膜蛋白结构动力学

序言

前言

第一章　膜蛋白1

1.1　生物膜与膜蛋白1

1.2　细胞能量系统的“三驾马车”3

1.3　膜蛋白的结构研究7

1.4　膜蛋白分类和结构稳定因素10

1.5　β桶型膜蛋白18

小结与随想22

习题及思考题23

第二章　生物膜与膜蛋白的相互作用24

2.1　生物膜的构成及性质24

2.1.1　生物膜的一般性质与化学组成24

2.1.2　脂分子的物理聚集态25

2.1.3　表面张力与内部压力27

2.1.4　吉布斯自由能与玻尔兹曼方程28

2.1.5　生物膜与膜蛋白分子的相互作用30

2.2　疏水失配33

2.3　膜电位与膜蛋白.37

2.3.1　制约膜蛋白分子取向的“正电在内规则”37

2.3.2　膜电位——“活”细胞的标志40

2.3.3　跨膜的电荷迁移与膜电位的成因43

2.3.4　膜电位电场及膜蛋白的影响50

2.3.5　静电驱动力与膜蛋白的构象变化52

小结与随想57

习题及思考题58

第三章　化学动力学基础59

3.1　酶促反应中的化学动力学59

3.2　自由能景观函数62

3.2.1　自由能景观图62

3.2.2　关于耗散热、速率与效率64

3.2.3　*小阻抗通路65

3.3　热力学与化学动力学的关系68

3.3.1　热力学与动力学的区别和联系68

3.3.2　将酶视为一个灰箱71

3.3.3　占有率能差71

3.3.4　底物结合步骤的进一步分解74

3.4　双稳态模型.75

3.4.1　双稳态模型及其参数75

3.4.2　别构调控77

3.4.3　膜电位对双稳态模型的修正83

3.4.4　配体结合能与双稳态的关系85

小结与随想96

习题及思考题.97

第四章　二级主动转运蛋白.98

4.1　转运蛋白的一般概念99

4.2　MFS家族转运蛋白.107

4.2.1　MFS家族转运蛋白的保守三维结构107

4.2.2　理解能量偶联的关键科学概念109

4.2.3　转运蛋白分类及机制差异119

4.2.4　关于膜电位驱动原理的普适性128

4.3　APC家族130

4.4　CPA家族钠-氢交换泵133

4.4.1　NhaA及其同源蛋白134

4.4.2　CPA3分支的唯一成员Mrp138

4.5　RND转运蛋白及AcrB的协同性143

4.5.1　AcrB复合体的三维结构.143

4.5.2　AcrB的三冲程机制.145

4.5.3　质子化事件和能量偶联146

4.5.4　AcrB复合体三个亚基之间的协同性147

4.5.5　单亚基RND转运蛋白MmpL3的结构和转运机制148

4.5.6　胆固醇转运蛋白NPC1.148

4.6　EAAT——转运与通道双功能蛋白151

小结与随想153

习题及思考题154

第五章　ATP驱动的跨膜转运155

5.1　ATP水解酶的共性和多样性155

5.2　P型ATP酶——ATP驱动的离子泵159

5.2.1　P型ATP酶的共性结构161

5.2.2　肌质网钙泵162

5.2.3　ATP水解驱动的质子泵164

5.2.4　Post-Albers循环及解离态储能机制165

5.3　ABC转运蛋白169

5.3.1　ABC转运蛋白分类及一般结构169

5.3.2　甲型ABC输出蛋白172

5.3.3　甲型ABC输入蛋白173

5.4　脂多糖转运系统175

小结与随想178

习题及思考题178

第六章　通道蛋白179

6.1　离子通道的一般概念180

6.2　离子通道的一般结构和共有开关机制.183

6.2.1　四聚体水通道183

6.2.2　KcsA钾离子通道184

6.2.3　离子通道的疏水涵闸187

6.3　机械力敏感通道191

6.3.1　MscS和MscL通道192

6.3.2　Piezo通道195

6.4　电压门控离子通道196

6.4.1　电压传感器的滑动-摇滚机制196

6.4.2　门控电荷198

6.5　快失活、慢失活及各类抑制剂201

6.5.1　通道的快失活201

6.5.2　通道的慢失活和脱敏202

6.5.3　通道抑制剂206

6.6　配体门控离子通道207

6.6.1　四聚体钾离子通道中的钙离子调控机制207

6.6.2　四聚体受体通道209

6.6.3　三聚体受体通道211

6.6.4　五聚体受体通道211

6.6.5　TRIC离子通道213

6.6.6　CALHM通道.214

6.7　温度门控离子通道216

6.7.1　TRP家族通道蛋白的功能多样性216

6.7.2　TRP结构216

6.7.3　双稳态温度门控的一般机制217

6.8　ClC氯离子通道221

