第七生物膜(讲稿)

第七章生物膜所有的细胞都以一层薄膜将它的内含物与外界环境分开。另外，大多数细胞中还含有许多内膜系统，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器。例如:线粒体、细胞核、内质网、溶酶体和叶绿体等。细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。BiologicalMembrane现在是1页\一共有99页\编辑于星期四生物膜现在是2页\一共有99页\编辑于星期四生物膜现在是3页\一共有99页\编辑于星期四一、生物膜的组成主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、

蛋白质（包括酶）和多糖类组成，水和金属离子等。

生物膜的组成，因膜的种类不同而有很大的差别。现在是4页\一共有99页\编辑于星期四（1）脂质(Lipid)脂质是构成生物膜最基本的结构物质脂质包括磷脂（甘油磷脂、鞘氨醇磷脂）、胆固醇和糖脂等，其中以磷脂为主要成分。1、构成生物膜的主要物质现在是5页\一共有99页\编辑于星期四膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇，其中以磷脂含量最高，占整个膜脂的50％以上。不同细胞脂质组成不同，即便是同一细胞生长发育的不同时期的膜组成也不同。现在是6页\一共有99页\编辑于星期四磷脂甘油磷脂(phosphoglyceride)鞘磷脂(sphingolipid)结构特点：

亲水头部(hydrophilichead)

：由磷酸相连的取代基团(含氨碱或醇类)构成

疏水尾部(hydrophobictail)：由脂肪酸链构成的。在生物膜中磷脂的亲水头位于膜表面，而疏水尾位于膜内侧现在是7页\一共有99页\编辑于星期四卵磷脂和鞘磷脂的结构式卵磷脂鞘磷脂现在是8页\一共有99页\编辑于星期四甘油磷脂甘油磷脂是机体含量最多的一类磷脂，它除了构成生物膜外，还是胆汁和膜表面活性物质等的成分之一，并参与细胞膜对蛋白质的识别和信号传导。现在是9页\一共有99页\编辑于星期四一些重要的甘油磷脂胆碱(choline)+磷脂酸——→磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)又称卵磷脂(lecithin)乙醇胺(ethanolamine)+磷脂酸——→磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine)又称脑磷脂(cephain)丝氨酸(serine)+磷脂酸——→磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)甘油(glycerol)+磷脂酸——→磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol)现在是10页\一共有99页\编辑于星期四鞘磷脂(sphingolipid)不含甘油而含鞘氨醇(sphingosine)X为磷酸胆碱称为鞘磷脂(sphingmyelin)X为糖基称为鞘糖脂(glycosphingolipid)肌醇(inositol)+磷脂酸——→磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol）现在是11页\一共有99页\编辑于星期四磷脂分子可以形成的结构微囊脂双层双层微囊现在是12页\一共有99页\编辑于星期四糖脂（glycolipid）糖脂是糖和脂质的复合体。糖脂的含量占膜脂总量的5%以下，在神经细胞质膜上糖脂含量较高，占到5%～10%。可分为两类：糖鞘氨酯和糖甘油酯。糖鞘氨酯是由鞘氨醇、脂肪酸及糖类组成，分布较广，几乎所有动物细胞膜都有，特别是神经细胞含量丰富。糖甘油酯由甘油取代鞘氨醇，在植物和细菌中分布较多。现在是13页\一共有99页\编辑于星期四糖脂的结构现在是14页\一共有99页\编辑于星期四固醇（sterol）又称甾醇，也是膜脂的组分。动物膜的固醇主要是胆固醇（cholesterol）植物细胞膜系统中胆固醇含量很低，常见的固醇是豆固醇（stigmasterol）和谷固醇（sitosterol）。许多真菌和酵母菌的膜固醇以麦角固醇（ergosterol）为主现在是15页\一共有99页\编辑于星期四几种固醇的结构现在是16页\一共有99页\编辑于星期四（2）膜蛋白质生物膜中含有多种不同的蛋白质，通常称为膜蛋白。根据它们在膜上的定位情况，可以分为外周蛋白和内在蛋白。膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的基本场所。现在是17页\一共有99页\编辑于星期四外周蛋白

peripheralprotein这类蛋白约占膜蛋白的20－30%，分布于双层脂膜的外表层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。外周蛋白与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。外周蛋白能溶解于水。现在是18页\一共有99页\编辑于星期四外周蛋白和膜内

