细胞膜结构和功能

生物膜结构与功效

目标与要求：经过本章学习，要求掌握生物膜结构和功效关系。生物膜在生命活动中功效是多方面，本章重点讨论膜物质运输功效和能量转换功效。细胞膜结构和功能第1页生物膜结构与功效

第一节生物膜结构与功效概述第二节

生物膜与物质跨膜运输第三节

生物膜与能量转换细胞膜结构和功能第2页第一节生物膜结构与功效概述

一、生物膜功效概述二、生物膜组成三、生物膜结构和特点细胞膜结构和功能第3页一、生物膜功效概述

细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联络，各种不一样膜系统有着独特结构和功效。生物膜与生命科学中许多基本理论问题和一些亟待处理实际问题亲密相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作用等等。尽管如此，生物膜普通生物学功效能够概括为以下几个方面。1、区域化或房室化（compartmemtalization）2、物质跨膜运输（transport）3、能量转换（energyconversion）4、细胞识别（cellrecognition）细胞膜结构和功能第4页细胞识别基本类型对游离大、小分子识别细胞—细胞间识别细胞—基质识别神经递质激素、细胞因子抗原药品有害物质其它异种(异体)同类细胞间识别输血器官移植异种异类细胞间识别细胞感染和真菌感染固氮菌对寄生植物感染各种共生寄生过程同种异类细胞间识别单细胞生物结合动物受精过程植物受精、受粉过程免疫细胞作用同种同类细胞间识别低等生物细胞聚集高等生物胚胎发育和分化凝血中血小板聚集细胞膜结构和功能第5页二、生物膜组成1、膜脂

种类：磷脂、类固醇、糖脂

特点：多态性（polymorphism）2、膜蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白3、膜糖

—

细胞表面天线细胞膜结构和功能第6页三、生物膜结构和特点1、生物膜分子结构模型“流体镶嵌”模型2、生物膜中分子间主要作用力

静电力、疏水作用、范德华引力3、生物膜结构主要特征

膜组分不对称分布、膜脂和膜蛋白流动性细胞膜结构和功能第7页X甘油磷脂结构磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine)X=磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine)X=磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol)X=双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol)X=磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol)X=磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine)X=细胞膜结构和功能第8页鞘氨醇(Sphingosine)鞘磷脂(Sphingomyelin)磷酸胆碱神经酰胺部分鞘氨醇、神经酰胺和鞘磷脂结构神经酰胺(Ceramide)脂肪酸部分鞘氨醇部分细胞膜结构和功能第9页胆固醇(Cholesterol)（环戊烷多氢菲）

胆固醇羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲四个环状结构及其连接三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。在动物细胞膜中胆固醇分子现有与磷脂分子相结合限制其运动作用，也有将磷脂分子隔开使其轻易流动作用，即预防膜脂由液相变为固相以确保膜脂处于流动状态。这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽温度范围(30～400C)内行使功效。细胞膜结构和功能第10页神经节苷脂结构D-半乳糖GM1GM2GM3N-乙酰-D-半乳糖D-半乳糖D-葡萄糖N-乙酰神经氨酸硬脂酸鞘氨醇细胞膜结构和功能第11页磷脂分子在水溶液中存在几个结构形式双层微囊水空气微团单体单层细胞膜结构和功能第12页磷脂类双层结构和六角形相H1、H2双层结构（Bilyer）六角形相Ⅰ

(HexagonalⅠ)H2H1六角形相Ⅱ

(HexagonalⅡ)细胞膜结构和功能第13页膜蛋白与膜脂双脂层结合主要形式膜脂双层胞液内在蛋白：-螺旋横穿双脂层，正合于脂双层结构之中锚定蛋白：经过共价键与插入双脂层脂肪酸链结合锚定蛋白：经过寡糖链连到较小磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白：经过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上细胞膜结构和功能第14页红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列

