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1、 第第6章章 生物膜与物质运输生物膜与物质运输Biomembranes and cellular transportation本章主要内容本章主要内容1 1 生物膜的化学组成生物膜的化学组成2 2 生物膜的性质和结构生物膜的性质和结构3 3 物质的跨膜运输物质的跨膜运输 重点与难点：重点与难点：生物膜的性质和结构生物膜的性质和结构 物质的跨膜运输物质的跨膜运输 第一节第一节 生物膜的组成生物膜的组成 生物膜（生物膜（biomembranes）:是指细胞的是指细胞的膜系统。膜系统。 生物膜主要由生物膜主要由蛋白质和脂类蛋白质和脂类两大物质两大物质组成，含有少量组成，含有少量糖、金属离子和水。糖、
2、金属离子和水。一、膜脂一、膜脂(lipid)(lipid)膜脂膜脂 磷脂磷脂 糖脂糖脂 胆固醇胆固醇1、膜脂的种类膜脂的种类甘油磷脂甘油磷脂鞘磷脂鞘磷脂甘油中第甘油中第1 1，2 2位位碳原子与碳原子与脂肪酸脂肪酸酯酯基相连，第基相连，第3 3位位碳原子则与碳原子则与磷酸磷酸酯基酯基相连。相连。（1）甘油磷脂（）甘油磷脂（Glycerophospholipids）（2）鞘磷脂）鞘磷脂半乳糖半乳糖 鞘磷脂鞘磷脂（3）糖脂：糖脂：鞘糖脂鞘糖脂 （4）胆固醇）胆固醇2 2、膜脂质的双亲性、膜脂质的双亲性 亲水的头部亲水的头部(磷酰磷酰X)，疏水的尾部，疏水的尾部（脂肪链），形成脂质的双分子层。（脂肪
3、链），形成脂质的双分子层。磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）极性端极性端非极性端非极性端二二 膜蛋白膜蛋白 生物膜中含有的蛋白质通常称为膜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，膜蛋白可分蛋白。根据在膜上的定位，膜蛋白可分为为外周蛋白质和内部蛋白质。外周蛋白质和内部蛋白质。 它们是受体，酶，抗原，通道和骨它们是受体，酶，抗原，通道和骨架蛋白等。架蛋白等。 分布于双层脂膜的外分布于双层脂膜的外表层。表层。 与膜的结合比较疏与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。松，容易从膜上分离出来。 外周蛋白比较亲水，外周蛋白比较亲水，能溶解于水。能溶解于水。外在蛋白（外在蛋白（perip
4、heral protein） 蛋白的部分或全部蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层嵌在双层脂膜的疏水层中。中。 溶于水，且不容易溶于水，且不容易从膜中分离出来。从膜中分离出来。 主要以主要以 -螺旋形式螺旋形式存在。存在。 内在蛋白（内在蛋白（integral protein） 生物膜中含有一定的寡糖类物质。生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。结合。 生物膜中的糖类化合物在生物膜中的糖类化合物在信息传信息传递和相互识别方面具有递和相互识别方面具有重重要作用。要作用。三三、膜糖膜糖O-糖肽键连接糖肽键连接N-糖肽键连接糖肽键连接N乙
5、酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺 N乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺生物膜生物膜上各种化学组成之间的关系上各种化学组成之间的关系一、膜的运动性一、膜的运动性 1 1 磷脂分子的运动：分子摆动、旋转磷脂分子的运动：分子摆动、旋转运动、侧向运动、垮膜翻转等。运动、侧向运动、垮膜翻转等。第二节第二节 生物膜的结构特点生物膜的结构特点2 膜蛋白的运动膜蛋白的运动膜蛋白的运动膜蛋白的运动: 侧向扩散侧向扩散 旋转扩散旋转扩散 膜的流动性有利于蛋白质的运动；膜的流动性有利于蛋白质的运动； 使膜具有韧性；使膜具有韧性； 细胞自由变形相对运动较慢。细胞自由变形相对运动较慢。3 膜运动的意义膜运动的意义 相变温度是膜脂物理状态互