（嵌入）蛋白外周蛋白嵌入（膜内）蛋白去污剂糖蛋白pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白现在是19页\一共有99页\编辑于星期四外周蛋白与膜的连接是可逆的许多外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲水区域或膜脂的极性头部以静电作用或氢键结合到膜上，通过温度的改变或破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释放出来。这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物、或一些膜蛋白的流动性。

现在是20页\一共有99页\编辑于星期四内在蛋白

integralprotein内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。这类蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍。现在是21页\一共有99页\编辑于星期四膜内（嵌入）蛋白与脂

通过疏水作用维系在膜中

嵌入蛋白通常富含疏水氨基酸区域（可在中间段，也可在氨基端或羧基端），有些可有多个疏水序列，如-螺旋，可横贯整个膜脂双分子层。现在是22页\一共有99页\编辑于星期四内在蛋白现在是23页\一共有99页\编辑于星期四膜内（嵌入）蛋白（IntegralMembraneProteins)现在是24页\一共有99页\编辑于星期四有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上

（脂锚定膜蛋白）

有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。

现在是25页\一共有99页\编辑于星期四脂锚定膜蛋白磷脂酰肌醇鞘糖脂现在是26页\一共有99页\编辑于星期四膜蛋白是不对称的

糖蛋白分布的不对称反映了功能的不对称；许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向，很少发生翻转的情况，即时有，flip-flop也非常慢。蛋白质分布的不对称往往还与组成膜上的泵相关。

现在是27页\一共有99页\编辑于星期四细胞与细胞相互作用：

四种膜内蛋白作用类型配体结合域黏附域类免疫球蛋白域凝集素域现在是28页\一共有99页\编辑于星期四（3）糖类生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。现在是29页\一共有99页\编辑于星期四膜蛋白中的糖类现在是30页\一共有99页\编辑于星期四二生物膜的结构生物膜是以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜现在是31页\一共有99页\编辑于星期四1．单分子层膜单分子层膜是由高度有序排列的双亲性分子形成的单分子层膜结构。单分子层可以在气-液、气-固、液-液和固-液等界面形成，其中，空气-水界面形成的单层膜最重要。LB膜技术是制备单分子层膜的主要方法。LB膜技术是由Langmuir和Blodgett发明的膜制备技术，所以称为LB膜技术。现在是32页\一共有99页\编辑于星期四现在是33页\一共有99页\编辑于星期四2．双层类脂膜这类膜是指具有双分子厚度，能有效分隔水溶液的超薄类脂膜。双层类脂膜的厚度小于10nm，具有两个界面，不透光。双层类脂膜可以将溶液分隔成两个部分，是模拟细胞膜内、外环境的理想模型，在生物化学体系研究中具有重要意义。现在是34页\一共有99页\编辑于星期四现在是35页\一共有99页\编辑于星期四生物膜的结构现在是36页\一共有99页\编辑于星期四膜结构的流动镶嵌模型(FluidMosaicModel)

生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中，球状蛋白以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白则伸出（突出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨越整个膜。蛋白质在脂双分子层中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。现在是37页\一共有99页\编辑于星期四流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性

流动性:

膜的流动性由两个方面分子运动组成:膜脂蛋白质现在是38页\一共有99页\编辑于星期四膜脂分子的运动1.

侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2.

旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.

摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4.

伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5.

翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。6.

旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。

图4-15膜脂的分子运动现在是39页\一共有99页\编辑于星期四单个磷脂分子的运动现在是40页\一共有99页\编辑于星期四影响膜流动的因素1.

胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。2.

脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。3.

脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。4.

卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。5.

