Review of Biophysics

Selected Topics Macromolecules

(I): Structures of Biological

力。高温下焓驱动，低温下熵驱动。 空间阻碍

水化力：亲水的表面容易和水分子结合，除掉这些水分子需要消耗能量，结合作用的大小称之为水化力。

3. 蛋白质折叠和折叠的相关规律

蛋白质折叠的主导力量：多肽链侧链间的疏水作用

蛋白质折叠过程：Funnel-shaped energy landscape process

熔球态：半折叠的蛋白质状态，已具备二级结构，未形成三级结构

体内折叠：分子伴侣

构型和构象：构型（configuration） 一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。这种排列不经过共价键的断裂和重新形成是不会改变的。构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。

构象(conformation ) 指一个分子中，不改变共价键结构，仅单键周围的原子放置所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。构象改变不会改变分子的光学活性。 4. 结构测定

【1】二级结构预测

【2】三级结构测定：

冷冻电镜、原子力显微镜：检测难以被结晶的膜蛋白，优势：样品不受污染，不被固定，故所测结果与在真实生理状态下的结果一致。获得其天然的结构信息，既适用于膜蛋白，又适用于胞内蛋白。缺点：低分辨率，无法获得原子结构信息

核磁共振：小分子蛋白的溶液态结构分子，分辨率为原子级别。优点：液态测定结构，测量环境的稳定、pH、盐浓度可以模仿生理环境，所获得的结构更具有生理意义，可以研究分子结构的动态特性，研究分子反应的结构、热动力学问题。缺点：大分子测定困难，昂贵。

X-ray晶体衍射：可被结晶的蛋白质分子，优点：高分辨率，缺点：分子已经结晶，结构不同于生理状态下的蛋白质；所测得的是静态结构，不能得到功能性蛋白的动态结构信息；部分蛋白很难结晶， 计算机模拟：基于已知蛋白质的同源结构分析

Selected Topics (II): Biological Membranes and Membrane Biophysics

1． 生物膜的结构与功能 功能：

1. 生物大分子的结构基础

Structure of proteins:

蛋白质的四级结构

一级：氨基酸分子的序列 共价键结合 二级：alpha-helix 和 βsheet ，氢键作用 三级：蛋白质的三维结构 二硫键

四级：若蛋白质是有多个链形成，为四级结构。分子作用力

超二级结构：motif ：超二级结构是在氨基酸折叠中规则的三维结构折叠单元，是三级结构的建筑块，有三种基本折叠类型，αα，ββ，βαβ型， 蛋白质结构域domain：蛋白质的结构和功能模块。 三级结构，蛋白质的折叠组合类型：Alpha barrel 、beta barrel 、beta propellor 、alpha/beta folds、alpha+beta folds

蛋白质家族：一级结构具有相似性，结构上相对保守，功能具有一致性的蛋白质集合 2. 生物大分子的相互作用力

强作用：共价键，离子键

弱作用：静电相互作用、氢键、疏水力作用、水化作用。稳定蛋白质结构，介导蛋白质反应，受体配体结合；

静电相互作用力： 电荷——电荷 电荷——偶极子

Van der waals 作用：dipole_dipole 取向力 / charge_induced dipole诱导力/ nonpolar-nonpolar色散力：非极性分子间

差异：色散力是分子的瞬时偶极间的作用力，它的大小与分子的变形性等因素有关。一般分子量愈大，分子内所含的电子数愈多，分子的变形性愈大，色散力亦愈大。诱导力是分子的固有偶极与诱导偶极间的作用力，它的大小与分子的极性和变形性等有关。取向力是分子的固有偶极间的作用力，它的大小与分子的极性和温度有关。极性分子的偶极矩愈大，取向力愈大；温度愈高，取向力愈小.

