生物物理课5-6.ppt

俺怎么越看越象,,,乒乒乓乓，不要扔西红柿～～～ -_-b,俺们的进山全家福，hoho,补充：关于疏水作用K.Kauzmann (1959)研究非极性残基从非极性溶剂转移至水中的热力学性质. 模型系统：非极性分子 甲烷(CH4)非极性溶剂 苯或CCl4 问题的提出：X mole 甲烷从CCl4中移至水中free energy 如何变化？ 由dG = dH – TdS 转移过程：dH (enthalpy) 0 贡献是主要的！ dH > 0 minimal ！,,分子各种能级示意图基态用G表示，第一电子激发态用S*表示(单线激发态，singlet excited state)，第二电子激发态用S**表示T*表示第一电子三重激发态(三重态，triplet state)基态和激发态都含有几个不同的振动能级，图中用V=0, 1, 2, 3表示5.脂质及脂质聚集,脂双分子层的动态性质,脂类分子在Lipid Bilayer 中可能有的运动方式,脂肪酰链内的旋转异构化运动(内旋转),碳氢链中各亚甲基 (-CH2-) 处于 trans 与 gauche 构象之间的转换之中 trans  gauche correlation time: 10-10 Sec 这种快速的构象动态转变是脂双层流动性的分子基础 流动性高  gauche 构象占的比例高 (平均每个脂肪酰链可有2个gauche构象) 流动性低  gauche 构象占的比例减少。

饱和脂肪酰链旋转异构化运动可能产生的几种构象(A) 二面角i定义：键Ci-2-Ci-1与键Ci-1-Ci形成一个平面，键Ci-1-Ci与键Ci-CI+1形成另一个平面，这两个平面间的夹角为i (B) 饱和脂肪酰链的三种稳定构象其中，反式(ti)构象为i＝1800，是一种能量最低的状态；歪扭式＋(g+)和歪扭式－(g-)分别对应i＝＋600和i＝－600，它们的能量比反式构象略高0.5千卡/克分子,因此也称为亚稳态饱和脂肪酰链旋转异构体的说明及其示意模型A)直链全反式； (B)单一歪扭异构(tgt)导致的链弯曲； (C)两个歪扭构象相间(tgtgt)形成的单一”kink”构象trans构象： 链间距离最近，适合于晶态脂双层 gauche构象： 链长度缩短，链间距离增大 kink构象：-gtg-,Raman 光谱方法研究膜流动性：Itrans:  I1064 及  I1133Igauche:  I1100Igauche / Itrans  I1100 / I1064,整个磷脂分子绕其长轴的旋转,整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内旋转异构化运动的速度要慢得多：correlation time: 10-6  10-8 Sec测量方法；polarization spectroscopy 荧光偏振 红外偏振,激发光偏振 发射荧光也偏振 (只有平行于偏振方向的分子才能受到最大激发)； 分子在布朗运动作用下，分子取向随机化，发射荧光退偏振。

膜组分在脂双层内的侧向运动,整个分子绕长轴旋转的平均速度比链内旋转异构化运动的速度要慢得多：correlation time: 10-6  10-8 Sec测量方法；polarization spectroscopy 荧光偏振 红外偏振,膜组分在脂双层内的侧向运动,Fick第一扩散定律 单位时间通过横截面的溶质分子数(dn/dt)与横截面的面积A及浓度梯度dC/dX成正比, 扩散速度＝dn/dt  AdC/dX＝－DA dC/dX D为扩散系数，cm2/s，负号表示扩散过程 由高浓度到低浓度膜组分在脂双层内的侧向运动,扩散系数D : 磷脂 D : 10-8 cm2/Sec (in lipid bilayer) 膜内在蛋白 D : 10-10~10-12 cm2/Sec (in lipid bilayer) 水溶性蛋白 D : 10-7 cm2/Sec (in water) 测量方法： Photobleaching 原位电泳,蛋白分子的扩散系数要比脂分子的取值范围宽的多部分膜蛋白几乎没有侧向运动小蛋白的D值较大，如，短杆菌肽C (gramicidin C) 在DMPC中，D1.410-8 cm2/s. 这一数值并不比脂分子扩散速度慢多少。

