生物膜的結(jié)構(gòu)與功能(課堂PPT)

1、1,生物膜的結(jié)構(gòu)與功能,Function and structure of bioomembranes,2,本章主要內(nèi)容,生物膜的化學(xué)組成 生物膜的結(jié)構(gòu) 物質(zhì)的過膜運輸 信號的跨膜傳導(dǎo),3,第一節(jié) 生物膜的化學(xué)組成,4,生物膜（biomembranes） 是包括細胞質(zhì)膜在內(nèi)的細胞中全部膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。,A 細胞膜 B 腔膜 C 線粒體膜 D 消化泡（次級溶酶體） E 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜 F 分泌泡,5,所有生物膜幾乎都是由蛋白質(zhì)和脂類兩大物質(zhì)組成。尚含有少量糖、金屬離子和水（15%-20%）,一、膜脂(lipid),磷脂、少量糖脂和膽固醇的總稱，其中以磷脂為主要成分,化學(xué)組成,6,主要是磷酸甘油二脂。甘油

2、中第1，2位碳原子與脂肪酸酯基（主要是含16碳的軟脂酸和18碳的油酸）相連，第3位碳原子則與磷酸酯基相連。不同的磷脂，其磷酸酯基組成也不相同。,甘油磷脂（Glycerophospholipids）,7,磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親性分子,極性端,非極性端,8,極性端,非極性端,極性端,脂雙層結(jié)構(gòu)模型,9,糖脂也是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。主要分布在細胞膜外側(cè)的單分子層中。動物細胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。 結(jié)構(gòu)為,糖脂（Glycosphingolipids）,半乳糖,10,根據(jù)在膜上的定位情況： 外周蛋白 內(nèi)在蛋白 膜蛋白是生物膜實施功能的基本場所。,二、膜蛋白,

3、11,這類蛋白約占膜蛋白的2030%，分布于雙層脂膜的外表層，主要通過靜電引力或范德華力與膜結(jié)合。 外周蛋白與膜的結(jié)合比較疏松，容易從膜上分離出來。 外周蛋白能溶解于水。,外周蛋白（peripheral protein）,12,內(nèi)在蛋白（integral protein）,內(nèi)在蛋白約占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。 這類蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水鍵與膜脂相結(jié)合，而且不容易從膜中分離出來。 內(nèi)在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分，由于沒有水分子的影響，多肽鏈內(nèi)形成氫鍵趨向大大增加，因此，它們主要以-螺旋和-折疊形式存在，其中又以-螺旋更普遍。,13,跨膜蛋白,14

4、,三、膜糖,生物膜中含有一定的寡糖類物質(zhì)。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。 糖類在膜上的分布是不對稱的，全部都處于細胞膜的外側(cè)。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。 生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識別方面具有重要作用。,15,16,第二節(jié) 生物膜的結(jié)構(gòu),17,膜的運動性,(1)磷脂分子的運動：在膜內(nèi)作側(cè)向擴散或側(cè)向移動；圍繞與膜平面垂直的軸作旋轉(zhuǎn)運動；圍繞與膜平面垂直的軸左右擺動；膜脂沿縱軸的上下振動；在脂雙層中作翻轉(zhuǎn)運動；烴鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的異構(gòu)化運動,18,(2)膜蛋白的運動,1970年Frye和Edidin所做的細胞融合實驗。它們

5、用細胞融合技術(shù)將小鼠細胞和人體細胞進行融合，并同時用不同的熒光抗體標(biāo)記各自細胞表面的蛋白質(zhì)。 當(dāng)兩種細胞融合形成雜核細胞后，各自特定的蛋白質(zhì)分布在各自膜表面。 一段時間后發(fā)現(xiàn)不同的蛋白質(zhì)已均勻的分布在雜核細胞膜上。,19,流動鑲嵌模型,脂雙分子層是細胞膜的主要結(jié)構(gòu)支架；膜蛋白為球蛋白，分布于脂雙層表面或嵌入脂分子中，有的甚至橫跨整個脂雙層；細胞膜具有流動性；組成細胞膜的各種成分在膜中的分布是不均勻的，即具有不對稱性。,20,第三節(jié) 物質(zhì)的過膜運輸,21,單向轉(zhuǎn)運,（同向、異向）,協(xié)同轉(zhuǎn)運,基本方式,22,一、小分子與離子的過膜轉(zhuǎn)運,（一）簡單擴散（simple diffusion) 包括分子和

