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1、生物膜的结构与功能课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章主要内容本章主要内容生物膜的化学组成生物膜的化学组成生物膜的结构生物膜的结构物质的过膜运输物质的过膜运输信号的跨膜传导信号的跨膜传导第一节第一节 生物膜的化学组成生物膜的化学组成 生物膜（生物膜（biomembranesbiomembranes）是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。是包括细胞质膜在
2、内的细胞中全部膜结构的统称。A A 细胞膜细胞膜B B 腔膜腔膜C C 线粒体膜线粒体膜D D 消化泡（次级溶酶体）消化泡（次级溶酶体）E E 内质网膜内质网膜F F 分泌泡分泌泡 所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。尚含有少量糖、金属离子和水（尚含有少量糖、金属离子和水（15%-20%）一、膜脂一、膜脂(lipid)磷脂、少量糖脂和胆固醇的总称，其中以磷脂为主要成分磷脂、少量糖脂和胆固醇的总称，其中以磷脂为主要成分化学组成化学组成 主主主主要要要要是是是是磷磷磷磷酸酸酸酸甘甘甘甘油油油油二二二二脂脂脂脂。甘甘甘甘油油油油中中中中第第第第
3、1 1 1 1，2 2 2 2位位位位碳碳碳碳原原原原子子子子与与与与脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸酯酯酯酯基基基基（主主主主要要要要是是是是含含含含16161616碳碳碳碳的的的的软软软软脂脂脂脂酸酸酸酸和和和和18181818碳碳碳碳的的的的油油油油酸酸酸酸）相相相相连连连连，第第第第3 3 3 3位位位位碳碳碳碳原原原原子子子子则则则则与与与与磷磷磷磷酸酸酸酸酯酯酯酯基基基基相相相相连连连连。不不不不同同同同的的的的磷磷磷磷脂脂脂脂，其其其其磷磷磷磷酸酸酸酸酯基组成也不相同酯基组成也不相同酯基组成也不相同酯基组成也不相同。甘油磷脂（甘油磷脂（Glycerophospholipids）磷脂分子中
4、含有亲水性的磷酸酯基和亲脂的脂磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂的脂肪酸链，是优良的两亲性分子肪酸链，是优良的两亲性分子极性端非极性端极性端非极性端极性端脂双层结构模型 糖糖脂脂也也是是构构成成双双层层脂脂膜膜的的结结构构物物质质。主主要要分分布布在在细细胞胞膜膜外外侧侧的的单单分分子子层层中中。动动物物细细胞胞膜膜所所含含的的糖糖脂主要是脑苷脂。脂主要是脑苷脂。结构为结构为糖脂（糖脂（Glycosphingolipids）半乳糖 根据在膜上的定位情况：根据在膜上的定位情况：外周蛋白外周蛋白 内在蛋白内在蛋白 膜蛋白是生物膜实施功能的基本场所。膜蛋白是生物膜实施功能的基本场所。二、膜蛋白二、
5、膜蛋白 这这这这类类类类蛋蛋蛋蛋白白白白约约约约占占占占膜膜膜膜蛋蛋蛋蛋白白白白的的的的2020202030%30%30%30%，分分分分布布布布于于于于双双双双层层层层脂脂脂脂膜膜膜膜的的的的外外外外表表表表层层层层，主主主主要要要要通通通通过过过过静静静静电电电电引引引引力力力力或或或或范范范范德德德德华华华华力力力力与膜结合。与膜结合。与膜结合。与膜结合。外外外外周周周周蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与膜膜膜膜的的的的结结结结合合合合比比比比较较较较疏疏疏疏松松松松，容容容容易易易易从从从从膜膜膜膜上上上上分离出来。分离出来。分离出来。分离出来。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能
6、溶解于水。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白（外周蛋白（peripheral proteinperipheral protein）内在蛋白内在蛋白（integral protein）内内内内在在在在蛋蛋蛋蛋白白白白约约约约占占占占膜膜膜膜蛋蛋蛋蛋白白白白的的的的70-80%70-80%70-80%70-80%，蛋蛋蛋蛋白白白白的的的的部部部部分分分分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。这这这这类类类类蛋蛋蛋蛋白白白白的的的的特特特特征征征征是是是是不不不不溶溶溶溶于于于于水水水水，主主主主要要要要靠靠靠靠疏疏疏疏水水
