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1、第四章第四章 生物膜的结构与功能生物膜的结构与功能第一节第一节 生物膜化学组成和结构生物膜化学组成和结构第二节第二节 生物膜的功能生物膜的功能 主要内容：本章主要介绍生物膜的化学组主要内容：本章主要介绍生物膜的化学组成和结构特点以及生物膜的结构与功能的关系。成和结构特点以及生物膜的结构与功能的关系。重点讨论生物膜的物质运输功能，对能量转换重点讨论生物膜的物质运输功能，对能量转换功能和信号转导功能作一般介绍。功能和信号转导功能作一般介绍。 第一节第一节 生物膜的化学组成和结构生物膜的化学组成和结构一、生物膜的一、生物膜的组成组成二、生物膜的二、生物膜的结构和特点结构和特点生物的基本结构单位和功能
2、单位是细胞，任何细胞生物的基本结构单位和功能单位是细胞，任何细胞生物的基本结构单位和功能单位是细胞，任何细胞生物的基本结构单位和功能单位是细胞，任何细胞都有一层膜将细胞和环境隔开，这层膜就是细胞质膜，都有一层膜将细胞和环境隔开，这层膜就是细胞质膜，都有一层膜将细胞和环境隔开，这层膜就是细胞质膜，都有一层膜将细胞和环境隔开，这层膜就是细胞质膜，起着调节和维持内环境相对稳定的作用，真核细胞的亚起着调节和维持内环境相对稳定的作用，真核细胞的亚起着调节和维持内环境相对稳定的作用，真核细胞的亚起着调节和维持内环境相对稳定的作用，真核细胞的亚细胞结构也具有类似的膜系统。细胞结构也具有类似的膜系统。细胞结构
3、也具有类似的膜系统。细胞结构也具有类似的膜系统。生物膜是以脂类、蛋白质、糖类为主体形成的大分生物膜是以脂类、蛋白质、糖类为主体形成的大分生物膜是以脂类、蛋白质、糖类为主体形成的大分生物膜是以脂类、蛋白质、糖类为主体形成的大分子复合物，生物膜组成上的差异与其功能密切相关。子复合物，生物膜组成上的差异与其功能密切相关。子复合物，生物膜组成上的差异与其功能密切相关。子复合物，生物膜组成上的差异与其功能密切相关。一、生物膜的组成一、生物膜的组成1 1、膜脂、膜脂 磷脂磷脂、类固醇类固醇、糖脂糖脂2 2、膜蛋白膜蛋白 外周蛋白、内在蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂、脂锚定蛋白锚定蛋白3 3、膜糖膜糖 细胞表面
4、天线细胞表面天线二、生物膜的结构特点和模型二、生物膜的结构特点和模型1 1、生物膜的、生物膜的结构特点结构特点2 2、生物膜的结构模型、生物膜的结构模型 流动镶嵌模型流动镶嵌模型（19721972年）年） 板块镶嵌模型板块镶嵌模型（19771977年）年）X甘油甘油磷脂结构磷脂结构磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine )X=磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine )X=磷脂酰甘油磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol )X=双磷脂酰甘油双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol )X=磷脂酰肌醇磷脂酰肌
5、醇(Phosphatidylinositol )X=磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine )X=鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine )鞘磷脂鞘磷脂(Sphingomyelin )磷磷酸酸胆胆碱碱神经酰胺神经酰胺部分部分鞘鞘磷脂结构的组成和结构磷脂结构的组成和结构神经酰胺神经酰胺(Ceramide )脂肪酸脂肪酸部分部分鞘氨醇部分鞘氨醇部分胆固醇胆固醇(Cholesterol )（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲） 胆固醇的羟基与磷脂胆固醇的羟基与磷脂胆固醇的羟基与磷脂胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多极性头相连系，环戊烷多极性头相连系，
