Original text

In bright light, each bacteriorhodopsin molecule can pump several hundred protons per second. The light-driven proton transfer establishes an H+ gradient across the plasma membrane, which in turn drives the production of ATP by a second protein in the cell’s plasma membrane.

中文翻译

强光下,每个细菌视紫红质分子每秒可泵出数百个质子。光驱动的质子转移在质膜两侧建立起 H+ 梯度,该梯度又驱动质膜上另一种蛋白合成 ATP。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 626
Original text

Thus, bacteriorhodopsin converts solar energy into an H+ gradient, which provides energy to the archaeal cell. The high-resolution crystal structure of bacteriorhodopsin reveals many lipid molecules bound in specific places on the protein surface (Figure 10–31B). Interactions with specific lipids are thought to help stabilize many membrane proteins, which work best and sometimes crystallize more readily if some of the lipids remain bound during detergent extraction or if specific lipids are added back to the proteins in detergent solutions.

中文翻译

由此可见,细菌视紫红质把太阳能转换成 H+ 梯度,为古菌细胞供能。细菌视紫红质的高分辨率晶体结构显示,蛋白表面的特定位置结合着许多脂分子(图 10–31B)。一般认为,与特定脂的相互作用有助于稳定许多膜蛋白:如果去垢剂抽提时保留一部分结合的脂,或者在去垢剂溶液中把特定脂重新加回蛋白上,这些膜蛋白活性最佳,有时也更容易结晶。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 627
原理解读

这一段串起两条常考因果链。① 能量链:光子 → 视黄醛构象改变 → 蛋白构象循环 → 每秒数百个 H+ 被泵出 → 跨膜 H+ 电化学梯度 → 另一种蛋白(ATP 合酶)合成 ATP。注意教材原文说「a second protein」,指的正是质膜上的 ATP 合酶,答题时可直接点名。这条链与米切尔化学渗透假说完全同构,是「质膜的能量转换功能」这一考点的最简范例。② 方法链:紫膜天然二维晶体 → 电子晶体学 → 首个膜运输蛋白结构 → 七次跨膜 α 螺旋范式。另外要记住数量级:一个细菌视紫红质分子在强光下每秒泵约数百个质子,简答题问「泵速」时能给出量级即可。

术语对照
  • 细菌视紫红质bacteriorhodopsin名词解释高频:古菌紫膜中的光驱动 H+ 泵,七次跨膜 α 螺旋,含视黄醛发色团
  • 紫膜purple membrane盐生盐杆菌质膜上的特化膜片,几乎只含细菌视紫红质,天然排成二维晶体
  • 视黄醛retinal醛式维生素 A,与赖氨酸侧链共价相连;与脊椎动物视紫红质的发色团相同
  • 发色团chromophore吸光基团;本例中即视黄醛,使蛋白呈紫色
  • 质子泵proton pump / H+ pump跨膜转运 H+ 建立电化学梯度的膜蛋白,是化学渗透偶联的基础
  • 盐生盐杆菌Halobacterium salinarum生活于盐水池的古菌,进化出多种光激活蛋白
图 10–30 含细菌视紫红质的紫膜膜片,来自古菌盐生盐杆菌。(A) 这类古菌生活在盐水池中,可接受阳光照射;它们进化出多种光激活蛋白,其中包括质膜上的光激活 H+ 泵——细菌视紫红质。(B) 紫膜膜片中的细菌视紫红质分子紧密堆积成二维晶体阵列。(C) 用原子力显微镜观察到的分子表面细节;用这一技术可以看到单个细菌视紫红质分子。(D) 在 C 图上勾出细菌视紫红质单体及各条 α 螺旋的大致位置。
图注 · 图 10–30 含细菌视紫红质的紫膜膜片,来自古菌盐生盐杆菌。(A) 这类古菌生活在盐水池中,可接受阳光照射;它们进化出多种光激活蛋白,其中包括质膜上的光激活 H+ 泵——细菌视紫红质。(B) 紫膜膜片中的细菌视紫红质分子紧密堆积成二维晶体阵列。(C) 用原子力显微镜观察到的分子表面细节;用这一技术可以看到单个细菌视紫红质分子。(D) 在 C 图上勾出细菌视紫红质单体及各条 α 螺旋的大致位置。
Caption · Figure 10–30 Patches of purple membrane, which contain bacteriorhodopsin in the archaeon Halobacterium salinarum. (A) These archaea live in saltwater pools, where they are exposed to sunlight. They have evolved a variety of light-activated proteins, including bacteriorhodopsin, which is a light-activated H+ pump in the plasma membrane. (B) The bacteriorhodopsin molecules in the purple membrane patches are tightly packed into two-dimensional crystalline arrays. (C) Details of the molecular surface visualized by atomic force microscopy. With this technique, individual bacteriorhodopsin molecules can be seen. (D) Outline of the approximate location of the bacteriorhodopsin monomer and the individual α helices in the image shown in C. (B–C, courtesy of Dieter Oesterhelt; D, PDB code: 2BRD.)
怎么看 · A→B→C→D 是「从整个细胞逐级放大到单个分子」的分辨率递进:细胞上的紫膜斑 → 二维晶体阵列 → AFM 单分子表面 → 七条跨膜 α 螺旋的分子模型。考点有两个:紫膜是细菌视紫红质高度有序的二维晶体(这正是它最早被解出三维结构的原因),以及这种大聚集体扩散极慢,属于限制膜蛋白侧向流动的方式之一(见图 10-36A)。
讲解 · 看图先抓两个尺度标:50 nm(B)和 1 nm(C)。B 图那种规整的点阵就是「二维晶体」的直观证据——膜蛋白在这里几乎不能侧向扩散,正是笔记里「膜蛋白运动受限」的第一种方式(自身聚集成大聚集体)。C、D 两图用的是原子力显微镜(AFM),能在近生理条件下逐个分辨膜蛋白分子,属于研究膜蛋白排布的常考技术之一。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
(A)(A)分图 A:嗜盐古菌 Halobacterium salinarum(盐生盐杆菌)细胞示意图,紫色斑块即紫膜
patch of bacteriorhodopsin molecules细菌视紫红质分子形成的膜片(紫膜区)
(B)(B)分图 B:电镜照片,紫膜中的细菌视紫红质紧密堆积成二维晶格阵列
50 nm50 nm(B 图比例尺)
(C)(C)分图 C:原子力显微镜(AFM)观察到的分子表面细节,可分辨单个分子
single bacteriorhodopsin molecule单个细菌视紫红质分子(白色虚线圈出的三角形轮廓)
(D)(D)分图 D:与 C 图对应的细菌视紫红质单体及其各条 α 螺旋的大致位置(俯视,PDB: 2BRD)
1 nm1 nm(D 图比例尺)
图 10–31 一个细菌视紫红质分子的三维结构。(A) 多肽链以 α 螺旋形式七次穿过脂双层。图中标出视黄醛发色团(紫色)的位置,以及光激活泵送循环中 H+ 可能经过的路径(红色箭头)。第一步也是关键一步:发色团吸收光子后,把一个 H+ 交给紧邻的天冬氨酸 85 侧链(红色)。随后 H+ 按图中编号顺序,沿膜内由亲水氨基酸侧链排成的通路继续传递,完成泵送循环并使该酶回到起始状态。颜色编码:谷氨酸(橙色)、天冬氨酸(红色)、精氨酸(蓝色)。(B) 细菌视紫红质的高分辨率晶体结构显示,许多脂分子(黄色、红色头部基团)紧密结合在蛋白表面的特定位置。
图注 · 图 10–31 一个细菌视紫红质分子的三维结构。(A) 多肽链以 α 螺旋形式七次穿过脂双层。图中标出视黄醛发色团(紫色)的位置,以及光激活泵送循环中 H+ 可能经过的路径(红色箭头)。第一步也是关键一步:发色团吸收光子后,把一个 H+ 交给紧邻的天冬氨酸 85 侧链(红色)。随后 H+ 按图中编号顺序,沿膜内由亲水氨基酸侧链排成的通路继续传递,完成泵送循环并使该酶回到起始状态。颜色编码:谷氨酸(橙色)、天冬氨酸(红色)、精氨酸(蓝色)。(B) 细菌视紫红质的高分辨率晶体结构显示,许多脂分子(黄色、红色头部基团)紧密结合在蛋白表面的特定位置。
Caption · Figure 10–31 The three-dimensional structure of a bacteriorhodopsin molecule. (Movie 10.5) (A) The polypeptide chain crosses the lipid bilayer seven times as α helices. The location of the retinal chromophore (purple) and the probable pathway taken by H+ during the light-activated pumping cycle (red arrows) are shown. The first and key step is the passing of an H+ from the chromophore to the side chain of aspartic acid 85 (red, located next to the chromophore) that occurs upon absorption of a photon by the chromophore. Subsequently, other H+ transfer steps—in the numerical order indicated and utilizing the hydrophilic amino acid side chains that line a path through the membrane—complete the pumping cycle and return the enzyme to its starting state. (Movie 10.5 explains how the individual transfer steps are linked mechanistically.) Color code: glutamic acid (orange), aspartic acid (red), arginine (blue). (B) The high-resolution crystal structure of bacteriorhodopsin shows many lipid molecules (yellow with red head groups) that are tightly bound to specific places on the surface of the protein.
怎么看 · A 图沿红色箭头和编号 ①→⑤ 顺读,就是一次光驱动的质子泵循环:视黄醛吸光变构 → 把 H⁺ 传给 Asp85 → 经膜内亲水侧链接力 → 最终由胞内向胞外净泵出一个 H⁺。必背要点:七次跨膜 α 螺旋、生色团为视黄醛(维生素 A 醛式)、共价连在赖氨酸上、属于 GPCR 所在超家族但无序列同源。B 图说明特异脂—蛋白相互作用对膜蛋白稳定性的重要性。
讲解 · A 图要记的是「七次跨膜 + 视黄醛在中央 + 一串亲水侧链搭出质子通路」这个骨架:H+ 不是自由穿过疏水核心,而是沿天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸等可解离侧链接力传递,这正是回答「为什么带电的 H+ 能被泵过疏水的脂双层」的标准答案。脂双层疏水核心厚约 3 nm,这个数字也常考。B 图说明膜蛋白表面被一圈特异结合的脂「包裹」,即所谓 annular lipid(环脂)——它既填补蛋白凹凸表面与双层疏水核之间的缝隙,又是许多膜蛋白保持活性的必要条件。
图内标注中英对照 · 15 条
English中文
(A)(A)分图 A:细菌视紫红质的三维结构与质子泵出路径(绿色带状为多肽链)
H+H⁺(质子,从细胞外侧释放出去)
2②(质子传递的第 2 步,编号表示泵循环中的先后顺序)
EXTRACELLULAR SPACE细胞外空间
NH2NH₂(氨基端/N 端,位于细胞外侧)
retinal linked to lysine与赖氨酸共价相连的视黄醛(紫色,光吸收生色团)
5⑤(质子传递的第 5 步)
hydrophobic core of lipid bilayer (3 nm)脂双层的疏水核心区(厚约 3 nm)
1①(关键第 1 步:生色团吸收光子后把 H⁺ 交给紧邻的天冬氨酸 85)
3③(质子传递的第 3 步)
CYTOSOL胞质溶胶(细胞内侧)
4④(质子传递的第 4 步)
HOOCHOOC(羧基端/C 端,位于胞质侧)
H+H⁺(质子,自胞质侧被摄取进入通路)
(B)(B)分图 B:细菌视紫红质的高分辨率晶体结构,显示紧密结合在蛋白表面特定位点的大量脂分子(黄色碳链、红色头部基团)

