问渠那得清如许，为有源头活水来——生物圈进化史中的膜蛋白

■ 随着结构生物学的蓬勃发展，传统的分类学式研究方法已渐显落伍；生物大分子的功能越来越多地为结构生物学家所关注，而对于蛋白质功能的系统性研究将不可避免地涉及对于相关动力学过程的分析。从学科发展的角度来看，动力学研究将为结构生物学注入新的生命力，以期从一个全新的视角向人们展示膜蛋白结构的动态美感。作为膜蛋白结构生物学的入门参考教材，本书的主要目的在于建立基于蛋白质结构和化学动力学的结构动力学研究语言与普适关系，促进膜蛋白结构动力学的定量化研究。

生命现象对于我们每个人来说是那么的熟悉，它赋予我们探究自然、思考人生的能力。人类自古就在不断探索生命的意义，以至于对于“什么是生命”，每个人都可能拥有自己独特的答案，即所谓名可名，非常名。在这里的讨论中，我们仅仅关注生命最具一般性的特征，如个体（以及界定个体的物理边界）的存在、复制过程中的遗传和变异等。在关于生命的“达尔文普适模型”（可持续传播模型）中，个体具有极其重要的地位。失去个体，就失去了演化和竞争的基础。从这种意义上讲，界定细胞边界的生物膜在进化上的重要性也许并不逊于作为遗传物质的 DNA 。

膜蛋白在细胞的跨膜物质转运、能量转化、信息传导、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可溶性蛋白分子呢？膜蛋白分子具有哪些共性的结构特征呢？

生物膜与膜蛋白

生命进化至今已经历了逾 40 亿年的漫长历史（图 1）。大约 35 亿年前，地球上出现了第一批原始细胞，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 多亿年由原核细胞主宰生命世界的时期。直到约 12 亿年前，发生了一件重塑生物圈的重大事件——细菌在古细菌中的内共生，即出现了第一代真核细胞，也就是细胞内部还嵌套生物膜的系统。在生物圈形成的最初 20 亿～30 亿年，生命世界进化出了在我们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。

图1 生物圈的进化历程与生物膜的出现和功能化密切相关（引自 Smith and Morowitz，2016）

那么，膜蛋白，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，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。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。另外，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，膜蛋白可以被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 A4 纸一般的一层外皮（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，膜蛋白仅占据着很小的膜表面（＜5%）。可能有读者会提出疑问：生物化学教科书中不是宣称生物膜干重的 50% 来自蛋白质吗？在后面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（lipid bilayer）中的。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2）。毋庸置疑，从生物膜嵌入生物圈的那一刻起，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。

图2 生物膜与细胞关系示意图

细胞和细胞器的形态主要是由生物膜界定的

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（GarthNicolson）于 1972 年提出了膜蛋白在生物膜中的液态镶嵌模型（fluid mosaic model；图3）。该模型的要点之一是膜蛋白分子镶嵌在可流动的脂双层中，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，膜蛋白分子并非悠闲地游荡在脂双层中的、一颗颗孤立的刚性橄榄球。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，而且其分子内部以及分子之间还不断地进行着多种构象转换。同时，脂双层也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。

图3 膜蛋白与脂双层的液态镶嵌模型（引自苏晓东等，2013）

整合型膜蛋白用红色标记；绿色标记的糖基化只发生在细胞质膜外侧

β桶型膜蛋白

第一个 β 桶型膜蛋白的晶体结构发表于 1992 年（图4），该蛋白是来自革兰氏阴性菌的 Omp-F（matrixporin out-membrane protein F）。与之类似，许多 β 桶型膜蛋白出现在革兰氏阴性菌的外膜中，但是从未在内膜中被发现。对于这一现象，目前还没有一种可以被普遍接受的解释。一种可能性是易位子系统将所有呈现疏水性质的跨膜螺旋都滞留在内膜中。因此，整合型外膜蛋白需要一类全然不同的折叠方式，而 β 桶结构是除 α 螺旋之外、几乎唯一简单易行的膜蛋白折叠类型。

图4 典型 β 桶型膜蛋白 Escherichia

coli Omp-F 的晶体结构PDB 代码 2OMF；2.4Å 分辨率。该蛋白含有 16条跨膜 β 链的肽链，以飘带模型表示，并且以彩虹渐变方式着色（N 端为蓝色，C 端为红色）

β桶型膜蛋白是在 α 螺旋束型膜蛋白所难以涉足的边缘地带细胞对于膜蛋白功能进行必要补充，并且满足肽链内部形成封闭的氢键网络这类能量最小化要求。在折叠方面，α螺旋束型膜蛋白和 β 桶型膜蛋白均使用发夹式折叠单元，均以疏水相互作用为驱动力，并且借助亲水性跨膜通道克服脂双层对亲水性环境所构成的能量壁垒。但是，由于其具有很强的结构稳定性，β桶型膜蛋白较难像 α 螺旋束型膜蛋白那样以构象变化的形式对外界刺激做出快速响应。因此，β桶型膜蛋白的主要功能被限制在跨膜被动转运或者膜整合型酶中。

想深入了解膜蛋白？敬请关注《膜蛋白结构动力学》

﹀

﹀

﹀

膜蛋白结构动力学

张凯 著

北京：科学出版社，2021.6

ISBN 978-7-03-069063-0

责任编辑：王玉时　韩书云

内容简介

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。本书从化学动力学角度探讨膜蛋白结构与功能的关系问题，对生物膜膜电位的物理性质及其生物学意义进行了系统性的介绍，基于膜电位驱动力原理对多种膜蛋白家族的功能机制给予了深入浅出的分析和阐释。