6、环戊烷多极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其氢菲的四个环状结构及其氢菲的四个环状结构及其氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏连接的三个烃链与磷脂疏连接的三个烃链与磷脂疏连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。胆固醇水尾巴平行排列。胆固醇水尾巴平行排列。胆固醇水尾巴平行排列。胆固醇一方面提高膜的刚性和微一方面提高膜的刚性和微一方面提高膜的刚性和微一方面提高膜的刚性和微粘度，另方面它的烃链固粘度，另方面它的烃链固粘度，另方面它的烃链固粘度，另方面它的烃链固有的运动性又又能增加膜有的运动性又又能增加膜有的运动性又又能增加膜有的运动性又又能增加膜的微区的无序性，使膜流的微区的无序性，使膜
7、流的微区的无序性，使膜流的微区的无序性，使膜流动性增加。这种双向调整动性增加。这种双向调整动性增加。这种双向调整动性增加。这种双向调整和稳定作用使生物膜在较和稳定作用使生物膜在较和稳定作用使生物膜在较和稳定作用使生物膜在较高温度范围高温度范围高温度范围高温度范围(30(3040400 0C C) )内内内内行使功能。行使功能。行使功能。行使功能。一种鞘糖脂一种鞘糖脂神经节苷脂的结构神经节苷脂的结构D-D-半乳糖半乳糖GM1GM2GM3N-N-乙酰乙酰-D-D-半乳糖半乳糖D-D-半乳糖半乳糖D-D-葡萄糖葡萄糖N-N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸硬脂酸硬脂酸鞘氨醇鞘氨醇膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要
8、形式膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜脂膜脂双层双层胞液胞液 内在蛋白内在蛋白： - -螺旋螺旋横穿双脂层，整合于脂双层结构之中横穿双脂层，整合于脂双层结构之中锚定蛋白锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图肌动蛋白肌动蛋白 (Act
9、in)蛋白质蛋白质4.1 (Protein4.1)血影蛋白血影蛋白(Spectrin)带带3蛋白蛋白(Band 3)糖蛋白糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白血型蛋白(Glycophorin)糖链糖链 生物膜的结构特征生物膜的结构特征 膜膜膜膜脂双层脂双层脂双层脂双层的形成和的形成和的形成和的形成和优势；优势；优势；优势； 膜脂和蛋白分布具膜脂和蛋白分布具膜脂和蛋白分布具膜脂和蛋白分布具有有有有不对称分布不对称分布不对称分布不对称分布； 是由脂质和蛋白质是由脂质和蛋白质是由脂质和蛋白质是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流分子按二维排列的流分子按二维排列的流分子按二维排列的流体，具有体，具有体，具有
10、体，具有流动性流动性流动性流动性。磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势双层微囊双层微囊水水空气空气微团微团单体单体单层单层 脂双层没有疏水的侧面边界，但内部是疏水的，因此此种结构不脂双层没有疏水的侧面边界，但内部是疏水的，因此此种结构不脂双层没有疏水的侧面边界，但内部是疏水的，因此此种结构不脂双层没有疏水的侧面边界，但内部是疏水的，因此此种结构不仅在水环境中获得最大的稳定性，同时也是亲水物质进出的屏障。仅在水环境中获得最大的稳定性，同时也是亲水物质进出的屏障。仅在水环境中获得最大的稳定性，同时也是亲水物质进出的屏障。仅在水环境中获得最大的稳定性，同时也是亲水物质
11、进出的屏障。 膜脂分子间除疏水键外，还形成各种次级键，使得生物膜不仅具膜脂分子间除疏水键外，还形成各种次级键，使得生物膜不仅具膜脂分子间除疏水键外，还形成各种次级键，使得生物膜不仅具膜脂分子间除疏水键外，还形成各种次级键，使得生物膜不仅具有热力学稳定性，同时可以自动组装，自动修复。有热力学稳定性，同时可以自动组装，自动修复。有热力学稳定性，同时可以自动组装，自动修复。有热力学稳定性，同时可以自动组装，自动修复。细胞膜脂双层结构细胞膜脂双层结构（Bilyer）5 5 6nm6nm低聚寡糖链低聚寡糖链跨膜糖蛋白跨膜糖蛋白脂双层脂双层糖被糖被糖残基糖残基唾液酸唾液酸糖脂糖脂细胞外壳（糖萼）示意图细胞
12、外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）脂、胆固醇）人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布占占占占总总总总量量量量的的的的百百百百分分分分比比比比5050252550502525外层外层外层外层内层内层内层内层膜脂总量膜脂总量膜脂总量膜脂总量鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺膜脂的相变温度膜脂的相变温度相变温度相变温度相变温度相变温度（TcTc）凝胶态凝胶态凝胶态凝胶态液晶态液晶态液晶态液晶态TTTTcTc相变温度