7、水水键键键键与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。内内内内在在在在蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与双双双双层层层层脂脂脂脂膜膜膜膜疏疏疏疏水水水水区区区区接接接接触触触触部部部部分分分分，由由由由于于于于没没没没有有有有水水水水分分分分子子子子的的的的影影影影响响响响，多多多多肽肽肽肽链链链链内内内内形形形形成成成成氢氢氢氢键键键键趋趋趋趋向向向向大大大大大大大大增增增增加加加加，因因因因此此此此，它它它它们们们们主主主主要要要要以以以以 -螺螺螺螺旋旋旋旋和和和和 -折折折折叠叠
8、叠叠形形形形式式式式存存存存在，其中又以在，其中又以在，其中又以在，其中又以 -螺旋更普遍。螺旋更普遍。螺旋更普遍。螺旋更普遍。跨膜蛋白跨膜蛋白三、膜糖三、膜糖 生生生生物物物物膜膜膜膜中中中中含含含含有有有有一一一一定定定定的的的的寡寡寡寡糖糖糖糖类类类类物物物物质质质质。它它它它们们们们大大大大多多多多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖糖糖糖类类类类在在在在膜膜膜膜上上上上的的的的分分分分布布布布是是是是不不不不对对对对称称称称的的的的，全全全全部部部部都都都都处处处处于于于于细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜的
9、的的的外外外外侧侧侧侧。生生生生物物物物膜膜膜膜中中中中组组组组成成成成寡寡寡寡糖糖糖糖的的的的单单单单糖糖糖糖主主主主要要要要有有有有半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖、半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖胺胺胺胺、甘甘甘甘露露露露糖糖糖糖、葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖和和和和葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖胺胺胺胺等。等。等。等。生生生生物物物物膜膜膜膜中中中中的的的的糖糖糖糖类类类类化化化化合合合合物物物物在在在在信信信信息息息息传传传传递递递递和和和和相相相相互互互互识识识识别方面具有别方面具有别方面具有别方面具有重重重重要作用。要作用。要作用。要作用。第二节第二节 生物膜的结构生物膜的结构膜的运动性膜的运动性(1)磷
10、脂分子的运动：磷脂分子的运动：在膜内作侧向扩散或侧向移动；在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；与膜平面垂直的轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直的轴左右围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；摆动；膜脂沿纵轴的上下振动；膜脂沿纵轴的上下振动；在脂双层中作翻转运动；在脂双层中作翻转运动；烃链围绕烃链围绕C-C键旋转而导致的异构化运动键旋转而导致的异构化运动(2)膜蛋白的运动膜蛋白的运动1970年Frye和Edidin所做的细胞融合实验。它们用细胞融合技术将小鼠细胞和人体细胞进行融合，并同时用不同的荧光抗体标记各自细胞表面的蛋白质。当两种细胞融合形成杂核细胞后，各自特定的蛋白质分布在各
11、自膜表面。一段时间后发现不同的蛋白质已均匀的分布在杂核细胞膜上。流动镶嵌模型流动镶嵌模型脂双分子层是细胞膜的主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有的甚至横跨整个脂双层；细胞膜具有流动性；组成细胞膜的各种成分在膜中的分布是不均匀的，即具有不对称性。第三节第三节 物质的过膜运输物质的过膜运输单向转运单向转运（同向、异向）（同向、异向）协同转运协同转运基本方式基本方式一、小分子与离子的过膜转运一、小分子与离子的过膜转运（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（simple diffusion)simple diffusion)包括分子和离子的转运包括分子和离
12、子的转运顺浓度梯度顺浓度梯度不需要能量不需要能量 （二）促进扩散（二）促进扩散（二）促进扩散（二）促进扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）1)1)由高浓度向低浓度由高浓度向低浓度2 2）不需要能量不需要能量3 3）需通道蛋白或载体蛋白介导）需通道蛋白或载体蛋白介导（三）主动运输（三）主动运输（active transport）1 1）转运载体）转运载体2 2）消耗能量）消耗能量3 3）逆浓度梯度）逆浓度梯度如：质子泵、钠如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等钾泵、钙泵等主动转运举例：主动转运举例：Na+-K+ATPase Na+-K+ATPase