6.8.1　ClC蛋白分子的总体结构222

6.8.2　通道抑或交换泵223

6.8.3　ClC蛋白的功能切换224

6.8.4　ClC转运机制的结构基础225

小结与随想227

习题及思考题228

第七章　能量转化相关膜蛋白229

7.1　ATP合酶229

7.1.1　ATP合酶的基本结构229

7.1.2　F1部分的ATP合成机制.233

7.1.3　FO部分的转动机制.236

7.1.4　V-ATPase型质子泵.239

7.2　光合作用242

7.2.1　细菌视紫红质蛋白242

7.2.2　叶绿体与光系统245

7.2.3　光系统复合体的结构250

7.3　呼吸链复合体-Ⅰ.256

7.3.1　基本结构和能量偶联的一般机制256

7.3.2　关于复合体-Ⅰ的若干关键科学问题260

7.4　醌氧化酶驱动的质子泵267

7.4.1　醌氧化酶的一般机制267

7.4.2　关于质子泵浦的关键科学问题269

7.4.3　醌氧化酶复合体结构270

小结与随想272

习题及思考题.273

第八章　信号转导相关膜蛋白——GPCR274

8.1　GPCR信号通路274

8.1.1　GPCR蛋白的分类275

8.1.2　GPCR蛋白介导的信号通路275

8.1.3　GPCR蛋白的结构研究279

8.2　A类GPCR结构和共性结构元件280

8.2.1　GPCR蛋白的一般结构280

8.2.2　A类GPCR中的保守模体281

8.2.3　GPCR蛋白激活过程的简化模型283

8.3　“质子转移”激活机制.285

8.3.1　基态-激发态之间的结构差异.285

8.3.2　质子转移与激发变构287

8.3.3　保守模体在激发变构中的角色289

8.3.4　A类GPCR的共性激活机制291

8.4　GPCR激活过程的热力学分析292

小结与随想298

习题及思考题299

参考文献300

附录315

附录1　符号定义315

附录2　常用热力学常数及换算316

附录3　中英文对照表316

附录4　常用动力学基本公式317

结束语319

致谢320

第一版后记321

第一章 膜蛋白

 半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊。问渠那得清如许，为有源头活水来。

 ——朱熹，《观书有感》

 膜蛋白在细胞的跨膜物质转运、能量转化、信号转导、膜稳态维持等方面发挥着不可替代的作用。是什么物理因素使膜蛋白分子区别于水溶性蛋白质分子呢？膜蛋白分子具有哪些共性的结构特征呢？它们是如何组装到生物膜中的？

 本章将讨论膜蛋白的重要性及其分类。概括地说，存在着两类主要的膜蛋白分子，即α螺旋束型和β桶型。鉴于绝大多数α螺旋束型、功能性膜蛋白分子将在后续各章中较详细地予以介绍，本章用一小节以β桶型膜蛋白为实例对膜蛋白分子的折叠过程和稳定性进行讨论。

 关键概念：整合型膜蛋白；功能性膜蛋白；膜蛋白的组装生命进化至今已经历了逾40亿年的漫长历史（图1.1.1）。大约35亿年前，地球上出现了**批原始细胞，正式拉开了生物圈（biosphere）与岩石圈和海洋圈分离过程的大幕，开启了长达20多亿年的由原核细胞主宰生命世界的时期［1］。直到15亿年前，发生了一件重塑生物圈的重大事件——细菌在古菌中的内共生，即出现了**代真核细胞，也就是细胞内部还嵌套生物膜的系统［2］。在生物圈形成的*初20亿～30亿年，生命世界进化出了我们在今天看似精巧得难以置信的分子机器、生化通路和网络系统，为其后多细胞生命现象在地球上的繁荣（包括我们人类的出现）奠定了基础。设想一下，没有生物膜的生物圈会是怎样的一个混沌世界？它仍然滞留在其原始阶段，表现为一些发生于水中和岩石缝隙的、缺乏时空关联的化学反应。生物膜不仅为细胞提供了一层物理边界，它的横空出世也在原始生物圈与现代生命形式之间划出了一道鸿沟。

 那么，本书的主角——膜蛋白a，在生物圈中发挥着怎样的作用呢？细胞不是一个热力学的封闭系统，它需要持续地与外界交换物质、能量和信息a，以维持远离热力学平衡态的准稳态。这些交换和转化功能主要是由膜蛋白领衔完成的［3］。要理解细胞和细胞以上层次的生命现象，就不可能不涉及膜蛋白分子的结构和功能，也就是膜蛋白的结构动力学。此外，由于承载着诸多早期生命世界中就已经出现的诸如营养摄取、能量转化、环境感知等基本生物学功能，膜蛋白可以视为我们认识生命进化的活化石。众若繁星的膜蛋白分子是如何在进化中获得了今天看似精巧绝伦的结构的呢？它们的工作原理真的是像人们娓娓道来的那样千人千面，罕有共性可循吗？为了解答这类问题，我们需要研究膜蛋白的结构与功能之间的动力学关系，包括膜蛋白分子如何在自由能b驱动下实现其存在的生物学意义。

