1、 生物膜结构与功效生物膜结构与功效Function and structure of bioomembranes1/46本章主要内容本章主要内容生物膜化学组成生物膜化学组成生物膜结构生物膜结构物质过膜运输物质过膜运输信号跨膜传导信号跨膜传导2/46第一节第一节 生物膜化学组成生物膜化学组成3/46 生物膜（生物膜（biomembranesbiomembranes）是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。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
2、（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4/46 全部生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。全部生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。尚含有少许糖、金属离子和水（尚含有少许糖、金属离子和水（15%-20%）一、膜脂一、膜脂(lipid)磷脂、少许糖脂和胆固醇总称，其中以磷脂为主要成份磷脂、少许糖脂和胆固醇总称，其中以磷脂为主要成份化学组成化学组成5/46 主主要要是是磷磷酸酸甘甘油油二二脂脂。甘甘油油中中第第1 1，2 2位位碳碳原原子子与与脂脂肪肪酸酸酯酯基基（主主要要是是含含1616碳碳软软脂脂酸酸和和1818碳碳油油酸酸）相相连连，第第3 3
3、位位碳碳原原子子则则与与磷磷酸酸酯酯基基相相连连。不不一一样样磷磷脂脂，其其磷磷酸酸酯酯基组成也不相同基组成也不相同。甘油磷脂（甘油磷脂（Glycerophospholipids）6/46 磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪酸磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪酸链，是优良两亲性分子链，是优良两亲性分子极性端非极性端7/46极性端非极性端极性端脂双层结构模型8/46 糖糖脂脂也也是是组组成成双双层层脂脂膜膜结结构构物物质质。主主要要分分布布在在细细胞胞膜膜外外侧侧单单分分子子层层中中。动动物物细细胞胞膜膜所所含含糖糖脂脂主主要要是脑苷脂。是脑苷脂。结构为结构为糖脂（糖脂（Glycosph
4、ingolipids）半乳糖9/46 依据在膜上定位情况：依据在膜上定位情况：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效基本场所。膜蛋白是生物膜实施功效基本场所。二、膜蛋白二、膜蛋白10/46 这这类类蛋蛋白白约约占占膜膜蛋蛋白白202030%30%，分分布布于于双双层层脂脂膜膜外外表表层层，主主要要经经过过静静电电引引力力或或范范德德华华力力与与膜膜结合。结合。外外周周蛋蛋白白与与膜膜结结合合比比较较疏疏松松，轻轻易易从从膜膜上上分分离出来。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（外周蛋白（peripheral proteinperipheral prote
5、in）11/46内在蛋白内在蛋白（integral protein）内内在在蛋蛋白白约约占占膜膜蛋蛋白白70-80%70-80%，蛋蛋白白部部分分或或全全部嵌在双层脂膜疏水层中。部嵌在双层脂膜疏水层中。这这类类蛋蛋白白特特征征是是不不溶溶于于水水，主主要要靠靠疏疏水水键键与与膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。内内在在蛋蛋白白与与双双层层脂脂膜膜疏疏水水区区接接触触部部分分，因因为为没没有有水水分分子子影影响响，多多肽肽链链内内形形成成氢氢键键趋趋向向大大大大增增加加，所所以以，它它们们主主要要以以-螺螺旋旋和和-折折叠叠形形式式存存在在，其中又以其中又
6、以-螺旋更普遍。螺旋更普遍。12/46跨膜蛋白跨膜蛋白13/46三、膜糖三、膜糖 生物膜中含有一定寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上分布是不对称，全部都处于细胞膜外侧。生物膜中组成寡糖单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有主要作用。14/4615/46第二节第二节 生物膜结构生物膜结构16/46膜运动性膜运动性(1)磷脂分子运动：磷脂分子运动：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；围绕与围绕与膜平面垂直轴作旋转运动；膜平面垂直轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直轴左右摆动；围绕与膜平面垂直轴左
7、右摆动；膜脂沿纵轴上下振动；膜脂沿纵轴上下振动；在脂双层中作翻转运动；在脂双层中作翻转运动；烃链围烃链围绕绕C-C键旋转而造成异构化运动键旋转而造成异构化运动 17/46(2)膜蛋白运动膜蛋白运动1970年Frye和Edidin所做细胞融合试验。它们用细胞融合技术将小鼠细胞和人体细胞进行融合，并同时用不一样荧光抗体标识各自细胞表面蛋白质。当两种细胞融合形成杂核细胞后，各自特定蛋白质分布在各自膜表面。一段时间后发觉不一样蛋白质已均匀分布在杂核细胞膜上。18/46流动镶嵌模型流动镶嵌模型脂双分子层是细胞膜主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有甚至横跨整个脂双层；细胞膜含有
8、流动性；组成细胞膜各种成份在膜中分布是不均匀，即含有不对称性。19/46第三节第三节 物质过膜运输物质过膜运输20/46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21/46一、小分子与离子过膜转运一、小分子与离子过膜转运（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（simple diffusion)simple diffusion)包含分子和离子转运包含分子和离子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
9、）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22/46（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23/46主动转运举例：主动转运举例：Na+-K+ATPase Na+-K+ATPase 是膜上载体蛋白，称为是膜上载体蛋白，称为Na-Na-K 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-A
10、TP酶有两种不一样构型酶有两种不一样构型24/46二、大分子物质过膜转运二、大分子物质过膜转运吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis）细胞内吞噬较细胞内吞噬较大固体颗粒或大固体颗粒或分子复合物如分子复合物如微生物、细胞微生物、细胞碎片等过程。碎片等过程。25/46第四节第四节 膜受体介导信号传导膜受体介导信号传导26/46一、受体一、受体1.受体概念受体概念 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内能识别生物活性分子（激素、神经递质、毒素、药品等）并与之结合生物大分子。递质、毒素、药品等）并与之结合生物大分子。大多是蛋白质，少许糖脂大多是蛋白质，少许糖脂 受
