细胞膜结构与功能2014

1、生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能 目的与要求：通过本章学习，要求掌握生目的与要求：通过本章学习，要求掌握生物膜的结构和功能的关系。生物膜在生命活动物膜的结构和功能的关系。生物膜在生命活动中的功能是多方面的，本章重点讨论膜的物质中的功能是多方面的，本章重点讨论膜的物质运输功能和能量转换功能运输功能和能量转换功能。生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能 第一节第一节 生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述 第二节第二节 生物膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输生物

2、膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输第三节第三节 生物膜与能量转换生物膜与能量转换生物膜与能量转换生物膜与能量转换生物膜与能量转换生物膜与能量转换第一节第一节 生物膜的结构与功能概述生物膜的结构与功能概述一、生物膜一、生物膜功能概述功能概述二、生物膜的二、生物膜的组成组成三、生物膜的三、生物膜的结构和特点结构和特点一、生物膜功能概述一、生物膜功能概述细胞识别的细胞识别的基本类型基本类型二、二、 生物膜的组成生物膜的组成1 1、膜脂、膜脂 种类：种类：磷脂磷脂、类固醇类固醇、糖脂糖脂 特点：特点：多态性多态性（polymorphismpolymorphism）2 2、膜蛋白膜蛋白 外周蛋白、内在

3、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三、三、 生物膜的结构和特点生物膜的结构和特点1 1、生物膜分子结构模型、生物膜分子结构模型 “ “流体镶嵌流体镶嵌”模型模型2 2、生物膜中分子间的主要作用力、生物膜中分子间的主要作用力 静电力、疏水作用、范德华引力静电力、疏水作用、范德华引力3 3、生物膜结构的主要特征、生物膜结构的主要特征 膜组分的膜组分的不对称分布不对称分布、膜脂和膜蛋白的、膜脂和膜蛋白的流动性流动性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

4、丝氨酸(Phosphatidylserine )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氨醇、神经酰胺和鞘氨醇、神经酰胺和鞘鞘磷脂结构磷脂结构神经酰胺神经酰胺(Ceramide )脂肪酸脂肪酸部分部分鞘氨醇

5、部分鞘氨醇部分胆固醇胆固醇(Cholesterol )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磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式双层微囊双层微囊水水空气空气微团微团单体单体单层单层磷脂类的双层结构和六角形相磷脂类的双层结构和六角形相H1、H2双层结构双层结构（Bilyer）六角形相六角形相 (Hexagonal)H2H1六角形相六角形相 (Hexagonal )膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜

6、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，正合于脂双层结构之中横穿双脂层，正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 Singer Nicolson流体镶嵌模型流体镶嵌模型生物膜的流动镶嵌模型生物膜的流动镶嵌模型低聚

7、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）生物膜脂不对称分布生物膜脂不对称分布人红细胞膜主要磷脂在人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布膜内、外两层的分布膜蛋白不对称分布膜蛋白不对称分布肌动蛋白肌动蛋白 (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)糖链糖链红细胞膜蛋白质分布红细胞膜蛋白质分布膜脂的相变膜

8、脂的相变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 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第二节第二节 生物膜与物

9、质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输一、一、被动运输与主动运输被动运输与主动运输二、二、小分子物质的运送小分子物质的运送三、三、生物大分子的跨膜运送生物大分子的跨膜运送被动运输和主动运输的概念被动运输和主动运输的概念被动运送（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，即顺浓度梯度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： 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

10、择性抑制 需提供能量需提供能量二小分子物质的运送二小分子物质的运送1 1、被动运输、被动运输（1 1）简单扩散）简单扩散（simple diffusion） （2 2）促进扩散）促进扩散（facilitated diffusion） 门通道门通道、载体蛋白载体蛋白、离子载体离子载体2 2、主动运输、主动运输（1 1）初级主动运输）初级主动运输（primary actic transport） 例：例：NaNa+ + . K . K+ + - ATPase - ATPase Skou Skou及其同事的及其同事的实验实验 N N+ +,K,K+ +ATPaseATPase的的结构和作用机理结构和

