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1、第6章 生物膜与物质运输 Biomembranes and cellular transportation,本章主要内容,1 生物膜的化学组成 2 生物膜的性质和结构 3 物质的跨膜运输,重点与难点：生物膜的性质和结构 物质的跨膜运输,第一节 生物膜的组成,生物膜（biomembranes）:是指细胞的膜系统。 生物膜主要由蛋白质和脂类两大物质组成，含有少量糖、金属离子和水。,一、膜脂(lipid),膜脂,磷脂 糖脂 胆固醇,1、膜脂的种类,甘油磷脂 鞘磷脂,甘油中第1，2位碳原子与脂肪酸酯基相连，第3位碳原子则与磷酸酯基相连。,（1）甘油磷脂（Glycerophospholipids）,（2
2、）鞘磷脂,半乳糖,鞘磷脂,（3）糖脂：鞘糖脂,（4）胆固醇,2、膜脂质的双亲性,亲水的头部(磷酰X)，疏水的尾部（脂肪链），形成脂质的双分子层。,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,极性端,非极性端,二 膜蛋白,生物膜中含有的蛋白质通常称为膜蛋白。根据在膜上的定位，膜蛋白可分为外周蛋白质和内部蛋白质。 它们是受体，酶，抗原，通道和骨架蛋白等。,分布于双层脂膜的外 表层。 与膜的结合比较疏 松，容易从膜上分离出来。 外周蛋白比较亲水， 能溶解于水。,外在蛋白（peripheral protein）,蛋白的部分或全部 嵌在双层脂膜的疏水层 中。 溶于水，且不容易 从膜中分离出来。 主要以-螺旋形式 存在。,内在
3、蛋白（integral protein）,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。 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。,三、膜糖,O-糖肽键连接,N-糖肽键连接,N乙酰半乳糖胺 N乙酰葡萄糖胺,生物膜上各种化学组成之间的关系,一、膜的运动性,1 磷脂分子的运动：分子摆动、旋转运动、侧向运动、垮膜翻转等。,第二节 生物膜的结构特点,2 膜蛋白的运动,膜蛋白的运动: 侧向扩散 旋转扩散,膜的流动性有利于蛋白质的运动； 使膜具有韧性； 细胞自由变形相对运动较慢。,3 膜运动的意义,相变温度是膜脂物理状态互相转变的临界温度。高于相变温度时，膜呈流动的
4、液态，低于相变温度时，膜呈凝固的胶态。,二、膜的流动性与相变,相变温度受膜脂中脂肪酸的组成影响。 烃链短的脂肪酸和不饱和脂肪酸的含量较 高时，膜脂的相变温度较低，膜呈现较好 的流动性。 胆固醇参与膜脂流动性的调节。,三、膜蛋白与膜脂质的相互作用,1 膜上的许多内在蛋白才能维持其构象 和表现出活性。 2 一些膜上的蛋白与多种脂肪酸相连， 后者插入脂双层中，构成含膜脂蛋白。,四 膜蛋白分布不对称,五、流动镶嵌模型,1 组成成分：磷脂、蛋白质、糖类 2 基本支架：磷脂双分子层 3 蛋白质分布：覆盖、镶嵌、贯穿 4 结构特点：具有一定的流动性 5 功能特点：选择透过性,要 点,生物膜的功能 1 保护功
5、能:保持细胞或细胞器形状和完整结构。 2 转运功能：经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。 3 能量转换：呼吸链在线粒体内膜上。 4 信息传递:含有受体和信息传递途径。 5 运动功能:吞噬作用。,维持细胞的容积、形态、渗透压、电解质的浓度，为细胞的生理活动提供适宜的环境。 从环境摄取营养物质，向环境排出代谢废物。,第三节 物质的过膜运输,物质的过膜运输的不同方式,单向转运,同向转运,1 简单扩散（simple diffusion) 小分子与离子由高浓度向穿越细胞膜的自由扩散过程。 特点：由高浓度向低浓度 不需要能量,一、小分子和离子的过膜运输,在膜蛋白的帮助下物质从高浓度侧 向低浓度侧跨膜
6、转运。 特点：由高浓度向低浓度 不需要能量 需通道蛋白或载体蛋白介导,2 促进扩散（facilitated diffusion）,通道蛋白的特点： 处于开放、关闭等不同功能状 态，其通透性变化快。 通道的开放类型,转运通道：载体蛋白和通道蛋白,3 主动运输（active transport）,是物质依赖转运载体、消耗能量并且能够逆浓度梯度进行的过膜转运方式。,特点： 转运载体 消耗能量ATP 能逆浓度梯度,钠钾泵：依赖于Na+-K+ ATPase的转运体系 ，保持细胞内髙钾低钠，细胞外髙钠低钾。,Na+-K+ ATPase的作用机制：构象变化假说,简单扩散、促进扩散、主动运输,简单扩散、促进扩
7、散、主动运输的差异,物质转运,（一）内吞作用：细胞从外界摄入大分子 颗粒，逐渐被质膜的一小部分包裹，然后 内陷，脱落，形成囊泡的过程。 吞噬：细胞摄入不溶颗粒 胞饮：细胞摄入可溶颗粒,二 大分子物质的过膜转运,内吞意图,（二）外排作用（分泌囊泡）,细胞内的物质形成分泌囊泡， 向细胞质膜迁移，与其接触融合， 然后向外释放的过程。,出胞示意图,出泡,(三) 分泌蛋白通过内质网的转运,一 信号分子及其受体 1 细胞信号的分类： （1）生物大分子：蛋白质、糖、核酸的结 构信息 （2）物理信号：电、光、磁 （3）化学信号： 细胞间通讯的信号分子：激素、神 经递质与神经肽、抗体、淋 巴因子。 细胞内通讯的