6、相转变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，膜呈流动的临界温度。高于相变温度时，膜呈流动的液态，低于相变温度时，膜呈凝固的胶的液态，低于相变温度时，膜呈凝固的胶态。态。 二、膜的流动性与相变二、膜的流动性与相变 相变温度受膜脂中脂肪酸的组成影响。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，膜呈现较好高时，膜脂的相变温度较低，膜呈现较好的流动性。的流动性。 胆固醇参与膜脂流动性的调节。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三、膜蛋白与膜脂质的相互作用1 1 膜上的许多内在
7、蛋白才能维持其构象膜上的许多内在蛋白才能维持其构象 和表现出活性。和表现出活性。2 2 一些膜上的蛋白与多种脂肪酸相连，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。后者插入脂双层中，构成含膜脂蛋白。四四 膜蛋白分布不对称膜蛋白分布不对称脂质双层脂质双层镶嵌蛋白镶嵌蛋白跨膜跨膜蛋白蛋白膜表面膜表面蛋白蛋白五五、流动镶嵌模型流动镶嵌模型1 组成成分：磷脂、蛋白质、糖类组成成分：磷脂、蛋白质、糖类 2 基本支架：磷脂双分子层基本支架：磷脂双分子层 3 蛋白质分布：覆盖、镶嵌、贯穿蛋白质分布：覆盖、镶嵌、贯穿 4 结构特点：具有一定的流动性结构特点：具有一定的流动性 5 功能特
8、点：选择透过性功能特点：选择透过性要要 点点 生物膜的功能生物膜的功能 1 1 保护功能保护功能: :保持细胞或细胞器形状和完整保持细胞或细胞器形状和完整结构。结构。2 2 转运功能：经常与外界进行物质交换以转运功能：经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。维持其正常的功能。3 3 能量转换：呼吸链在线粒体内膜上。能量转换：呼吸链在线粒体内膜上。4 4 信息传递信息传递: :含有受体和信息传递途径。含有受体和信息传递途径。5 5 运动功能运动功能: :吞噬作用。吞噬作用。 维持细胞的容积、形态、渗透压、电维持细胞的容积、形态、渗透压、电解质的浓度，为细胞的生理活动提供适宜解质的浓度，为细胞的
9、生理活动提供适宜的环境。的环境。 从环境摄取营养物质，向环境排出代从环境摄取营养物质，向环境排出代谢废物。谢废物。第三节第三节 物质的过膜运输物质的过膜运输 物质的过膜运输的不同方式物质的过膜运输的不同方式单向转运单向转运同向转运同向转运1 简单扩散（简单扩散（simple diffusion) 小分子与离子由高浓度向穿越小分子与离子由高浓度向穿越细胞膜的自由扩散过程。细胞膜的自由扩散过程。 特点：特点：由高浓度向低浓度由高浓度向低浓度 不需要能量不需要能量 一一、小分子和离子的过膜运输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在膜蛋白的帮助下物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。向低
10、浓度侧跨膜转运。 特点：由高浓度向低浓度特点：由高浓度向低浓度 不需要能量不需要能量 需需通道蛋白通道蛋白或载体蛋白介导或载体蛋白介导2 促进扩散（促进扩散（facilitated diffusion）通道蛋白的特点：通道蛋白的特点： 处于开放、关闭等不同功能状处于开放、关闭等不同功能状态，其通透性变化快。态，其通透性变化快。通道的开放类型通道的开放类型转运通道：转运通道：载体蛋白和通道蛋白载体蛋白和通道蛋白3 主动运输（主动运输（active transport） 是物质依赖转运载体、消耗能量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并且能够逆浓度梯度进行的过膜转运方式。方