13、相变温度相变温度相变温度（TcTc）磷脂分子运动的几种方式磷脂分子运动的几种方式侧向移动侧向移动全反式、偏转构型全反式、偏转构型旋转异构化运动旋转异构化运动翻转运动翻转运动摆动摆动 、扭动、扭动膜脂的流动性与膜脂组成的关系膜脂的流动性与膜脂组成的关系膜脂中以饱和脂肪酸为主膜脂中以饱和脂肪酸为主膜脂中以饱和脂肪酸为主膜脂中以饱和脂肪酸为主 膜的流动性主要取决于磷脂中脂肪酸的组成，饱和脂肪酸膜的流动性主要取决于磷脂中脂肪酸的组成，饱和脂肪酸膜的流动性主要取决于磷脂中脂肪酸的组成，饱和脂肪酸膜的流动性主要取决于磷脂中脂肪酸的组成，饱和脂肪酸碳氢链伸直变硬有利于它们之间相互作用而紧密排列，使膜的碳氢链
14、伸直变硬有利于它们之间相互作用而紧密排列，使膜的碳氢链伸直变硬有利于它们之间相互作用而紧密排列，使膜的碳氢链伸直变硬有利于它们之间相互作用而紧密排列，使膜的刚性增大；不饱和脂肪酸存在时碳氢链弯曲而扭曲，加大对相刚性增大；不饱和脂肪酸存在时碳氢链弯曲而扭曲，加大对相刚性增大；不饱和脂肪酸存在时碳氢链弯曲而扭曲，加大对相刚性增大；不饱和脂肪酸存在时碳氢链弯曲而扭曲，加大对相邻磷脂分子的侧向压力，导致膜的流动性增加。邻磷脂分子的侧向压力，导致膜的流动性增加。邻磷脂分子的侧向压力，导致膜的流动性增加。邻磷脂分子的侧向压力，导致膜的流动性增加。 膜脂中有不饱和脂肪酸时膜脂中有不饱和脂肪酸时膜脂中有不饱和
15、脂肪酸时膜脂中有不饱和脂肪酸时 膜脂膜脂膜脂膜脂 的流动性随脂肪链双键数目和长度变化而变化，细胞的流动性随脂肪链双键数目和长度变化而变化，细胞的流动性随脂肪链双键数目和长度变化而变化，细胞的流动性随脂肪链双键数目和长度变化而变化，细胞通过控制它们的膜脂组成以维持膜的通过控制它们的膜脂组成以维持膜的通过控制它们的膜脂组成以维持膜的通过控制它们的膜脂组成以维持膜的流动性以适应环境变化流动性以适应环境变化流动性以适应环境变化流动性以适应环境变化。不同培养条件下不同培养条件下E.coli细胞中脂肪酸组成情况细胞中脂肪酸组成情况占总脂肪酸含量（占总脂肪酸含量（占总脂肪酸含量（占总脂肪酸含量（%） 10
16、100 0C 20C 200 0C 30C 300 0C 40C 400 0C C肉豆蔻酸肉豆蔻酸肉豆蔻酸肉豆蔻酸(14:0)(14:0)MyristicMyristic acid acid棕榈酸棕榈酸棕榈酸棕榈酸(16:0)(16:0)PalmiticPalmitic acid acid棕榈油酸棕榈油酸棕榈油酸棕榈油酸(16:1)(16:1)PalmiticPalmitic acid acid油酸油酸油酸油酸(18:1)(18:1)Oleic acidOleic acid羟基肉豆蔻酸羟基肉豆蔻酸羟基肉豆蔻酸羟基肉豆蔻酸hydroxymyristichydroxymyristic acidac
17、id不饱和脂肪酸：饱和脂肪酸不饱和脂肪酸：饱和脂肪酸不饱和脂肪酸：饱和脂肪酸不饱和脂肪酸：饱和脂肪酸 4 4 4 8 4 4 4 8 18 25 29 48 18 25 29 48 26 24 23 9 26 24 23 9 38 34 30 12 38 34 30 12 13 10 13 10 1010 8 8 2.9 2.0 1.6 0.362.9 2.0 1.6 0.36脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 Fryt Edidin细胞膜融合证明膜细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图蛋白运动示意图（1970年）年）发红光硷性蕊香发红光硷性蕊香红标记的人细胞红标记的人细胞膜蛋白抗体膜蛋白抗体发绿光荧光素发绿光
18、荧光素标记的小鼠细标记的小鼠细胞膜蛋白抗体胞膜蛋白抗体小鼠细胞小鼠细胞人细胞人细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白细胞融合细胞融合杂合细胞杂合细胞37370 0培育培育4040分钟以后分钟以后膜蛋白被膜蛋白被标记细胞标记细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白证明膜蛋白运动性的新方法证明膜蛋白运动性的新方法光致漂白荧光恢复法光致漂白荧光恢复法光致漂白荧光恢复法光致漂白荧光恢复法(Fluorescence (Fluorescence PhotibleachingPhotibleaching RecorevyRecorevy，FPR)FPR) 用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜
19、上某一微区内结合有用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复，荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复，荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复，荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复，说明由于膜蛋白的运动性，其他部位的膜蛋白进入到该区。说明由于膜蛋白的运动性，其他部位的膜蛋白进入到该区。说明由于膜蛋白的运动性，其他部位的膜蛋白进入到该区。说明由于膜蛋白的运动性，其他部位的膜蛋白进入到该区。Singer Nicolson的的流动镶嵌模型流动镶嵌模型
20、(1972)（外侧）（外侧）（外侧）（外侧）（内侧）（内侧）（内侧）（内侧）糖蛋白分子糖蛋白分子糖蛋白分子糖蛋白分子中的寡糖链中的寡糖链中的寡糖链中的寡糖链脂脂脂脂双双双双层层层层甾醇类甾醇类甾醇类甾醇类外周蛋白通外周蛋白通外周蛋白通外周蛋白通过共价连系过共价连系过共价连系过共价连系与脂类连接与脂类连接与脂类连接与脂类连接有多个跨膜螺有多个跨膜螺有多个跨膜螺有多个跨膜螺旋的内嵌蛋白旋的内嵌蛋白旋的内嵌蛋白旋的内嵌蛋白有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋的内嵌蛋白的内嵌蛋白的内嵌蛋白的内嵌蛋白外周蛋白外周蛋白外周蛋白外周蛋白磷脂极磷脂极磷脂极磷脂极性头部性头部性头部性头部脂脂脂脂酰酰
21、酰酰链链链链糖脂糖脂糖脂糖脂Jain White的的板块镶嵌模型板块镶嵌模型(1977) Jain Jain WhiteWhite提出的板块镶嵌模型对流动镶嵌提出的板块镶嵌模型对流动镶嵌提出的板块镶嵌模型对流动镶嵌提出的板块镶嵌模型对流动镶嵌模型进行了修正和改进。该模型认为，在以脂双层模型进行了修正和改进。该模型认为，在以脂双层模型进行了修正和改进。该模型认为，在以脂双层模型进行了修正和改进。该模型认为，在以脂双层为骨架的生物膜中，膜蛋白、膜脂以及膜内外物质为骨架的生物膜中，膜蛋白、膜脂以及膜内外物质为骨架的生物膜中，膜蛋白、膜脂以及膜内外物质为骨架的生物膜中，膜蛋白、膜脂以及膜内外物质存在一
22、些特殊的相互作用，整个膜由组织结构、性存在一些特殊的相互作用，整个膜由组织结构、性存在一些特殊的相互作用，整个膜由组织结构、性存在一些特殊的相互作用，整个膜由组织结构、性质、大小和流动性不同的板块组成，即生物膜是具质、大小和流动性不同的板块组成，即生物膜是具质、大小和流动性不同的板块组成，即生物膜是具质、大小和流动性不同的板块组成，即生物膜是具有不同流动性的板块相间隔的动态结构。有不同流动性的板块相间隔的动态结构。有不同流动性的板块相间隔的动态结构。有不同流动性的板块相间隔的动态结构。 板块镶嵌模型主要强调了生物膜结构和功能的板块镶嵌模型主要强调了生物膜结构和功能的板块镶嵌模型主要强调了生物膜
23、结构和功能的板块镶嵌模型主要强调了生物膜结构和功能的区域化。区域化。区域化。区域化。第第二二节节 生物膜功能生物膜功能 细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞基本理论问题和一些亟
24、待解决的实际问题密切相关，如细胞基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能
25、可以毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以概括为以下几个方面：概括为以下几个方面：概括为以下几个方面：概括为以下几个方面：一、一、一、一、区域化或房室化区域化或房室化区域化或房室化区域化或房室化（compartmemtalizationcompartmemtalizationcompartmemtalizationcompartmemtalization）二、二、二、二、物质的跨膜运输物质的跨膜运输物质的跨膜运输物质的跨膜运输（transporttransporttranspo