脂作为二维溶剂、七次跨膜受体超家族与膜蛋白大复合物Membrane Proteins Often Function as Large Complexes

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

这一段把「膜脂」和「膜蛋白」重新捆在一起看:膜脂不是被动的背景,而是膜蛋白的溶剂与辅因子。笔记里「膜的流动性」「膜脂种类繁多」这些点,到这里才有了功能上的解释——头部基团大小、形状、电荷各异的多种脂,正是为了满足不同膜蛋白对「二维溶剂」的特异需求。接着教材由细菌视紫红质推广到 GPCR 超家族,再讲膜蛋白常以大复合物形式行使功能,对应笔记「膜蛋白的功能」和「膜蛋白运动受限」两处。

Original text

The specificity of these lipid–protein interactions helps explain why eukaryotic membranes contain such a variety of lipids, with head groups that differ in size, shape, and charge. This layer of lipids also helps to fill gaps between the jagged hydrophobic surface of the membrane protein and the hydrophobic core of the lipid bilayer and to maintain the permeability barrier of the membrane for ions and other solutes.

中文翻译

脂–蛋白相互作用具有特异性,这有助于解释真核细胞膜为何含有如此多种脂——它们的头部基团在大小、形状和电荷上各不相同。这层脂还有两个作用:填补膜蛋白凹凸不平的疏水表面与脂双层疏水核心之间的空隙;维持膜对离子和其他溶质的通透屏障。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 627
Original text

These lipids are in dynamic association with the protein surface, binding and dissociating at a millisecond time scale. We can think of the membrane lipids as constituting a two-dimensional solvent for the proteins in the membrane, just as water constitutes a three-dimensional solvent for proteins in an aqueous solution: some membrane proteins can function only in the presence of specific lipid head groups, just as many enzymes in aqueous solution require a particular ion for activity.

中文翻译

这些脂与蛋白表面动态结合,在毫秒时间尺度上不断结合又解离。可以把膜脂看作膜蛋白的二维溶剂,正如水是水溶液中蛋白质的三维溶剂:某些膜蛋白只有在特定脂头部基团存在时才能行使功能,正如水溶液中许多酶需要某种特定离子才有活性。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 627
原理解读

「膜脂是膜蛋白的二维溶剂」是一句极好用的答题金句,可以直接写进「膜脂与膜蛋白关系」类简答。配套要点:①结合是动态的,毫秒级结合–解离,所以不违反膜的流动性;②有特异性,某些膜蛋白缺了特定头部基团就失活,类比酶需要特定离子做辅因子;③功能上填缝、维持通透屏障,兼有结构意义。顺带解释了一个常被问到的「为什么膜脂要有几百上千种」——不是冗余,而是给不同膜蛋白配不同的溶剂环境。

Original text

Bacteriorhodopsin is a member of a large superfamily of membrane proteins with similar structures but different functions. For example, rhodopsin in rod cells of the vertebrate retina and many cell-surface receptor proteins that bind extracellular signal molecules are also built from seven transmembrane α helices. These proteins function as signal transducers rather than as transporters: each responds to an extracellular signal by activating a GTP-binding protein (G protein) inside the cell, and they are therefore called G-protein-coupled receptors (GPCRs), as we discuss in Chapter 15 (see Figure 15–6B).

中文翻译

细菌视紫红质属于一个庞大的膜蛋白超家族,家族成员结构相似而功能各异。例如脊椎动物视网膜视杆细胞中的视紫红质,以及许多结合胞外信号分子的细胞表面受体蛋白,同样由七条跨膜 α 螺旋构成。这些蛋白的功能是信号转导而非运输:每一种都通过激活细胞内的 GTP 结合蛋白(G 蛋白)来响应胞外信号,因此称为 G 蛋白偶联受体(GPCR),第 15 章将讨论(见图 15–6B)。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 627
Original text

Although the structures of bacteriorhodopsins and GPCRs are strikingly similar, they show no sequence similarity and thus probably belong to two evolutionarily distant branches of an ancient protein family. A related class of membrane proteins, the channelrhodopsins that green algae use to detect light, form ion channels when they absorb a photon. When engineered so that they are expressed in animal brains, these proteins have become invaluable tools in neurobiology because they allow specific neurons to be stimulated experimentally by shining light on them, as we discuss in Chapter 11 (Figure 11–47).

中文翻译

细菌视紫红质与 GPCR 的结构惊人地相似,序列上却毫无相似性,因此二者很可能分属同一个古老蛋白家族在进化上相距很远的两个分支。还有一类相关的膜蛋白——绿藻用来感光的通道视紫红质(channelrhodopsin),吸收光子后即形成离子通道。经改造后在动物脑内表达,这类蛋白成为神经生物学的宝贵工具:只要用光照射,就能在实验上特异刺激选定的神经元,第 11 章将讨论(图 11–47)。

§Bacteriorhodopsin Is a Light-driven Proton (H+) Pump That Traverses the Lipid Bilayer as Seven α Helices · 教材 p. 627
原理解读

「结构相似、序列不同」是进化题的经典证据类型:说明二者要么来自极其古老的共同祖先而序列早已面目全非,要么是趋同进化的结果,总之不能靠序列比对判定同源。答题时务必写清「结构保守而序列不保守」这一反差。把三个「视紫红质」分清楚是易错点:细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,古菌,光驱动 H+ 泵,做转运)、视紫红质(rhodopsin,脊椎动物视杆细胞,GPCR,做信号转导)、通道视紫红质(channelrhodopsin,绿藻,光门控离子通道,光遗传学工具)。三者都是七次跨膜、都用视黄醛,但功能分别是「泵、受体、通道」。

Original text

Many membrane proteins function as part of multicomponent complexes. One is a bacterial photosynthetic reaction center, which was the first membrane protein complex to be crystallized and analyzed by x-ray diffraction. In Chapter 14, we discuss how such photosynthetic complexes function to capture light energy and use it to pump H+ across the membrane.

中文翻译

许多膜蛋白作为多组分复合物的一部分行使功能。细菌光合反应中心就是其中之一,它是第一个被结晶并用 X 射线衍射解析的膜蛋白复合物。第 14 章将讨论这类光合复合物如何捕获光能,并利用光能把 H+ 泵过膜。

§Membrane Proteins Often Function as Large Complexes · 教材 p. 627
Original text

Many of the membrane protein complexes involved in photosynthesis, proton pumping, and electron transport are even larger than the photosynthetic reaction center. The enormous photosystem II complex from cyanobacteria, for example, contains 19 protein subunits and well over 60 transmembrane helices (see Figure 14–49). Membrane proteins are often arranged in large complexes, not only for harvesting various forms of energy but also for transducing extracellular signals into intracellular ones (discussed in Chapter 15).

中文翻译

参与光合作用、质子泵送和电子传递的许多膜蛋白复合物比光合反应中心还要大。例如蓝细菌那个庞大的光系统 II 复合物含 19 个蛋白亚基、跨膜螺旋远超 60 条(见图 14–49)。膜蛋白常常排列成大复合物,既用于捕获各种形式的能量,也用于把胞外信号转导成胞内信号(第 15 章讨论)。

§Membrane Proteins Often Function as Large Complexes · 教材 p. 627
原理解读

两个数字要背:细菌光合反应中心是第一个被 X 射线衍射解析的膜蛋白复合物(1988 年诺贝尔化学奖);蓝细菌光系统 II 含 19 个蛋白亚基、60 条以上跨膜螺旋。更重要的是这一段与后面「膜蛋白扩散受限」的逻辑接口:分子量越大、聚集体越大,侧向扩散越慢。所以「膜蛋白以大复合物形式存在」既是功能需要(能量捕获、信号转导要求组分在空间上邻近并按序偶联),也是解释「为什么许多膜蛋白测出来的扩散系数远小于理论值」的原因之一。常见简答:「举例说明膜蛋白以复合物形式行使功能」——答光合反应中心、光系统 II、电子传递链复合物、受体–G 蛋白–效应器信号复合物。

术语对照
  • 二维溶剂two-dimensional solvent金句:膜脂之于膜蛋白,犹如水之于可溶性蛋白
  • 环脂annular lipid(教材表述为 bound lipids)紧密结合在膜蛋白表面特定位点的脂,稳定构象、填补缝隙
  • G 蛋白偶联受体G-protein-coupled receptor, GPCR七次跨膜 α 螺旋,与细菌视紫红质结构相似但序列无相似性
  • 通道视紫红质channelrhodopsin绿藻光门控离子通道;光遗传学的核心工具
  • 光合反应中心photosynthetic reaction center第一个被结晶并用 X 射线衍射解析的膜蛋白复合物
  • 光系统 IIphotosystem II蓝细菌中含 19 个亚基、60 条以上跨膜螺旋的巨型膜蛋白复合物

膜蛋白在膜平面内扩散:运动方式与细胞融合实验Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

这一小节正对笔记「膜的流动性」下的两块内容:膜蛋白的运动方式,以及证明流动性的经典实验。先把运动方式记牢——膜蛋白有两种运动允许、一种运动几乎被禁止:①侧向扩散(在膜平面内移动,允许,速度快);②旋转扩散(绕垂直于膜平面的轴自转,允许);③翻转/翻转扩散 flip-flop(跨双层翻个面,几乎不发生)。膜脂也是这三种,区别在于膜脂偶尔可在翻转酶催化下 flip-flop,而膜蛋白基本不能。原因一句话:翻转要把庞大的亲水结构域(尤其带糖链的胞外域)拖过疏水核心,能量代价过高。

Original text

Like most membrane lipids, membrane proteins do not tumble (flip-flop) across the lipid bilayer. Tumbling would require large hydrophilic domains to pass through the membrane’s hydrophobic core, which is energetically prohibitive. But just like membrane lipids, proteins can rotate rapidly about an axis perpendicular to the plane of the bilayer (rotational diffusion) and move laterally within the membrane (lateral diffusion).

中文翻译

与大多数膜脂一样,膜蛋白不会翻转(flip-flop)到脂双层的另一侧。翻转要求庞大的亲水结构域穿过膜的疏水核心,能量上根本行不通。但和膜脂一样,膜蛋白可以绕垂直于双层平面的轴快速旋转(旋转扩散),也可以在膜内做侧向移动(侧向扩散)。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 627
Original text

artificially fused with human cells to produce hybrid cells (heterokaryons) provided the first direct evidence that some plasma membrane proteins are mobile in the plane of the membrane. Two differently labeled antibodies were used to distinguish selected mouse and human plasma membrane proteins.