11、式。特点：特点：转运载体转运载体消耗能量消耗能量ATPATP能逆浓度梯度能逆浓度梯度 钠钾泵：钠钾泵：依赖于依赖于Na+-K+ ATPase的的转运体系转运体系 ，保持细胞内髙钾低钠，细胞，保持细胞内髙钾低钠，细胞外髙钠低钾。外髙钠低钾。Na+-K+ ATPase的作用机制：构象变化假说的作用机制：构象变化假说简单扩散、促进扩散、主动运输简单扩散、促进扩散、主动运输原因原因方向方向能量能量载体载体简单扩散简单扩散 浓度差浓度差高向低高向低 势能势能无无促进扩散促进扩散 浓度差浓度差高向低高向低 势能势能通道、通道、载体蛋载体蛋白白主动转运主动转运 逆浓度差逆浓度差 低向高低向高 供能供能泵泵简
12、单扩散、促进扩散、主动运输的差异简单扩散、促进扩散、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（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。内陷，脱落，形成囊泡的过程。 吞噬：细胞摄入不溶颗粒吞噬：细胞摄入不溶颗粒 胞饮：细胞摄入可溶颗粒胞饮：细胞摄入可溶颗粒二二 大分子物质的过膜转运大分子物质的过膜转运内吞意图内吞意图（二）外排作用（分泌囊泡）（二）外排作用（分泌囊泡） 细胞内的物质形成分泌囊泡，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，向细胞质膜迁移，与其接触融合，然后向
13、外释放的过程。然后向外释放的过程。出胞出胞示意图示意图出泡出泡(三三) 分泌蛋白通过内质网的转运分泌蛋白通过内质网的转运一一 信号分子及其受体信号分子及其受体1 细胞信号的分类：细胞信号的分类： （1）生物大分子：）生物大分子：蛋白质、糖、核酸的结蛋白质、糖、核酸的结 构信息构信息 （2）物理信号：）物理信号：电、光、磁电、光、磁 （3）化学信号：）化学信号： 细胞间通讯的信号分子：激素、神细胞间通讯的信号分子：激素、神 经递质与神经肽、抗体、淋经递质与神经肽、抗体、淋 巴因子。巴因子。 细胞内通讯的信号分子细胞内通讯的信号分子 ：cAMP, cGMP, Ca2+、IP3、DG、NO。 第四节
14、第四节 信号的过膜传导信号的过膜传导 是指细胞膜上或细胞内能识别生物活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）并与性分子（激素、神经递质、毒素等）并与之结合的生物大分子。之结合的生物大分子。2 受体受体 其特点：其特点： 专一性与配体结合。专一性与配体结合。 与配体存在高亲和力。与配体存在高亲和力。 与配体结合后，可通过第二信使引与配体结合后，可通过第二信使引发生理效应。发生理效应。（1）受体的概念）受体的概念型为型为DNADNA转录调节型转录调节型（2）受体的分类）受体的分类I型为配体门通道型：乙酰胆碱受体型为配体门通道型：乙酰胆碱受体型为型为G-蛋白偶联型：肾上腺素
15、受体蛋白偶联型：肾上腺素受体型为酪氨酸激酶型型为酪氨酸激酶型: 生长因子受体生长因子受体3 信号转导信号转导 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互作用转变为胞内信号,并在细胞内传递并在细胞内传递的过程称为信号转导。的过程称为信号转导。二、二、G G蛋白偶联型受体系统蛋白偶联型受体系统 （一）（一）G G蛋白蛋白：是一类和：是一类和GTPGTP或或GDPGDP相结合的细胞膜相结合的细胞膜 外周蛋白。由外周蛋白。由三个亚基组成。三个亚基组成。 (1) 定义定义 G-蛋白是蛋白是GTP结合
16、蛋白的简称，结合蛋白的简称，由由、三个亚基组成三个亚基组成。 (2) 分类分类 兴奋（兴奋（Gs、Go）型和抑制（）型和抑制（Gi）型。）型。二、二、G G蛋白介导的信号转导系统蛋白介导的信号转导系统（二）信号转导（二）信号转导 信号转导信号转导:signal transduction:signal transduction 细胞外信号通过与细胞表面的受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体相互作用转变为胞内信号, ,并在细胞并在细胞内传递的过程称为信号转导。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（三）信号转导中的蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶磷酸酯酶 蛋蛋白白激激