细胞膜结构和功能第15页

Singer＆

Nicolson流体镶嵌模型

特点：

生物膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列流体，突出了膜流动性;膜蛋白和膜脂分布含有不对称性。细胞膜结构和功能第16页生物膜流动镶嵌模型（外侧）（内侧）糖蛋白分子中寡糖链脂双层甾醇类外周蛋白经过共价连系与脂类连接有多个跨膜螺旋内嵌蛋白有一跨膜螺旋内嵌蛋白外周蛋白磷脂极性头部脂酰链糖脂细胞膜结构和功能第17页低聚寡糖链跨膜糖蛋白脂双层糖被糖残基唾液酸糖脂细胞外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）细胞膜结构和功能第18页生物膜脂不对称分布（1）膜内层和外层所含脂质分子种类不一样；（2）膜内外磷脂层所带电荷不一样；（3）膜内外层磷脂分子中脂肪酸饱和度不一样；（4）糖脂均分布在外层脂质中。占总量百分比50255025外层内层膜脂总量鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层分布细胞膜结构和功能第19页膜蛋白不对称分布（1）糖蛋白糖链主要分布在膜外表面；（2）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；（3）腺苷酸环化酶分布在膜内表面。肌动蛋白

(Actin)蛋白质4.1(Protein4.1)血影蛋白(Spectrin)带3蛋白(Band3)糖蛋白

(Ankyrin)血型蛋白(Glycophorin)糖链红细胞膜蛋白质分布细胞膜结构和功能第20页膜脂相变相变温度（Tc）凝胶态(T<Tc)液晶态(T>Tc)相变温度（Tc）

影响膜脂流动性主要原因是磷脂分子脂肪酸链不饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温度越低，膜脂流动性越大。细胞膜结构和功能第21页磷脂分子运动几个方式

侧向移动全反式、偏转构型旋转异构化运动翻转运动摆动、扭动细胞膜结构和功能第22页FrytEdidin

细胞膜融合证实膜蛋白运动示意图

发红光硷性蕊香红标识人细胞膜蛋白抗体发绿光荧光素标识小鼠细胞膜蛋白抗体小鼠细胞人细胞细胞膜蛋白细胞融合杂合细胞370培育40分钟以后膜蛋白被标识细胞细胞膜蛋白细胞膜结构和功能第23页证实膜蛋白运动性新方法

荧光漂白恢复法(FluorescencePhotibleachingRecorevy，FPR)

用荧光素标识膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有荧光素膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复。因为膜流动性，淬灭区亮度逐步增加，最终恢复到与周围荧光强度相等。依据荧光恢复速度能够推算出膜蛋白和膜脂扩散速率。细胞膜结构和功能第24页第二节生物膜与物质跨膜运输

一、被动运输与主动运输二、小分子物质运输三、生物大分子跨膜运输细胞膜结构和功能第25页被动运输和主动运输概念被动运输（Passivetransport）

物质从高浓度一侧经过膜运输到低浓度一侧，即顺浓度梯度方向跨膜运输过程称被动运输。在该过程中△G<0。

主动运输（Actictransport）

凡物质逆浓度梯度运输称主动运输，这一过程进行需供给能量。△G=2.3RTlog(C2/C1)+ZF△V>0主动运输特点：专一性饱和性方向性可被选择性抑制需提供能量细胞膜结构和功能第26页二．小分子物质运输1、被动运输（1）简单扩散（simplediffusion）（2）促进扩散（facilitateddiffusion）

门通道、载体蛋白、离子载体2、主动运输（1）初级主动运输（primaryactictransport）例：Na+.K+-ATPase

Skou及其同事试验

N+,K+—ATPase结构和作用机理（2）次级主动运输（secondaryactictransport）

协同运输（co-transport）基团运输（grouptransport)细胞膜结构和功能第27页两种类型门

控离子通道1、电位门控通道2、配体门控通道电位门控通道在膜去极化时打开配体门控通道在与胞外配体结合时打开细胞膜结构和功能第28页载体蛋白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改变。载体蛋白运输很各种无机离子和小分子有机溶质，并含有很高专一性载体蛋白活性受到转录和翻译后调控。细胞膜结构和功能第29页载体蛋白转运方式单向转运同向转运反向转运