 细胞、生物膜和膜蛋白分子之间有着怎样的几何关系呢？假如我们将细胞放大到西瓜的大小（直径比10μm∶0.3m），生物膜也只不过是比A4纸略厚的一层外皮（厚度比5nm∶0.1mm），其表面上点缀着各种各样、小米粒般大小的各类膜蛋白分子。在大多数情况下，膜蛋白总体上仅占据着较小的膜表面份额。可能有读者会质疑这种说法：生化教科书中不是宣称生物膜约50%的干重来自蛋白质吗？在稍后膜蛋白的分类中我们将看到，这些蛋白质分子并非都是直接、完全地镶嵌在脂双层中的。实际上，许多真核细胞中的膜蛋白复合体在其胞内侧或者胞外侧呈现远大于跨膜部分的、水母状甚至哑铃形的结构。因此，它们并不依照质量成比例地占据膜的表面。

 除了完成生物膜两侧的物质、能量和信息的传输，即所谓选择性通透，膜蛋白还担负着生物膜的合成、稳态维持等任务，并且参与细胞之间及膜被细胞器之间的相互作用，等等。许多膜蛋白分子或者其复合体，与新生膜蛋白的折叠、组装、修饰，以及膜生成或者细胞器生成直接相关（图1.1.2）。毋庸置疑，从生物膜嵌入生物圈的那一时刻起，膜蛋白与生物膜就相互依存，互以对方为自身存在的必要前提。尽管早期的膜蛋白不可避免地带有粗糙、易损、多变等原始特征，它们依然顽强地履行着生物圈所赋予的使命。

 为了解释蛋白质分子与生物膜的结构关系，辛格（S. Jonathan Singer）和尼科尔森（Garth Nicolson）于1972年提出了膜蛋白在生物膜中的液态镶嵌模型（.uid mosaic model；图1.1.3）［4］。该模型的要点之一是膜蛋白分子镶嵌在可流动的脂质双分子层（lipid bilayer，简称脂双层）中，并且脂分子和膜蛋白分子都不断地发生着二维自由扩散。随着对生物膜研究的不断深入，今天人们已经认识到，膜蛋白分子并不是漂泊在脂双层中的一个个孤立的橄榄球。这些蛋白质分子不仅持续发生着相对于脂双层的位移、转动和振动等类型的热运动，而且其分子内部及分子之间还不断地进行着多种构象转换。与此同时，脂双层为膜蛋白提供了一方发挥功能的舞台，并且主动地影响着膜蛋白分子的性质和功能。

 1.1核心信息：在超过40亿年的时间里，地球上的生命从原始细胞演化而来。15亿年前的共生事件导致真核细胞的出现，引入了对多细胞生命和人类出现至关重要的各类分子机器。生物膜在这一进化过程中发挥着关键作用，区分了原始的生物圈和现代生命形式。膜蛋白对于选择性通透、膜生物合成和细胞稳态的贡献凸显了它们与生物膜的相互依赖，强调了它们在不断变化的生物圈中的相互关系。

 在行使其功能时，绝大多数功能性膜蛋白分子需要能量来驱动。生命细胞中普遍存在着三大能量系统（图1.2.1［1］）：①氧化还原电势；②以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）为代表的含有“高能磷酯键”的不稳定分子a；③跨膜电化学势。它们分别类比于宏观世界中具有较高能量质量比的储能物质、便携式通用电池，以及网络覆盖式动力电网。三者彼此相互转化，维持着某种动态平衡；同时，也各自进化出*特的应用领域。作为碳基生命基本的化学能量形式，氧化还原电势常常被用于合成各类有机小分子（包括ATP）b。ATP是生物大分子多聚化的必要前提；从进化的角度来看，ATP的出现是生物圈由小分子世界向大分子世界转变的分水岭c。而跨膜电化学势则为细胞提供跨膜信号转导和物质转运所需要的驱动力。将它比喻为动力电网是十分贴切的：就像我们可以把各式各样的电器设备几乎随时随地地接入220V市电一样，细胞也将种类繁多、功能各异的膜蛋白分子动态地嵌入细胞膜，并从中吸吮能量。本书将较为详细地讨论各类跨膜电化学势彼此转化等相关过程。在第七章中我们将看到，在细胞三大能量系统之间的能量转化过程中，膜蛋白发挥着不可替代的作用。