11、作用机理 （2 2）次级主动运输）次级主动运输（secondary actic transport） 协同运送协同运送（co-transportco-transport） 基团运送基团运送（group transport)group transport)两两种种类类型型门门控控离离子子通通道道载体蛋白载体蛋白 载体蛋白表现出米氏动力学特征，说明在运输载体蛋白表现出米氏动力学特征，说明在运输过程中发生了构象变化。过程中发生了构象变化。 载体蛋白运输很多种无机离子和小分子的有机载体蛋白运输很多种无机离子和小分子的有机溶质，并具有很高的专一性溶质，并具有很高的专一性 载体蛋白的活性受到转录和翻译后调

12、控。载体蛋白的活性受到转录和翻译后调控。载体蛋白的转运方式载体蛋白的转运方式离子载体（离子载体（ ionophoresionophores） 离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，它能增加脂双层对离子离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，它能增加脂双层对离子的透性。大多数离子载体是又微生物合成的，有的离子载体本身就是抗生素。的透性。大多数离子载体是又微生物合成的，有的离子载体本身就是抗生素。在天然膜和人工膜的研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子的透在天然膜和人工膜的研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子的透性，是研究离子运输的有用工具。离子载体可分为性，是研究离子运输

13、的有用工具。离子载体可分为移动性离子载体移动性离子载体和和通道形通道形成载体。成载体。例：例： 缬缬氨霉素氨霉素：链霉菌抗生素，特异的：链霉菌抗生素，特异的K K+ +载体载体 尼日利亚霉素：进行尼日利亚霉素：进行H H+ +和和K K+ +的交换的交换 短杆菌肽短杆菌肽 A A ：由两个单体分子头：由两个单体分子头- -头相对的二聚体形成跨头相对的二聚体形成跨膜通道，能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度通过。膜通道，能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度通过。移动性离子载体移动性离子载体通道形成载体。通道形成载体。缬缬氨霉素氨霉素K K+ +载体载体缬缬氨霉素结构氨霉素结构K K+ +缬缬氨霉素复

14、合物氨霉素复合物短杆菌肽短杆菌肽 A A在脂双层中形成的二聚体在脂双层中形成的二聚体 SkouSkou等关于等关于 NaNa+ + ，K K+ +-ATP-ATP酶酶的实验的实验实验设计：实验设计： 制备红细胞血影（制备红细胞血影（ghostghost），观察），观察ATPATP水水解情况和膜内外解情况和膜内外K K+ +，NaNa+ +浓度的关系。浓度的关系。实验结果：实验结果： a aK K+ +和和NaNa+ +的运输与的运输与ATPATP的水解紧密相偶联；的水解紧密相偶联； b b离子的运输与离子的运输与ATPATP的水解只有在的水解只有在NaNa+ +和和ATPATP存在于血影膜内侧

15、，而存在于血影膜内侧，而K K+ +存存在于膜外侧时才能发生；在于膜外侧时才能发生； c c鸟苯苷只有在血影膜外侧时因竞争鸟苯苷只有在血影膜外侧时因竞争K+K+结合位置才能起到抑制作用；结合位置才能起到抑制作用； K K+ +可被其它正一价离子（如可被其它正一价离子（如NHNH4 4+ +）取代，而）取代，而NaNa+ +则不能被取代。则不能被取代。 d d每水解一个每水解一个ATPATP分子向膜外泵出分子向膜外泵出3 3个个NaNa+ +，向膜内泵入，向膜内泵入2 2个个K K+ +； e. e. 将提纯的将提纯的NaNa+ + ，K K+ +-ATP-ATP酶重建在人工膜脂质体上，当有酶重

16、建在人工膜脂质体上，当有ATPATP和和MgMg+ +存存在时，在时，重建重建ATPATP酶酶有向膜外运送有向膜外运送NaNa+ +向膜内运送向膜内运送K K+ +的功能。的功能。K+Na+ATPADPNa+ ，K+-ATP酶酶NaNa+ +-K-K+ +- ATPase- ATPase的体外重建的体外重建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NaNa+ +- K- K+ +- ATPase- ATPase的作用模型的作用模型依赖依赖ATPATP离子泵离子泵的三种类型的三种类型P-type V-type F-type P-typ

