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1、生物膜的组成和结构模型 膜蛋白的结构与功能 膜与物质的转运 生物膜和信息传递 生物膜与能量传递 细胞内膜系统与功能,第四章 生物膜,概 述,生物膜有多种功能:,细胞的起源,遗传信息传递,生物能量转换,物质转运,激素作用,神经传导,细胞免疫,细胞识别,细胞分化和增殖,信号传导,近年来生物膜的研究已深入到生物学、医学等各个领域。出现了膜病学(membranopathy)，它已成为分子生物学中最活跃的领域之一。,第一节 生物膜的组成成分及主要性质,一、膜脂质,磷脂 固醇 糖脂,甘油磷脂 鞘磷脂,糖鞘脂 糖甘油脂,脂双层,内,外,糖链,固醇,膜脂质,磷脂 固醇 糖脂,甘油磷脂,糖鞘脂,磷鞘脂,糖甘油脂
2、,磷脂的结构通式,磷脂酰肌醇,二磷脂酰甘油(心磷脂),膜脂质,磷脂 固醇 糖脂,甘油磷脂,糖鞘脂,磷鞘脂,磷脂的结构通式,磷脂酰胆碱(卵磷脂),磷脂酰胆胺(脑磷脂),-磷脂酰丝氨酸,糖甘油脂,膜脂质,磷脂 固醇 糖脂,甘油磷脂,糖鞘脂,鞘磷脂,糖甘油脂,鞘磷脂,脂肪酸,磷酰胆碱,H2,H,OH,糖鞘脂,膜脂质,磷脂 固醇 糖脂,甘油磷脂,糖鞘脂,磷鞘脂,糖甘油脂,单半乳糖甘油二酯,双半乳糖甘油二酯,胆固醇,麦角固醇,固醇类:,磷脂酰胆胺(脑磷脂),双半乳糖甘油二酯,鞘磷脂,亲水性头部,疏水性尾部,膜脂双层比例模型(垂直截取膜片层),脂质双层中间为疏水层,分子结构特性决定了一定浓度、水介质条件下
3、的分子集合行为,非极性尾部避开水相，相互聚集形成脂质体；,非极性尾部避开水相，娓娓相连形成连续的、封闭的双分子层,热力学稳定结构,亲水性头部,疏水性尾部,二、膜蛋白,膜蛋白与其他蛋白组分上相同，皆由氨基酸组成，只是疏水性氨基酸较多，一般都有一段约30个氨基酸的多肽链插入膜，这些氨基酸残基多数是疏水性的，即非极性氨基酸。,按照蛋白质存在部位分类：,膜蛋白,外周蛋白,嵌入蛋白,嵌入方式 整个分子跨过脂双层部分肽链嵌入脂单层以脂蛋白形式存在膜脂双分子层中,占膜蛋白 7080%,占膜蛋白 2030%,功 能 酶 载 体 泵 受体 细胞骨架 的固着物,例如呼吸链主要由5个蛋白复合体组成：NADH-CoQ
4、氧化还原酶(复合体)、琥珀酸-CoQ氧化还原酶(复合体)、CoQ-细胞色素c还原酶(复合体)、细胞色素c氧化酶(复合体)、ATP合酶(复合体，F1F0-ATPase)。,从复合体到复合体以及F1F0-ATPase都已得到原子分辨率的三维结构(Lancaster et al.1999,Iwata et al.1998,Tsukihara et al.1997)，结构解析结果如下图。,复合体,-桶(测视图),-桶(附视图),细菌外膜孔通道蛋白三维结构,K+离子选择性通道,每个K+通道由4个亚基组成，每个压基含2个跨膜的螺旋，其中靠外的是疏水性螺旋，亲水性的螺旋靠近中心，4个亚基相聚形成亲水性通道,
5、每个亚基的靠近内侧具有4个环圈(loop)，分布在亲水通道中构成具有过滤器功能的微区，决定对K+的选择性通透。,膜蛋白,糖蛋白 脂蛋白,糖蛋白中的糖常见的有八种：半乳糖、葡萄糖、L-岩藻糖、唾液酸、甘露糖、果糖、肌醇、氨基葡萄糖。,棕榈酸结合蛋白 豆蔻酸结合蛋白 异戊二烯结合蛋白,膜蛋白从组成分类：,糖蛋白类型,1.含o-糖苷键,-N-乙酰半乳糖氨基-丝氨酸(o-糖苷键),OH,-N-乙酰葡萄糖氨基-天冬氨酸(N-糖苷键),-半乳糖基（13）-N-乙酰葡萄糖氨-丝氨酸或苏氨酸,蛋白质肽链,蛋白质肽链,糖蛋白是构成生物膜成分之一，它能有效保护人肠道的表面免遭有害物质的伤害。,南北极冰海中的一些特
