生化課件-6 -生物膜結(jié)構(gòu)與功能

第六章生物膜的結(jié)構(gòu)與功能

目的與要求：通過本章學(xué)習(xí)，要求掌握生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能。生物膜在生命活動(dòng)中的功能是多方面的，其主要功能是：物質(zhì)運(yùn)輸功能，能量轉(zhuǎn)換功能和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能。

生物膜的結(jié)構(gòu)與功能

一、概述二、生物膜的組成三、生物膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)四、生物膜的功能一、生物膜功能概述

細(xì)胞全部生命活動(dòng)幾乎都與生物膜有某種聯(lián)系，各種不同的膜系統(tǒng)有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能。生物膜與生命科學(xué)中許多基本理論問題和一些亟待解決的實(shí)際問題密切相關(guān)，如細(xì)胞起源、形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞分裂分化、細(xì)胞識別、免疫、物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞、代謝調(diào)控、能量轉(zhuǎn)換、腫瘤發(fā)生以及藥物和毒物的作用等等。盡管如此，生物膜的一般生物學(xué)功能可以概括為以下幾個(gè)方面。1、區(qū)域化或房室化（compartmemtalization）2、物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（transport）3、能量轉(zhuǎn)換（energyconversion）4、細(xì)胞識別（cellrecognition）細(xì)胞識別的基本類型對游離的大、小分子的識別細(xì)胞—細(xì)胞間的識別細(xì)胞—基質(zhì)的識別神經(jīng)遞質(zhì)激素、細(xì)胞因子抗原藥物有害物質(zhì)其它異種(異體)同類細(xì)胞間的識別輸血器官移植異種異類細(xì)胞間的識別細(xì)胞感染和真菌感染固氮菌對寄生植物的感染各種共生寄生過程同種異類細(xì)胞間的識別單細(xì)胞生物的結(jié)合動(dòng)物的受精過程植物的受精、受粉過程免疫細(xì)胞的作用同種同類細(xì)胞間的識別低等生物細(xì)胞聚集高等生物胚胎發(fā)育和分化凝血中血小板的聚集二、生物膜的組成1、膜脂

種類：磷脂、類固醇、糖脂

特點(diǎn)：多態(tài)性（polymorphism）2、膜蛋白外周蛋白、內(nèi)在蛋白、脂錨定蛋白3、膜糖

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細(xì)胞表面天線三、生物膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1、生物膜分子結(jié)構(gòu)模型

“流體鑲嵌”模型2、生物膜中分子間的主要作用力

靜電力、疏水作用、范德華引力3、生物膜結(jié)構(gòu)的主要特征

膜組分的不對稱分布、膜脂和膜蛋白的流動(dòng)性X甘油磷脂結(jié)構(gòu)磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine)X=磷脂酰絲氨酸(Phosphatidylserine)X=磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol)X=雙磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol)X=磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol)X=磷脂酰膽堿(Phosphatidylchiine)X=神經(jīng)酰胺(Ceramide)脂肪酸部分鞘氨醇(Sphingosine)鞘磷脂(Sphingomyelin)磷酸膽堿神經(jīng)酰胺部分鞘氨醇、神經(jīng)磷脂和鞘磷脂結(jié)構(gòu)膽固醇(Cholesterol)（環(huán)戊烷多氫菲）

膽固醇的羥基與磷脂極性頭相連系，環(huán)戊烷多氫菲的四個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其連接的三個(gè)烴鏈與磷脂疏水尾巴平行排列。膽固醇一方面提高膜的剛性和微粘度，另方面它的烴鏈固有的運(yùn)動(dòng)性又又能增加膜的微區(qū)的無序性，使膜流動(dòng)性增加。這種雙向調(diào)整和穩(wěn)定作用使生物膜在較高溫度范圍(30～40)內(nèi)行使功能。神經(jīng)節(jié)苷脂的結(jié)構(gòu)D-半乳糖GM1GM2GM3N-乙酰-D-半乳糖D-半乳糖D-葡萄糖N-乙酰神經(jīng)氨酸硬脂酸鞘氨醇磷脂分子在水溶液中存在的幾種結(jié)構(gòu)形式水空氣單體單層雙層微囊微團(tuán)磷脂類的雙層結(jié)構(gòu)和六角形相H1、H2雙層結(jié)構(gòu)（Bilyer）六角形相Ⅰ

(HexagonalⅠ)H2H1六角形相Ⅱ

(HexagonalⅡ)膜蛋白與膜脂雙脂層結(jié)合的主要形式膜脂雙層胞液內(nèi)在蛋白：-螺旋橫穿雙脂層，正合于脂雙層結(jié)構(gòu)之中錨定蛋白：通過共價(jià)鍵與插入雙脂層的脂肪酸鏈結(jié)合錨定蛋白：通過寡糖鏈連到較小的磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白：通過非共價(jià)鍵與膜蛋白相互作用結(jié)合在膜上紅細(xì)胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列