17、e V-type F-type (Na(Na+ +- K- K+ +- ATPase)- ATPase)(H(H+ +- ATPase)- ATPase)( (线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体ATPATP合酶合酶) )脂双层脂双层细胞外细胞外细胞内细胞内葡萄糖的协同运送系统葡萄糖的协同运送系统细胞质细胞质 糖磷酸糖磷酸磷酸转换酶系统磷酸转换酶系统糖糖细菌膜细菌膜细胞外细胞外丙酮酸丙酮酸PEPPEP细菌中糖通过基团运送的主动运送细菌中糖通过基团运送的主动运送 糖的基团转运机制糖的基团转运机制细胞膜上细胞膜上HCOHCO3 3- -和和ClCl- -的交换的交换带带3 3蛋白在红细胞膜蛋白在红细胞膜上

18、可能分布示意图上可能分布示意图细胞膜上细胞膜上HCOHCO3 3- -和和ClCl- -的交换的交换三、生物大分子的跨膜运送三、生物大分子的跨膜运送 1 1、蛋白质跨膜运输的、蛋白质跨膜运输的基本途径基本途径2 2、新生肽链经由、新生肽链经由内质网膜转位内质网膜转位3 3、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体 线粒体蛋白质的跨膜运送线粒体蛋白质的跨膜运送图例图例 生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖等大分子，不同细胞器、房室之间也有大分子的跨膜转位，这等大分子，不同细胞器、房室之间也有大分子的跨膜转位

19、，这个过程涉及许多重要的生命现象，阐明大分子的跨膜运送的分个过程涉及许多重要的生命现象，阐明大分子的跨膜运送的分子机制具有重大的理论意义和应用前景，已成为新的热门研究子机制具有重大的理论意义和应用前景，已成为新的热门研究领域。领域。蛋白质运输的基本途径蛋白质运输的基本途径细细胞胞溶溶质质细细胞胞核核过过氧氧化化物物酶酶体体线线粒粒体体质质体体内内质质网网细细胞胞表表面面胞胞内内体体溶溶酶酶体体高高尔尔基基体体分分部部囊囊泡泡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泡泡泡泡泡融入泡融入质膜质膜核糖体核糖体芽泡芽泡新生肽链经由内质网膜转位新生肽链经由内质网膜

20、转位 粗糙内质网上的核糖体合成的蛋白质分两类，一种粗糙内质网上的核糖体合成的蛋白质分两类，一种进入内质网腔，经一系列加工、修饰、包装、投送，进进入内质网腔，经一系列加工、修饰、包装、投送，进入溶酶体、质膜或分泌到胞外；另一种则与内质网入溶酶体、质膜或分泌到胞外；另一种则与内质网(ER)(ER)膜结合，留在内质网或经内质网系统投送成为质膜和其膜结合，留在内质网或经内质网系统投送成为质膜和其它细胞器的膜蛋白。它细胞器的膜蛋白。 新生肽链新生肽链N-N-端有引导其跨越内质网膜的端有引导其跨越内质网膜的信号肽信号肽(signal sequence)，Salatini 和和Blobel提出的提出的信号肽

21、假说信号肽假说(signal hypothesis) 解释了新生肽链经由内质网转位机制。解释了新生肽链经由内质网转位机制。 一些真核细胞多肽链上一些真核细胞多肽链上N-N-端的信号肽的结构端的信号肽的结构 信号肽假说信号肽假说示意图示意图信号肽识别信号肽识别示意图示意图具有具有内部内部开始开始转移转移肽的肽的膜蛋膜蛋白与白与内质内质网膜网膜整合整合前体前体蛋白蛋白前体蛋白通过两个信号肽序列的连续跨膜过程前体蛋白通过两个信号肽序列的连续跨膜过程带有定向肽的线粒体蛋白质带有定向肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图前体跨膜运送过程示意图第三节第三节 生物膜与能量转换生物膜与能量转换1 1 1、生物