中文翻译

〔一项实验把小鼠细胞〕与人细胞人工融合,产生杂种细胞(异核体),首次直接证明某些质膜蛋白能在膜平面内移动。实验使用两种带不同标记的抗体,分别区分选定的小鼠质膜蛋白与人质膜蛋白。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 628
Original text

Although at first the mouse and human proteins were confined to their own halves of the newly formed heterokaryon, the two sets of proteins diffused and mixed over the entire cell surface in about half an hour (Figure 10–32). Lateral membrane protein mobility is important as it allows many cell signaling proteins to assemble and disassemble into protein complexes in response to extracellular ligands, turning their signaling functions on and off.

中文翻译

起初,小鼠蛋白和人蛋白各自局限在新形成异核体的一半上;但大约半小时后,两套蛋白就扩散开来,在整个细胞表面完全混匀(图 10–32)。膜蛋白的侧向流动性很重要:它使许多细胞信号蛋白能够响应胞外配体而组装成蛋白复合物、又重新解体,从而开启或关闭各自的信号功能。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 628
原理解读

Frye 与 Edidin(1970)的细胞融合实验是名词解释和实验设计题的双料高频点,答题四要素必须写全。①材料:小鼠细胞 + 人细胞,用(仙台)病毒或聚乙二醇诱导融合,得到含两个核的杂种细胞——异核体(heterokaryon)。②标记:两种荧光标记抗体,绿色抗体识别小鼠质膜蛋白,红色抗体识别人质膜蛋白(免疫荧光双标)。③现象:刚融合时红绿各占一半、界限分明;约 40 分钟(教材记作「约半小时」)后红绿完全混匀。④结论:质膜蛋白可在膜平面内自由侧向扩散,膜具有流动性——这是流动镶嵌模型最直接的实验支持之一。常见追问:温度降低会怎样?答:扩散变慢甚至停止,说明该过程依赖膜的流动性而非主动运输。再追问一句功能意义:侧向扩散让受体等信号蛋白能随时聚合成复合物再解散,是信号「可开可关」的物理基础。

图 10–32 证明蛋白质在小鼠–人杂种细胞质膜中扩散的实验。实验把一个小鼠细胞与一个人细胞融合形成杂种细胞,再用两种荧光标记抗体染色:一种(绿色染料标记)检测小鼠质膜蛋白,另一种(红色染料标记)检测人质膜蛋白。融合后立即染色时,小鼠和人的质膜蛋白仍分别位于源自小鼠细胞和人细胞的膜结构域内;但过一小段时间后,质膜蛋白便扩散到整个细胞表面并完全混匀。
图注 · 图 10–32 证明蛋白质在小鼠–人杂种细胞质膜中扩散的实验。实验把一个小鼠细胞与一个人细胞融合形成杂种细胞,再用两种荧光标记抗体染色:一种(绿色染料标记)检测小鼠质膜蛋白,另一种(红色染料标记)检测人质膜蛋白。融合后立即染色时,小鼠和人的质膜蛋白仍分别位于源自小鼠细胞和人细胞的膜结构域内;但过一小段时间后,质膜蛋白便扩散到整个细胞表面并完全混匀。
Caption · Figure 10–32 An experiment demonstrating the diffusion of proteins in the plasma membrane of mouse–human hybrid cells. In this experiment, a mouse and a human cell were fused to create a hybrid cell, which was then stained with two fluorescently labeled antibodies. One antibody (labeled with a green dye) detects mouse plasma membrane proteins, the other antibody (labeled with a red dye) detects human plasma membrane proteins. When cells are stained immediately after fusion, mouse and human plasma membrane proteins are still found in the membrane domains originating from the mouse and human cell, respectively. After a short time, however, the plasma membrane proteins diffuse over the entire cell surface and completely intermix.
怎么看 · 从左往右读一条时间轴:小鼠细胞与人细胞融合成异核体后,两种荧光标记的膜蛋白起初各据半个细胞,约半小时后完全混匀布满整个细胞表面。这是 Frye 和 Edidin 1970 年的经典实验,是「膜蛋白可在膜平面内侧向扩散、生物膜是二维流体」的第一个直接证据,考研名词解释(细胞融合、异核体)和实验设计题的高频素材。
讲解 · 画这张图时要画出三格:融合瞬间(红绿各半、界面清晰)→ 中间态(界面模糊、开始交错)→ 终态(红绿点均匀散布全表面)。注意两个细节常被扣分:一是「异核体」指两个核尚未融合、只是胞质与质膜合并的杂种细胞;二是图中标注的是「随时间扩散」,说明这是一个自发的、由热运动驱动的过程,不需要 ATP。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
newly fused hybrid cell刚刚融合形成的杂交细胞(异核体;此时绿色的小鼠蛋白与红色的人蛋白仍各占半边)
diffusion of plasma membrane proteins with time质膜蛋白随时间发生(侧向)扩散
mouse cell proteins小鼠细胞的(质膜)蛋白(绿色荧光抗体标记)
human cell proteins人细胞的(质膜)蛋白(红色荧光抗体标记)
术语对照
  • 侧向扩散lateral diffusion膜蛋白/膜脂在膜平面内的移动,速度快,是膜流动性的主要表现
  • 旋转扩散rotational diffusion绕垂直于膜平面的轴自转
  • 翻转(翻转扩散)flip-flop / transverse diffusion跨双层的翻转;膜蛋白基本不发生,膜脂需翻转酶催化
  • 细胞融合cell fusionFrye–Edidin 实验手段,用病毒或 PEG 诱导
  • 异核体heterokaryon名词解释高频:两个(或多个)不同来源细胞融合形成、含两个以上细胞核的杂种细胞

侧向扩散的定量测定:FRAP 与单粒子追踪Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

笔记「膜的流动性研究方法」这一条,考点就落在两个互补的技术上:FRAP 测「一群分子的平均行为」,单粒子追踪测「单个分子的真实轨迹」。比较题几乎必考,务必按「原理—输出量—优点—缺点」四栏记忆。

Original text

The lateral diffusion rates of membrane proteins and lipids can be measured by using the technique of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). The method usually involves marking the membrane protein of interest with a specific fluorescent group. This can be done either with a fluorescent ligand such as a fluorophore-labeled antibody that binds to the protein or with recombinant DNA technology to express the protein fused to a fluorescent protein such as green fluorescent protein (GFP; discussed in Chapter 9).

中文翻译

膜蛋白和膜脂的侧向扩散速率可用荧光漂白恢复技术(FRAP)测定。该方法通常先给待测膜蛋白标上特定荧光基团。标记有两条途径:一是用荧光配体,例如能结合该蛋白的荧光团标记抗体;二是用重组 DNA 技术,让该蛋白与绿色荧光蛋白(GFP,第 9 章讨论)之类的荧光蛋白融合表达。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 628
Original text

The fluorescent group is then bleached in a small area of membrane by a laser beam, and the time taken for adjacent membrane proteins carrying unbleached ligand or GFP to diffuse into the bleached area is measured (Figure 10–33). From FRAP measurements, we can estimate the diffusion coefficient for the marked cell-surface protein.

中文翻译

随后用激光束把一小块膜区域内的荧光基团漂白,再测定携带未漂白配体或 GFP 的邻近膜蛋白扩散进入漂白区所需的时间(图 10–33)。根据 FRAP 测定结果,即可估算被标记的细胞表面蛋白的扩散系数。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 628
Original text

The values of the diffusion coefficients for different membrane proteins in different cells are highly variable, because interactions with other proteins impede the diffusion of the proteins to varying degrees. Measurements of proteins that are minimally impeded in this way indicate that cell membranes have a viscosity comparable to that of olive oil.

中文翻译

不同细胞中不同膜蛋白的扩散系数差异很大,因为与其他蛋白的相互作用会以不同程度阻碍这些蛋白扩散。对受阻最小的那些蛋白所做的测定表明,细胞膜的黏度与橄榄油相当。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 628
原理解读

FRAP 五步答题模板:①用荧光团标记待测膜蛋白(荧光抗体标记,或与 GFP 融合表达);②用强激光束照射一小块膜区,使该区荧光不可逆淬灭(漂白);③停止强照射,用弱光持续监测漂白区荧光强度;④周围未漂白分子靠侧向扩散进入漂白区,荧光逐渐恢复;⑤由恢复曲线算扩散系数 D——恢复越快,D 越大;恢复的终末平台高度还反映「可移动分数」(mobile fraction),若始终恢复不到原水平,说明有相当比例的分子被固定。两个数字/结论要记:细胞膜黏度与橄榄油相当(约为水的 100 倍量级);不同膜蛋白的 D 值差异极大,原因是与其他蛋白的相互作用程度不同,而不是脂双层本身黏度不同。

图 10–33 用荧光漂白恢复技术测定膜蛋白的侧向扩散速率。可以把感兴趣的特定蛋白表达为与绿色荧光蛋白(GFP)的融合蛋白,GFP 本身即具荧光。用激光束把一小块区域内的荧光分子漂白。随后被漂白的分子扩散离开、未漂白的分子扩散进入受照射区域,荧光强度随之恢复(图中给出侧视图与俯视图)。扩散系数由恢复速率曲线算出:膜蛋白的扩散系数越大,恢复越快。
图注 · 图 10–33 用荧光漂白恢复技术测定膜蛋白的侧向扩散速率。可以把感兴趣的特定蛋白表达为与绿色荧光蛋白(GFP)的融合蛋白,GFP 本身即具荧光。用激光束把一小块区域内的荧光分子漂白。随后被漂白的分子扩散离开、未漂白的分子扩散进入受照射区域,荧光强度随之恢复(图中给出侧视图与俯视图)。扩散系数由恢复速率曲线算出:膜蛋白的扩散系数越大,恢复越快。
Caption · Figure 10–33 Measuring the rate of lateral diffusion of a membrane protein by fluorescence recovery after photobleaching. A specific protein of interest can be expressed as a fusion protein with green fluorescent protein (GFP), which is intrinsically fluorescent. The fluorescent molecules are bleached in a small area using a laser beam. The fluorescence intensity recovers as the bleached molecules diffuse away and unbleached molecules diffuse into the irradiated area (shown here in side and top views). The diffusion coefficient is calculated from a graph of the rate of recovery: the greater the diffusion coefficient of the membrane protein, the faster the recovery (see Figure 9–20 and Movie 10.6).
怎么看 · 左列是侧面观、中列是俯视观、右侧是定量曲线,三列对应同一过程:GFP 融合蛋白全膜发荧光 → 激光把一小块漂白 → 周围未漂白分子扩散进来使荧光回升。这就是 FRAP(荧光漂白恢复)。考点:由恢复曲线可算出扩散系数,恢复越快扩散系数越大;FRAP 的缺陷是只能测大量分子的群体行为、无法分辨「真不动」与「被限制在极小区域内」,故需用单粒子追踪补充(见图 10-39)。
讲解 · 这张图必须能默画:左边一列是「漂白前—漂白瞬间—恢复中—恢复后」的俯视图(黑斑出现→变淡→消失),右边是荧光强度—时间曲线(漂白瞬间垂直下跌,随后单调上升趋于平台)。答题时要说清「恢复」的物理本质是双向的:被漂白分子扩散出去,未漂白分子扩散进来,二者共同抹平浓度差。曲线的两个可读参数:上升斜率 → 扩散系数 D;平台高度 → 可移动分数。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
BLEACH WITH LASER BEAM用激光束进行(光)漂白
bleached area漂白区域(该处荧光基团被激光淬灭,图中画成空心圆)
RECOVERY(荧光)恢复(未漂白的分子扩散进入漂白区)
fluorescence in bleached area漂白区内的荧光强度(纵坐标)
BLEACH漂白(箭头所指为激光照射瞬间,荧光骤降)
RECOVERY恢复(曲线回升段,回升越快说明扩散系数越大)
time时间(横坐标,箭头指向时间增加方向)
Original text

One drawback to the FRAP technique is that it monitors the movement of large populations of molecules in a relatively large area of membrane; one cannot follow individual protein molecules. If a protein fails to migrate into a bleached area, for example, one cannot tell whether the molecule is truly immobile or just restricted in its movement to a very small region of membrane—perhaps by cytoskeletal proteins.