 三大能量形式的共性在于它们均涉及静电相互作用；同时，它们又各自具有其*特的物理化学基础。从物理上讲，两个物体之间的结合能一般以它们相距无穷远时为零基准；结合能是指两个物体由无穷远处出发到彼此结合为止的整个过程所释放的能量；在此过程中，这个二体系统的总能量在减小。此处，两个物体之一正是电子、质子或者磷酸基团，而另一个则是它们的（临时）受体。进而，电子、质子、磷酸基团或者其他任何基团的自发转移只能发生在结合能较高的物体到结合能较低的物体的方向上。电子在基团A与B之间的结合能差就是电子与B基团的结合能减去电子与A基团的结合能。化学中两个*基本的反应类型——氧化还原反应和酸碱反应，分别涉及电子和质子的转移。由于水分子本身不具备稳定的外层电子空轨道，无法接收和传递电子，因此水溶液属于电子的不良导体d。氧化还原电势可以不依赖于生物膜而稳定地存在，表现为电子在特定的电子供体与受体化合物之间所形成的结合能差。电子的定向迁移正是由反应物之间的此类氧化还原电势的能量差驱动的。由于电荷与电压的乘积具有能量量纲，氧化还原电势经常用氧化还原电位e来表示；但是，电子的负电性质使（以伏特为单位的）氧化还原电位具有与（以焦耳为单位的）氧化还原电势相反的符号。在没有外界能量输入的情况下，电子只可能自发地从具有较低氧化还原电位的化合物向较高氧化还原电位的化合物迁移。氧化还原反应的这些性质使其成为生物圈的原始推动力。在蛋白质（复合体）内部，电子长程转移的路径往往借助于具有非局域化电子结构的共轭键系统，如金属簇、芳香环侧链基团或者杂环辅因子等。催化电子由供体（D）向受体（A）转移的酶一般记作D:A氧化还原酶（oxidoreductase；如NADH:醌氧化还原酶），它们*主要的功能是为稳定上述电子载体的相对位置提供一种三维介质。另外，由于氧化还原反应涉及电荷迁移，一个给定基团的氧化还原电位必然受到环境电场的影响。例如，正电性的外来电场将提升该基团的氧化还原电位，使其成为更强的电子受体，同时弱化其作为电子供体的能力。当一对氧化还原反应的供体和受体同时受到均匀外电场的等强度影响时，它们之间的相对电子结合能保持不变。与之不同，假如外电场选择性地影响两者之一，氧化还原反应的速率将受到调制。例如，当溶液的pH下降1个单位时，溶液中各类质子所及的电子供体、受体基团的氧化还原电位均升高约59mV。虽然这类变化不会影响电子在溶液中基团之间的迁移，但可能影响溶液与非溶液基团之间的迁移。这一论点对于理解后文（如第七章）中氧化还原电势向跨膜电化学势能的转化十分重要。

 与电子相比，水溶液表现为优良的质子导体。这是因为水分子中的氧原子具有外层sp3杂化轨道，即正四面体配位方式；后者在结合了两个质子之后仍然可以接受另一个“多余”的质子，而不出现明显的静电排斥。事实上，在水中自由质子的浓度极低，质子主要以水合质子（H3O＋）的形式存在；这与水分子本身的高摩尔浓度（56mol）有关。此外，相邻的水分子（或者其他极性基团）极易形成动态的格罗图斯质子导线（Grotthuss proton wire），即在氧（或者氮）原子位置维持相对不变的前提下，质子发生快速的接力式迁移的路径。因此，质子电化学势在水溶液中难以稳定存在，而只能借助生物膜来实现。质子定向运动的驱动力来自质子化学势和外界电场两部分。在自由扩散的情况下，化学势由浓度梯度决定；而在蛋白质内部的非自由扩散情况下，化学势由质子供体基团与受体基团之间的亲和力差别（相对质子亲和力.pKa）决定。值得强调的是，正是生物膜系统的存在，使各类跨膜电化学势的出现成为可能，从而大大提高了细胞中能量转化的综合效率，即速率与效率之间的平衡优化；进而，也使物质、能量和信息在狭小、拥挤的细胞中的流动和非均匀空间分布得以在更为有序的方式中实现。本质上，生物膜的出现及其所衍生出的跨膜电化学势使一类“全新”的物理能量形式——介观a静电能进入了生命能源的主角之列。

 ……

膜蛋白在生命细胞中扮演着多种重要的角色，与分子生物学、医药、农业、生物技术等领域密切相关。针对膜蛋白的结构-功能研究是结构生物学中最活跃的前沿领域之一。本书共八章，从化学动力学的角度探讨膜蛋白结构与功能的关系问题，并对生物膜膜电位的物理性质及其在生物学上的意义进行了系统性的介绍。此外，本书还基于膜电位驱动力原理对多种膜蛋白家族的功能机制进行了深入浅出的分析和阐释。本书结合作者的科研经验和教学经验，广泛覆盖功能性膜蛋白的主要分支，提出了新概念和创新思考，强调物理概念的阐述和实例说明。