其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。现在是41页\一共有99页\编辑于星期四膜蛋白的分子运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）和细胞融合技术检测侧向扩散。现在是42页\一共有99页\编辑于星期四膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。现在是43页\一共有99页\编辑于星期四膜的不对称性质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定方向等。现在是44页\一共有99页\编辑于星期四膜脂的不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。现在是45页\一共有99页\编辑于星期四脂筏（lipidraft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。现在是46页\一共有99页\编辑于星期四现在是47页\一共有99页\编辑于星期四现在是48页\一共有99页\编辑于星期四膜的融合（MembrraneFusion)生物膜的一个明显的特征是可与另一个膜融合而不失去其完整性。膜虽是稳定的，但不是静止的，内膜系统中膜状结构不断地从高尔基复合体上分泌形成；外吞、内饮、细胞分裂、精卵细胞融合、膜包裹病毒进入宿主细胞等都涉及膜的重新形成，而它们最基本的行为就是两个膜片段的融合而不失去完整性。现在是49页\一共有99页\编辑于星期四膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。现在是50页\一共有99页\编辑于星期四复合糖的不对称性无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。现在是51页\一共有99页\编辑于星期四三生物膜的功能生物膜具有多种生物功能：1、保护

2、转运3、能量转换4、信息传递5、运动6、免疫现在是52页\一共有99页\编辑于星期四1．转运功能细胞或细胞器需要经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。细胞或细胞器通过生物膜，从膜外选择性地吸收所需要的养料，同时也要排出不需要的物质。在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。现在是53页\一共有99页\编辑于星期四生物膜和运输BiologicalMembraneandTransport现在是54页\一共有99页\编辑于星期四（1）被动转运物质从高浓度的一侧，通过膜转运到低浓度的另一侧，即沿着浓度梯度（膜两边的浓度差）的方向跨膜转运的过程。这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发过程。许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助。现在是55页\一共有99页\编辑于星期四被动运输是由膜蛋白促进的

顺浓度梯度的扩散生物体内的简单扩散因膜把胞内和胞外环境所阻止，膜是一种选择性通透屏障，要通过脂双分子层，极性分子或带电溶质必需解除水化膜的水的作用，然后透过约3nm的介质（膜）。水是一种例外，可很快透过生物膜，机制尚不清楚，膜两侧溶质浓度差异大时，渗透压的不平衡引起膜两侧水的流动，直至两侧的渗透压相等。极性溶质或离子的过膜运输由膜上的蛋白降低活化能而对特异的物质提供过膜路径而过膜的双分子层，引起促进扩散。现在是56页\一共有99页\编辑于星期四溶质通过透过性膜的移动不带电带电现在是57页\一共有99页\编辑于星期四转运通道现在是58页\一共有99页\编辑于星期四被动转运的实验现在是59页\一共有99页\编辑于星期四（2）主动转运主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等。这一过程一般都与ATP的释能反应相偶联。现在是60页\一共有99页\编辑于星期四有三种形式的运输ATPases

Na+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype）被称为P-type（可以可逆磷酸化的,位于质膜）；另一类为V-typeATPase—Protonpumps(V-vacuole)；第三种，ATP-splittingprotonpumps，对细菌、线粒体和叶绿体中的能量消耗反应起中心作用，即F-typeATPases（F：energy-couplingfactors），催化质子可逆地跨膜运输，由ATP水解供能。

现在是61页\一共有99页\编辑于星期四三类主要运输系统现在是62页\一共有99页\编辑于星期四主动转运过程现在是63页\一共有99页\编辑于星期四Na+K+ATPase现在是64页\一共有99页\编辑于星期四Na+K+ATPase驱动的钠钾离子运输现在是65页\一共有99页\编辑于星期四主动协同Na+,K+的运输

由ATP所供能

每个动物细胞与环境相比维持较低的[Na+]和较高的[K+]，这种不平衡由质膜上的主动运输所建立和维持，涉及Na+K+-ATPases，偶联ATP水解，引起Na+,K+的逆浓度梯度运输。每水解1ATP，偶联运输2个K+进质膜内，3个Na+出质膜外。Na+K+-ATPases是一种膜蛋白，由2个亚基组成，都是跨膜蛋白。

