第六章-生物膜结构与功能

第六章生物膜的结构与功能第一节生物膜化学组成和结构第二节生物膜的功能主要内容：本章主要介绍生物膜的化学组成和结构特点以及生物膜的结构与功能的关系。重点讨论生物膜的物质运输功能，对能量转换功能和信号转导功能作一般介绍。第一节生物膜的化学组成和结构一、生物膜的组成二、生物膜的结构和特点生物的基本结构单位和功能单位是细胞，任何细胞都有一层膜将细胞和环境隔开，这层膜就是细胞质膜，起着调节和维持内环境相对稳定的作用，真核细胞的亚细胞结构也具有类似的膜系统。生物膜是以脂类、蛋白质、糖类为主体形成的大分子复合物，生物膜组成上的差异与其功能密切相关。一、生物膜的组成1、膜脂磷脂、类固醇、糖脂2、膜蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白3、膜糖—细胞表面天线二、生物膜的结构特点和模型1、生物膜的结构特点2、生物膜的结构模型流动镶嵌模型（1972年）板块镶嵌模型（1977年）X甘油磷脂结构磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine)X=磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine)X=磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol)X=双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol)X=磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol)X=磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine)X=鞘氨醇(Sphingosine)鞘磷脂(Sphingomyelin)磷酸胆碱神经酰胺部分鞘磷脂结构的组成和结构神经酰胺(Ceramide)脂肪酸部分鞘氨醇部分胆固醇(Cholesterol)（环戊烷多氢菲）胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。胆固醇一方面提高膜的刚性和微粘度，另方面它的烃链固有的运动性又又能增加膜的微区的无序性，使膜流动性增加。这种双向调整和稳定作用使生物膜在较高温度范围(30～400C)内行使功能。一种鞘糖脂——神经节苷脂的结构D-半乳糖GM1GM2GM3N-乙酰-D-半乳糖D-半乳糖D-葡萄糖N-乙酰神经氨酸硬脂酸鞘氨醇膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜脂双层胞液内在蛋白：-螺旋横穿双脂层，整合于脂双层结构之中锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图肌动蛋白(Actin)蛋白质4.1(Protein4.1)血影蛋白(Spectrin)带3蛋白(Band3)糖蛋白(Ankyrin)血型蛋白(Glycophorin)糖链生物膜的结构特征膜脂双层的形成和优势；膜脂和蛋白分布具有不对称分布；是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体，具有流动性。磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势双层微囊水空气微团单体单层脂双层没有疏水的侧面边界，但内部是疏水的，因此此种结构不仅在水环境中获得最大的稳定性，同时也是亲水物质进出的屏障。膜脂分子间除疏水键外，还形成各种次级键，使得生物膜不仅具有热力学稳定性，同时可以自动组装，自动修复。细胞膜脂双层结构（Bilyer）56nm低聚寡糖链跨膜糖蛋白脂双层糖被糖残基唾液酸糖脂细胞外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布占总量的百分比50255025外层内层膜脂总量鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺膜脂的相变温度相变温度（Tc）凝胶态液晶态TTcTTc相变温度（Tc）磷脂分子运动的几种方式侧向移动全反式、偏转构型旋转异构化运动翻转运动摆动、扭动膜脂的流动性与膜脂组成的关系膜脂中以饱和脂肪酸为主膜的流动性主要取决于磷脂中脂肪酸的组成，饱和脂肪酸碳氢链伸直变硬有利于它们之间相互作用而紧密排列，使膜的刚性增大；不饱和脂肪酸存在时碳氢链弯曲而扭曲，加大对相邻磷脂分子的侧向压力，导致膜的流动性增加。膜脂中有不饱和脂肪酸时膜脂的流动性随脂肪链双键数目和长度变化而变化，细胞通过控制它们的膜脂组成以维持膜的流动性以适应环境变化。不同培养条件下E.coli细胞中脂肪酸组成情况占总脂肪酸含量（%）100C200C300C400C肉豆蔻酸(14:0)Myristicacid棕榈酸(16:0)Palmiticacid棕榈油酸(16:1)Palmiticacid油酸(18:1)Oleicacid羟基肉豆蔻酸hydroxymyristicacid不饱和脂肪酸：饱和脂肪酸44481825294826242393834301213101082.92.01.60.36脂肪酸FrytEdidin细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图（1970年）发红光硷性蕊香红标记的人细胞膜蛋白抗体发绿光荧光素标记的小鼠细胞膜蛋白抗体小鼠细胞人细胞细胞膜蛋白细胞融合杂合细胞370培育40分钟以后膜蛋白被标记细胞细胞膜蛋白证明膜蛋白运动性的新方法光致漂白荧光恢复法(FluorescencePhotibleachingRecorevy，FPR)用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复，说明由于膜蛋白的运动性，其他部位的膜蛋白进入到该区。Singer＆Nicolson的流动镶嵌模型(1972)（外侧）（内侧）糖蛋白分子中的寡糖链脂双层甾醇类外周蛋白通过共价连系与脂类连接有多个跨膜螺旋的内嵌蛋白有一跨膜螺旋的内嵌蛋白外周蛋白磷脂极性头部脂酰链糖脂Jain＆White的板块镶嵌模型(1977)Jain＆White提出的板块镶嵌模型对流动镶嵌模型进行了修正和改进。