中文翻译

FRAP 技术有一个缺点:它监测的是较大一片膜区域内大量分子的整体运动,无法追踪单个蛋白分子。举例来说,若某种蛋白始终没有迁入漂白区,人们就无法判断该分子究竟是真正固定不动,还是仅仅被限制在很小的一片膜区域内活动——限制它的也许正是细胞骨架蛋白。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 629
Original text

Single-particle tracking techniques overcome this problem by labeling individual membrane molecules with antibodies coupled to fluorescent dyes or tiny gold particles and tracking their movement by video microscopy. Using single-particle tracking, one can record the diffusion path of a single membrane protein molecule over time. Results from all of these techniques indicate that plasma membrane proteins differ widely in their diffusion characteristics, as we now discuss.

中文翻译

单粒子追踪技术克服了这一缺点:用偶联荧光染料或微小金颗粒的抗体标记单个膜分子,再用录像显微术追踪它们的运动。借助单粒子追踪,可以记录单个膜蛋白分子随时间变化的扩散轨迹。所有这些技术的结果都表明,质膜蛋白的扩散特性差别很大,下面就来讨论。

§Many Membrane Proteins Diffuse in the Plane of the Membrane · 教材 p. 629
原理解读

FRAP 与单粒子追踪的对比是本节最容易出「简答/辨析」的地方,可按下表背:【FRAP】对象:大面积膜内的大量分子;输出:群体平均扩散系数、可移动分数;优点:定量、可重复、适合比较不同蛋白;缺点:分辨不出「真正不动」与「被困在极小区域内高速运动」这两种情况。【单粒子追踪 single-particle tracking】对象:单个分子;标记:偶联荧光染料或纳米金颗粒的抗体;检测:录像显微术(高速摄像);输出:单分子的完整运动轨迹;优点:能直接看见「围栏」跳跃、暂时受限扩散等 FRAP 看不见的行为;缺点:标记颗粒本身可能干扰运动、通量低。记住这句因果:正因为 FRAP 有上述盲区,才发展出单粒子追踪;而单粒子追踪的结果又直接催生了下一节的「膜骨架围栏模型」。

术语对照
  • 荧光漂白恢复技术fluorescence recovery after photobleaching, FRAP名词解释高频;测群体平均侧向扩散
  • 扩散系数diffusion coefficient由 FRAP 恢复曲线斜率求得,反映侧向扩散快慢
  • 可移动分数mobile fraction恢复曲线平台高度所反映的可自由扩散分子比例
  • 单粒子追踪single-particle tracking用荧光染料或纳米金标记单分子 + 录像显微术,记录单分子轨迹
  • 绿色荧光蛋白green fluorescent protein, GFP与目的膜蛋白融合表达,实现活细胞内源标记

细胞把蛋白质和脂限制在膜的特定结构域内Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

笔记「膜结构域」这一条的教材依据全在这里。要先纠正一个常见误解:流动镶嵌模型说膜是二维流体,但绝不等于「所有蛋白都在脂海里自由漂」。真实的质膜是「有分区的流体」——流动性是局部的、受限的。教材给出三类限制:①蛋白自身聚集成大聚集体(紫膜、ATP 合酶双列);②细胞连接(紧密连接)设置屏障,分出顶端面与基底侧面结构域;③纳米尺度的脂筏结构域,靠受调控的蛋白–蛋白相互作用形成。再加上下一节的皮层细胞骨架「围栏」,共四条,答题时可分点列全。

Original text

The recognition that biological membranes are two-dimensional fluids was a major advance in understanding membrane structure and function. It has become clear, however, that the picture of a membrane as a lipid sea in which all proteins float freely is greatly oversimplified. Most cells confine membrane proteins to specific regions in a continuous lipid bilayer.

中文翻译

认识到生物膜是二维流体,是理解膜结构与功能的一大进步。然而现在已经清楚,把膜看成所有蛋白都自由漂浮其中的「脂海」,这一图景过于简化。大多数细胞都把膜蛋白限制在连续脂双层的特定区域内。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 629
原理解读

教材紧接着举了第一个例子:盐杆菌紫膜中的细菌视紫红质分子装配成大的二维晶体,各分子彼此之间的位置相对固定(见图 10–30)。这句原文在干净副本里被 OCR 拆成了「protein mole cules」,为保证逐字引用的可靠性,此处改用中文转述。考点提示:紫膜二维晶体属于「自身聚集限制扩散」,与线粒体内膜 ATP 合酶排成长长双列同属一类。

Original text

ATP synthase complexes in the inner mitochondrial membrane associate into long double rows, as we discuss in Chapter 14 (see Figure 14–33). Large aggregates of this kind diffuse very slowly. In epithelial cells, such as those that line the gut or the tubules of the kidney, certain plasma membrane enzymes and transport proteins are confined to the apical surface of the cells, whereas others are confined to the basal and lateral surfaces (Figure 10–34).

中文翻译

线粒体内膜上的 ATP 合酶复合物结合成长长的双列,第 14 章会讨论(见图 14–33)。这类大聚集体扩散得非常慢。在上皮细胞(例如衬在肠道或肾小管内表面的细胞)中,某些质膜酶和运输蛋白被限制在细胞顶端面,另一些则被限制在基底面和侧面(图 10–34)。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 629
Original text

This asymmetric distribution of membrane proteins is often essential for the function of the epithelium, as we discuss in Chapter 11 (see Figure 11–11). The lipid compositions of these two membrane domains are also different, demonstrating that epithelial cells can prevent the diffusion of lipid as well as protein molecules between the domains. The barriers set up by a specific type of intercellular junction (called a tight junction, discussed in Chapter 19; see Figure 19–18) maintain the separation of both protein and lipid molecules.

中文翻译

膜蛋白这种不对称分布往往对上皮的功能必不可少,第 11 章将讨论(见图 11–11)。这两个膜结构域的脂组成也不同,说明上皮细胞既能阻止蛋白分子、也能阻止脂分子在结构域之间扩散。维持蛋白与脂分子彼此分隔的,是一类特定细胞间连接(称为紧密连接,第 19 章讨论;见图 19–18)所设立的屏障。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 629
原理解读

上皮细胞的极性是本节最容易出论述题的点,逻辑链要背熟:紧密连接在细胞侧面顶部环绕一圈 → 形成屏障 → 把质膜分成顶端面(apical)与基底侧面(basolateral)两个结构域 → 两个结构域的膜蛋白、膜脂组成都不同 → 顶端面负责吸收(如肠上皮的葡萄糖同向转运体),基底侧面负责向组织液排出(如 Na+-K+ 泵、葡萄糖被动转运体)→ 实现物质的跨上皮定向转运。两个细节容易漏:①紧密连接同时挡蛋白和挡脂;②只有外层(胞外侧)单层的脂被挡住,内层(胞质侧)单层的脂仍可绕过屏障扩散(见图 10–34 说明)——这是因为紧密连接的封闭链只嵌在外层单层一侧。这一条常作为选择题的迷惑项。

图 10–34 膜分子如何被限制在特定膜结构域内。此图画的是一个上皮细胞:蛋白 A(位于质膜顶端结构域)和蛋白 B(位于基底面和侧面结构域)各自可在本结构域内侧向扩散,却被阻止进入另一结构域,至少部分靠的是称为紧密连接的特化细胞–细胞连接。质膜外层(胞外侧)单层中的脂分子同样不能在两个结构域之间扩散;但内层(胞质侧)单层中的脂分子则可以(图中未画出)。基膜是一层薄的细胞外基质垫,把上皮层与其他组织隔开。
图注 · 图 10–34 膜分子如何被限制在特定膜结构域内。此图画的是一个上皮细胞:蛋白 A(位于质膜顶端结构域)和蛋白 B(位于基底面和侧面结构域)各自可在本结构域内侧向扩散,却被阻止进入另一结构域,至少部分靠的是称为紧密连接的特化细胞–细胞连接。质膜外层(胞外侧)单层中的脂分子同样不能在两个结构域之间扩散;但内层(胞质侧)单层中的脂分子则可以(图中未画出)。基膜是一层薄的细胞外基质垫,把上皮层与其他组织隔开。
Caption · Figure 10–34 How membrane molecules can be restricted to a particular membrane domain. In this drawing of an epithelial cell, protein A (in the apical domain of the plasma membrane) and protein B (in the basal and lateral domains) can diffuse laterally in their own domains but are prevented from entering the other domain, at least partly by the specialized cell–cell junction called a tight junction. Lipid molecules in the outer (extracellular) monolayer of the plasma membrane are likewise unable to diffuse between the two domains; lipids in the inner (cytosolic) monolayer, however, are able to do so (not shown). The basal lamina is a thin mat of extracellular matrix that separates epithelial sheets from other tissues (discussed in Chapter 19).
怎么看 · 看两种颜色的分界线正好卡在紧密连接处:蛋白 A 只在顶端面、蛋白 B 只在基底侧面,各自能在本区域内自由侧向扩散却不能越界。必背结论:紧密连接同时阻挡蛋白和外层(细胞外侧)单层的脂分子扩散,而内层(胞质侧)单层的脂分子仍可通过;这种膜结构域的极性分布是上皮细胞定向转运功能的基础。
讲解 · 默画要点:从上到下依次标出顶端质膜、紧密连接(画在侧面靠顶端处,两细胞之间)、侧面质膜、基底质膜、基膜。蛋白 A 用一种符号只画在顶端面,蛋白 B 用另一种符号只画在基底面和侧面,并在紧密连接处画「禁止通行」的箭头。注意术语:apical 顶端面;basolateral 基底侧面(basal 基底面 + lateral 侧面);basal lamina 基膜/基板。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
protein A蛋白 A(绿色,局限于顶端面质膜)
tight junction紧密连接(细胞间的特化连接,充当扩散屏障)
apical plasma membrane顶端面质膜(游离面/腔面)
protein B蛋白 B(红色,局限于基底面和侧面质膜)
lateral plasma membrane侧面质膜
basal plasma membrane基底面质膜
basal lamina基膜/基板(黄色,一薄层细胞外基质,把上皮层与其他组织隔开)
Original text

A cell can also create membrane domains without using intercellular junctions. As we already discussed, regulated protein–protein interactions in membranes can create nanometer-scale raft domains that are thought to function in signaling and membrane trafficking. A more extreme example is seen in the mammalian spermatozoon, a single cell that consists of several structurally and functionally distinct parts covered by a continuous plasma membrane.