共转运细胞膜结构和功能第30页离子载体（ionophores）

离子载体是一类可溶于脂双层疏水性小分子，它能增加脂双层对离子透性。大多数离子载体是又微生物合成，有离子载体本身就是抗生素。在天然膜和人工膜研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子透性，是研究离子运输有用工具。离子载体可分为移动性离子载体和通道形成载体。例：

缬氨霉素：链霉菌抗生素，特异K+载体尼日利亚霉素：进行H+和K+交换短杆菌肽A：由两个单体分子头-头相正确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经过。移动性离子载体通道形成载体。细胞膜结构和功能第31页缬氨霉素K+载体

缬氨霉素结构K+—缬氨霉素复合物细胞膜结构和功能第32页短杆菌肽A在脂双层中形成二聚体细胞膜结构和功能第33页

Skou等关于Na+

，K+-ATP酶试验

试验设计：

制备红细胞血影（ghost），观察ATP水解情况和膜内外K+，Na+浓度关系。试验结果：

a．K+和Na+运输与ATP水解紧密相偶联；

b．离子运输与ATP水解只有在Na+和ATP存在于血影膜内侧，而K+存在于膜外侧时才能发生；

c．鸟苯苷只有在血影膜外侧时因竞争K+结合位置才能起到抑制作用；K+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被取代。

d．每水解一个ATP分子向膜外泵出3个Na+，向膜内泵入2个K+；

e.将提纯Na+

，K+-ATP酶重建在人工膜脂质体上，当有ATP和Mg+存在时，重建ATP酶有向膜外运输Na+向膜内运输K+功效。K+Na+ATPADPNa+

，K+-ATP酶细胞膜结构和功能第34页Na+-K+-ATPase体外重建Na+-K+-ATPase去污剂微囊脂-去污剂微囊增溶膜蛋白去污剂微囊外加磷脂透析纯化膜蛋白Na+-K+-ATPase在脂质体上重建纯化细胞膜结构和功能第35页Na+.K+-ATPase亚基结构及其在膜上定位细胞膜结构和功能第36页Na+-K+-ATPase作用模型ATPADP细胞外细胞质1.细胞质中3个Na+结合到酶分上暴露Na+结合部位H2O细胞外细胞质3Na+2K+2.

酶分子中Asp残基磷酸化诱导构象改变，造成Na+释放到胞外4.当酶分去磷酸化后构象发生改变，将K+释放到胞内3.细外2个K+结合到酶分上暴露K+结合部位5.3个Na+结合部位重新暴露，又一轮转运过程开始细胞膜结构和功能第37页依赖ATP离子泵三种类型

P-typeV-typeF-type(Na+-K+-ATPase)(H+-ATPase)(线粒体、叶绿体ATP合酶)细胞膜结构和功能第38页脂双层细胞外细胞内葡萄糖协同运输系统细胞膜结构和功能第39页细胞质

糖磷酸磷酸转换酶系统糖细菌膜细胞外丙酮酸PEP细菌中糖经过基团运输主动运输细胞膜结构和功能第40页

糖基团转运机制

细胞膜结构和功能第41页细胞膜上HCO3-和Cl-交换

带3蛋白在红细胞膜上可能分布示意图细胞膜结构和功能第42页细胞膜上HCO3-和Cl-交换

代谢产生CO2进入红细胞CO2+H2OHCO3-+H+Cl-HCO3-+H+Cl-CO2+H2O碳酸酐酶碳酸酐酶CO2HCO3-Cl-HCO3-Cl-(HCO3-溶于血浆)(HCO3-从血浆进入红细胞)(CO2离开红细胞被呼出体外)呼吸细胞中肺部

Cl-—HCO3-交换蛋白

细胞膜结构和功能第43页三、生物大分子跨膜运输

1、蛋白质跨膜运输基本路径2、新生肽链经由内质网膜转位3、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体