6、定鱼血液中含有的抗冻蛋白，属于糖蛋白。这些抗冻糖蛋白共有结构是：,-半乳糖基（13）-N-乙酰葡萄糖氨-丝氨酸(苏氨酸),蛋白质肽链,2.含有N-糖苷键,一般生物膜的真实结构模型：,跨膜蛋白,第二节、生物膜的结构特点和结构模型,一、脂质双分子层是生物膜的结构骨架；,二、膜蛋白镶嵌脂质双层中或附着其上；,蛋白在疏水环境中保持应有的构象和有序定位排列，在近距离共同发挥作用；某些蛋白需要脂类激活或被抑制。,三、膜脂与膜蛋白相互作用,膜上的功能蛋白活性与膜脂双层的流动性呈正相关。,例如1个分子肌质网膜Ca+-ATP酶至少需要30个磷脂分子才能表现活性；线粒体内膜的-羟丁酸脱氢酶需要PC才能表现活性；如
7、换成SM，活性只有一般。,糖基转移酶、半乳糖基转移酶需PC才能有活性。运动中相互影响；膜蛋白保证膜的高度折叠方式，也是膜功能的体现者。,四、正常的生物膜处于液晶态,2、固醇类含量；,1、脂肪酸饱和度与脂肪酸碳氢链的长短；,相变温度高低主要决定因素：,液晶态：既具有流动 性，又具有有序性,拓宽相变温度范围；,3、膜蛋白的作用与固醇类相似；,饱和度大,相变温度高,碳氢链短,相变温度低,生物膜相变温度：,维持晶态与液晶态互变所需要的温度。,液晶态,胆固醇分子在膜流动性的影响方面作用很微妙，它们分布于磷脂分子之间，由于其分子中强硬的板面状结构，一方面阻止了磷脂烃链尾的互相集聚，从而抑制了膜的结晶化，另
8、一方面又使脂双层不至于有太大的流动性。,膜脂的适当流动性对生物膜的功能至关重要。当膜脂双层的流动性低于一定域值或者说粘稠度高于一定域值时，许多跨膜运输和膜上的酶活动就会停止。而膜脂流动性过高(如缺乏胆固醇的膜)，则膜将发生溶解。,五、生物膜结构和功能两侧不对称,蛋白质内外两侧分布的不对称性及蛋白质分子本身取向性(如N-端或C-端在内)，决定了膜特定的功能；脂类内外两侧的不对称性，保证了特定蛋白的功能的发挥。例如线粒体电子传递的定向性和质子泵出的定向性都与内膜蛋白分布的不对称性密切相关。,膜的不对称性内容包括 ：,a.膜磷脂内外两侧组成的差异；,b.蛋白质分子在内质网中合成和插入脂双层的方式是不
9、对称；,c.内质网和高尔基体腔中糖基化也是不对称的糖总是加 在多肽链的非胞质面一端；,d.跨膜的膜蛋白在膜上的定位也是不对称的，有些只连接在 胞质单层上，另一些则只连接在非胞质单层 上；横跨脂双 层的蛋白N端或C端定向不同。,第三节、膜蛋白在膜内的组装方式,一、膜蛋白存在方式,膜脂双层,跨膜蛋白多肽跨过脂质双层，C末端在浆内，具有N末端酪氨酸蛋白激酶活性；C-端在胞外，常常为带有糖链的受体，能与生长因子结合接收信息。,例如 Na+,K+-ATPase的-亚基,包括视紫红质等和G蛋白偶联的细胞膜受体、细胞色P450等等。,跨膜的离子通道或小分子亲水物的通道如乙酰胆碱受体甘氨酸受体,通过糖基化的磷
10、脂酰肌醇将蛋白猫定于脂质双层的膜中。,膜桥蛋白：17KD的糖蛋白，一端与质膜相联，另一端与胞内激动球蛋白纤丝相联，能介导成核作用。,膜脂双层,膜蛋白在脂双层中的组装模式图,二、膜蛋白功能,膜蛋白 (按存在部位),外周蛋白,嵌入蛋白,嵌入方式 整个分子跨过脂双层部分肽链嵌入脂单层脂蛋白,7080%,2030%,功 能 膜酶 载体 离子泵 受体 细胞骨架 的固着物,膜蛋白与其他蛋白组分上相同，皆由氨基酸组成，只是疏水性氨基酸较多，一般都有一段约30个氨基酸的多肽链插入膜，这些氨基酸残基多数是疏水性的，即非极性氨基酸。,三、膜蛋白的运动,1、在膜的平面作侧向扩散运动，扩散的速度受骨架蛋白的影响。不同