中文翻译

细胞也可以不依靠细胞间连接而形成膜结构域。前面已经讨论过,膜内受调控的蛋白–蛋白相互作用能产生纳米尺度的脂筏结构域,一般认为它在信号转导和膜泡运输中发挥作用。更极端的例子见于哺乳动物精子:这一个细胞由几个结构和功能都不同的部分组成,外面却覆盖着连续的一层质膜。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 629
Original text

by immunofluorescence microscopy with a variety of antibodies, each of which reacts with a specific cell-surface molecule, the plasma membrane is found to consist of at least three distinct domains (Figure 10–35). Some of the membrane molecules can diffuse freely within the confines of their own domain.

中文翻译

〔用免疫荧光显微术检查精子时,〕各用一种只与某特定细胞表面分子起反应的抗体,就会发现质膜至少由三个截然不同的结构域组成(图 10–35)。其中一些膜分子可以在本结构域范围内自由扩散。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 630
Original text

While the molecular nature of most “fences” that prevent the molecules from leaving their domain is not known, some molecular mechanisms for restricting membrane protein movements are understood. The plasma membrane of nerve cells, for example, contains a domain enclosing the cell body and dendrites, and another enclosing the axon; in this case a belt of actin filaments tightly associates with the plasma membrane at the cell-body–axon junction and forms part of the barrier.

中文翻译

阻止分子离开自身结构域的多数「栅栏」,其分子本质仍不清楚;不过已有若干限制膜蛋白运动的分子机制被阐明。例如神经细胞的质膜含有两个结构域:一个包围胞体和树突,另一个包围轴突;在这里,胞体–轴突交界部位有一圈肌动蛋白丝与质膜紧密结合,构成屏障的一部分。

§Cells Can Confine Proteins and Lipids to Specific Domains Within a Membrane · 教材 p. 630
原理解读

三个「无细胞连接也能分区」的例子要能各举一句:①脂筏——纳米尺度,靠受调控的蛋白–蛋白相互作用形成,功能与信号转导、膜泡运输有关;②哺乳动物精子——一个细胞、一层连续质膜,却分成前顶体区(头前部)、头后部、尾部至少三个结构域,用不同单克隆抗体做免疫荧光即可分别标出(豚鼠精子实验);③神经元——轴突起始段有一圈肌动蛋白丝紧贴质膜,把「胞体+树突」结构域与「轴突」结构域隔开,这就是轴突起始段(AIS)扩散屏障,保证轴膜富含电压门控 Na+ 通道而胞体膜不富含。注意教材的谨慎措辞:多数「栅栏」的分子本质仍未知,答题时不要说成已经全部阐明。

图 10–36 限制特定质膜蛋白侧向流动性的四种方式。(A) 蛋白可自我装配成大聚集体(如盐生盐杆菌紫膜中的细菌视紫红质);也可被拴在 (B) 细胞外或 (C) 细胞内的大分子装配体上;(D) 还可与另一个细胞表面的蛋白相互作用。
图注 · 图 10–36 限制特定质膜蛋白侧向流动性的四种方式。(A) 蛋白可自我装配成大聚集体(如盐生盐杆菌紫膜中的细菌视紫红质);也可被拴在 (B) 细胞外或 (C) 细胞内的大分子装配体上;(D) 还可与另一个细胞表面的蛋白相互作用。
Caption · Figure 10–36 Four ways of restricting the lateral mobility of specific plasma membrane proteins. (A) The proteins can self-assemble into large aggregates (as seen for bacteriorhodopsin in the purple membrane of Halobacterium salinarum); they can be tethered by interactions with assemblies of macromolecules (B) outside or (C) inside the cell; or (D) they can interact with proteins on the surface of another cell.
怎么看 · 全图除 (A)(B)(C)(D) 四个分图标号外没有任何文字,靠图形自解释:自上而下正是限制膜蛋白侧向流动的四种方式——自聚集、胞外系留、胞内(细胞骨架)系留、与邻细胞蛋白结合。考研简答题「细胞如何限制膜蛋白的侧向扩散」按这四条+紧密连接屏障(图 10-34)一起答即可。
讲解 · 这是全节最值得整张背下来的图,也是简答题「简述限制膜蛋白侧向扩散的方式」的标准答案框架。四种方式按「自聚 + 三种系连」记:A 自身聚集成大聚集体(紫膜细菌视紫红质、线粒体 ATP 合酶双列);B 与胞外基质等胞外大分子装配体结合(如整合素连到细胞外基质);C 与胞内皮层细胞骨架结合(如带 3 蛋白经锚蛋白连到血影蛋白网络);D 与相邻细胞表面的蛋白相互作用(细胞–细胞黏着)。再补上前一小节的「细胞连接屏障(紧密连接)」和后面的「皮层骨架围栏」,答案就完整了。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
(A)(A)分图 A:膜蛋白自身聚集成大的二维聚集体(如盐生盐杆菌 Halobacterium salinarum 紫膜中的细菌视紫红质,紫色圆点)
(B)(B)分图 B:与细胞外的大分子组装体(橙色,如细胞外基质)结合而被系住
(C)(C)分图 C:与细胞内的大分子组装体(红色,如皮层细胞骨架)结合而被系住
(D)(D)分图 D:与相邻细胞表面的蛋白相互作用而被固定在接触部位
术语对照
  • 膜结构域membrane domain名词解释:连续脂双层中成分与功能各异、彼此被屏障隔开的膜区域
  • 紧密连接tight junction上皮细胞间的封闭连接,同时阻挡蛋白与外层单层脂的扩散
  • 顶端面 / 基底侧面apical / basolateral上皮细胞极性的两个质膜结构域
  • 基膜(基板)basal lamina把上皮层与其他组织隔开的薄层细胞外基质
  • 脂筏lipid raft纳米尺度膜结构域,与信号转导、膜泡运输有关

红细胞膜骨架:血影蛋白网络赋予膜机械强度The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

笔记「膜骨架」这一条,教材用的样板就是人红细胞。红细胞之所以成为经典材料,原因要背:成熟哺乳动物红细胞没有细胞核和其他细胞器,质膜是它唯一的膜,低渗溶血后可得到纯净的「血影」(ghost),是研究膜蛋白和膜骨架最干净的体系。

Original text

As shown in Figure 10–36B and C, a common way in which a cell restricts the lateral mobility of specific membrane proteins is to tether them to macromolecular assemblies on either side of the membrane. The characteristic biconcave shape of a red blood cell (Figure 10–37), for example, results from interactions of its plasma membrane proteins with an underlying cytoskeleton, which consists mainly of a meshwork of the filamentous protein spectrin.

中文翻译

如图 10–36B、C 所示,细胞限制特定膜蛋白侧向流动性的一个常见办法,是把它们拴在膜任一侧的大分子装配体上。例如红细胞特有的双凹形(图 10–37),就源于其质膜蛋白与下方细胞骨架的相互作用;这层骨架主要由纤维状蛋白血影蛋白构成的网络组成。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 630
Original text

Spectrin is a long, thin, flexible rod about 100 nm in length. As the principal component of the red blood cell cytoskeleton, it maintains the structural integrity and shape of the plasma membrane, which is the cell’s only membrane, as the cell has no nucleus or other organelles. The spectrin cytoskeleton is attached to the membrane through various membrane proteins.

中文翻译

血影蛋白是一根细长而柔韧的杆状分子,长约 100 nm。作为红细胞骨架的主要成分,它维持质膜的结构完整性和形状——由于红细胞没有细胞核和其他细胞器,质膜是它唯一的膜。血影蛋白骨架通过多种膜蛋白附着到膜上。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 630
Original text

The final result is a deformable, netlike meshwork that covers the entire cytosolic surface of the cell membrane (Figure 10–38). This spectrin-based cytoskeleton enables the red blood cell to withstand the stress on its membrane as it is forced through narrow capillaries.

中文翻译

最终形成一层可变形的网状结构,覆盖细胞膜的整个胞质侧表面(图 10–38)。正是这套以血影蛋白为基础的骨架,使红细胞在被挤过狭窄毛细血管时能承受膜上的应力。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 630
Original text

spherical (instead of concave) and fragile; the severity of the anemia increases with the degree of spectrin deficiency. An analogous but much more elaborate and highly dynamic cytoskeletal network exists beneath the plasma membrane of most other cells in our body. This network, which constitutes the cortex of the cell, is rich in actin filaments, which are attached to the plasma membrane in numerous ways.