13、是膜上的载体蛋白，称为是膜上的载体蛋白，称为Na-KNa-K泵或泵或 Na-K-ATPNa-K-ATP酶酶由由2 22 2四个亚基组成四个亚基组成Na-K-ATPNa-K-ATP酶有两种不同的构型酶有两种不同的构型二、大分子物质的过膜转运二、大分子物质的过膜转运吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis）细胞内吞噬较细胞内吞噬较大的固体颗粒大的固体颗粒或分子复合物或分子复合物如微生物、细如微生物、细胞碎片等的过胞碎片等的过程。程。第四节第四节 膜受体介导的信号传导膜受体介导的信号传导一、受体一、受体1.受体的概念受体的概念 是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经是指细胞膜上或细胞
14、内能识别生物活性分子（激素、神经是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经递质、毒素、药物等）并与之结合的生物大分子。递质、毒素、药物等）并与之结合的生物大分子。递质、毒素、药物等）并与之结合的生物大分子。递质、毒素、药物等）并与之结合的生物大分子。大多是蛋白质，少量糖脂大多是蛋白质，少量糖脂大多是蛋白质，少量糖脂大多是蛋白质，少量糖脂 受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（膜受体膜受体膜受体膜受体，多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），少部分在胞内（少部分在胞内（少部
15、分在胞内（少部分在胞内（胞内受体，胞内受体，胞内受体，胞内受体，均为均为均为均为DNADNA结合蛋白）结合蛋白）结合蛋白）结合蛋白）配体（配体（配体（配体（ligandligand）与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使2、受体的特点、受体的特点可饱和性可饱和性受体的特点受体的特点专一性专一性 可逆性可逆性高亲和性高亲和性特定的作用模式特定的作用模式3、膜受体的分类、膜受体的分类 G-G-蛋白偶联型：肾上腺素，糖原蛋白偶联型：肾上腺素，糖原
16、酶偶联型酶偶联型:生长因子生长因子 离子通道型：乙酰胆碱离子通道型：乙酰胆碱二、二、G G蛋白偶联型受体系统蛋白偶联型受体系统（一）一）一）一）G G G G 蛋白蛋白蛋白蛋白：全称为：全称为：全称为：全称为GTPGTPGTPGTP结合调节蛋白。是一类和结合调节蛋白。是一类和结合调节蛋白。是一类和结合调节蛋白。是一类和GTPGTPGTPGTP或或或或GDPGDPGDPGDP相结合的蛋白。相结合的蛋白。相结合的蛋白。相结合的蛋白。三个亚基组成。三个亚基组成。三个亚基组成。三个亚基组成。两种构象：两种构象：非活化型：非活化型：GDP活化型：活化型：GTP分布极广，分布极广，参与细胞物质代谢的调节和
17、基因转录的调控参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控G G蛋白相偶联的受体蛋白相偶联的受体：一条肽链形成的过膜蛋白，有一条肽链形成的过膜蛋白，有7 7个跨膜个跨膜-螺旋肽段往返于质膜的脂质双层中螺旋肽段往返于质膜的脂质双层中1.受体受体-G蛋白蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径（腺苷酸环化酶）途径：以靶细胞内以靶细胞内cAMPcAMP浓度浓度改变和激活改变和激活蛋白激酶蛋白激酶A A（protein protein kinase A,PKAkinase A,PKA）为主要特征，是激素调节物质代谢的主为主要特征，是激素调节物质代谢的主要途径要途径功能：功能：调节物质代谢调节物质代谢 调控基因表达调控
18、基因表达(二二)G)G蛋白偶联受体信号转导的主要途径蛋白偶联受体信号转导的主要途径 配体与受体结合配体与受体结合交换交换GTP/GDPGTP/GDP（G G蛋白活化）蛋白活化）结合并激活结合并激活ACAC（腺苷酸环化酶）腺苷酸环化酶）生成生成cAMPcAMP（第二信使）第二信使）激活激活PKAPKA 发挥作用发挥作用2.2.受体受体-G蛋白蛋白-PLC（磷脂酶（磷脂酶C）途径）途径 当激素与受体结合后经当激素与受体结合后经G G蛋白转导，激活磷脂酶蛋白转导，激活磷脂酶C C，由磷脂酶，由磷脂酶C C将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(PIP(PIP2 2)水解成三磷酸肌醇水解