26、rttransport）三、三、三、三、能量转换能量转换能量转换能量转换（energy conversionenergy conversionenergy conversionenergy conversion）四、四、四、四、细胞识别和跨膜信号转导细胞识别和跨膜信号转导细胞识别和跨膜信号转导细胞识别和跨膜信号转导（signal signal signal signal transducgtiontransducgtiontransducgtiontransducgtion）细胞膜结构对代谢途细胞膜结构对代谢途径的分隔控制调节径的分隔控制调节 控制跨膜离子浓度梯控制跨膜离子浓度梯 度和电化梯度
27、度和电化梯度 控制细胞和细胞器物控制细胞和细胞器物 质运输质运输 内膜系统对代谢途径内膜系统对代谢途径 的分隔作用的分隔作用 通过通过膜与酶的可逆结膜与酶的可逆结合来调节酶活性合来调节酶活性被动运输和主动运输被动运输和主动运输二、生物膜的物质运输功能二、生物膜的物质运输功能 1 1、主动运输和被动运输主动运输和被动运输的概念的概念2 2、转运蛋白介导的跨膜运输转运蛋白介导的跨膜运输3 3、小分子物质的跨膜主动运输小分子物质的跨膜主动运输4 4、大分子的跨膜运输大分子的跨膜运输被动运输和主动运输被动运输和主动运输被动运送被动运送（Passive transportPassive transpor
28、t） 物物质质从从高高浓浓度度一一侧侧通通过过膜膜运运送送到到低低浓浓度度一一侧侧，即即顺顺浓浓度度梯梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输度的方向跨膜运送的过程称被动运输 。在该过程中在该过程中G0G0ZFV0主动运输的特点：主动运输的特点： 需提供能量需提供能量 专一性专一性 饱和性饱和性 方向性方向性 可被选择性抑制可被选择性抑制一级主动转运一级主动转运(a)(a)和二级主动转运和二级主动转运(b)(b)XXXXS SS SXXXXATPATPADP+PiADP+PiATPATPADP+PiADP+Pi(a) (b)(a) (b)例例例例1 1 1 1：Na+.K+-ATPase例例例例2
29、2：小肠上皮细胞小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖模型主动摄取葡萄糖模型NaNa+.+.K K+ +-ATPase-ATPase的亚基结的亚基结构及其在膜上定位构及其在膜上定位高高 K K+ + ，低，低NaNa+ + 低低 K K+ + ，高，高NaNa+ + K K+ +K K+ +NaNa+ +NaNa+ +运送过程运送过程运送过程运送过程需需需需ATPATPATPATP提供能量提供能量提供能量提供能量NaNa+ +- K- K+ +- - ATPaseATPase的作用模型的作用模型细胞外细胞外细胞外细胞外细胞质细胞质细胞质细胞质1. 1. 细胞质中细胞质中细胞质中细胞质中3 3个个个个NaN
30、a+ +结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露的的的的NaNa+ +结合部位结合部位结合部位结合部位 ATPATPADPADP HH2 2OO 细胞外细胞外细胞外细胞外细胞质细胞质细胞质细胞质3Na3Na+ +2K2K+ +2. 2. 酶分子中酶分子中酶分子中酶分子中AspAsp残基磷残基磷残基磷残基磷酸化诱导构象改变，导酸化诱导构象改变，导酸化诱导构象改变，导酸化诱导构象改变，导致致致致NaNa+ +释放到胞外释放到胞外释放到胞外释放到胞外4. 4.当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化后构象发生改变，后构象发生改变，后构象发生改变，后构象发生改变
31、，将将将将KK+ +释放到胞内释放到胞内释放到胞内释放到胞内3. 3. 细外细外细外细外2 2个个个个KK+ +结合到酶结合到酶结合到酶结合到酶分上暴露的分上暴露的分上暴露的分上暴露的KK+ +结合部位结合部位结合部位结合部位5. 5. 3 3个个个个NaNa+ +结合部位结合部位结合部位结合部位重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮转运过程开始转运过程开始转运过程开始转运过程开始NaNa+ +小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型顶端面顶端面顶端面顶端面葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖基底面基底面基底面基底面血液血液血液血液肠腔肠腔肠腔肠腔上皮细胞