中文翻译

〔血影蛋白基因异常的小鼠和人会发生贫血,其红细胞〕呈球形(而非凹形)且脆弱;贫血的严重程度随血影蛋白缺乏的程度而加重。人体内大多数其他细胞的质膜下方,也存在类似但精细得多、而且高度动态的细胞骨架网络。这一网络构成细胞的皮层,富含肌动蛋白丝,后者以多种方式附着于质膜。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 631
原理解读

上一条引文因跨页而从句子中间起始,被截断的前半句是「Mice and humans with genetic abnormalities in spectrin are anemic and have red blood cells that are」(血影蛋白基因异常的小鼠和人会贫血,其红细胞……),中文里已用方括号补回。这里对应的人类疾病就是遗传性球形红细胞增多症(hereditary spherocytosis):血影蛋白、锚蛋白、带 3 蛋白或带 4.1 蛋白基因缺陷 → 膜骨架与膜的连接减弱 → 膜局部脱落、表面积/体积比下降 → 红细胞由双凹形变为球形、变形能力下降 → 通过脾窦时被滞留破坏 → 溶血性贫血。教材点明「贫血严重程度随血影蛋白缺乏程度加重」,这是典型的剂量效应,答题时值得写上。反过来也说明膜骨架的功能:赋予质膜机械强度和弹性,使红细胞能反复挤过比自身直径还细的毛细血管而不破裂。

图 10–38 人红细胞质膜胞质侧以血影蛋白为基础的细胞骨架。(A) 图中所示的排布方式,主要根据纯化蛋白的体外相互作用研究推断而来。血影蛋白异二聚体(右侧放大)通过连接复合物(左侧放大)连成网状结构。每个血影蛋白异二聚体由两条反向平行、松散缠绕的柔性多肽链组成,称为 α 链和 β 链。两条血影蛋白链在多个位点以非共价方式相互连接,两端也连在一起。α 链和 β 链都主要由重复结构域构成。两个血影蛋白异二聚体首尾相接形成四聚体。连接复合物由短肌动蛋白丝(含 13 个肌动蛋白单体)、带 4.1 蛋白和内收蛋白,以及一个可能决定肌动蛋白丝长度的原肌球蛋白分子组成。该骨架通过两种跨膜蛋白连到膜上:多次跨膜的带 3 蛋白和单次跨膜的血型糖蛋白。血影蛋白四聚体通过锚蛋白与部分带 3 蛋白结合,并通过带 4.1 蛋白与血型糖蛋白及带 3 蛋白(图中未示)结合。
图注 · 图 10–38 人红细胞质膜胞质侧以血影蛋白为基础的细胞骨架。(A) 图中所示的排布方式,主要根据纯化蛋白的体外相互作用研究推断而来。血影蛋白异二聚体(右侧放大)通过连接复合物(左侧放大)连成网状结构。每个血影蛋白异二聚体由两条反向平行、松散缠绕的柔性多肽链组成,称为 α 链和 β 链。两条血影蛋白链在多个位点以非共价方式相互连接,两端也连在一起。α 链和 β 链都主要由重复结构域构成。两个血影蛋白异二聚体首尾相接形成四聚体。连接复合物由短肌动蛋白丝(含 13 个肌动蛋白单体)、带 4.1 蛋白和内收蛋白,以及一个可能决定肌动蛋白丝长度的原肌球蛋白分子组成。该骨架通过两种跨膜蛋白连到膜上:多次跨膜的带 3 蛋白和单次跨膜的血型糖蛋白。血影蛋白四聚体通过锚蛋白与部分带 3 蛋白结合,并通过带 4.1 蛋白与血型糖蛋白及带 3 蛋白(图中未示)结合。
Caption · Figure 10–38 The spectrin-based cytoskeleton on the cytosolic side of the human red blood cell plasma membrane. (A) The arrangement shown in the drawing has been deduced mainly from studies on the interactions of purified proteins in vitro. Spectrin heterodimers (enlarged in the drawing on the right) are linked together into a netlike meshwork by junctional complexes (enlarged in the drawing on the left). Each spectrin heterodimer consists of two antiparallel, loosely intertwined, flexible polypeptide chains called α and β. The two spectrin chains are attached noncovalently to each other at multiple points, including at both ends. Both the α and β chains are composed largely of repeating domains. Two spectrin heterodimers join end-to-end to form tetramers. The junctional complexes are composed of short actin filaments (containing 13 actin monomers) and the proteins band 4.1 and adducin, as well as a tropomyosin molecule that probably determines the length of the actin filaments. The cytoskeleton is linked to the membrane through two transmembrane proteins: a multipass protein called band 3 and a single-pass protein called glycophorin. The spectrin tetramers bind to some band 3 proteins via ankyrin molecules, and to glycophorin and band 3 (not shown) via band 4.1 proteins.
怎么看 · 先看 A 图中央的整体网架(血影蛋白四聚体+连接复合体织成六角形网),再看左上放大的连接复合体(短肌动蛋白丝+带 4.1+内收蛋白+原肌球蛋白)和右侧放大的血影蛋白异二聚体(α、β 反向平行、由 106 aa 重复域串成),最后用 B 图的电镜实照印证。必背两条系挂路线:血影蛋白—锚蛋白—带 3 蛋白;血影蛋白—带 4.1—血型糖蛋白(及带 3)。临床联系:血影蛋白缺陷导致红细胞变球形、易碎,引起遗传性球形红细胞增多症(贫血),缺陷越重贫血越重。
讲解 · 这张图几乎是「红细胞膜骨架」这道大题的答案本身,按「网 + 结 + 桩」三层记:【网】血影蛋白 α、β 两条链反向平行松散缠绕成异二聚体(约 100 nm),两个异二聚体首尾相接成四聚体(约 200 nm),四聚体构成网的「边」。【结】连接复合物是网的「节点」:短肌动蛋白丝(恰含 13 个肌动蛋白单体)+ 带 4.1 蛋白 + 内收蛋白 + 原肌球蛋白(原肌球蛋白决定肌动蛋白丝长度);每个节点可连接 5–6 条血影蛋白四聚体,因此网眼呈六边形。【桩】把网钉在膜上的两条通路是必考点:血影蛋白 →锚蛋白(ankyrin)→ 带 3 蛋白(多次跨膜的阴离子交换体);血影蛋白 → 带 4.1 蛋白 → 血型糖蛋白(单次跨膜)与带 3 蛋白。口诀:「锚蛋白牵带3,4.1 牵血型糖蛋白」。
图内标注中英对照 · 31 条
English中文
(A)(A)分图 A:血影蛋白骨架排布的示意图(据体外纯化蛋白相互作用研究推得)
actin肌动蛋白(左上放大图中的短肌动蛋白丝,含 13 个单体)
adducin内收蛋白(加合蛋白,紫色)
spectrin血影蛋白(红色长杆)
band 4.1带 4.1 蛋白(蓝色)
tropomyosin原肌球蛋白(黄色,可能决定肌动蛋白短丝的长度)
junctional complex连接复合体(把多条血影蛋白连成网的结点)
spectrin tetramer血影蛋白四聚体(两个异二聚体首尾相接而成)
plasma membrane质膜(浅蓝色平面)
spectrin dimer血影蛋白二聚体(α、β 两条链组成的异二聚体)
actin肌动蛋白(连接复合体中的短丝)
ankyrin锚蛋白(棕色,把血影蛋白四聚体连到带 3 蛋白上)
band 3带 3 蛋白(绿色,多次跨膜蛋白,即阴离子交换器)
glycophorin血型糖蛋白(黄色,单次跨膜蛋白)
band 4.1带 4.1 蛋白(把血影蛋白连到血型糖蛋白和带 3 蛋白上)
100 nm100 nm(A 图示意图的比例尺)
106-amino-acid-long repeating domain长 106 个氨基酸的重复结构域(α、β 链主要由这种重复域串联而成)
COOHCOOH(羧基端)
NH2NH₂(氨基端)
α chainα 链(血影蛋白 α 亚基)
H2NH₂N(氨基端,与上方链反向平行)
HOOCHOOC(羧基端,与上方链反向平行)
β chainβ 链(血影蛋白 β 亚基)
flexible link between domains结构域之间的柔性连接(使血影蛋白具有弹性、可变形)
Figure 10–38 The spectrin-based cytoskeleton on the cytosolic side of the human red blood cell plasma membrane.图 10-38 人红细胞质膜胞质侧以血影蛋白为基础的(膜骨架)细胞骨架(图注标题,随图一同排在版面上)
in vitro体外(拉丁文,斜体)
(B)(B)分图 B:固定并负染后的红细胞膜胞质面电镜照片(网络被有意拉伸以显示结构细节)
spectrin血影蛋白(电镜照片中的细丝网)
ankyrin锚蛋白(电镜照片中的标注)
actin in junctional complex连接复合体中的肌动蛋白
200 nm200 nm(B 图电镜照片比例尺)
术语对照
  • 血影蛋白spectrin名词解释高频:红细胞膜骨架主要成分,α/β 两链组成异二聚体,长约 100 nm,首尾相接成四聚体
  • 锚蛋白ankyrin把血影蛋白四聚体连到带 3 蛋白上的连接蛋白
  • 带 3 蛋白band 3红细胞多次跨膜蛋白,阴离子(Cl−/HCO3−)交换体,经锚蛋白与膜骨架相连
  • 血型糖蛋白glycophorin红细胞单次跨膜糖蛋白,经带 4.1 蛋白与膜骨架相连;胞外域高度糖基化
  • 带 4.1 蛋白band 4.1连接复合物成分,连接血影蛋白与血型糖蛋白/带 3 蛋白
  • 内收蛋白adducin连接复合物成分,与短肌动蛋白丝、血影蛋白结合
  • 遗传性球形红细胞增多症hereditary spherocytosis血影蛋白等膜骨架蛋白缺陷所致;红细胞变球形、易碎,发生溶血性贫血
  • 膜骨架membrane skeleton / cortical cytoskeleton紧贴质膜胞质面的蛋白网络,赋予膜机械强度并限制膜蛋白扩散

皮层细胞骨架的「围栏」效应限制膜蛋白扩散The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
Original text

remodeling of the cortical actin network provides a driving force for many essential cell functions, including cell movement, endocytosis, and the formation of transient, mobile plasma membrane structures such as filopodia and lamellipodia discussed in Chapter 16. The cortex of nucleated cells also contains proteins that are structurally homologous to spectrin and the other components of the red cell cytoskeleton. We discuss the cortical cytoskeleton in nucleated cells and its interactions with the plasma membrane in Chapter 16.

中文翻译

〔皮层肌动蛋白网络的动态〕重塑为许多必需的细胞功能提供驱动力,包括细胞运动、内吞作用,以及丝状伪足、片状伪足这类短暂而可移动的质膜结构的形成(第 16 章讨论)。有核细胞的皮层同样含有一些蛋白,它们在结构上与血影蛋白以及红细胞骨架的其他组分同源。有核细胞的皮层细胞骨架及其与质膜的相互作用,将在第 16 章讨论。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 632
原理解读

上一条引文同样因跨页而从句中起始,被截断的前半句是「An analogous ... network ... The dynamic」的末尾两词,完整意思是「皮层肌动蛋白网络的动态重塑……」,中文已用方括号补回。这里要抓住红细胞膜骨架与一般细胞皮层的异同:【同】都紧贴质膜胞质面,都由纤维状蛋白网络构成,都通过跨膜蛋白锚定,都赋予膜机械强度;有核细胞皮层中还存在与血影蛋白同源的蛋白(如非红细胞血影蛋白/fodrin)。【异】红细胞骨架以血影蛋白为主、相对静态,只管形状和强度;有核细胞皮层以肌动蛋白丝为主、高度动态,能不断重塑,从而驱动细胞运动、内吞、伪足形成等。

Original text

The cortical cytoskeletal network restricts diffusion of plasma membrane proteins beyond those that are directly anchored to it. Because the cytoskeletal filaments are often closely apposed to the cytosolic surface of the plasma membrane, they can form mechanical barriers that obstruct the free diffusion of proteins in the membrane. These barriers partition the membrane into small domains, or corrals (Figure 10–39A), which can be either permanent, as in the sperm (see Figure 10–35), or transient.