19、成三磷酸肌醇(IP(IP3 3)和和DGDG。脂溶性的脂溶性的DGDG在膜上累积并使紧密结合在膜上的无活性在膜上累积并使紧密结合在膜上的无活性PKCPKC活化。活化。PKCPKC活化后使大量底物蛋白活化后使大量底物蛋白(包括胰岛素、包括胰岛素、-肾上腺素等激素和神经递质在细胞膜上的受体，还有糖肾上腺素等激素和神经递质在细胞膜上的受体，还有糖原合成酶，原合成酶，DNADNA甲基转移酶，甲基转移酶，NaNa-K-KATPATP酶和转铁蛋白酶和转铁蛋白等等)的丝氨酸或苏氨酸的羟基磷酸化。引起细胞内的生理的丝氨酸或苏氨酸的羟基磷酸化。引起细胞内的生理效应。效应。三、酶偶联受体介导的信号转导系统三、酶偶
20、联受体介导的信号转导系统酶偶联受体具有和G蛋白偶联受体完全不同的分子结构和特性，其胞质侧自身具有酶的活性，或者可直接结合并激活胞质中的酶而不需要G蛋白的参与。已知的六类酶偶联型受体有：受体酪氨酸激酶、受体鸟苷酸环化酶、受体酪氨酸磷脂酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶酪氨酸激酶连接的受体、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。下面主要介绍受体酪氨酸激酶和受体鸟苷酸环化酶。（一）受体酪氨酸激酶（一）受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）是最大的一类酶偶联受体。RPTKs都由三部分组成：细胞外结构域、单次跨膜的疏水螺旋区、细胞内结
21、构域。受体酪氨酸激酶的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物Ras（rat sarcoma）是原癌基因c-ras表达的产物，是单体GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。通过与GTP或GDP的结合调节其活性。（二）受体鸟苷酸环化酶（二）受体鸟苷酸环化酶 受体鸟苷酸环化酶（receptor
22、guanylate cyclase）是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体如心房排钠肽（ANPs）和脑排钠肽（BNPs）。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANPs，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应的受体分布在肾和血管平滑肌细胞表面。ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化，从而引起细胞反应。四、离子通道受体介导的信号转导四、离子通道受体介导的信号转导离子通道型受体
23、是一类自身为离子通道的受体，离子通道的开放和关闭，称为门控(gating)。根据门控机制的不同，将离子通道主要分为三大类：(1)化学门控通道，(2)电压门控通道，(3)机械门控通道，这3种通道蛋白质使不同细胞对外界相应的刺激起反应,完成跨膜信号转导。离子通道受体介导的信号转导的特点：不需要产生其它的细胞内信使分子，信号转导的速度快，对外界作用出现反应的位点较局限。（一）化学门控通道（一）化学门控通道化学门控通道（chemically-gated ion channel）又称配体门控性离子通道:由某些化学物质控制其开或关的通道称，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通
24、道等。N2型Ach受体阳离子通道是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一种结构为2的梅花状通道样结构；每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜4次；在5个亚单位中，Ach的结合位点在亚单位上，结合后可引起通道结构的开放，然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信号转导（二）电压门控通道（二）电压门控通道 电压门控通道又称电压依赖性或电压敏感性离子通道:因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4种主要类型，各类型又分若干亚型。分子结构与化学门控通道类似，但分子结构中存在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚单位，诱发整个通道分子功能状态的改变。（三）机械门控通道（三）机械门控通道 机械门控通道又称机械敏感性离子通道:是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。本本 章章 结结 束束