紅細(xì)胞膜骨架各組分與質(zhì)膜連接示意圖肌動(dòng)蛋白

(Actin)蛋白質(zhì)4.1(Protein4.1)血影蛋白(Spectrin)帶3蛋白(Band3)糖蛋白

(Ankyrin)血型蛋白(Glycophorin)糖鏈

Singer＆

Nicolson流體鑲嵌模型

特點(diǎn)：

突出了膜的流動(dòng)性，認(rèn)為生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)分子按二維排列的流體；顯示了膜蛋白分布的不對稱性。生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型（外側(cè)）（內(nèi)側(cè)）糖蛋白分子中的寡糖鏈脂雙層甾醇類外周蛋白通過共價(jià)連系與脂類連接有多個(gè)跨膜螺旋的內(nèi)嵌蛋白有一跨膜螺旋的內(nèi)嵌蛋白外周蛋白磷脂極性頭部脂酰鏈糖脂低聚寡糖鏈跨膜糖蛋白脂雙層糖被糖殘基唾液酸糖脂細(xì)胞外殼（糖萼）示意圖膜脂（磷脂、糖脂、膽固醇）人紅細(xì)胞膜主要磷脂在膜內(nèi)、外兩層的分布占總量的百分比50255025外層內(nèi)層膜脂總量鞘磷脂磷脂酰膽堿磷脂酰絲氨酸磷脂酰乙醇胺膜脂的相變相變溫度（Tc）凝膠態(tài)液晶態(tài)T<TcT>Tc相變溫度（Tc）磷脂分子運(yùn)動(dòng)的幾種方式

側(cè)向移動(dòng)全反式、偏轉(zhuǎn)構(gòu)型旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)、扭動(dòng)FrytEdidin

細(xì)胞膜融合證明膜蛋白運(yùn)動(dòng)示意圖

發(fā)紅光鹼性蕊香紅標(biāo)記的人細(xì)胞膜蛋白抗體發(fā)綠光熒光素標(biāo)記的小鼠細(xì)胞膜蛋白抗體小鼠細(xì)胞人細(xì)胞細(xì)胞膜蛋白細(xì)胞融合雜合細(xì)胞370培育40分鐘以后膜蛋白被標(biāo)記細(xì)胞細(xì)胞膜蛋白證明膜蛋白運(yùn)動(dòng)性的新方法光致漂白熒光恢復(fù)法(FluorescencePhotibleachingRecorevy，F(xiàn)PR)

用熒光素標(biāo)記膜蛋白，利用激光使膜上某一微區(qū)內(nèi)結(jié)合有熒光素的膜蛋白不可逆地漂白，經(jīng)溫育后，該區(qū)熒光性恢復(fù)，說明由于膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性，其他部位的膜蛋白進(jìn)入到該區(qū)。第四節(jié)生物膜的功能一、生物膜與物質(zhì)運(yùn)送（P193～202）二、生物膜與能量轉(zhuǎn)換（P272～275）三、生物膜與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（P215～226）一、生物膜與物質(zhì)跨膜運(yùn)輸

1、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的類型2、載體蛋白介導(dǎo)的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)3、轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶

P型ATP酶—

Na+.K+-ATPase

V型ATP酶—液泡膜系統(tǒng)H+-ATPaseF型ATP泵—線粒體、葉綠體膜系統(tǒng)

ATP合酶4、離子梯度驅(qū)動(dòng)的二級主動(dòng)運(yùn)送被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)送（Passivetransport）

物質(zhì)從高濃度一側(cè)通過膜運(yùn)送到低濃度一側(cè)，即順濃度梯度的方向跨膜運(yùn)送的過程稱被動(dòng)運(yùn)輸。在該過程中△G<0。

主動(dòng)運(yùn)送（Actictransport）

凡物質(zhì)逆濃度梯度的運(yùn)送稱主動(dòng)運(yùn)送，這一過程進(jìn)行需供給能量?！鱃=2.3RTlog(C2/C1)+ZF△V>0主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)：專一性飽和性方向性可被選擇性抑制需提供能量轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

離子通道Na+-Ca2+交換器依賴CaM的Ca2+泵質(zhì)膜線粒體肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+H2PO4--Ca2+交換器Ca2+泵

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類型通道蛋白載體蛋白“泵”動(dòng)物肌細(xì)胞中的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

兩種類型閘門離子通道1、電壓—閘門通道2、配體—閘門通道載體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)方式

