第6章生物膜结构与功能

1、第四章第四章 生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能第一节第一节 生物膜化学组成和结构生物膜化学组成和结构第二节第二节 生物膜的功能生物膜的功能 主要内容：本章主要介绍生物膜的化学组主要内容：本章主要介绍生物膜的化学组成和结构特点以及生物膜的结构与功能的关系。成和结构特点以及生物膜的结构与功能的关系。重点讨论生物膜的物质运输功能，对能量转换重点讨论生物膜的物质运输功能，对能量转换功能和信号转导功能作一般介绍。功能和信号转导功能作一般介绍。 第一节第一节 生物膜的化学组成和结构生物膜的化学组成和结构一、生物膜的组成一、生物膜的组成二、生物膜的结构和特点二、生物膜的结构和特点一、生物膜的组成一、生物

2、膜的组成1 1、膜脂、膜脂 磷脂、类固醇、糖脂磷脂、类固醇、糖脂2 2、膜蛋白、膜蛋白 外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白3 3、膜糖、膜糖 细胞表面天线细胞表面天线二、生物膜的结构特点和模型二、生物膜的结构特点和模型1 1、生物膜的结构特点、生物膜的结构特点2 2、生物膜的结构模型、生物膜的结构模型 流动镶嵌模型（流动镶嵌模型（19721972年）年） 板块镶嵌模型（板块镶嵌模型（19771977年）年）X X甘油甘油磷脂结构磷脂结构磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine )X=X=磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸(Phosphatidy

3、lserine )X=X=磷脂酰甘油磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol )X=X=双磷脂酰甘油双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol )X=X=磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol )X=X=磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine )X=X=鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine )鞘磷脂鞘磷脂(Sphingomyelin )磷磷酸酸胆胆碱碱神经酰胺神经酰胺部分部分鞘鞘磷脂结构的组成和结构磷脂结构的组成和结构神经酰胺神经酰胺(Ceramide )脂肪酸脂肪酸部分部分鞘氨醇部分鞘氨醇部分胆固醇胆固醇(Cholest

4、erol )一种鞘糖脂一种鞘糖脂神经节苷脂的结构神经节苷脂的结构D-D-半乳糖半乳糖GM1GM2GM3N-N-乙酰乙酰-D-D-半乳糖半乳糖D-D-半乳糖半乳糖D-D-葡萄糖葡萄糖N-N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸硬脂酸硬脂酸鞘氨醇鞘氨醇膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜脂膜脂双层双层胞液胞液 内在蛋白内在蛋白： - -螺旋螺旋横穿双脂层，整合于脂双层结构之中横穿双脂层，整合于脂双层结构之中锚定蛋白锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂

5、酰肌醇上外周蛋白外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图肌动蛋白肌动蛋白 (Actin)蛋白质蛋白质4.1 (Protein4.1)血影蛋白血影蛋白(Spectrin)带带3蛋白蛋白(Band 3)糖蛋白糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白血型蛋白(Glycophorin)糖链糖链 生物膜的结构特征生物膜的结构特征磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势双层微囊双层微囊水水空气空气微团微团

6、单体单体单层单层细胞膜脂双层结构细胞膜脂双层结构（Bilyer）低聚寡糖链低聚寡糖链跨膜糖蛋白跨膜糖蛋白脂双层脂双层糖被糖被糖残基糖残基唾液酸唾液酸糖脂糖脂细胞外壳（糖萼）示意图细胞外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）脂、胆固醇）人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布膜脂的相变温度膜脂的相变温度磷脂分子运动的几种方式磷脂分子运动的几种方式侧向移动侧向移动全反式、偏转构型全反式、偏转构型旋转异构化运动旋转异构化运动翻转运动翻转运动摆动摆动 、扭动、扭动膜脂的流动性与膜脂组成的关系膜脂的流动性与膜脂组成的关系不同培养条件下不同培养条件下E

7、.coli细胞中脂肪酸组成情况细胞中脂肪酸组成情况 Fryt Edidin细胞膜融合证明膜细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图蛋白运动示意图（1970年）年）发红光硷性蕊香发红光硷性蕊香红标记的人细胞红标记的人细胞膜蛋白抗体膜蛋白抗体发绿光荧光素发绿光荧光素标记的小鼠细标记的小鼠细胞膜蛋白抗体胞膜蛋白抗体小鼠细胞小鼠细胞人细胞人细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白细胞融合细胞融合杂合细胞杂合细胞37370 0培育培育4040分钟以后分钟以后膜蛋白被膜蛋白被标记细胞标记细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白Singer Nicolson的的流动镶嵌模型流动镶嵌模型(1972)Jain White的的板块镶嵌模型板块镶嵌模型(1

8、977)第二节第二节 生物膜功能生物膜功能细胞膜结构对代谢途细胞膜结构对代谢途径的分隔控制调节径的分隔控制调节 控制跨膜离子浓度梯控制跨膜离子浓度梯 度和电化梯度度和电化梯度 控制细胞和细胞器物控制细胞和细胞器物 质运输质运输 内膜系统对代谢途径内膜系统对代谢途径 的分隔作用的分隔作用 通过通过膜与酶的可逆结膜与酶的可逆结合来调节酶活性合来调节酶活性被动运输和主动运输被动运输和主动运输二、生物膜的物质运输功能二、生物膜的物质运输功能 1 1、主动运输和被动运输的概念、主动运输和被动运输的概念2 2、转运蛋白介导的跨膜运输、转运蛋白介导的跨膜运输3 3、小分子物质的跨膜主动运输、小分子物质的跨膜