氢键：DNA，α-螺旋，β-折叠；维持大分子的骨架结构。

DNA中的稳定结构作用力：带电荷的磷酸骨架的静电作用力，碱基对之间的氢键，碱基堆积力（π-π相互作用，π键之间形成电子共享）

π键在生物分子结构和稳定性上的作用： cation-π作用：乙酰胆碱和其受体的结合；TTX河豚毒素阻断Na通道；AmtB运输NH4+

π-π作用：咪唑-嘧啶环药物阻断质子泵

电荷--偶极子作用：水通道

疏水作用：油性的，碳氢链之间的吸引称之为疏水

细胞与外界及细胞器与细胞器之间的屏障 物质通透与运输的调节 能量生成，转换与利用 信号转导与信息传递

生化活性的定位

结构：生物膜的主要化学成分包括：脂、糖、蛋白质、水、无机离子（Na＋、K+、Ca2+等）；膜中脂类和蛋白含量的变化与膜的功能关系很大：

蛋白多，膜功能复杂：线粒体内膜，复杂的呼吸作用，76％

蛋白少，膜功能简单：神经髓鞘，只起绝缘作用，蛋白质3种，18％

2． 生物膜的组成与生物膜结构模型 【1】磷脂：磷酸甘油酯、鞘磷脂

【2】胆固醇：提高膜的机械稳定性、调解膜的流动性、调解蛋白质的活性

【3】糖脂：它是生物膜中的糖基与脂质结合形成的一种类脂。糖脂中类脂的极性头部基团是通过糖苷键与糖分予相连，而不是象磷脂那样通过磷酸酯键相连接。

生物膜中的糖脂只存在于脂双层的外层表面，一般不超过脂分子的10％。糖脂分为糖鞘脂和糖基甘油酯两类：

糖鞘脂：动物细胞中主要是糖鞘脂，由神经酰胺（ceramide)糖基化形成，糖脂仅存在于质膜外表面，糖脂起信号识别的作用

糖基甘油酯：由甘油二脂与己糖结合而成。己糖主要是半乳糖、甘露糖或脱氧葡萄糖。这类糖脂主要存在于植物细胞膜系中（叶绿体类囊体膜中含量高达70％），因而又被称为植物糖脂。 【4】脂质的特性：

双亲性 （amphipathic)：一端亲水，另一端疏水，形成脂双层的基础； 荷电：不同脂质带不同电荷，影响脂质在膜内外的分布，脂质与蛋白质的相互作用，对细胞的结构与功能具有重要意义；

构象：碳氢烃链可处于不同构象，膜可处于不同物理状态，对膜的功能具有重要意义。

【5】脂双层的特性：

（1）脂质分子组织形式和分子基础

脂双层：脂质分子的头部和碳氢链大小近似

团粒：脂质分子头部较大，碳氢链尾部较小，使得头部向外形成团粒已达到氢键最大化。

倒团粒：脂质分子头部小，碳氢链尾部较大，使得形成反向团粒。

（2）脂双层构象

a.液晶或流体相（liquid-crystalline or fluid phase, L?）：液晶相是具有生机活力的细胞，特别是“年轻”细胞的典

型的细胞膜相结构。由于脂肪酰链具有运动自由度，脂双层膜是比较柔韧的，镶嵌其中的蛋白质，象脂质海洋中的小船，得以实施最大的生物活性。不饱和脂肪酰链含量越高，流体相越大，不饱和脂肪酰链的cis双键造成键的扭曲, 增加柔韧性。

b.固相或凝胶相：处于这种相下，脂双层中磷脂脂肪酰链被“冻结 ”几乎完全失去运动自由性，而取硬棒样形状，即全反构象。膜变得更具刚性而失去柔韧性。并且镶嵌于脂双层中的蛋白质不再能够运动。凝胶相的膜对物理性协迫 失去适应性，而易于形成渗漏，造成膜通透性及其功能的损害。 （2）脂双层物理特性： A。相变

由凝胶相向液晶相过渡：

? 相变后果：脂肪酰链构象发生变化

– 全反式 (all trans) ? 扭曲式 (gauche)

? 磷脂分子间距离增加 0.42nm?0.46nm ? 脂双层厚度减小 ? 膜流动性增加

– 在液晶态，脂分子可在膜平面内扩散，

旋转

– 在凝胶态，脂分子处于类似于固体状态，

分子的运动受到限制

影响相变因素：

·脂肪酰链长度：长度增加，分子间力增加，相变温度上升

·脂肪酰链不饱和度：不饱和度增加，相变温度下降，双键增加了分子间空隙

·极性头部：对Tm影响顺序：PE>PS>PC≥PG ·负电荷磷脂分子侧向排斥，烃链间相互作用减弱。（负电荷程度越高，Tm越低）

·pH对相变的影响：pH可影响头部的解离程度，影响相变

·二价阳离子对相变的影响：二价阳离子可中和负电荷，提高相变温度。

B。分相

（3）脂膜结构的几个特征：不对称分布，流动性。 【6】膜蛋白

1.膜蛋白是膜功能的载体： 物质输运-

载体 (葡萄糖转运蛋白），通道（K通道） 信号转导-

受体 （G-蛋白偶联受体），酶（磷脂酶C) 能量转换-

酶(ATP合成酶），电子传递蛋白（细胞色素C) 细胞识别-

糖蛋白(血型糖蛋白）

2.分类：

内在蛋白 (integral or intrinsic protein) 外周蛋白 (peripheral or extrinsic protein 脂锚定蛋白

【7】膜糖

膜结构中的糖类主要与膜脂、膜蛋白共价结合，形成糖脂和糖蛋白，分布于膜的外表面。质膜外的寡糖链结构参与信号识别、细胞识别及粘合等过程。 【8】动态特性 A。膜脂运动