11、的膜蛋白运动的速度不同，这与膜蛋白所处的环境及膜蛋白的功能有密切的关系。,2、沿着膜的平面垂直轴作旋转运动、劈叉式运动。,3、在膜脂双层中作纵向运动，时隐时现。,典型的动物细胞,你能想象到发达的膜系统在生命活动中所起的作用吗？,典型的植物细胞,不同之处植物细胞普遍存在发达的细胞壁，共同之处都存在发达的膜系统。,生物膜有多种功能:,细胞的起源,遗传信息传递,生物能量转换,物质转运,激素作用,神经传导,细胞免疫,细胞识别,细胞分化和增殖,信号传导,近年来生物膜的研究已深入到生物学、医学等各个领域。出现了膜病学(membranopathy)，它已成为分子生物学中最活跃的领域之一。,第四节 生物膜功能
12、,二、物质转运功能,一、保护功能,三、信号转导功能,四、能量转换,五、免疫功能,细胞质膜是内外环境的有机屏障，保护细胞不受或少受外环境因素改变的影响，保存细胞的原有形态和完整性。,细胞间信息传递、神经冲动信息转导、生物遗传信息的传递都通过细胞膜受体、膜上相关功能蛋白才能完成。,光合作用光反应光合磷酸化和线粒体中的氧化磷酸化过程，都是膜功能的真实体现。,易化扩散、帮助转运、主动转运、协同转运等。,二、物质转运功能,易化扩散、帮助转运、主动转运、协同转运等。,物质转运方向,是否需膜蛋白,耗能及形式,转运方式,物质跨膜主要转运方式：,ATP,ADP,+Pi,G,PIP2,K+进通道,K+出通道,K+
13、,K+,Ca2+通道,H+,RE,IP3,DGA,Ca2+,ABA,Ca2+,SV,VK,Ca2+,Vm,pH,液泡,Ca2+,ATP,Ca2+,K+,H+,胞质,阴离子通道,A-,Vm,R,R,植物气孔开放调节,物质在有机体内既需要长距离运输，也需要跨膜转运。转运的物质种类很多，例如有机小分子、离子、生物大分子等。从是否需要载体和消耗能量两个角度划分为简单扩散、易化运输、主动运输。物质运输常常于某个生理过程紧密相关。例如K+、Ga2+、H+离子转运与植物的气孔开放密切相关等。,帮助扩散及其特点:,膜,K+,K+,1.被转运的物质需要载体蛋白帮助通过膜；,2.被转运的物质从膜的高浓度一侧向低浓
14、度侧转运；,3.物质转运过程不需要消耗能量，而靠被转运物质的浓度势差；,K+高浓度侧,K+低浓度侧,载体蛋白,(高势能),(低势能),主动转运及特点：,以Na+,K+-ATPase为例说明。,Na+,K+-ATPase普遍存在于细胞质膜和亚细胞膜中，他的正常运转具有重要生理生化功能，如维持正常膜电位，主动转运等。,ATP,ADP,Pi,H2O,Na+,Na+,Na+,K+,K+,每消耗1分子ATP泵出3个Na+，泵入2个K+离子工作机理:,1.主动转运是酶或载体蛋白通过自身构象变化完成物质从低浓度区向高浓度区的转运过程。,2. 酶或载体蛋白通过催化ATP水解或消耗某种势能促进其构象变化。,Na+,K+-ATPase,内,外,第五节 磷脂分子的运动方式,E,B,F,A,D,C,A：磷脂碳氢链绕C-C键快速旋转；,B：刚性固醇分子的角度运动；,C：磷脂在膜平面快速侧向扩散；,D：随膜蛋白质旋转运动；,E：随膜蛋白质侧向运动；,F：磷脂分子跨双分子层翻转运动不仅很慢，而且需要翻转酶催化。,