线粒体蛋白质跨膜运输图例

生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖等大分子，不一样细胞器、房室之间也有大分子跨膜转位，这个过程包括许多主要生命现象，说明大分子跨膜运输分子机制含有重大理论意义和应用前景，已成为新热门研究领域。细胞膜结构和功能第44页蛋白质运输基本路径细胞溶质细胞核过氧化物酶体线粒体质体内质网细胞表面胞内体溶酶体高尔基体分部囊泡内吞外排孔门运输跨膜转位囊泡运输内质网—高尔基体可视为胞内蛋白质和生物膜合成—组装分拣和运输中心细胞膜结构和功能第45页分泌蛋白质合成和胞吐作用内质网高尔基体泡泡泡融入质膜核糖体芽泡细胞膜结构和功能第46页新生肽链经由内质网膜转位

粗糙内质网上核糖体合成蛋白质分两类，一个进入内质网腔，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；另一个则与内质网(ER)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膜蛋白。新生肽链N-端有引导其跨越内质网膜信号肽(signalsequence)，Salatini和Blobel提出信号肽假说(signalhypothesis)解释了新生肽链经由内质网转位机制。细胞膜结构和功能第47页一些真核细胞多肽链上N-端信号肽结构

特点：

信号肽序列在10-40个氨基酸范围，中部有10-15个高度疏水氨基酸组成肽段；N端最少含一个带正电荷基团（如Lys、Arg）；

C端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强5肽，切点上游第1、第3多为为Ala。Cleavagesite细胞膜结构和功能第48页

信号肽假说示意图

SRP(signalrecognitionpaticle)：信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）SRPreceptor：信号肽识别蛋白受体Ribosomereceptor：核糖体受体细胞膜结构和功能第49页信号肽识别示意图

mRNAtRNA新生肽上信号肽SRPSRP结合信号肽，引发翻译终止SRP结合核蛋白体选择性地连接到ER膜上SRP受体SRPSRP转移和再循环ER膜上SRP受体蛋白核糖体受体蛋白转移器胞液ER网腔翻译继续转移开始核糖体细胞膜结构和功能第50页含有内部开始转移肽膜蛋白与内质网膜整合ER膜上成熟蛋白COOHNH2NH2NH2NH2腔胞液内部开始转移肽+-(A)+NH2NH2NH2腔胞液在反向插入信号序列NH2-+(B)ER膜上成熟蛋白-+COOHCOOHCOOHCOOHCOOH-+细胞膜结构和功能第51页细胞质切除内膜识别序列加工折叠前体蛋白切除外膜识别序列前体蛋白经过两个信号肽序列连续跨膜过程内膜识别序列(1)外膜识别序列(1)跨外膜进内膜内膜通道蛋白(2)内膜基质通道蛋白(2)NH3+NH3+NH3+COO-COO-NH3+COO-膜间隙外膜与受体结合去折叠受体内膜（1）、线粒体前体蛋白信号肽（2）、线粒体膜上转位复合物（3）、分子伴侣分子伴侣（3）细胞膜结构和功能第52页线粒体外膜线粒体内膜带有定向肽线粒体蛋白质前体跨膜运输过程示意图内外膜接触位点蛋白质通道线粒体hsp70受体蛋白hsp70导肽蛋白酶切除定向肽加工折叠Hsp70：分子伴侣（moleculechaperon）细胞膜结构和功能第53页第三节生物膜与能量转换

生物体是一个开放体系，其特点就是与周围环境不停进行物质交换和能量交换。线粒体内膜、叶绿体类囊体膜和细菌质膜是能量转换主要场所，从而成为硕士物能量代谢中心。ATP被视为生物体内能量通货，说明ATP合成分子机制是生物能学关键问题。一、氧化磷酸化能量转化机制二、光合磷酸化能量转化机制细胞膜结构和功能第54页生物界能量传递及转化总过程细胞膜结构和功能第55页一、氧化磷酸化能量转化机制1、生物氧化三个阶段2、呼吸链组成和电子传递过程中自由能改变

3、H+—ATP酶结构与功效研究4、Mitchell化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）5、ATP合成分子机制研究新进展结合改变机制（bindingchangemechanism）