膜内在蛋白扩散速度要低得多(几乎不动 ! )，一般，这样低的速度用蛋白的大小解释不了Webb与其助手的研究表明:当将肌动蛋白细胞骨架从膜上解离下来，则膜蛋白的扩散系数可提高到10-9 cm2/s以上条纹肌细胞中的乙酰胆碱受体几乎是不动的，但是当将其与肌动蛋白去连接后，测得其D210-9 cm2/s.,脂类分子在脂双层之间的翻转运动 (flip-flop),很慢！ 几小时  几天测量方法： electron spin resonance (ESR),脂质的相性质,,兼性分子多型性与水化程度的关系此图只是一种示意图，对于任何一种脂质来说，其相态还和温度等其他因素有关微分扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC):把待测样品与对照样品同时加热，当样品发生相变时，由于吸热突然增加而使其温度骤降，此时对样品提供额外的热能使其温度与对照相同将提供给样品与对照的能量差对温度作关系曲线，则得到DSC曲线曲线峰位给出相变温度，峰面积与相变焓成线性关系DSC plots for DMPC,DMPC的相变行为与磷脂分子的水合状态有关当含水量高于25%时主相变温度保持恒定，且与含水量无关。

Phase diagram of DMPC,Most naturally occurring phospholipids form a lamellar phase when dispersed in excess water.,生物膜中不饱和脂肪酸几乎全是顺式(cis) 双键，使链产生300弯折Salem (1962) 推导两条碳氢链之间的van der Waals相互作用能,两条碳氢链间距离为 R，链长度为 L，相邻CH2 之间的距离为 l链特性与相行为的关系可用van der Waals相互作用说明,根据 van der Waals 相互作用能的London 公式,U = -A/r6,推导出两条碳氢链间的van der Waals 相互作用能为,(若 R L 及 N = L/l ),Utot  NUtot  1/R5,Cholesterol/Lipid interactions,Cholesterol的羟基紧密靠近磷脂的极性头部；刚性的板状固醇环与接近头部的碳氢链部分相互作用；而胆固醇的非极性碳氢尾部具有柔顺性,胆固醇对膜相性质的影响-----胆固醇是膜流动性的缓冲剂当温度过高时，胆固醇可以抑制磷脂分子脂肪酰链的旋转异构化运动，减少歪扭构象的数量，防止脂分子流动性过分地增加，起着抑制流动性，稳定脂双层的作用。

当温度过低时，胆固醇可诱导磷脂脂肪酰链的歪扭构象的产生，使膜的流动性提高胆固醇与膜脂作用的选择性,Cholesterol increases the length of the phosphatidylcholine (PC) but not the sphingomyelin (SM) molecule. Sphingomyelin with or without cholesterol forms bilayers with a thickness of 46–47 Å for C18:0 sphingomyelin. By contrast, the thickness of a C16:0/C18:1 phosphatidylcholine bilayer is 35 Å, and is expanded to 40 Å by cholesterol. The thickness of the hydrophobic core of the bilayer increased from 26 to 30 Å.,脂质聚集体的形成,脂质聚集体的多型性,Amphiphilic molecule 在水中自组装的热力学条件在水溶液里自组装形成aggregate的分子一般都是amphiphilic molecules。

对于一个形成聚集结构的系统，热力学的平衡条件要求，同种分子在不同聚集体内的化学势相等＝ 10kTlogX1=20(1/2)kTlog(X2/2)=30(1/3)kTlog(X3/3)= …monomers dimers trimers,＝ N = N0(1/N)kTlog(XN/N) = constant, where N = 1,2,3,…whereN is the chemical potential of a molecule in an aggregate of aggregation number N,N0 the standard part of the chemical potential (the mean interaction energy) per molecule in the aggregates of aggregation number N, XN the concentration of molecules incorporated in aggregates of number N.,根据化学势相等, 聚集数N不同的兼性分子的浓度分布函数为：XN = N{X1 exp[(10 - N0)/kT]}N 要求：稀释体系聚集体间的相互作用可以忽略Note ! 如果 10 ＝ 20＝ 30 ＝…＝ N0XN = N{X1}N因为 X1  1 ，所以 XN  X1 因此，形成而大稳定聚集体的必要条件是存在 N0 10.,形成稳定聚集体的必要条件是存在 N0 10 什么情况下出现N0 10 呢？N0与N的关系与聚集体的几何有关！ 例如：one-dimensional aggregates (rod-like aggregates) The total interaction free energy N N0 of an aggregate of N monomers is N N0 = -(N-1)kT where kT is the free energy of binding a monomer to the aggregate in the solvent (i.e., the monomer-monomer bond energy in the aggregate). 因此， N0 ＝-(1-1/N) kT = 0 + kT /N where 0 the bulk energy of a molecule in an infinite aggregate. 这样， as N 增加 , N0 下降,For the rod, disc and sphere structures, the interaction free energy of the molecules can be expressed as N0 ＝ 0 + kT /NPwhere rod-like p=1disc-like P=1/2sphere P=1/3 For all these structures, N0  with N ,Monomer and aggregate concentrations as a function of total solute concentration.,聚集体形成的第二个条件：aggregate 形成与浓度关系,。