该模型认为，在以脂双层为骨架的生物膜中，膜蛋白、膜脂以及膜内外物质存在一些特殊的相互作用，整个膜由组织结构、性质、大小和流动性不同的板块组成，即生物膜是具有不同流动性的板块相间隔的动态结构。板块镶嵌模型主要强调了生物膜结构和功能的区域化。第二节生物膜功能细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以概括为以下几个方面：一、区域化或房室化（compartmemtalization）二、物质的跨膜运输（transport）三、能量转换（energyconversion）四、细胞识别和跨膜信号转导（signaltransducgtion）细胞膜结构对代谢途径的分隔控制调节控制跨膜离子浓度梯度和电化梯度控制细胞和细胞器物质运输内膜系统对代谢途径的分隔作用通过膜与酶的可逆结合来调节酶活性被动运输和主动运输二、生物膜的物质运输功能1、主动运输和被动运输的概念2、转运蛋白介导的跨膜运输3、小分子物质的跨膜主动运输4、大分子的跨膜运输被动运输和主动运输被动运送（Passivetransport）物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输。在该过程中△G0。主动运送（Actictransport）凡物质逆浓度梯度的运送称主动运送，这一过程进行需供给能量。△G=2.3RTlog(C2/C1)+ZF△V0主动运输的特点：需提供能量专一性饱和性方向性可被选择性抑制一级主动转运(a)和二级主动转运(b)XXSSXXATPADP+PiATPADP+Pi(a)(b)例1：Na+.K+-ATPase例2：小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖模型Na+.K+-ATPase的亚基结构及其在膜上定位高[K+]，低[Na+]低[K+]，高[Na+]K+K+Na+Na+运送过程需ATP提供能量Na+-K+-ATPase的作用模型细胞外细胞质1.细胞质中3个Na+结合到酶分上暴露的Na+结合部位ATPADPH2O细胞外细胞质3Na+2K+2.酶分子中Asp残基磷酸化诱导构象改变，导致Na+释放到胞外4.当酶分去磷酸化后构象发生改变，将K+释放到胞内3.细外2个K+结合到酶分上暴露的K+结合部位5.3个Na+结合部位重新暴露，又一轮转运过程开始Na+小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型顶端面葡萄糖基底面血液肠腔上皮细胞葡萄糖单向转运蛋白GluT2葡萄糖Na+-葡萄糖同向转运蛋白微绒毛2Na+3Na+2K+Na+K+ATPase2Na+out+葡萄糖out2Na+in+葡萄糖inE.Coli细胞摄取乳糖的模型半乳糖苷转运蛋白质子泵，可被CN-抑制胞内乳糖燃料分子CO2H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+------++++++胞外乳糖H+由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的重要性，任何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的。一些抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的。转运蛋白介导的跨膜转运SA(外)单向转运同向转运反向转运A(内)A(外)A(内)B(外)B(内)A(外)A(内)B(外)B(内)协同转运胞吞过程示意图大分子物质如多糖、蛋白质、多核苷酸及颗粒物质可通过和膜一起移动来进出细胞膜，进入细胞的过程称为胞吞作用(endocytosis)，排除的过程叫做胞吐作用(ex0cytosis)。细胞外空间细胞质分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网高尔基体运输小泡运输小泡泡融入质膜核糖体芽泡信号肽假说简图SRP循环内质网腔信号肽酶核糖体循环mRNASRP信号肽序列SRP受体核糖体受体多肽转位复合物GDP+Pi细胞质SRP(signalrecognitionpaticle)：信号识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物乙酰CoA共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段线粒体内膜是能量转化的场所化学渗透假说模型线粒体外间隙基质琥珀酸延胡索酸ADP+PiATPNADH+H+NAD+4H+2H+4H+内侧呈碱性pH产生化学能质子迁移驱动ATP合成内侧呈负电性产生电极电势线粒体外膜线粒体内膜H+H+细胞识别的基本类型对游离的大、小分子的识别细胞—细胞间的识别神经递质激素、细胞因子抗原药物有害物质其它异种(异体)同类细胞间的识别输血器官移植异种异类细胞间的识别细胞感染和真菌感染固氮菌对寄生植物的感染各种共生寄生过程同种异类细胞间的识别单细胞生物的结合动物的受精过程植物的受精、受粉过程免疫细胞的作用同种同类细胞间的识别低等生物细胞聚集高等生物胚胎发育和分化凝血中血小板的聚集细胞间通过质膜上的糖蛋白相互识别细胞可通过跨膜信号转导接受胞外信息什么是细胞信号转导？细胞信号转导（signaltransducgtion）是指细胞受到外刺激或胞间信号分子作用于质膜（或胞内）受体后，跨膜在胞内形成信号，其后经胞内信息分子级联传递，生物信号逐渐放大，引起基因表达和代谢反应变化。鉴于细胞信号转导与代谢和基因表达调控、细胞免疫、生长发育、细胞的分裂、分化、转化、增殖等重要的生命活动有着十分密切的联系，已成为解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。细胞信号跨膜转导基本模型各种刺激胞间信号（第一信使）失活的信号分子膜表面受体cAMP或IP3、DG（第二信使）生理反应细胞膜细胞质胞内受体基因表达调控细胞表面受体的三种类型C.具有酶活性受体配体无活性状态活化状态A.离子通道型受体B.G蛋白偶联型受体靶酶或离子通道活化的靶酶或离子通道配体G-蛋白活化的G-蛋白离子配体异三聚体G蛋白的结构靶酶生理效应G蛋白介导的跨膜信号途径第二信使cAMP-蛋白激酶介导的信号传递示意图ATPcAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcAMP蛋白激酶（有活性）受体腺苷酸环化酶