分类： 分子间

1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 实验测定：荧光漂白恢复FRAP

·ESR谱自旋标记法测量旋转扩散、侧向扩散： 要求：被测原子中必须含有未成对电子，才可观察到ESR现象

原理及应用：电子自旋共振（顺磁）共振，它是指电子自旋磁矩在磁场中受相应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。这个现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质（即含有未耦电子的化合物）中能够观察到。

电子自旋共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用，从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有很高的灵敏度和分辨率，能深入到物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。目前，被广泛应用于物理、化学、生物和医学等领域的研究中。 b。膜蛋白运动 实验测定方法：

1.光漂白恢复法：侧向扩散 2.细胞融合法：验证侧向扩散

2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。

3. 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 分子内

4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。 5. 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。

6. 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。

·荧光偏振测定脂质分子旋转扩散：

当荧光分子受平面偏振光激发时，如果分子在受激发时期（对于荧光素约持续 4纳秒）保持静止，发射光将位于同样的偏振平面。如果在受激发时期，分子旋转或翻转偏离这一平面，发射光将位于与激发光不同的偏振面。如果用垂直的偏振光激发荧光素，可以在垂直的和水平的偏振平面检测发射光光强（发射光从垂直平面偏向水平平面的程度与荧光素标记的分子的迁移率有关）。如果分子很大，激发时发生的运动极小，发射光偏振程度较高。如果分子小， 分子旋转或翻转速度快，发射光相对于激发光平面将去偏振化。

荧光偏振：

胆固醇对膜的流动性调节：

胆固醇是膜流动性的双向调节剂 ·当膜处于凝胶态时，增加膜的流动性 胆固醇减弱了烃链的相互作用

脂分子处于比凝胶态相对运动的状态 ·当膜处于液晶态时，降低膜的流动性 胆固醇阻碍烃链由反式到歪扭式的构象转变 降低分子的运动程度

【9】片层结构模型 1。单位膜模型

生物膜在透射电镜下呈“两暗夹一明”三层结构，即内外两电子致密高的“暗”层，中间夹着电子密度低的“亮”层，其总厚度约7nm ，这三层结构称为 单位膜。

2。液态镶嵌模型：膜脂形成脂双层并以二维流体形式

存在；膜蛋白均匀地镶嵌在脂双层中并在其中自由运动； 膜蛋白通过碰撞发生相互作用 ★强调了膜的流动性 ★强调了膜的不对称性

§忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用 §忽视了膜各部分流动的不均一性。 3.脂筏模型：

脂筏：膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些特定的蛋白质。这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。

·脂筏的生物学功能：信号转导，病原-宿主相互作用，蛋白构象转变

【10】细胞膜的融合 ·分类

（1）胞浆面融合(plasmatic facesfuse, PF-type)。 如细胞分裂外排，胞内膜泡融合和病毒出芽。

（2）胞外面融合(exoplasmic facefusion. EF-型) ，如细胞融合、内吞、和病毒－溶酶体融合 ·基本过程：

紧密靠近且表面相对，相互识别，；

半融合，部分破坏双层结构，融合为一个连续的脂双分子层；融合孔形成；融合孔扩宽

·膜合蛋白 参与以上融合事件，引起特异识别和短暂、局部脂双层结构变形促使膜融合。融合蛋白可搭起两个膜融合的桥，并带来融合区域脂双分子层的暂时恢复。 ·膜联蛋白 （一种Ca2+活化后可与膜磷脂结合的蛋白）是一类紧挨质膜的蛋白质，需要Ca2+，与脂双分子层的磷脂结合，可通过交叉连接两个不同膜的脂质分子。 【11】非辐射共振能量转移技术 FRET

·荧光共振能量转移的三个条件：

供体和受体都能发光；供体的发射谱和受体的激发谱必须有部分重叠；供体和受体的距离必须小于100?

·原理：供体生色团将激发态能量转移至受体生色团，激发态能量有受体以荧光光子形式发出。

·用途：研究组成生物结构的大分子和超分子的空间距离和分布，用以探求动力学特征信息。

3． 物质跨膜运输 ·结构模式：

（1）小分子的运输：

·被动运输：顺着电化学梯度

【1】简单扩散：小分子脂溶性物质简单扩散 ，初始扩散速率 J0 = Pce；

决定通透性大小的因素：P = Dk/l

·脂溶性 脂溶性越大，k越大，P越大 ·分子大小 分子越大，D越小，P越小

·分子水化程度 水化程度越高，脱水所需能量越大，P越小；脂双层对极性分子通透性很小，对离子几乎不通透

·温度 温度越高，脂双层流动性越大，D越大，P越大 【2】协助扩散

·定义：Na+，K＋，Glucose，AA等离子或极性分子，简单扩散通透系数很小，难以透过生物膜，而实际通透性很大，这需要膜上特异的膜蛋白的协助，称为协助扩散/易化扩散／促进扩散。