8、信号分子 ：cAMP, cGMP, Ca2+、IP3、DG、NO。,第四节 信号的过膜传导,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、毒素等）并与 之结合的生物大分子。,2 受体,其特点： 专一性与配体结合。 与配体存在高亲和力。 与配体结合后，可通过第二信使引 发生理效应。,（1）受体的概念,型为DNA转录调节型,（2）受体的分类,I型为配体门通道型：乙酰胆碱受体,型为G-蛋白偶联型：肾上腺素受体,型为酪氨酸激酶型: 生长因子受体,3 信号转导,信号转导（signal transduction） 细胞外信号通过与细胞表面的受体相 互作用转变为胞内信号,并在细胞内传递 的过程称
9、为信号转导。,二、G蛋白偶联型受体系统,（一）G蛋白：是一类和GTP或GDP相结合的细胞膜 外周蛋白。由三个亚基组成。,(1) 定义 G-蛋白是GTP结合蛋白的简称，由 、三个亚基组成。 (2) 分类 兴奋（Gs、Go）型和抑制（Gi）型。,二、G蛋白介导的信号转导系统,（二）信号转导,信号转导:signal transduction 细胞外信号通过与细胞表面的受体相互作用转变为胞内信号,并在细胞内传递的过程称为信号转导。,（三）信号转导中的蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶,蛋白激酶(Protein kinase，PK)：催化蛋白质的含羟基氨基酸(丝苏和酪)的侧链羟基与ATP分子的磷酸基团形成磷酸酯。,
10、蛋白质磷酸酯酶(Protein phosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯键水解而去磷酸化。 细胞内任何一种蛋白质的磷酸化状态是由蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶的两种相反酶活性之间的平衡决定的。,（四）几种蛋白激酶,（一）丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(SerThr PK) 是一大类特异地催化蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化的激酶家族，参与多种信号转导过程。 (二) 酪氨酸蛋白激酶（Tyrosine protein kinase，TPK) 特异地催化蛋白质的酪氨酸残基磷酸化。 蛋白质酪氨酸磷酸化在细胞生长，分化和转化的调节中起重要作用。,PKA：cAMP依赖性蛋白激酶 PKC：Ca2+激活的磷脂依
11、赖性蛋白激酶 CaM-PK：钙调蛋白依赖性蛋白激酶 PKG：cGMP依赖的蛋白激酶 DNA-PK：DNA依赖的蛋白激酶 MAPK ：丝裂原激活的蛋白激酶,（五）G蛋白介导的几种主要的信号通路途径,1 蛋白激酶A(PKA)途径 2 蛋白激酶C(PKC)途径 3 IP3-Ca2/钙调蛋白激酶途径,四个亚基构成的寡聚体。其中有两个亚基为催化亚基，另两个亚基为调节亚基。当调节亚基与cAMP结合后发生变构（每一调节亚基可结合两分子cAMP），与催化亚基解聚，从而激活催化亚基。,1 蛋白激酶A(PKA)途径,配体与受体结合,交换GTP/GDP（G蛋白活化）,结合并激活AC（腺苷酸环化酶）,生成cAMP（第
12、二信使）,激活PKA,发挥生理作用,ATP,cAMP,底物蛋白磷酸化,CREB,N,Pi Pi Pi,转录活化域,DNA结合域,cAMP-蛋白激酶A的信息转导过程,cAMP不断地产生，同时不停地清除，可被磷酸二酯酶（PDE）降解为AMP而失活。,2 蛋白激酶C(PKC)途径,甘油二酯：是该途径的第二信使。当激素与受体结合后经G蛋白转导，激活磷脂酶C，由磷脂酶C将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和DG。,PKC途径：甘油二酯(DG) -蛋白激酶C途径,PIP2,甘油二酯,IP3,DG积累,PKC活化,底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸羟基磷酸化,细胞内的生理效应,短暂的PKC
13、活化,内外分泌腺的分泌、代谢变化,卵磷脂,磷脂酶D,磷脂酸,磷脂酸 磷酸酶,DG持久的PKC活化,Ca2+,细胞的增值、分化,3 IP3-Ca2/钙调蛋白激酶途径,IP3和Ca2+都是它的第二信使。IP3是水溶性的，在膜上水解生成后进入胞液内与内质网上的Ca2+ 门控通道结合，促使内质网中的Ca2+ 释人胞液中，胞内Ca2+ 水平的升高，使Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaM酶)激活，而CaM酶再激活腺苷酸环化酶、 Ca2+Mg2+ATP酶等，产生各种生理效应。 IP3可以被磷酸酶水解去磷酸生成肌醇以终止其第二信使作用。,内质网,钙调节蛋白,Ca2+依赖性信息转导过程,三、酪氨酸蛋白激酶型受
14、体系统,酪氨酸蛋白激酶型受体：本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内侧激酶反应将胞外信号传至胞内。,包括胰岛素、生长激素、细胞因子等多肽类激素和生长因子，通过酪氨酸蛋白激酶型受体系统进行信号传递。,分为三个区域 1胞外区：受体识别 和配体结合。 2跨膜区：高度疏水 -跨膜螺旋。 3胞内区：酪氨酸激 酶催化的区域。,酪氨酸蛋白激酶途径,四、DNA转录调节型受体系统,又称类固醇激素受体,脂溶性的类固醇自由通过细胞膜，与胞内或核类受体发生作用。 多为反式作用因子，与DNA顺式作用元件结合，调节基因转录。,思考题,1 生物膜的结构特点。 2 小分子转运的特点与方式。 3 什么是钠钾泵？ 4 受体和信号转导的概念。 5 G蛋白介导的信号转导途径。,