READING

本书目录

前言
PREFACE
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 6
1.4 膜蛋白分类和结构稳定因素 8
1.5 β桶型膜蛋白 14
小结与随想 18
第二章 生物膜与膜蛋白的相互作用 19
2.1 生物膜的构成及性质 19
2.1.1 生物膜的一般性质和化学组成 19
2.1.2 脂分子的物理聚集态 20
2.1.3 表面张力和内部压强 21
2.1.4 吉布斯自由能与玻尔兹曼分布 22
2.1.5 生物膜与膜蛋白分子的相互作用 23
2.2 疏水匹配差 25
2.3 膜电位与膜蛋白 28
2.3.1 制约膜蛋白分子取向的“正电在内规则” 29
2.3.2 膜电位——“活”细胞的标志 31
2.3.3 跨膜的电荷迁移与膜电位的成因 32
2.3.4 膜蛋白对于其附近膜电位电场的影响 39
2.3.5 静电驱动力与膜蛋白的构象变化 40
小结与随想 45
第三章 化学动力学基础 46
3.1 酶促反应中的化学动力学 46
3.2 自由能景观函数 48
3.2.1 关于耗散热、速率与效率 50
3.2.2 最小阻抗通路 51
3.3 热力学与动力学的区别和联系 53
3.3.1 将酶视为一只灰箱 56
3.3.2 底物结合步骤的进一步分解 56
3.3.3 酶反应案例 57
3.4 双稳态模型 58
3.4.1 双稳态模型及其参数 58
3.4.2 膜电位对双稳态模型的修正 61
3.4.3 化学势的别构驱动能力 64
小结与随想 68
第四章 二级主动转运蛋白 70
4.1 转运蛋白的一般概念 71
4.2 MFS家族转运蛋白 75
4.2.1 MFS家族转运蛋白的保守三维结构 75
4.2.2 结合能差ΔGD——理解能量偶联的关键科学概念 77
4.2.3 转运蛋白分类及机制差异 87
4.2.4 关于膜蛋白驱动原理的普适性 93
4.3 APC家族 94
4.4 CPA家族钠-氢交换泵 97
4.4.1 NhaA及其同源蛋白 97
4.4.2 CPA3分支的唯一成员Mrp 101
4.5 RND转运蛋白以及AcrB的协同性 103
4.5.1 AcrB复合体的三维结构 104
4.5.2 AcrB的三冲程机制 105
4.5.3 质子化事件和能量偶联 106
4.5.4 AcrB复合体三个亚基之间的协同性 108
4.5.5 单亚基RND转运蛋白MmpL3的结构和转运机制 110
4.5.6 胆固醇转运蛋白NPC1110小结与随想 113
第五章 ATP驱动的跨膜转运 114
5.1 ATP水解酶的共性和多样性 114
5.2 P型ATP酶——ATP驱动的离子泵 116
5.2.1 P型ATP酶的共性结构 118
5.2.2 肌质网钙泵 119
5.2.3 Post-Albers循环以及解离态储能机制 121
5.3 ABC转运蛋白 124
5.3.1 Ⅰ型ABC输出蛋白 126
5.3.2 Ⅰ型ABC输入蛋白 126
5.4 脂多糖转运系统 129
小结与随想 131
第六章 通道蛋白 132
6.1 离子通道的一般概念 132
6.2 离子通道的结构和开关机制 135
6.2.1 四聚体水通道 135
6.2.2 Ksc钾离子通道 136
6.2.3 离子通道的疏水闸门 139
6.3 通道蛋白的门控机制 141
6.3.1 机械力敏感通道 141
6.3.2 电压门控机制 145
6.3.3 离子通道的快失活和慢失活机制 149
6.3.4 配体门控机制 150
6.4 ClC氯离子通道 155
6.4.1 ClC蛋白分子的总体结构 156
6.4.2 通道抑或交换泵 157
6.4.3 ClC蛋白的功能切换 158
6.4.4 ClC转运机制的结构基础 159
小结与随想 161
第七章 能量转化相关膜蛋白 162
7.1 ATP合酶 162
7.1.1 ATP合酶的基本结构 162
7.1.2 F1部分的ATP合成机制 165
7.1.3 FO部分的转动机制 168
7.2 光合作用 172
7.2.1 细菌视紫红质蛋白 173
7.2.2 叶绿体与光系统 175
7.2.3 光系统Ⅰ和光系统Ⅱ 176
7.3 呼吸链复合体Ⅰ 181
7.3.1 基本结构和能量偶联的一般机制 181
7.3.2 关于复合体Ⅰ的5个科学问题 185
7.4 醌氧化酶驱动的质子泵 192
7.4.1 醌氧化酶的一般机制 192
7.4.2 关于质子泵浦的关键科学问题 193
7.4.3 醌氧化酶复合体结构 194
小结与随想 196
第八章 信号转导相关膜蛋白——GPCR 197
8.1 G蛋白偶联受体信号通路 197
8.2 GPCR结构和共性结构元件 201
8.2.1 GPCR蛋白的一般结构 201
8.2.2 A类GPCR中的保守模体 203
8.2.3 GPCR蛋白激活过程的简化模型 204
8.3 “质子转移”激活机制 205
8.3.1 基态-激发态之间的结构差异 205
8.3.2 质子转移与激发变构 207
8.3.3 保守模体在激发变构中的角色 209
8.3.4 A类GPCR的共性激活机制 211
8.4 GPCR激活过程的双稳态模型 212
小结与随想 215
参考文献 216
附录 228
附录1 符号定义 228
附录2 常用热力学常数及换算 228
附录3 中英文对照表 229
附录4 习题及思考题 230
附录5 中国科学院大学教材专家
会议审核意见 231
结束语 233
致谢 234
后记 235

想了解更多内容？

长按识码，即刻购书

科学商城（科学出版社）

京东（科学出版社）

当当（科学出版社）

（本期编辑：王芳）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学