共轉(zhuǎn)運(yùn)單向轉(zhuǎn)運(yùn)同向轉(zhuǎn)運(yùn)反向轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞的模型內(nèi)側(cè)

D-葡萄糖

外側(cè)①②③④細(xì)胞膜上HCO3-和Cl-的交換

代謝產(chǎn)生CO2進(jìn)入的紅細(xì)胞CO2+H2OHCO3-+H+Cl-HCO3-+H+Cl-CO2+H2O碳酸酐酶碳酸酐酶CO2HCO3-Cl-HCO3-Cl-(HCO3-溶于血漿)(HCO3-從血漿進(jìn)入紅細(xì)胞)(CO2離開紅細(xì)胞被呼出體外)呼吸細(xì)胞中肺部

Cl-—HCO3-交換蛋白

轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶的三種類型

P-typeV-typeF-type轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶的三種類型

P-typeV-typeF-type

Skou等關(guān)于Na+

，K+-ATP酶的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

制備紅細(xì)胞血影（ghost），觀察ATP水解情況和膜內(nèi)外K+，Na+濃度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

a．K+和Na+的運(yùn)輸與ATP的水解緊密相偶聯(lián)；

b．離子的運(yùn)輸與ATP的水解只有在Na+和ATP存在于血影膜內(nèi)側(cè)，而K+存在于膜外側(cè)時(shí)才能發(fā)生；

c．鳥苯苷只有在血影膜外側(cè)時(shí)因競爭K+結(jié)合位置才能起到抑制作用；K+可被其它正一價(jià)離子（如NH4+）取代，而Na+則不能被取代。

d．每水解一個(gè)ATP分子向膜外泵出3個(gè)Na+，向膜內(nèi)泵入2個(gè)K+；

e.將提純的Na+

，K+-ATP酶重建在人工膜脂質(zhì)體上，當(dāng)有ATP和Mg+存在時(shí)，重建ATP酶有向膜外運(yùn)送Na+向膜內(nèi)運(yùn)送K+的功能。K+Na+ATPADPNa+

，K+-ATP酶Na+-K+-ATPase的體外重建Na+-K+-ATPase去污劑微囊脂-去污劑微囊增溶的膜蛋白去污劑微囊外加的磷脂透析純化的膜蛋白Na+-K+-ATPase在脂質(zhì)體上重建純化Na+.K+-ATPase的亞基結(jié)構(gòu)及其在膜上定位Na+-K+-ATPase的作用模型ATPADP細(xì)胞外細(xì)胞質(zhì)125436脂雙層細(xì)胞外細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的主動(dòng)運(yùn)送系統(tǒng)小腸上皮細(xì)胞主動(dòng)攝取葡萄糖的模型頂端面葡萄糖基底面血液腸腔上皮細(xì)胞葡萄糖單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GluT2葡萄糖Na+-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白微絨毛2Na+3Na+2K+Na+K+ATPase小腸上皮細(xì)胞主動(dòng)攝取葡萄糖的模型頂端面葡萄糖基底面血液腸腔上皮細(xì)胞葡萄糖單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GluT2葡萄糖Na+-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白微絨毛2Na+3Na+2K+Na+K+ATPase半乳糖苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)子泵，可被CN-抑制胞內(nèi)乳糖燃料分子CO2H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+------++++++胞外乳糖E.Coli細(xì)胞攝取乳糖的模型H+細(xì)胞質(zhì)

糖磷酸磷酸轉(zhuǎn)換酶系統(tǒng)糖細(xì)菌膜細(xì)胞外丙酮酸PEP細(xì)菌中糖通過基團(tuán)運(yùn)送的主動(dòng)運(yùn)送

糖的基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

化學(xué)滲透假說原理示意圖2H+4H+2H+2H+NADH+H+4H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

什么是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)？

細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransducgtion）是指細(xì)胞受到外刺激或胞間信號分子(第一信使)

作用于質(zhì)膜（或胞內(nèi)）受體后，跨膜在胞內(nèi)形成信號(第二信使)

，其后經(jīng)胞內(nèi)信息分子級聯(lián)傳遞，生物信號逐漸放大，引起基因表達(dá)和代謝反應(yīng)變化。鑒于細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與代謝和基因表達(dá)調(diào)控、細(xì)胞免疫、生長發(fā)育、細(xì)胞的分裂、分化、轉(zhuǎn)化、增殖等重要的生命活動(dòng)有著十分密切的聯(lián)系，已成為解決許多重大理論和實(shí)際問題最重要的依據(jù)。第一信使和第二信使圖解

各種刺激

胞間信號（第一信使）

失活的信號分子

膜表面受體

cAMP或IP3、DG

（第二信使