6、離子的轉(zhuǎn)運,順濃度梯度 不需要能量,（二）促進擴散（facilitated diffusion）,1)由高濃度向低濃度 2）不需要能量 3）需通道蛋白或載體蛋白介導(dǎo),23,（三）主動運輸（active transport）,1）轉(zhuǎn)運載體 2）消耗能量 3）逆濃度梯度,如：質(zhì)子泵、鈉-鉀泵、鈣泵等,24,主動轉(zhuǎn)運舉例： Na+-K+ ATPase,是膜上的載體蛋白，稱為Na-K泵或 Na-K-ATP酶 由22四個亞基組成,Na-K-ATP酶有兩種不同的構(gòu)型,25,二、大分子物質(zhì)的過膜轉(zhuǎn)運,吞噬作用（phagocytosis）,細胞內(nèi)吞噬較大的固體顆?；蚍肿訌?fù)合物如微生物、細胞碎片等的過程。,26

7、,第四節(jié) 膜受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo),27,一、受體 1.受體的概念,是指細胞膜上或細胞內(nèi)能識別生物活性分子（激素、神經(jīng)遞質(zhì)、毒素、藥物等）并與之結(jié)合的生物大分子。 大多是蛋白質(zhì)，少量糖脂 受體大多位于膜上（膜受體，多為鑲嵌糖蛋白）， 少部分在胞內(nèi)（胞內(nèi)受體，均為DNA結(jié)合蛋白） 配體（ligand） 與受體結(jié)合的活性分子。是信息的載體，也稱第一信使,28,2、受體的特點,可飽和性,受體的特點,專一性,可逆性,高親和性,特定的作用模式,29,3、膜受體的分類,G-蛋白偶聯(lián)型：腎上腺素，糖原 酶偶聯(lián)型: 生長因子 離子通道型：乙酰膽堿,30,二、G蛋白偶聯(lián)型受體系統(tǒng),（一）G 蛋白：全稱為GTP結(jié)合調(diào)

8、節(jié)蛋白。是一類和GTP或GDP相結(jié)合的蛋白。 三個亞基組成。,兩種構(gòu)象： 非活化型： ,GDP,活化型：,GTP,分布極廣，參與細胞物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)和基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,31,G蛋白相偶聯(lián)的受體：一條肽鏈形成的過膜蛋白，有7個跨膜-螺旋肽段往返于質(zhì)膜的脂質(zhì)雙層中,32,1.受體-G蛋白-AC（腺苷酸環(huán)化酶）途徑 ： 以靶細胞內(nèi)cAMP濃度改變和激活蛋白激酶A（protein kinase A,PKA）為主要特征，是激素調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的主要途徑,功能： 調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝 調(diào)控基因表達,(二) G蛋白偶聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑,33,配體與受體結(jié)合 交換GTP/GDP（G蛋白活化） 結(jié)合并激活A(yù)C（腺苷酸環(huán)化

9、酶） 生成cAMP（第二信使） 激活PKA 發(fā)揮作用,34,2.受體-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途徑,當(dāng)激素與受體結(jié)合后經(jīng)G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活磷脂酶C，由磷脂酶C將質(zhì)膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和DG。,35,脂溶性的DG在膜上累積并使緊密結(jié)合在膜上的無活性PKC活化。PKC活化后使大量底物蛋白(包括胰島素、-腎上腺素等激素和神經(jīng)遞質(zhì)在細胞膜上的受體，還有糖原合成酶，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，Na-KATP酶和轉(zhuǎn)鐵蛋白等)的絲氨酸或蘇氨酸的羥基磷酸化。引起細胞內(nèi)的生理效應(yīng)。,36,三、酶偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),酶偶聯(lián)受體具有和G蛋白偶聯(lián)受體完全不同的分子結(jié)構(gòu)和特性，其胞