·工作方式：与待转运物质结合，引起构像变化并将其转运到膜的另一侧

·动力学特征：细胞膜上载体数目有限，转运速率具有饱和性 JmaxCJ? J为转运速率

km?CJmax为最大转运速率 C为浓度

·载体介导的跨膜输运的特征 饱和性 载体的数量有限

特异性 载体可区分不同种类的分子

拮抗性 载体可输运结构类似的化合物，这些化合物相互拮抗

【3】通道蛋白（channel proteins）介导的离子扩散 ·定义：一些有被动转运功能的蛋白质，形成含水通道，使特定离子自由扩散，这种蛋白质称为通道蛋白（channel protein）。离子通过离子通道的被动运输无饱和现象。

·通道蛋白特性 ：

——与待转运物质的相互作用较弱 ——形成跨越脂双层的充水性孔道

——当孔道开启时，允许特定大小和特定电荷的溶质通过

·扩散特性：

——离子选择性高（大小/电荷）； ——转运速率高；

——运输方向顺电化学梯度； ——门控性 ·速率比较图：

一般利用质子的跨膜电化学梯度，促使质子从非胞浆面“顺坡”流向胞浆面，释放的自由能被利用来合成ATP，也叫ATP合酶。 4】ABC运输蛋白

·利用ATP水解产生的能量来驱动多种小分子的跨膜运输

·ABC transporters 也催化脂质的跨膜翻转运动 ·所有ABC transporters 都含有2 个高度保守的ATP-结合结构域

5】电子传递链驱动的主动运输

电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来的自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，这是线粒体氧化磷酸化偶联作用的关键环节。 6】协同运输 (Cotransport)——次级主动运输 ·定义：主动运输与离子梯度的耦联，能量来自膜两侧的离子浓度梯度。一种离子顺浓度梯度输运，释放出来的自由能驱动另一种离子或分子逆浓度梯度输运。 ·分类：

同向协同：物质运输方向与离子移动方向相同，如小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸。

逆向协同：物质运输方向与离子移动方向相反，如线粒体内H+电化学梯度驱动下，Na+由内膜基质一侧转运出来。

（2）大分子的运输 [1]Vascular Transportation ·不同的Coated Vesicals Clathrin coated vesicles AP1 Clathrin-CV AP2 Clathrin-CV AP3 Clathrin-CV AP4 Clathrin-CV COPI-coated vesicles COPII-coated vesicles ·衣被的形成：

衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）：衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶，也叫G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进核化和组装。衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar1蛋白，Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COPI衣被的形成，Sar1参与内质网上COPII衣被的形成，两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关，但其成分尚不明确。

G蛋白具有两类重要的调节蛋白，即：鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchange factor,GEF）和GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein,GAP）。GEF的作用是使G蛋白释放GDP，结合GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性，使GTP水解，G蛋白失活。

·水分子的运输 ——扩散

——水通道运输 【4】主动运输

·载体有被动输运，也有主动输运方式 通道总是被动输运方式 ·载体的工作方式

单载体（Uniporters）: 将单一溶质从膜的一侧输运到另一侧

耦联载体（Coupled carriers）：

同向输运 （Symport）同时沿同一方向输运第二个溶质 反向输运（Antiport）沿相反方向输运第二个溶质 ·ATP驱动的初级主动运输

此类主动运输都需要水解ATP来为物质的逆浓度梯度运输提供能量，推动此类运输的蛋白质本身都是ATPase，这些ATPase又被称为离子泵 分类：

1】p类离子泵【自身磷酸化】

a. Na+- K+ pump【对Na浓度最为敏感！！】

·输运循环依赖于蛋白的自身磷酸化，ATP末端磷酸转移到一个 aspartic acid 残基上，自身磷酸化的泵称为P-型输运ATP酶

·质膜致电,Na+- K+ pump 10%参与跨膜电位(membrane potential)的产生

·对调节细胞的渗透性起关键作用 B。Ca2+ pump

·Ca2+ pumps 在信号转导之后将 Ca2+ 运出细胞浆 ·维持Ca2+ 梯度是细胞信号转导的必要因素 2】v类离子泵【不发生自磷酸化，建立质子梯度】 利用ATP水解释放的能量，但不发生自磷酸化，将质子从膜的胞浆面泵入非胞浆面，而建立起跨膜的质子电化学梯度，用于维持植物细胞液泡和动物细胞溶酶体及其它膜泡内较低的PH值。【液泡内和溶酶体内属于非胞浆面】

3】f类离子泵【质子顺坡，合成ATP】

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