旋转催化机制（rotationcatalysismechanism）

细胞膜结构和功能第56页二．光合磷酸化能量转化机制

1．叶绿体结构和光合链2．光合磷酸化机理3．氧化磷酸化和光合磷酸化比较细胞膜结构和功能第57页线粒体及三分子体结构细胞膜结构和功能第58页脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同中间产物乙酰CoA

共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分经过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化三个阶段细胞膜结构和功能第59页电子传递链标准氧化还原自由能改变NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V细胞膜结构和功能第60页细胞色素还原酶部分结构模式细胞色素氧化酶结构示意图

线粒体基质Ⅳ17KCytc36KⅢ21KⅡ23KⅤ12KⅥ8KⅦ4KⅧ4K

线粒体基质(bH)(b566)(bL)(b562)2Fe-2Sc1铁-硫蛋白

Cytb细胞膜结构和功能第61页NADH呼吸链电子传递过程中自由能改变总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能改变细胞膜结构和功能第62页内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链

电子传递自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜电化学梯度，这个梯度电化学势(ΔH+)驱动ATP合成。化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)O2H2O细胞膜结构和功能第63页化学渗透假说模型线粒体外间隙基质琥珀酸延胡索酸ADP+PiATPNADH+H+NAD+4H+2H+4H+内侧呈碱性pH产生化学能质子迁移驱动ATP合成内侧呈负电性产生电极电势线粒体外膜线粒体内膜H+H+细胞膜结构和功能第64页ATP合酶结构示意图OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白内膜外侧内膜内侧OSCP:寡霉素受体敏感蛋白，DCCD:二环己基碳二亚胺细胞膜结构和功能第65页

Racker氧化磷酸化重建示意图（1963年）细胞膜结构和功能第66页

ATP合成结合改变机制和旋转催化机制

1994年英国科学家Walker发表高分辩率牛心线粒体ATP酶晶体三维结构，证实在ATP酶合成ATP催化循环中三个β亚基确实有不一样构象，有力地支持了Boyer假说。

1977年美国科学家Boyer提出提出结合改变机制(bindingchangemechanism)，认为ATP合成酶β亚基有三种不一样构象，一个构象(L)有利于ADP和Pi结合，一个构象(T)可使结合ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成ATP轻易被释放出来.在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象交替改变，所需能量由跨膜H+提供。在此基础上，1993年Boyer又提出提出旋转催化理论(rotationcatalysismechanism)，更加好地解释了ATP酶作用机理。Boyer和Walker与Skou共同分享1997年诺贝尔化学奖。细胞膜结构和功能第67页结合改变机理示意图

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合构象有于ADP与Pi生成ATP构象有利于ATP释放构象ATPATP细胞膜结构和功能第68页ATPase旋转催化模型线粒体内膜ATPADP+Pib内侧外侧H+FOF1

旋转催化理论认为当质子流经过Fo单元返回基质时，触发了C亚基旋转，C亚基带动、以至()3复合物一起旋转，使

和亚基发生构象改变,从而造成ATP合成。

亚基中心

-螺旋被认为是转子,a、b与亚基组合在一起组成定子,它压住

/异质六聚体。Ca细胞膜结构和功能第69页ATPase旋转催化机制其它试验证据

1、Cross试验室依据牛心线粒体F1—ATPase晶体结构，用基因工程方法在亚基上靠近亚基地方引入一个Cys残基，使得单个亚基与亚基之间能形成专一二硫键交联。这个二硫键使亚基与亚基不能旋转，完全终止了ATPase催化能力…2、Yashida试验室利用F1-ATPase晶体结构结果，精心设计了一系列标识、突变，用最新荧光显微镜摄象技术，把亚基旋转运动展现出来。细胞膜结构和功能第70页Cross试验室为证实旋转催化机制设计试验制备

D380C–F1THSLHSOHSHSTSLHSOHSSTSLHSOHSS***TSLHSOHSS***OHSSLS**THS**LHSOSS*THS*形成-间二硫键与放射性标识亚基重组解离、分析-中放射性重新氧化形成二硫键加入Mg、ATP使酶催化亚基解离还原-间二硫键细胞膜结构和功能第71页Cover-slipHis-