06章生物膜

第六章生物膜生物膜（biologicalmembrane）•细胞膜（cytoplasmicmembrane）/质膜•内膜系统：核膜、线粒体膜、内质网膜、线粒体膜、类囊体膜等原生动物（Menoidium）革兰氏阴性菌（Aquaspirillumserpens）高尔基体胰腺腺体细胞第一节生物膜的组成与结构特征一、生物膜的组成蛋白质脂质糖1.膜脂及其结构特征磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂）、糖脂（甘油糖脂、鞘糖脂）、胆固醇不同生物膜，脂质组成及含量差异大（1）磷脂（phospholipids）①甘油磷脂——第一大类膜脂X=胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇、磷脂酰甘油等机体内几类重要的甘油磷脂甘油磷脂的结构②鞘磷脂——第二大类膜脂鞘脂(sphingolipids)含鞘氨醇(sphingosine)或二氢鞘氨醇的脂类。高等动物脑髓鞘和红细胞膜中特别丰富。鞘氨醇以酰胺键与脂肪酸相连形成神经酰胺胆碱鞘磷脂磷酸胆碱脂肪酸部分鞘氨醇骨架磷脂是双亲性分子：极性磷酸基团非极性脂肪酸双亲性膜脂质的多态性（polymorphism）磷脂是生物膜的主要组成成分磷脂双分子层构成生物膜的基本骨架（2）糖脂（glycolipids）甘油脂糖单半乳糖基二酰甘油二半乳糖基二酰甘油硫代脱氧吡喃葡萄糖基二酰甘油鞘糖脂(glycosphingolipids)的结构动物细胞质膜中的糖脂大多为鞘糖脂。半乳糖脑苷脂是髓鞘膜的主要糖脂，占外层膜脂的40%。质膜中的糖脂大多含1-15个糖残基。脑苷脂（cerebroside）神经节苷脂(gangliosides)是带有数目不等糖残基（至少含一个唾液酸）的神经酰胺。已知60余种。具有受体功能：霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、破伤风素等的受体均为神经节苷脂类化合物。可能还有调节膜蛋白功能。神经节苷脂的结构唾液酸神经酰胺（3）胆固醇（cholesterol）胆固醇具有双亲性胆固醇是生物膜的重要成分通常动物细胞胆固醇含量高于植物细胞质膜的胆固醇含量高于细胞内膜胆固醇对生物膜中脂质的物理状态有调节作用质膜中的胆固醇不同类型细胞膜膜脂的种类和含量不同髓鞘草履虫不同类型生物膜膜脂的种类和含量不同膜脂的分布不对称2.膜蛋白细胞中约20-25%的蛋白与膜结构相连依膜上定位分为镶嵌蛋白、外周蛋白（1）内嵌蛋白（integralprotein）一般占膜蛋白70-80%。蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中（疏水相互作用与膜结合）。一般不溶于水。不容易从膜中分离出来。主要以-螺旋或β折叠形式存在。红：Trp黄：Tyr；蓝：Lys，Arg，Asp，Glu白：疏水氨基酸及部分极性不带电荷氨基酸红细胞膜血型糖蛋白的结构——单一α螺旋跨膜糖基细菌视紫红质的跨膜结构翠绿色红假单胞菌光核反应中心（2）外周蛋白（peripheralprotein）分布于双层脂膜的外表层。与膜的结合比较疏松（离子键、氢键），容易从膜上分离出来。与脂（长链脂肪酸、类异戊二烯、磷酯酰肌醇等）——锚定法尼脂酰化牻牛脂酰化豆蔻酰基化棕榈酰基化①、②整合蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外周蛋白（3）糖蛋白糖与蛋白的连接方式β-半乳糖苷-1，3-α-N-乙酰半乳糖苷-丝氨酸α-木糖-苏氨酸α-甘露糖-丝氨酸二、生物膜的“流动镶嵌”模型基本结构是脂质双层——尾尾相对,蛋白质或镶嵌在膜上或结合在膜的表面,寡糖链指向胞外侧。脂双层与膜蛋白相互作用→功能脂双层是运动的,随温度变化,呈液晶态或凝胶态；膜蛋白的运动受限制（扩散）。脂双层是流动的，蛋白质和磷脂能旋转和侧向运动三、生物膜的流动性膜脂是运动的Ca2+作用下磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱发生相位分离。膜脂运动方式：侧向扩散、颠倒换位、分子摆动、旋转运动等膜脂的翻转（flip）需翻转酶（flippase）的作用：消耗能量ATP膜蛋白是运动的膜蛋白运动方式：扩散运动、旋转运动。Frye-Edidin荧光抗体标记实验显示膜蛋白的扩散运动。膜蛋白的运动——随机、定向、局部相变温度及其影响因素相变温度：膜脂物理状态互相转变的临界温度。高于相变温度时，膜呈流动状态，低于相变温度时，膜呈类结晶态/凝胶态。