现在是66页\一共有99页\编辑于星期四肠内皮细胞

葡萄糖的运输现在是67页\一共有99页\编辑于星期四信号传导中离子选择性

通道的作用

第三类离子跨膜运输途径—离子通道（第一种transporter，第二种ionophores离子载体），发现于神经元、肌肉细胞及许多其他细胞的质膜中，原核、真核中都有，不同的刺激引起神经元及肌细胞质膜跨膜电势的迅速改变，引起离子通道的快速打开和关闭，对信号传导起重要作用。现在是68页\一共有99页\编辑于星期四链霉的K+通道（IonChannel)现在是69页\一共有99页\编辑于星期四乙酰胆碱受体离子通道的结构(a)现在是70页\一共有99页\编辑于星期四乙酰胆碱受体离子通道的结构(b)现在是71页\一共有99页\编辑于星期四主动转运的特点膜的专一性：膜对于主动转运的物质有专一性。载体蛋白：物质的主动转运需要载体蛋白的参与。载体蛋白具有专一性，一种载体蛋白一般只能转运一种或一类物质。方向性：物质可以逆浓度梯度或电化学梯度进行转运。如细胞为了保持膜内、外的K+和Na+离子的浓度梯度以维持正常的生理活动需要，细胞通过主动转运方式，向内泵入K+，而向外泵出Na+。主动转运过程可以被某些抑制剂抑制。主动转运所需的能量一般由ATP提供。现在是72页\一共有99页\编辑于星期四2细胞表面受体与跨膜信号转换1、离子通道型受体2、G蛋白偶联型受体3、具有酶活性的受体现在是73页\一共有99页\编辑于星期四膜上的受体及其信号传导通路现在是74页\一共有99页\编辑于星期四（A）离子通道型受体现在是75页\一共有99页\编辑于星期四1、离子通道型受体

共同特点是：具有多亚基组成受体/离子通道复合体，除本身有信号接受部位外，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，反应快，一般只需几毫秒（1）配体（非电压）依赖性复合体（2）电压依赖性复合体现在是76页\一共有99页\编辑于星期四2、G蛋白偶联型受体与G蛋白偶联后产生胞内信使如cAMP、cGMP、DG、IP3等，将信号传导胞内。受体的典型结构：一个单肽链，形成7个α螺旋的跨膜结构，每个疏水跨膜区段由20~25个氨基酸组成，但各区段之间由数目不等的氨基酸组成的环状结构连接，其中1-2，3-4，5-6环在胞内侧，2-3，4-5，6-7环在胞外侧。N端由30-50个氨基酸组成，位于胞外侧，C端氨基酸残基相差很大，位于胞内侧。现在是77页\一共有99页\编辑于星期四现在是78页\一共有99页\编辑于星期四G蛋白G-蛋白(G-protein)是一种鸟苷酸结合蛋白，是由α、β和γ三个亚基组成的异三聚体。现在是79页\一共有99页\编辑于星期四跨膜信号转导过程包括：胞外信号被质膜上的特异性受体蛋白识别，受体被活化；通过胞内信号转导物(蛋白激酶，第二信使等)的相互作用传递信号；信号导致效应物蛋白的活化，引发细胞应答（如激活核内转录因子，调节基因表达）。现在是80页\一共有99页\编辑于星期四AdenylateCyclase（AC）现在是81页\一共有99页\编辑于星期四现在是82页\一共有99页\编辑于星期四现在是83页\一共有99页\编辑于星期四现在是84页\一共有99页\编辑于星期四细胞内信使

（intracellularmessenger）cAMPcGMPIP3和DAGCa2+NO现在是85页\一共有99页\编辑于星期四IP3和DAG

OPO-OH2CCHH2COCR1OOCOR2OHHOPO32-HHOPO32-HOHHOHOH165432PIP2

phosphatidylinositol-

4,5-bisphosphate

cleavagebyPhospholipaseC

DAG现在是86页\一共有99页\编辑于星期四Diacylglycerol（DG）,withCa++,activatesProteinKinaseC,whichcatalyzesphosphorylationofseveralcellularpr