10、質(zhì)側(cè)自身具有酶的活性，或者可直接結(jié)合并激活胞質(zhì)中的酶而不需要G蛋白的參與。 已知的六類酶偶聯(lián)型受體有：受體酪氨酸激酶、受體鳥苷酸環(huán)化酶、受體酪氨酸磷脂酶、受體絲氨酸/蘇氨酸激酶酪氨酸激酶連接的受體、組氨酸激酶連接的受體（與細菌的趨化性有關(guān)）。下面主要介紹受體酪氨酸激酶和受體鳥苷酸環(huán)化酶。,37,（一）受體酪氨酸激酶,受體酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）是最大的一類酶偶聯(lián)受體。RPTKs都由三部分組成：細胞外結(jié)構(gòu)域、單次跨膜的疏水螺旋區(qū)、細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域。受體酪氨酸激酶的胞外區(qū)是結(jié)合配體結(jié)構(gòu)域，配體是可溶性或膜結(jié)合的多肽或蛋白類激素，包括胰

11、島素和多種生長因子。胞內(nèi)段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位點。,38,配體（如EGF）在胞外與受體結(jié)合并引起構(gòu)象變化，導(dǎo)致受體二聚化形成同源或異源二聚體，在二聚體內(nèi)彼此相互磷酸化胞內(nèi)段酪氨酸殘基，激活受體本身的酪氨酸蛋白激酶活性，二聚體的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域裝配成一個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物,39,40,Ras（rat sarcoma）是原癌基因c-ras表達的產(chǎn)物， 是單體GTP結(jié)合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。通過與GTP或GDP的結(jié)合調(diào)節(jié)其活性。,41,（二）受體鳥苷酸環(huán)化酶,受體鳥苷酸環(huán)化酶（receptor guanylate cyclase）是單次跨膜蛋白受體，胞外段是配體結(jié)合部位，胞內(nèi)

12、段為鳥苷酸環(huán)化酶催化結(jié)構(gòu)域。受體的配體如心房排鈉肽（ANPs）和腦排鈉肽（BNPs）。當(dāng)血壓升高時，心房肌細胞分泌ANPs，促進腎細胞排水、排鈉，同時導(dǎo)致血管平滑肌細胞松弛，結(jié)果使血壓下降。 介導(dǎo)ANP反應(yīng)的受體分布在腎和血管平滑肌細胞表面。ANPs與受體結(jié)合直接激活胞內(nèi)段鳥苷酸環(huán)化酶的活性，使GTP轉(zhuǎn)化為cGMP，cGMP作為第二信使結(jié)合并激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），導(dǎo)致靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化，從而引起細胞反應(yīng)。,42,四、離子通道受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，離子通道的開放和關(guān)閉，稱為門控(gating)。 根據(jù)門控機制的不同，將

13、離子通道主要分為三大類：(1) 化學(xué)門控通道，(2)電壓門控通道，(3)機械門控通道，這3種通道蛋白質(zhì)使不同細胞對外界相應(yīng)的刺激起反應(yīng),完成跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。 離子通道受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點：不需要產(chǎn)生其它的細胞內(nèi)信使分子，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的速度快，對外界作用出現(xiàn)反應(yīng)的位點較局限。,43,（一）化學(xué)門控通道,化學(xué)門控通道（chemically-gated ion channel）又稱配體門控性離子通道: 由某些化學(xué)物質(zhì)控制其開或關(guān)的通道稱，以遞質(zhì)受體命名，如乙酰膽堿受體通道、谷氨酸受體通道、門冬氨酸受體通道等。,N2型Ach受體陽離子通道是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一種結(jié)構(gòu)為2的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)；每個亞單位的肽鏈都要反復(fù)貫穿膜4次；在5個亞單位中，Ach的結(jié)合位點在亞單位上，結(jié)合后可引起通道結(jié)構(gòu)的開放，然后靠相應(yīng)離子的易化擴散而完成跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo),44,（二）電壓門控通道,電壓門控通道又稱電壓依賴性或電壓敏感性離子通道:因膜電位變化而開啟和關(guān)閉，以最容易通過的離子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4種主要類型