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生物膜的结构与功能Functionandstructureofbioomembranes本章主要内容生物膜的化学组成生物膜的结构物质的过膜运输信号的跨膜传导第一节生物膜的化学组成生物膜（biomembranes）是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。A细胞膜B腔膜C线粒体膜D消化泡（次级溶酶体）E内质网膜F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。尚含有少量糖、金属离子和水（15%-20%）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化学组成主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位碳原子与脂肪酸酯基（主要是含16碳的软脂酸和18碳的油酸）相连，第3位碳原子则与磷酸酯基相连。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。甘油磷脂（Glycerophospholipids）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(CH3)3N+CH2CH2OPO-OOCH2CHCH2OOCCOOR1R2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脂也是构成双层脂膜的结构物质。主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。结构为OOHCH2OHOOHOHCH2CHNHCHCH=CHOH(CH2)12CH3神经鞘氨醇糖脂（Glycosphingolipids）半乳糖根据在膜上的定位情况：外周蛋白内在蛋白膜蛋白是生物膜实施功能的基本场所。二、膜蛋白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。外周蛋白（peripheralprotein）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。跨膜蛋白三、膜糖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。第二节生物膜的结构膜的运动性(1)磷脂分子的运动：①在膜内作侧向扩散或侧向移动；②围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；③围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；④膜脂沿纵轴的上下振动；⑤在脂双层中作翻转运动；⑥烃链围绕C-C键旋转而导致的异构化运动(2)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。第三节物质的过膜运输单向转运（同向、异向）协同转运基本方式一、小分子与离子的过膜转运（一）简单扩散（simplediffusion)包括分子和离子的转运顺浓度梯度不需要能量（二）促进扩散（facilitateddiffusion）1)由高浓度向低浓度2）不需要能量3）需通道蛋白或载体蛋白介导（三）主动运输（activetransport）1）转运载体2）消耗能量3）逆浓度梯度如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等主动转运举例：Na+-K+ATPase是膜上的载体蛋白，称为Na-K泵或Na-K-ATP酶由α2β2四个亚基组成Na-K-ATP酶有两种不同的构型二、大分子物质的过膜转运吞噬作用（phagocytosis）细胞内吞噬较大的固体颗粒或分子复合物如微生物、细胞碎片等的过程。第四节膜受体介导的信号传导一、受体1.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，少量糖脂受体大多位于膜上（膜受体，多为镶嵌糖蛋白），少部分在胞内（胞内受体，均为DNA结合蛋白）配体（ligand）与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使2、受体的特点可饱和性受体的特点专一性可逆性高亲和性特定的作用模式3、膜受体的分类G-蛋白偶联型：肾上腺素，糖原酶偶联型:生长因子离子通道型：乙酰胆碱二、G蛋白偶联型受体系统（一）G蛋白：全称为GTP结合调节蛋白。是一类和GTP或GDP相结合的蛋白。αβγ三个亚基组成。•两种构象：非活化型：αβγGDP活化型：GTPα分布极广，参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控G蛋白相偶联的受体：一条肽链形成的过膜蛋白，有7个跨膜α-螺旋肽段往返于质膜的脂质双层中1.受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径：以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A（proteinkinaseA,PKA）为主要特征，是激素调节物质代谢的主要途径功能：调节物质代谢调控基因表达(二)G蛋白偶联受体信号转导的主要途径配体与受体结合交换GTP/GDP（G蛋白活化）结合并激活AC（腺苷酸环化酶）生成cAMP（第二信使）激活PKA发挥作用2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径当激素与受体结合后经G蛋白转导，激活磷脂酶C，由磷脂酶C将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和DG。脂溶性的DG在膜上累积并使紧密结合在膜上的无活性PKC活化。PKC活化后使大量底物蛋白(包括胰岛素、β-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，DNA甲基转移酶，Na’-K’ATP酶和转铁蛋白等)的丝氨酸或苏氨酸的羟基磷酸化。引起细胞内的生理效应。三、酶偶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：①受体酪氨酸激酶、②受体鸟苷酸环化酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤酪氨酸激酶连接的受体、⑥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）受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（receptorproteintyrosinekinases，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α螺旋区、细胞内结构域。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（ratsarcoma）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）受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶（receptorguanylatecyclase）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离子通道型受体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）化学门控通道化学门控通道（chemically-gatedionchannel）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α2βγδ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α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。本章结束