相变温度取决于脂肪酸的长度和饱和度。烃链短、不饱和度高，相变温度低，膜流动性强。胆固醇参与膜脂流动性的调节。温度对膜脂相变的影响四、生物膜的结构特征生物膜具有片层结构，5-8nm生物膜具有不对称性：蛋白质、膜脂生物膜具有流动性：“流动镶嵌”模型生物膜是一个非共价组合体：疏水力、范德华作用、静电存在膜电位——细胞膜两侧的电位差生物膜的功能屏障和保护作用：排除有毒分子、积累营养，防止极性分子和离子的进入等细胞的分割和区域化作用调节代谢物、生物大分子和离子的转运能量的转化信号转导相邻细胞的相互作用第二节小分子的跨膜转运物质跨膜转运的基本方式：单向转运、协同转运（同向、反向）一、跨膜转运的类型1.主动转运和被动转运根据物质转运过程中是否需要能量，跨膜转运分为主动转运和被动转运。（1）被动转运/被动扩散（passivetransport/passivediffusion）概念：物质从高浓度的一侧通过膜运输到低浓度一侧，即顺浓度梯度的跨膜运输。特点：不需要供给能量。转运速率与被转运物质浓度差、大小、电荷、溶解度有关。自由能变化为负值。类型：简单扩散、借助转运蛋白转运。简单扩散：O2、N2、CO2、H2O、疏水小分子借助转运蛋白的被动转运葡萄糖（红细胞、肝细胞）、氨基酸、cAMP、胆碱葡萄糖转运蛋白/葡萄糖通透酶具有T1和T2两种构象，作用有专一性。葡萄糖进入红细胞HCO3--Cl-交换蛋白红细胞中的促进扩散体系协同反向转运蛋白/阴离子交换蛋白增加血液携CO2从组织到肺的能力HCO3--Cl-一对一跨膜转运具强制性——维持胞质pH红细胞膜上的HCO3--Cl-交换蛋白呼吸组织肺血浆红细胞碳酸酐酶（2）主动转运（activetransport）概念：物质逆浓度梯度或电化学梯度的转运。特点：需要供给能量。能量主要来自ATP和离子浓度梯度，自由能变化为正值。类型：一级主动转运、二级主动转运。一级主动转运和二级主动转运二、几种小分子的主动转运1.Na+，K+-ATPase（Na+，K+泵）JensC.Skou（丹麦）1957，1997诺贝尔化学奖。Na+，K+-ATPase的结构ATPase通过磷酸化改变对Na+、K+的亲和力磷酸化位点——Asp369磷酸化形式P-EnzII：亲K+；脱磷酸化形式EnzI：亲Na+转运机制催化的反应ATP4-+H2O+3Na+(内)+2K+（外）ADP3-+H2PO4-+3Na+(外)+2K+(内)生物学功能维持细胞的渗透性，保持细胞体积；维持低Na+高K+的细胞内环境；维持细胞的静息电位。地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。2.Ca2+-ATPase（Ca2+泵）位置：质膜、肌浆网膜（肌细胞内特化的内质网膜系统，膜蛋白70-80%为Ca2+-ATPase）。作用：维持细胞内离子钙的分布——胞外Ca2+浓度0.1-10mM，肌浆网Ca2+浓度0.1-10mM（钙库），胞质Ca2+浓度0.1-10M；肌肉收缩（Ca2+释放入胞质）与舒张（Ca2+重新摄入肌浆网）。其他Ca2+运输体系：Na+,Ca2+交换蛋白（细胞膜），Ca2+通道等。Ca2+-ATPase是跨膜蛋白铰链结构域疏水跨膜结构域茎结构域胞浆Ca2+逆浓度梯度转运至肌浆网Ca2+-ATPase作用机制3.胃粘膜细胞的H+,K+-ATPase运转ATP酶（ATP驱动泵）P型ATP酶（ATP-drivencationtransporter）：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），Na+-K+泵、Ca2+泵，H+-K+ATP酶。V型ATP酶：位于液泡（vacuole）膜，多亚基，水解ATP无自磷酸化。F型ATP酶：多亚基管状结构，H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATPsynthase）。ABC转运器（ABCtransporter）两高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。一种ABC转运器只转运一种或一类底物（蛋白家族中具能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员）。第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。4.与质子泵相偶联的乳糖主动运输5.小肠上皮细胞的葡萄糖主动转运——利用Na+，K+-ATPase形成的Na+梯度顶端面基底面肠腔微绒毛