32、上皮细胞上皮细胞上皮细胞葡萄糖单向转葡萄糖单向转葡萄糖单向转葡萄糖单向转运蛋白运蛋白运蛋白运蛋白GluTGluT2 2葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖NaNa+ +- -葡萄糖同葡萄糖同葡萄糖同葡萄糖同向转运蛋白向转运蛋白向转运蛋白向转运蛋白微绒毛微绒毛微绒毛微绒毛2Na2Na+ +3Na3Na+ +2K2K+ +NaNa+ +KK+ +ATPaseATPase2Na2Na+ +outout+ +葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖out out 2Na2Na+ +in in + +葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖ininE.ColiE.Coli细胞摄取乳糖的模型细胞摄取乳糖的模型半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷转运蛋白
33、转运蛋白转运蛋白转运蛋白质子泵，可质子泵，可质子泵，可质子泵，可被被被被CNCN- -抑制抑制抑制抑制胞内乳糖胞内乳糖胞内乳糖胞内乳糖燃料燃料燃料燃料分子分子分子分子COCO2 2HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +HH+ +- - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +胞外乳糖胞外乳糖胞外乳糖胞外乳糖HH+ +由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的重要性，任由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的重要性，任由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的重要性，任由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的
34、重要性，任何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的。一些何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的。一些何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的。一些何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的。一些抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的。抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的。抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的。抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的。转转运运蛋蛋白白介介导导的的跨跨膜膜转转运运S SA(A(外外外外) )单向转运单向转运单向转运单向转运同向转运同向转运同向转运同向转运反向转运反向转运反向转运反向转运A(A(内内内内) )A(A(外外外外) )A(A(内
35、内内内) )B(B(外外外外) )B(B(内内内内) )A(A(外外外外) )A(A(内内内内) )B(B(外外外外) )B(B(内内内内) )协协协协同同同同转转转转运运运运胞吞过程示意图胞吞过程示意图 大分子物质如多糖、蛋白质、多核苷酸及颗粒物大分子物质如多糖、蛋白质、多核苷酸及颗粒物大分子物质如多糖、蛋白质、多核苷酸及颗粒物大分子物质如多糖、蛋白质、多核苷酸及颗粒物质可通过和膜一起移动来进出细胞膜，进入细胞的过质可通过和膜一起移动来进出细胞膜，进入细胞的过质可通过和膜一起移动来进出细胞膜，进入细胞的过质可通过和膜一起移动来进出细胞膜，进入细胞的过程称为胞吞作用程称为胞吞作用程称为胞吞作用
36、程称为胞吞作用( (endocytosisendocytosis) )，排除的过程叫做胞排除的过程叫做胞排除的过程叫做胞排除的过程叫做胞吐作用吐作用吐作用吐作用(ex0cytosis)(ex0cytosis)。细胞外细胞外细胞外细胞外空间空间空间空间细胞质细胞质细胞质细胞质分泌蛋白质的合成和胞吐作用分泌蛋白质的合成和胞吐作用内质网内质网高尔基体高尔基体运输小泡运输小泡运输小泡运输小泡泡泡融入质融入质膜膜核糖体核糖体芽泡芽泡信号肽假说简图信号肽假说简图SRP循环循环内质网腔内质网腔信号肽酶信号肽酶核糖体循环核糖体循环mRNA5capAAAA(A)n3SRP信号肽序列信号肽序列SRP受体受体核糖体