中文翻译

皮层细胞骨架网络限制的不只是直接锚定在它上面的那些质膜蛋白。由于骨架纤维常常紧贴质膜的胞质侧表面,它们能形成机械屏障,阻碍蛋白在膜内自由扩散。这些屏障把膜分隔成一个个小结构域,即围栏(图 10–39A);围栏可以是永久性的,如精子中所见(见图 10–35),也可以是暂时性的。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 632
Original text

The barriers can be detected when the diffusion of individual membrane proteins is followed by high-speed, single-particle tracking. The proteins diffuse rapidly but are confined within an individual corral (Figure 10–39B); occasionally, however, thermal motions cause a few cortical filaments to detach transiently from the membrane, allowing the protein to escape into an adjacent corral.

中文翻译

用高速单粒子追踪跟踪单个膜蛋白的扩散,就能检测出这些屏障。蛋白扩散很快,却被限制在单个围栏之内(图 10–39B);不过偶尔热运动会使少数皮层纤维短暂脱离膜,蛋白便趁机逃入相邻的围栏。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 632
Original text

The extent to which a transmembrane protein is confined within a corral depends on its association with other proteins and the size of its cytoplasmic domain; proteins with a large cytosolic domain will have a harder time passing through cytoskeletal barriers.

中文翻译

跨膜蛋白被围栏束缚的程度,取决于它与其他蛋白的结合情况以及自身胞质结构域的大小;胞质结构域大的蛋白,更难穿过细胞骨架屏障。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 632
Original text

When a cell-surface receptor binds its extracellular signal molecules, for example, large protein complexes build up on the cytosolic domain of the receptor, making it more difficult for the receptor to escape from its corral. It is thought that corralling helps concentrate such signaling complexes, increasing the speed and efficiency of the signaling process (discussed in Chapter 15).

中文翻译

例如,当细胞表面受体结合其胞外信号分子后,受体的胞质结构域上会堆积起庞大的蛋白复合物,使受体更难逃出所在的围栏。一般认为,围栏效应有助于把这类信号复合物浓缩起来,从而提高信号转导过程的速度和效率(第 15 章讨论)。

§The Cortical Cytoskeleton Gives Membranes Mechanical Strength and Restricts Membrane Protein Diffusion · 教材 p. 632
原理解读

「围栏模型」(fence/picket model)是本节最新也最容易被忽略的考点,回答「为什么实测扩散系数远小于纯脂双层中的理论值」时必须用到。机制链:皮层肌动蛋白丝紧贴质膜胞质面 → 形成机械屏障 → 把膜分隔成 100 nm 量级的小围栏 → 膜蛋白在围栏内快速扩散、跨围栏则很慢(要等骨架纤维因热运动短暂脱膜才能「跳栏」)→ 宏观上表现为「受限扩散」「跳跃式扩散」,长时间尺度上的表观扩散系数被大幅压低。两个推论要记牢:①胞质结构域越大的跨膜蛋白越难跳栏——所以限制作用来自胞质侧,而不是脂双层本身;②受体结合配体后在胞质侧组装起大的信号复合物,等于给自己「加大了尾巴」,更跳不出去,结果信号分子被浓缩在同一围栏内,反应速度和效率反而提高——这是「扩散受限有生理意义」的正面例证,常作为论述题的升华段落。注意围栏有永久型(精子的三个结构域)与暂时型之分。

图 10–39 皮层细胞骨架纤维对质膜蛋白的「围栏」作用。(A) 一般认为这些纤维形成扩散屏障,把膜分隔成一个个小结构域,即围栏。(B) 用高速单粒子追踪跟踪某一种荧光标记膜蛋白的单个分子随时间的运动路径。轨迹显示,单个蛋白分子在界限分明的膜结构域内扩散,只是偶尔逃逸到相邻结构域(以颜色变换标出)。
图注 · 图 10–39 皮层细胞骨架纤维对质膜蛋白的「围栏」作用。(A) 一般认为这些纤维形成扩散屏障,把膜分隔成一个个小结构域,即围栏。(B) 用高速单粒子追踪跟踪某一种荧光标记膜蛋白的单个分子随时间的运动路径。轨迹显示,单个蛋白分子在界限分明的膜结构域内扩散,只是偶尔逃逸到相邻结构域(以颜色变换标出)。
Caption · Figure 10–39 Corralling plasma membrane proteins by cortical cytoskeletal filaments. (A) The filaments are thought to provide diffusion barriers that divide the membrane into small domains, or corrals. (B) High-speed, single-particle tracking was used to follow the path of a single fluorescently labeled membrane protein of one type over time. The trace shows that an individual protein molecule diffuses within tightly delimited membrane domains and only infrequently escapes into a neighboring domain (highlighted by a switch of color).
怎么看 · A 图给模型、B 图给证据:轨迹在每个小格内密集缠绕(快速扩散但被围住),偶尔换色跳到隔壁格——正是「围栏/栅栏模型」的直观体现。考点:皮层细胞骨架把质膜分隔成短暂或永久的膜结构域;蛋白偶尔逃逸是因热运动使少数骨架丝一过性脱离膜;胞质结构域大的受体更难逃逸,信号复合体因此被浓集在一格内,提高信号转导的速度与效率。
讲解 · B 图那条「一团一团、偶尔跳一次」的轨迹是围栏模型最直观的证据,也是单粒子追踪相对 FRAP 的价值所在——FRAP 只会给出一个偏低的平均扩散系数,根本看不出这种「团簇 + 跳跃」的结构。读图时注意两个尺度标:整幅轨迹约 1 µm,单个围栏约 100 nm 量级。答题时可以直接说:单粒子追踪显示膜蛋白呈「受限扩散(跳跃扩散)」,即在约 100 nm 的围栏内快速扩散、偶尔跨越围栏边界,证明皮层细胞骨架构成了膜内的扩散屏障。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
cortical cytoskeletal and associated proteins皮层细胞骨架及其相关蛋白(红色细丝,紧贴质膜胞质面)
membrane domains膜结构域(被骨架丝分隔出的小区,即「栅栏/围栏」corral)
plasma membrane质膜
100 nm100 nm(A 图比例尺)
transmembrane protein跨膜蛋白(绿色,胞质结构域越大越难穿过骨架屏障)
(A)(A)分图 A:骨架丝作为扩散屏障把膜分隔成小结构域的模型
finish终点(追踪轨迹的结束位置)
start起点(追踪轨迹的开始位置)
1 µm1 µm(B 图比例尺)
(B)(B)分图 B:高速单粒子追踪记录的单个荧光标记膜蛋白的运动轨迹(换一种颜色表示跳入了相邻的结构域)
术语对照
  • 皮层细胞骨架cortical cytoskeleton紧贴质膜胞质面、富含肌动蛋白丝的动态网络,构成细胞皮层
  • 围栏corral皮层骨架纤维把质膜分隔成的约 100 nm 小结构域
  • 受限扩散 / 跳跃扩散confined (hop) diffusion单粒子追踪观察到的膜蛋白运动模式
  • 丝状伪足 / 片状伪足filopodia / lamellipodia皮层肌动蛋白重塑形成的短暂可移动质膜结构

膜弯曲蛋白使脂双层变形Membrane-bending Proteins Deform Bilayers

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

这一小节回答的是「膜为什么能有各种形状」,对应笔记里膜的结构特征与膜泡运输的接口。核心概念是膜曲率(membrane curvature):脂双层本身倾向于摊平,要让它弯成小管、囊泡、扁囊,必须有外力或蛋白主动施加不对称性。

Original text

Cell membranes assume many different shapes, as illustrated by the elaborate and varied structures of cell-surface protrusions and membrane-enclosed organelles in eukaryotic cells. Flat sheets, narrow tubules, round vesicles, fenestrated sheets, and pita-bread–shaped cisternae are all part of the repertoire. Often, a variety of shapes will be present in different regions of the same continuous bilayer.

中文翻译

细胞膜可以呈现多种不同形状,真核细胞表面突起和膜包被细胞器那些精巧多样的结构就是例证。平坦的片层、细窄的小管、圆形的囊泡、带孔的片层,以及形似皮塔饼的扁囊,都属于膜形态的常见类型。同一片连续脂双层的不同区域,也常常同时存在多种形状。

§Membrane-bending Proteins Deform Bilayers · 教材 p. 632
Original text

Membrane shape is controlled dynamically, as many essential cell processes—including vesicle budding, cell movement, and cell division—require elaborate transient membrane deformations. In many cases, membrane shape is influenced by dynamic pushing and pulling forces exerted by cytoskeletal or extracellular structures, as we discuss in Chapters 13 and 16. A crucial part in producing these deformations is played by membrane-bending proteins, which control local membrane curvature.

中文翻译

膜形状受动态调控,因为许多必需的细胞过程——包括囊泡出芽、细胞运动和细胞分裂——都需要精巧而短暂的膜变形。很多情况下,膜形状受细胞骨架结构或胞外结构所施加的动态推力与拉力影响,第 13 章和第 16 章会讨论。在产生这些变形的过程中,膜弯曲蛋白起关键作用,它们控制局部膜曲率。

§Membrane-bending Proteins Deform Bilayers · 教材 p. 632
原理解读

教材接下来点明:膜弯曲蛋白按需要附着到特定膜区域,通过以下三种主要机制中的一种或几种起作用(图 10–40)。这句承上启下的原文只有十几个词,短于逐字引用的下限,故在此用中文转述。三种机制的第二种(原文第 2 条)同样太短,无法单独逐字引用,中文要点是:有些膜弯曲蛋白形成刚性支架,使膜变形或稳定已经弯曲的膜(图 10–40C);在细胞内运输中塑造出芽囊泡的衣被蛋白(如网格蛋白、COPI、COPII)就属于这一类(第 13 章讨论)。考研常考的 BAR 结构域(BAR domain)正是这一类的代表:BAR 结构域二聚体呈香蕉形,其带正电的凹面与带负电的膜表面结合,像模具一样把膜「压」成与自身曲率匹配的弯曲形状;N-BAR 还额外带两亲性螺旋,兼用第一种「楔入」机制。MBoC 第七版此处未点名 BAR,但机制描述即指此类。

Original text

1. Some insert hydrophobic protein domains or attached lipid anchors into one of the leaflets of a lipid bilayer. Increasing the area of only one leaflet causes the membrane to bend (Figure 10–40B). The proteins that shape the convoluted network of narrow endoplasmic reticulum tubules work in this way (discussed in Chapter 12).

中文翻译

1. 有些膜弯曲蛋白把疏水的蛋白结构域、或其携带的脂锚插入脂双层的某一侧单层。只增大一侧单层的面积,就会使膜发生弯曲(图 10–40B)。塑造内质网狭窄小管盘曲网络的那些蛋白,正是以这种方式工作(第 12 章讨论)。

§Membrane-bending Proteins Deform Bilayers · 教材 p. 633
Original text

3. Asymmetric distribution of cone-shaped and inverted cone-shaped lipids in the inner or outer leaflets can cause membrane bending. Some membrane-bending proteins cause particular membrane lipids to cluster together, thereby inducing membrane curvature. The ability of a lipid to induce positive or negative membrane curvature is determined by the relative cross-sectional areas of its head group and its hydrocarbon tails. For example, the large head group of phosphoinositides make these lipid molecules wedge-shaped, and their accumulation in a domain of one leaflet of a bilayer therefore induces positive curvature (Figure 10–40D). By contrast, phospholipases that remove lipid head groups produce inversely shaped lipid molecules that induce negative curvature.