17、酶酶(Protein (Protein kinasekinase，PK)PK)：催催化化蛋蛋白白质质的的含含羟羟基基氨氨基基酸酸( (丝丝苏苏和和酪酪) )的的侧侧链链羟羟基基与与ATPATP分分子子的的磷磷酸酸基基团团形形成成磷酸酯。磷酸酯。 蛋蛋 白白 质质 磷磷 酸酸 酯酯 酶酶 (Protein phosphatase，PPase)催催化化磷磷酸酸蛋蛋白白的的磷磷酸酯键酸酯键水解而水解而去磷酸化去磷酸化。 细细胞胞内内任任何何一一种种蛋蛋白白质质的的磷磷酸酸化化状状态态是是由由蛋蛋白白激激酶酶和和蛋蛋白白磷磷酸酸酯酯酶酶的的两两种种相反酶活性之间的平衡决定的。相反酶活性之间的平衡决定的
18、。（四）几种蛋白激酶（四）几种蛋白激酶 （一）丝氨酸苏氨酸蛋白激酶（一）丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(SerThr PK) 是是一一大大类类特特异异地地催催化化蛋蛋白白质质的的丝丝氨氨酸酸和和苏苏氨氨酸酸残残基基磷磷酸酸化化的的激激酶酶家家族族，参参与与多多种种信信号号转转导导过过程。程。 (二二) 酪酪氨氨酸酸蛋蛋白白激激酶酶（Tyrosine protein kinase，TPK) 特异地催化蛋白质的特异地催化蛋白质的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸残基磷酸化。 蛋蛋白白质质酪酪氨氨酸酸磷磷酸酸化化在在细细胞胞生生长长，分分化化和和转转化的调节中起重要作用。化的调节中起重要作用。PKAPKA：cAMPcA
19、MP依赖性蛋白激酶依赖性蛋白激酶PKCPKC：Ca2+Ca2+激活的磷脂依赖性蛋白激酶激活的磷脂依赖性蛋白激酶CaMCaM-PK-PK：钙调蛋白依赖性蛋白激酶：钙调蛋白依赖性蛋白激酶PKGPKG：cGMPcGMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶DNA-PKDNA-PK：DNADNA依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶MAPK MAPK ：丝裂原激活的蛋白激酶：丝裂原激活的蛋白激酶（五）（五）G蛋白介导的几种主要的信号蛋白介导的几种主要的信号通路途径通路途径1 1 蛋白激酶蛋白激酶A(PKA)A(PKA)途径途径2 2 蛋白激酶蛋白激酶C(PKC)C(PKC)途径途径3 IP3 IP3 3-Ca-Ca2 2
20、/ /钙调蛋白激酶途径钙调蛋白激酶途径 四四个个亚亚基基构构成成的的寡寡聚聚体体。其其中中有有两两个个亚亚基基为为催催化化亚亚基基，另另两两个个亚亚基基为为调调节节亚亚基基。当当调调节节亚亚基基与与cAMPcAMP结结合合后后发发生生变变构构（每每一一调调节节亚亚基基可可结结合合两两分分子子cAMPcAMP），与与催催化化亚亚基解聚，从而激活催化亚基。基解聚，从而激活催化亚基。1 1 蛋白激酶蛋白激酶A(PKA)A(PKA)途径途径RRCC配体与受体结合配体与受体结合交换交换GTP/GDP（G蛋白活化）蛋白活化）结合并激活结合并激活AC（腺苷酸环化酶）腺苷酸环化酶）生成生成cAMP（第二信使）
21、第二信使）激活激活PKA发挥生理作用发挥生理作用GsACATPcAMPCCRRCC 底物蛋白磷酸化底物蛋白磷酸化RR 2cAMP2cAMPCREBNPi Pi Pi 转录活化域转录活化域DNADNA结合域结合域细胞膜细胞膜核核 膜膜cAMPcAMP- -蛋白激酶蛋白激酶A A的信息转导过程的信息转导过程 cAMP不不断断地地产产生生，同同时时不不停停地地清清除除，可可被被磷磷酸酸二二酯酯酶酶（PDE）降降解为解为AMP而失活。而失活。PPiATPACMg2+cAMP5-AMP 磷酸二酯酶磷酸二酯酶H2OMg2+2 2 蛋白激酶蛋白激酶C C(PKC)(PKC)途径途径甘油二酯：甘油二酯：是该途