37、受体核糖体受体多肽转位多肽转位复合物复合物GDP+Pi细胞质细胞质SRP(signal recognition SRP(signal recognition paticlepaticle) ) ：信号识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的中分解
38、成共同的中间产物间产物乙酰乙酰CoA 共同中间物进入三共同中间物进入三羧酸循环羧酸循环,氧化脱下氧化脱下的氢由电子传递链的氢由电子传递链传递生成传递生成H2O，释释放出大量能量，其放出大量能量，其中一部分通过磷酸中一部分通过磷酸化储存在化储存在ATP中。中。大分子降解成大分子降解成基本结构单位基本结构单位 生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段线粒体内膜是能线粒体内膜是能线粒体内膜是能线粒体内膜是能量转化的场所量转化的场所量转化的场所量转化的场所化学渗透假说化学渗透假说模型模型线粒体线粒体外间隙外间隙基质基质琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸ADP+PiATPNADH+H+ NAD+4H+2H+4H+
39、内侧呈碱内侧呈碱性性pHpH产生产生化学能化学能质子迁移质子迁移驱动驱动ATPATP合成合成内侧呈负内侧呈负电性产生电性产生电极电势电极电势线粒体线粒体线粒体线粒体外膜外膜外膜外膜线粒体线粒体线粒体线粒体内膜内膜内膜内膜HH+ +HH+ +细胞识别的基本类型细胞识别的基本类型对游离的大、对游离的大、对游离的大、对游离的大、小分子的识别小分子的识别小分子的识别小分子的识别细胞细胞细胞细胞细胞细胞细胞细胞间的识别间的识别间的识别间的识别神经递质神经递质神经递质神经递质激素、细胞因子激素、细胞因子激素、细胞因子激素、细胞因子抗原抗原抗原抗原药物药物药物药物有害物质有害物质有害物质有害物质其它其它其它
40、其它异种异种异种异种( ( ( (异体异体异体异体) ) ) )同类同类同类同类细胞间的识别细胞间的识别细胞间的识别细胞间的识别输血输血输血输血器官移植器官移植器官移植器官移植异种异类细异种异类细异种异类细异种异类细胞间的识别胞间的识别胞间的识别胞间的识别细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染固氮菌对寄生植物的感染固氮菌对寄生植物的感染固氮菌对寄生植物的感染固氮菌对寄生植物的感染各种共生寄生过程各种共生寄生过程各种共生寄生过程各种共生寄生过程同种异类细同种异类细同种异类细同种异类细胞间的识别胞间的识别胞间的识别胞间的识别单细胞生物的结合单细胞生物的结合单细胞生
41、物的结合单细胞生物的结合动物的受精过程动物的受精过程动物的受精过程动物的受精过程植物的受精、受粉过程植物的受精、受粉过程植物的受精、受粉过程植物的受精、受粉过程免疫细胞的作用免疫细胞的作用免疫细胞的作用免疫细胞的作用同种同类细同种同类细同种同类细同种同类细胞间的识别胞间的识别胞间的识别胞间的识别低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集细胞间通过质细胞间通过质细胞间通过质细胞间通过质膜上的糖蛋白膜上的糖蛋白膜上的糖
42、蛋白膜上的糖蛋白相互识别相互识别相互识别相互识别细胞可通过细胞可通过细胞可通过细胞可通过跨跨跨跨膜信号转导膜信号转导膜信号转导膜信号转导接接接接受胞外信息受胞外信息受胞外信息受胞外信息什么是细胞信号转导？什么是细胞信号转导？ 细细胞胞信信号号转转导导（signal signal transducgtiontransducgtion）是是指指细细胞胞受受到到外外刺刺激激或或胞胞间间信信号号分分子子作作用用于于质质膜膜（或或胞胞内内）受受体体后后，跨跨膜膜在在胞胞内内形形成成信信号号，其其后后经经胞胞内内信信息息分分子子级级联联传传递递，生生物物信信号号逐逐渐渐放放大大，引引起起基基因因表表达和代