11、体大多位于膜上（受体大多位于膜上（膜受体膜受体，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（胞内受体，胞内受体，均为均为DNA结合蛋白）结合蛋白）配体（配体（ligand）与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使27/462、受体特点、受体特点可饱和性可饱和性受体特点受体特点专一性专一性 可逆性可逆性高亲和性高亲和性特定作用模式特定作用模式28/463、膜受体分类、膜受体分类 G-G-蛋白偶联型：肾上腺素，糖原蛋白偶联型：肾上腺素，糖原 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29/46二、
12、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结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和GTPGTPGTPGTP或或或或GDPGDPGDPGDP相结合蛋白。相结合蛋白。相结合蛋白。相结合蛋白。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，参加细胞物质代谢调整和基因转录调控参加细胞物质代谢调整和基因转录调控30/46G G蛋白相偶联受体蛋白相偶联受体
13、：一条肽链形成过膜蛋白，有一条肽链形成过膜蛋白，有7 7个跨个跨膜膜-螺旋肽段往返于质膜脂质双层中螺旋肽段往返于质膜脂质双层中31/461.受体受体-G蛋白蛋白-AC（腺苷酸环化酶）路径（腺苷酸环化酶）路径：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，是激素调整物质代谢主要为主要特征，是激素调整物质代谢主要路径路径功效：功效：调整物质代谢调整物质代谢 调控基因表示调控基因表示(二二)G)G蛋白偶联受体信号转导主要路径蛋白偶联受体信号转导主要路径 32/46配
14、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33/462.2.受体受体-G蛋白蛋白-PLC（磷脂酶（磷脂酶C）路径）路径 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将质膜上磷脂酰肌醇二磷酸将质膜上磷脂酰肌醇二磷酸(PIP(PIP2 2)水解成三磷酸肌醇水解成三磷酸肌醇(IP(IP3 3)和和DGDG。34/46 脂溶性脂溶性DGDG在
15、膜上累积并使紧密结合在膜上无活性在膜上累积并使紧密结合在膜上无活性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(包含胰岛素、包含胰岛素、-肾上肾上腺素等激素和神经递质在细胞膜上受体，还有糖原合成腺素等激素和神经递质在细胞膜上受体，还有糖原合成酶，酶，DNADNA甲基转移酶，甲基转移酶，Na-KATPNa-KATP酶和转铁蛋白等酶和转铁蛋白等)丝氨丝氨酸或苏氨酸羟基磷酸化。引发细胞内生理效应。酸或苏氨酸羟基磷酸化。引发细胞内生理效应。35/46三、酶偶联受体介导信号转导系统三、酶偶联受体介导信号转导系统酶偶联受体含有和G蛋白偶联受体完全不一样分子结构和特征，其胞质
16、侧本身含有酶活性，或者可直接结合并激活胞质中酶而不需要G蛋白参加。已知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受体、组氨酸激酶连接受体（与细菌趋化性相关）。下面主要介绍受体酪氨酸激酶和受体鸟苷酸环化酶。36/46（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、单次跨膜疏水螺旋区、细胞内结构域。受体酪氨酸激酶胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合多肽或蛋白类激素，包含胰岛素和
17、各种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶催化部位，并含有自磷酸化位点。37/46 配体（如EGF）在胞外与受体结合并引发构象改变，造成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，激活受体本身酪氨酸蛋白激酶活性，二聚体细胞内结构域装配成一个信号转导复合物38/4639/46Ras（rat sarcoma）是原癌基因c-ras表示产物，是单体GTP结合蛋白，含有弱 GTP酶活性。经过与GTP或GDP结合调整其活性。40/46（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 guanylate cyclase）是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体
18、结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体配体如心房排钠肽（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，同时造成血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应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活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP蛋白激酶G（PKG），造成靶蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化，从而引发细胞反应。41/46四、离子通道受体介导信号转导四、离子通道受体介导信号转导离子通道型受体是一类本身为离子通道受体，离子通道开放和关闭，称为门控(gating)。
19、依据门控机制不一样，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种通道蛋白质使不一样细胞对外界对应刺激起反应,完成跨膜信号转导。离子通道受体介导信号转导特点：不需要产生其它细胞内信使分子，信号转导速度快，对外界作用出现反应位点较局限。42/46（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:由一些化学物质控制其开或关通道称，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种不一样亚单位组成5聚体蛋白质，形成一个
20、结构为2梅花状通道样结构；每个亚单位肽链都要重复贯通膜4次；在5个亚单位中，Ach结合位点在亚单位上，结合后可引发通道结构开放，然后靠对应离子易化扩散而完成跨膜信号转导 43/46（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:因膜电位改变而开启和关闭，以最轻易经过离子命名，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改变敏感结构域或亚单位，诱发整个通道分子功效状态改变。44/46（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改变，实现胞外机械信号向胞内转导通道，依据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，依据功效作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。45/46本本 章章 结结 束束46/46