22、氧化的、生物氧化的、生物氧化的、生物氧化的、生物氧化的、生物氧化的三个阶段三个阶段三个阶段三个阶段三个阶段三个阶段 2 2 2、呼吸链组成呼吸链组成呼吸链组成呼吸链组成呼吸链组成呼吸链组成和和电子传递过程中的自由能变化电子传递过程中的自由能变化电子传递过程中的自由能变化电子传递过程中的自由能变化电子传递过程中的自由能变化电子传递过程中的自由能变化 3 3 3、 H H H+ + +ATPATPATP酶酶酶酶酶酶的结构与功能研究的结构与功能研究的结构与功能研究的结构与功能研究的结构与功能研究的结构与功能研究 4 4 4、MitchellMitchellMitchell的的的的的的化学渗透假说化学

23、渗透假说化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说（chemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesis） 5 5 5、 ATPATPATP合成的分子机制研究的新进展合成的分子机制研究的新进展合成的分子机制研究的新进展合成的分子机制研究的新进展合成的分子机制研究的新进展合成的分子机制研究的新进展 结合变化机制结合变化机制结合变化机制结合变化机制结合变化机制结合变化机制（binding change mechanismbinding change mechanismbinding change mecha

24、nism） 旋转催化机制旋转催化机制旋转催化机制旋转催化机制旋转催化机制旋转催化机制（rotation catalysis mechanismrotation catalysis mechanismrotation catalysis mechanism） 二光合磷酸化能量转化机制二光合磷酸化能量转化机制二光合磷酸化能量转化机制二光合磷酸化能量转化机制二光合磷酸化能量转化机制二光合磷酸化能量转化机制1叶绿体的结构叶绿体的结构叶绿体的结构叶绿体的结构叶绿体的结构叶绿体的结构和和光合链光合链光合链光合链光合链光合链2光合磷酸化机理光合磷酸化机理光合磷酸化机理光合磷酸化机理光合磷酸化机理光合磷酸化机

25、理3氧化磷酸化和光合磷酸化的比较氧化磷酸化和光合磷酸化的比较氧化磷酸化和光合磷酸化的比较氧化磷酸化和光合磷酸化的比较氧化磷酸化和光合磷酸化的比较氧化磷酸化和光合磷酸化的比较线粒体及三分子体结构线粒体及三分子体结构脂肪脂肪葡萄糖、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，

26、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电电子子传传递递链链标标准准氧氧化化还还原原自自由由能能变变化化NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0

27、/V细胞色素还原酶细胞色素还原酶部分结构模式部分结构模式细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结构示意图结构示意图 线粒体基质线粒体基质17KCyt c36K21K23K12K 8K4K4K 线粒体基质线粒体基质(bH)(b566)(bL)(b562)2Fe-2Sc1铁铁-硫蛋白硫蛋白 Cyt bNADH呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应总反应: NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG= - nFE= - nFE = - - 296.50.82-(-0.32) = - - 220.07千焦千焦mol-1总反应总反应

28、：FADH2+1/2O2FAD+H2OG= - - nFE = - - 296.50.82-(-0.18) = - - 193.0千焦千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基质基质膜间隙膜间隙电子传递链电子传递链 电子传递的自由能电子传递的自由能驱动驱动H H+ +从线粒体基质从线粒体基质跨过内膜进入到膜间跨过内膜进入到膜间隙，从而形成隙，从而形成H H+ +跨线跨线粒体内膜的电化学梯粒体内膜的电

29、化学梯度，这个梯度的电化度，这个梯度的电化学势学势( ( H H+ + ) )驱动驱动ATPATP的合成。的合成。化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis)(chemiosmotic hypothasis)O2H2O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+ + 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ATP合酶结构示意图合酶结构示意图 RackerRacker的氧化磷酸化重建示意图（的氧化磷酸化重建示意图（19631963年）年） ATPATP合成的结合变化机制和旋转催化机制合成的结合变化机制和旋转催化机制 19941994年英国科学家年英国科学家WalkerWalker发表的高分辩率的牛心线粒体发表的高分辩率的牛心线粒体ATPATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构， 证明在证明在ATPATP酶合成酶合成ATPATP的催化循环中三的催化循环中三个个亚基的确