9、主动运输4 4、大分子的跨膜运输、大分子的跨膜运输被动运输和主动运输被动运输和主动运输被动运送（被动运送（Passive transportPassive transport） 物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输度的方向跨膜运送的过程称被动运输 。在该过程中。在该过程中G0G0V0主动运输的特点：主动运输的特点： 需提供能量需提供能量 专一性专一性 饱和性饱和性 方向性方向性 可被选择性抑制可被选择性抑制一级主动转运一级主动转运(a)(a)和二级主动转运和二级主动转运(b)(b)(a) (b)(a

10、) (b)NaNa+ +.K.K+ +-ATPase-ATPase小肠上皮细胞小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖模型主动摄取葡萄糖模型NaNa+.+.K K+ +-ATPase-ATPase的亚基的亚基结构及其在膜上定位结构及其在膜上定位高高KK+ + ，低，低NaNa+ + 低低KK+ + ，高，高NaNa+ + K K+ +K K+ +NaNa+ +NaNa+ +NaNa+ +- K- K+ +- ATPase- ATPase的作用模型的作用模型小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型E.ColiE.Coli细胞摄取乳糖的模型细胞摄取乳糖的模型转转运运蛋蛋白白介介导导的的跨

11、跨膜膜转转运运胞吞过程示意图胞吞过程示意图分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网内质网高尔基体高尔基体运输小泡运输小泡运输小泡运输小泡泡融入泡融入质膜质膜核糖体核糖体芽泡芽泡信号肽假说简图信号肽假说简图SRP循环循环内质网腔内质网腔信号肽酶信号肽酶核糖体循环核糖体循环mRNAmRNA5 5capcapAAAA(A)AAAA(A)n n3 3SRP信号肽序列信号肽序列SRP受体受体核糖体受体核糖体受体多肽转位多肽转位复合物复合物GDP+Pi细胞质细胞质脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘

12、油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的中分解成共同的中间产物间产物乙酰乙酰CoA 共同中间物进入三共同中间物进入三羧酸循环羧酸循环,氧化脱下氧化脱下的氢由电子传递链的氢由电子传递链传递生成传递生成H2O，释，释放出大量能量，其放出大量能量，其中一部分通过磷酸中一部分通过磷酸化储存在化储存在ATP中。中。大分子降解成大分子降解成基本结构单位基本结构单位 生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段化学渗透假说模型化学渗透假说模型线粒体线粒体外间隙外间隙基质基质琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸ADP+PiADP+PiATPATPNADH+HNADH+H

13、+ + NAD NAD+ +4H4H+ +2H2H+ +4H4H+ +内侧呈碱内侧呈碱性性pHpH产生产生化学能化学能质子迁移质子迁移驱动驱动ATPATP合成合成内侧呈负内侧呈负电性产生电性产生电极电势电极电势细胞识别的基本类型细胞识别的基本类型什么是细胞信号转导？什么是细胞信号转导？ 细胞信号转导（细胞信号转导（signal transducgtionsignal transducgtion）是指）是指细胞受到外刺激或胞间信号分子作用于质膜（或胞细胞受到外刺激或胞间信号分子作用于质膜（或胞内）受体后，跨膜在胞内形成信号，其后经胞内信内）受体后，跨膜在胞内形成信号，其后经胞内信息分子级联传递，

14、生物信号逐渐放大，引起基因表息分子级联传递，生物信号逐渐放大，引起基因表达和代谢反应变化。达和代谢反应变化。 鉴于细胞信号转导与代谢和基因表达调控、细鉴于细胞信号转导与代谢和基因表达调控、细胞免疫、生长发育、细胞的分裂、分化、转化、增胞免疫、生长发育、细胞的分裂、分化、转化、增殖等重要的生命活动有着十分密切的联系，已成为殖等重要的生命活动有着十分密切的联系，已成为解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。细胞信号跨膜转导基本模型细胞信号跨膜转导基本模型 各种刺激各种刺激 胞间信号胞间信号（第一信使）（第一信使） 失活的信号失活的信号分子分子 膜表面膜表面受

15、体受体 cAMPcAMP或或IPIP3 3、DGDG （第二信使）（第二信使）生理反应生理反应细胞膜细胞膜细胞细胞质质胞内胞内受体受体基因表达基因表达调控调控细细胞胞表表面面受受体体的的三三种种类类型型异三聚体异三聚体G G蛋白蛋白的结构的结构G G蛋白介导的跨膜信号途径蛋白介导的跨膜信号途径cAMP-cAMP-蛋白激酶介导的信号传递示意图蛋白激酶介导的信号传递示意图 ATPATP cAMP+AMP+PPiPPi内在蛋白质的磷酸化作用内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（无活性）c+RcAMPAMP蛋白激酶（有活性）蛋

16、白激酶（有活性）受体受体腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶配体配体G G蛋白蛋白cAMP激活蛋白激活蛋白激酶的作用机理激酶的作用机理肾上腺素调肾上腺素调节糖原分解节糖原分解 由于由于酶的共价酶的共价修饰反应是酶促修饰反应是酶促反应，只要有少反应，只要有少量信号分子（如量信号分子（如激素）存在，即激素）存在，即可通过加速这种可通过加速这种酶促反应，而使酶促反应，而使大量的另一种酶大量的另一种酶发生化学修饰，发生化学修饰，从而获得放大效从而获得放大效应。这种调节方应。这种调节方式快速、效率极式快速、效率极高。高。肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1 1、腺苷酸环化、腺苷酸环化酶（无活性）酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2 2、ATPATPcAMPcAMPR R?cAMPcAMP3 3、蛋白激酶、蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（活性）4 4、磷酸化酶激、磷酸化酶激酶（无活性）酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5 5、磷酸化酶、磷酸化酶 b b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶 a a（活性）（活性）6、糖原、糖原6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