22、径的第二信使。当激素是该途径的第二信使。当激素与受体结合后经与受体结合后经G G蛋白转导蛋白转导，激活磷脂酶，激活磷脂酶C C，由，由磷脂酶磷脂酶C C将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(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。PKC途径：途径：甘油二酯甘油二酯(DG) -蛋白激酶蛋白激酶C途径途径PIP2甘油二酯甘油二酯IP3DG积累积累PKC活化活化底物蛋白的丝氨底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸羟基酸和苏氨酸羟基磷酸化磷酸化细胞内的细胞内的生理效应生理效应短暂的短暂的PKC活化活化内外分泌腺内外分泌腺的分泌、代的分泌、代谢变
23、化谢变化卵磷脂卵磷脂磷脂酶磷脂酶D磷脂酸磷脂酸磷脂酸磷脂酸磷酸酶磷酸酶DG持久持久的的PKC活化活化Ca2+细胞的增值、细胞的增值、分化分化DG激酶磷酸化生成磷脂酸激酶磷酸化生成磷脂酸DG脂酶水解为单酰甘油脂酶水解为单酰甘油在脂酰在脂酰CoACoA转移酶的作用下，转移酶的作用下，DGDG与其它与其它脂肪酸合成甘油三脂。脂肪酸合成甘油三脂。 终止终止3 IP3 IP3 3-Ca-Ca2 2/ /钙调蛋白激酶途径钙调蛋白激酶途径 IP3和和Ca2+都是它的第二信使。都是它的第二信使。IP3是水溶性的，是水溶性的，在膜上水解生成后进入胞液内与内质网上的在膜上水解生成后进入胞液内与内质网上的Ca2+
24、门控通道结合门控通道结合，促使内质网中的，促使内质网中的Ca2+ 释人胞液中，释人胞液中，胞内胞内Ca2+ 水平的升高水平的升高，使，使Ca2+钙调蛋白依赖性钙调蛋白依赖性蛋白激酶蛋白激酶(CaM酶酶)激活，而激活，而CaM酶酶再激活腺苷酸再激活腺苷酸环化酶、环化酶、 Ca2+Mg2+ATP酶等，酶等，产生各种生理效产生各种生理效应。应。 IP3可以被磷酸酶水解去磷酸生成肌醇以终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。止其第二信使作用。内质网内质网钙调节蛋白钙调节蛋白 CaCa2+2+依赖性信息转导过程依赖性信息转导过程酶蛋白磷酸化酶蛋白磷酸化物质代谢改变物质代谢改变离子通道蛋白磷
25、酸化离子通道蛋白磷酸化膜通透性改变膜通透性改变信息转导蛋白磷酸化信息转导蛋白磷酸化信息传递改变信息传递改变转录因子磷酸化转录因子磷酸化基因表达改变基因表达改变H + RGpPLCPIP2DAGIP3PKC内质网内质网IP3受体受体胞液胞液Ca2+CaMCaMPK靶酶靶酶/蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化生理效应生理效应TPK的的磷酸化磷酸化PS三、酪氨酸蛋白激酶型受体系统三、酪氨酸蛋白激酶型受体系统 酪氨酸蛋白激酶型受体：酪氨酸蛋白激酶型受体：本身是本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外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
26、至胞内。激酶反应将胞外信号传至胞内。 包括胰岛素、生长激素、细胞包括胰岛素、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过酪氨酸蛋白激酶型受体系统进行信号传递。信号传递。 分为分为三个区域三个区域1胞外区：受体识别胞外区：受体识别 和配体结合。和配体结合。2跨膜区：高度疏水跨膜区：高度疏水 -跨膜螺旋。跨膜螺旋。3胞内区：酪氨酸激胞内区：酪氨酸激 酶催化的区域。酶催化的区域。酪氨酸蛋白激酶途径酪氨酸蛋白激酶途径四、四、DNADNA转录调节型受体系统转录调节型受体系统 又称类固醇激素受体又称类固醇激素受体, ,脂溶性的类脂溶性的类固醇自由通过细胞膜，与胞内或核类受固醇自由通过细胞膜，与胞内或核类受体发生作用。体发生作用。 多为反式作用因子，与多为反式作用因子，与DNADNA顺式作顺式作用元件结合，调节基因转录。用元件结合，调节基因转录。思考题思考题1 1 生物膜的结构特点。生物膜的结构特点。2 2 小分子转运的特点与方式。小分子转运的特点与方式。3 3 什么是钠钾泵？什么是钠钾泵？4 4 受体和信号转导的概念。受体和信号转导的概念。5 G5 G蛋白介导的信号转导途径。蛋白介导的信号转导途径。