中文翻译

3. 锥形脂和倒锥形脂在内、外单层中的不对称分布可引起膜弯曲。有些膜弯曲蛋白使特定的膜脂聚集成簇,从而诱导膜曲率。一种脂能诱导正曲率还是负曲率,由其头部基团与烃链尾部的相对横截面积决定。例如磷脂酰肌醇类(phosphoinositides)的头部基团很大,使这类脂分子呈楔形,因此它们在双层某一侧单层的某个结构域内聚集就会诱导正曲率(图 10–40D)。相反,磷脂酶切去脂的头部基团,产生形状相反的脂分子,诱导负曲率。

§Membrane-bending Proteins Deform Bilayers · 教材 p. 633
原理解读

三种膜弯曲机制的答题模板(教材最后还补一句:不同膜弯曲蛋白常常协同作用,共同实现某一特定曲率,如塑造正在出芽的运输囊泡,第 13 章讨论):①楔入(wedge)——把疏水结构域、两亲性螺旋或疏水发夹、脂锚插进一侧单层,撑开该侧脂头部基团,单侧面积增大 → 膜向另一侧弯曲;代表:塑造内质网小管的网状蛋白(reticulon)。②支架(scaffold)——蛋白自身弯曲的表面结合脂头部基团,像模具一样把膜压弯或稳住已弯的膜;代表:衣被蛋白(网格蛋白等)、BAR 结构域蛋白。③脂成分不对称(lipid clustering)——锥形/倒锥形脂在两侧单层的不对称分布;判据是「头部基团横截面积 vs 烃链横截面积」:头大尾小呈楔形(如磷脂酰肌醇类 PIP)→ 聚集诱导正曲率;磷脂酶切去头部基团后头小尾大(如磷脂酸、DAG)→ 诱导负曲率。常见简答:「细胞如何控制膜的形状」——答上述三条 + 细胞骨架推拉力 + 胞外结构牵拉,并强调它们常协同作用。

图 10–40 膜弯曲蛋白塑造膜形状的三种方式。脂双层为灰色,蛋白为绿色。(A) 未结合蛋白的双层。(B) 蛋白的疏水区可像楔子一样插入一侧单层,把脂头部基团撑开;这类区域可以是图示的两亲性螺旋,也可以是疏水发夹。(C) 蛋白弯曲的表面可结合脂头部基团,使膜变形或稳定其曲率。(D) 蛋白可结合并聚集头部基团大的脂,从而使膜弯曲。
图注 · 图 10–40 膜弯曲蛋白塑造膜形状的三种方式。脂双层为灰色,蛋白为绿色。(A) 未结合蛋白的双层。(B) 蛋白的疏水区可像楔子一样插入一侧单层,把脂头部基团撑开;这类区域可以是图示的两亲性螺旋,也可以是疏水发夹。(C) 蛋白弯曲的表面可结合脂头部基团,使膜变形或稳定其曲率。(D) 蛋白可结合并聚集头部基团大的脂,从而使膜弯曲。
Caption · Figure 10–40 Three ways in which membrane-bending proteins shape membranes. Lipid bilayers are gray and proteins are green. (A) Bilayer without protein bound. (B) A hydrophobic region of the protein can insert as a wedge into one monolayer to pry lipid head groups apart. Such regions can either be amphiphilic helices as shown or hydrophobic hairpins. (C) The curved surface of the protein can bind to lipid head groups and deform the membrane or stabilize its curvature. (D) A protein can bind to and cluster lipids that have large head groups and thereby bend the membrane.
怎么看 · 全图只有 (A)(B)(C)(D) 四个标号,灰色为脂双层、绿色为蛋白,以 A 的平坦膜为基线横向对比 B、C、D 三种弯曲机制。必背三机制:楔入疏水结构域/脂锚(增大单层面积)、刚性弯曲支架(如 COP 等衣被蛋白)、聚集锥形/倒锥形脂分子(头部大→正曲率,磷脂酶去头部→负曲率)。考研简答「膜弯曲蛋白如何塑造膜形态」按这三条答。
讲解 · B、C、D 三格正好对应三种机制,画图题一格一句话即可:B 楔入(插进去、撑开一侧);C 支架(弯曲表面把膜压出曲率);D 聚脂(把楔形脂拉到一起)。注意 A 格是对照(无蛋白结合的平坦双层),别漏。机制上三者的共同点是「制造两侧单层的不对称」:不管是单侧面积变大、单侧被外力压弯,还是单侧富集楔形脂,本质都是打破双层的对称性。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
(A)(A)分图 A:未结合蛋白的平坦脂双层(对照)
(B)(B)分图 B:蛋白的疏水区(两亲性 α 螺旋或疏水发夹)像楔子一样插入一侧单层,把脂头部撑开,使膜弯曲
(C)(C)分图 C:蛋白自身的弯曲表面(刚性支架)结合脂头部基团,使膜变形或稳定已有的曲率
(D)(D)分图 D:蛋白结合并聚集具有大头部基团的脂分子(红色,如磷脂酰肌醇磷酸),从而使膜弯曲
术语对照
  • 膜曲率membrane curvature膜弯曲程度;正曲率指向胞外/腔面凸出,负曲率相反
  • 膜弯曲蛋白membrane-bending protein按需附着于特定膜区、控制局部膜曲率的蛋白
  • BAR 结构域BAR domain香蕉形二聚体,以带正电凹面结合膜、施加或识别曲率;属「支架」机制的代表
  • 两亲性螺旋amphiphilic (amphipathic) helix插入一侧单层撑开脂头部基团,属「楔入」机制
  • 磷脂酰肌醇类phosphoinositides头部基团大、呈楔形,聚集可诱导正曲率
  • 衣被蛋白coat proteins塑造出芽囊泡的刚性支架,如网格蛋白、COPI、COPII

本节小结:膜蛋白Summary

笔记 考点二:细胞质膜的基本特征与功能
原理解读

这是 MEMBRANE PROTEINS 全节的小结,前半句复习膜蛋白的类型与连接方式(另见本专题前半部分),后半句正是本部分的落点:膜蛋白可快速侧向扩散,但细胞既能固定特定膜蛋白,也能把蛋白和脂限制在连续脂双层的特定结构域内;膜弯曲蛋白的动态结合赋予膜特征性三维形状。提醒:PDF 文本层丢失了希腊字母,教材原书的 α helix / β sheet 在小结中显示为「a helix」「b sheet」,逐字引文保持原样,中文按 α 螺旋、β 折叠片翻译。

Original text

Whereas the lipid bilayer determines the basic structure of biological membranes, proteins are responsible for most membrane functions, serving as specific receptors, enzymes, transporters, and so on. Transmembrane proteins extend across the lipid bilayer. Some of these membrane proteins are single-pass proteins, in which the polypeptide chain crosses the bilayer as a single a helix. Others are multipass proteins, in which the polypeptide chain crosses the bilayer multiple times—either as a series of a helices or as a b sheet rolled up into the shape of a barrel.

中文翻译

脂双层决定生物膜的基本结构,而膜的大多数功能由蛋白质承担:它们充当特异受体、酶、转运体等等。跨膜蛋白横跨脂双层。其中一部分是单次跨膜蛋白,多肽链以单条 α 螺旋穿过双层;另一部分是多次跨膜蛋白,多肽链多次穿过双层——或以一系列 α 螺旋的形式,或以卷成桶状的 β 折叠片的形式。

§Summary · 教材 p. 633
Original text

All proteins responsible for the transport of ions and other small water-soluble molecules through the membrane are multipass proteins. Some membrane proteins do not span the bilayer but instead are attached to either side of the membrane: some are attached to the cytosolic side by an amphipathic a helix on the protein surface or by the covalent attachment of one or more lipid chains, others are attached to the noncytosolic side by a GPI anchor.

中文翻译

凡负责把离子和其他小分子水溶性物质运过膜的蛋白,都是多次跨膜蛋白。有些膜蛋白并不跨越双层,而是附着在膜的某一侧:一部分靠蛋白表面的两亲性 α 螺旋、或靠共价连接的一条或多条脂链附着于胞质侧;另一部分靠 GPI 锚附着于非胞质侧。

§Summary · 教材 p. 633
Original text

Some membrane-associated proteins are bound by noncovalent interactions with transmembrane proteins. In the plasma membrane of all eukaryotic cells, most of the proteins exposed on the cell surface and some of the lipid molecules in the outer lipid monolayer have oligosaccharide chains covalently attached to them. Like the lipid molecules in the bilayer, many membrane proteins are able to diffuse rapidly in the plane of the membrane. However, cells have ways of immobilizing specific membrane proteins, as well as ways of confining both membrane protein and lipid molecules to particular domains in a continuous lipid bilayer. The dynamic association of membrane-bending proteins confers on membranes their characteristic three-dimensional shapes.

中文翻译

还有一些膜结合蛋白靠非共价相互作用与跨膜蛋白结合。在所有真核细胞的质膜上,暴露于细胞表面的多数蛋白,以及外层脂单层中的部分脂分子,都共价连接着寡糖链。与双层中的脂分子一样,许多膜蛋白能在膜平面内快速扩散。不过,细胞既有办法把特定膜蛋白固定住,也有办法把膜蛋白和脂分子都限制在连续脂双层的特定结构域内。膜弯曲蛋白的动态结合,赋予膜特征性的三维形状。

§Summary · 教材 p. 633
原理解读

用小结最后三句搭一个总答题框架,覆盖笔记「考点二」的后半:【流动性】膜蛋白与膜脂一样能在膜平面内快速侧向扩散(证据:细胞融合实验、FRAP);膜蛋白还可旋转扩散,但几乎不能翻转(flip-flop)。【受限性】细胞有多种手段固定或限制膜蛋白:①自身聚集成大聚集体(紫膜、ATP 合酶双列);②系连于胞外大分子装配体;③系连于胞内皮层细胞骨架(红细胞:血影蛋白–锚蛋白–带 3 蛋白 / 带 4.1 蛋白–血型糖蛋白);④与相邻细胞表面蛋白相互作用;⑤细胞连接设立屏障(紧密连接分出顶端面与基底侧面);⑥皮层骨架围栏效应(单粒子追踪证据)。【形状】膜弯曲蛋白通过楔入、支架、聚集楔形脂三种机制控制局部膜曲率,赋予膜三维形状。一句话总纲:膜是「有分区、可弯曲的二维流体」——既流动,又有序。

术语对照
  • 流动镶嵌模型fluid mosaic model膜的基本模型;但需补充「膜结构域」与「膜骨架限制」加以修正
  • 膜的不对称性membrane asymmetry糖链只分布在非胞质面;两侧单层脂组成不同
  • GPI 锚GPI anchor把蛋白连在非胞质侧的糖脂锚