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1、1,金属离子在生物体内的作用,参与氧化还原过程 作为Lewis酸 稳定核酸构型 生物信息传递,2,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,生物膜的结构与功能,3,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）,4,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,极性端
2、,非极性端,5,极性端,非极性端,极性端,脂双层结构模型,6,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,糖脂（Glycosphingolipids）,半乳糖,7,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,8,这类蛋白约占膜蛋白的2030%，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（peripheral protein）,9,内在蛋白（integral protein）,内在蛋白
3、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。,10,三、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。,11,膜的运动性,(1)磷脂
4、分子的运动：在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕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摆动；膜脂沿纵轴的上下振动；在脂双层中作翻转运动；烃链围绕C-C键旋转而导致的异构化运动,12,(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。,13,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
5、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。,14,物质的过膜运输,被动运输 一、简单扩散 二、协助扩散 主动运输 一、钠钾泵 二、钙离子泵 三、质子泵,15,据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。 载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类APT驱动的离子泵；有的则
6、不需要能量，如：缬氨酶素。 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。,16,单向转运,（同向、异向）,协同转运,基本方式,17,二、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。,18,简单扩散,也叫自由扩散（free diffusion）特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度。,19,离子载体（ionophore）
7、,是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是微生物防御或与其它物种竞争的武器。 分为两类： 可动离子载体（mobile ion carrier） ：如缬氨霉素（valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓度梯度转运K+。 DNP和FCCP可转运H+。 通道离子载体（channel former）：如短杆菌肽A（granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。,20,离子通道( ion channel ) 绝大多数通道蛋白形成的与离子转运有关的有选择性开关的多次跨膜通道 特点
8、 一具有离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度选择性，而且转运速率高，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上 二离子通道是门控离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的的信号多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化，化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道,21,化学门控通道 (chemical gated channel ) 离子通道 电压门控通道 ( voltage gated channel ) 机械门控通道 ( mechanically-gated channel ),离子通道,22,通道蛋白（channel prot
9、ein）,是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。 有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有4类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。,23,24,一、小分子与离子的过膜转运,（一）简单扩散（simple diffusion) 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（facilitated diffusion）,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,25,（三）主动运输（active transpo
10、rt）,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,26,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22四个亚基组成,Na-K-ATP酶有两种不同的构型,27,28,29,K+o Na+i,30,Na+ Cl- A- K+,31,配体门通道(ligand gated channel),特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5
11、聚体蛋白质，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。,32,配体门控通道 阳离子通道：乙酰胆碱、谷氨酸、五羟色胺受体 阴离子通道：甘氨酸和氨基丁酸受体,乙酰胆碱受体,33,电位门通道(voltage gated channel),特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。 K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠 (P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。 K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。 Na+
12、、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。,34,电压门控通道：钾、钠、钙离子通道 主动运输 主动运输的特点是： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 协同运输中的离子梯度动力； ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,35,钠钾泵,构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活A
13、TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。,36,37,38,钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。 Na+-K+泵的作用： 维持细胞的渗透性，保
14、持细胞的体积； 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。,39,钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。 位置：质膜和内质网膜。 类型： P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,40,1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表
15、皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。 2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,质子泵,41,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,一、吞噬作用,42,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,二、胞饮作用,43,三、外排作用,exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。,44,离子通道主
16、要功能 ）提高细胞内钙离子浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分 泌、Ca2+依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应 ）在神经、肌肉等兴奋性细胞，Na+ 和Ca2+通道主要调控去极化，K+主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性; ）调节血管平滑肌舒缩活动，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与 ）参与突触传递，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与; ）维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使Na+、Cl-、有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大;在低渗环境中，Na+、Cl-、有机溶液和水分流出细胞而调节细胞体积减少.,45,神經衝動的原理,過程相當複雜，涉及細胞膜上的離子通道啟閉及膜電位變化等 膜電位：細胞內外正負離子濃度不同所造成 靜止電位(極化)： 未刺激時的膜電位 約-65mV,節目錄,46,突觸的傳遞作用,47,离子通道与疾病,细胞离子通道的结构和