43、谢反应变化。达和代谢反应变化。 鉴鉴于于细细胞胞信信号号转转导导与与代代谢谢和和基基因因表表达达调调控控、细细胞胞免免疫疫、生生长长发发育育、细细胞胞的的分分裂裂、分分化化、转转化化、增增殖殖等等重重要要的的生生命命活活动动有有着着十十分分密密切切的的联联系系，已已成成为为解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。细胞信号跨膜转导基本模型细胞信号跨膜转导基本模型 各种刺激各种刺激 胞间信号胞间信号（第一信使）（第一信使） 失活的信号失活的信号分子分子 膜表面膜表面受体受体 cAMPcAMP或或IPIP3 3、DGDG （第二信使）第二信使）生理反应生理反应
44、细胞膜细胞膜细胞细胞质质胞内胞内受体受体基因表达基因表达调控调控细细胞胞表表面面受受体体的的三三种种类类型型C.C.C.C.具有酶活性受体具有酶活性受体具有酶活性受体具有酶活性受体配体配体配体配体无活性状态无活性状态无活性状态无活性状态活化状态活化状态活化状态活化状态A.A.A.A.离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体B.GB.GB.GB.G蛋白偶联型受体蛋白偶联型受体蛋白偶联型受体蛋白偶联型受体靶酶或离靶酶或离靶酶或离靶酶或离子通道子通道子通道子通道活化的靶酶活化的靶酶活化的靶酶活化的靶酶或离子通道或离子通道或离子通道或离子通道配体配体配体配体G-G-蛋白蛋白蛋白蛋白活化
45、的活化的活化的活化的G-G-蛋白蛋白蛋白蛋白离子离子离子离子配体配体配体配体异三聚体异三聚体G G蛋白蛋白的结构的结构靶酶靶酶靶酶靶酶生理效应生理效应生理效应生理效应G G蛋白介导的跨膜信号途径蛋白介导的跨膜信号途径第二信使第二信使第二信使第二信使cAMPcAMP- -蛋白激酶介导的信号传递示意图蛋白激酶介导的信号传递示意图 ATP cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性蛋白激酶（无活性）c+RcAMP蛋白激酶蛋白激酶（有活性）（有活性）受体受体腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶配体配体G G蛋白蛋白c
46、AMP激活蛋白激活蛋白激酶的作用机理激酶的作用机理肾上腺素调肾上腺素调节糖原分解节糖原分解 由于由于酶的共价酶的共价修饰反应是酶促修饰反应是酶促反应，只要有少反应，只要有少量信号分子（如量信号分子（如激素）存在，即激素）存在，即可通过加速这种可通过加速这种酶促反应，而使酶促反应，而使大量的另一种酶大量的另一种酶发生化学修饰，发生化学修饰，从而获得放大效从而获得放大效应。这种调节方应。这种调节方式快速、效率极式快速、效率极高。高。肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1 1、腺苷酸环化、腺苷酸环化酶（无活性）酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPRcAMP3 3
47、、蛋白激酶、蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（活性）4 4、磷酸化酶激、磷酸化酶激酶（无活性）酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5 5、磷酸化酶、磷酸化酶 b（无活性）无活性）磷酸化酶磷酸化酶 a（活性）活性）6、糖原、糖原6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖血液血液肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素132 102 104 106 108葡萄糖葡萄糖ATP ADPATP ADP456PLCPLCDGDGPIPPIP2 2IPIP3 3DG、IP3系统信号转导模式图系统信号转导模式图CaCa2+2+GTPGTP配体配体配
48、体配体受受受受体体体体CaM+CaCaM+Ca2+2+磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用磷酸化作用GDPGDPGGPKCPKCGGGG蛋白蛋白蛋白蛋白PLCPLC磷脂酶磷脂酶磷脂酶磷脂酶C CPIPPIP2 2磷脂酰肌醇二磷酸磷脂酰肌醇二磷酸磷脂酰肌醇二磷酸磷脂酰肌醇二磷酸IPIP3 3三磷酸肌醇三磷酸肌醇三磷酸肌醇三磷酸肌醇DGDG二酰甘油二酰甘油二酰甘油二酰甘油半胱氨酸残基半胱氨酸残基酪氨酸残基酪氨酸残基激酶活激酶活性区性区跨膜结跨膜结构区构区配体结配体结合区合区N-末端末端C-末端末端细胞外细胞外区域区域细胞内细胞内区域区域质膜质膜具有酶活性受具有酶活性受体体结构示意图结构示意图ATP底物结底物结合区合区类类固固醇醇激激素素作作用用原原理理示示意意图图类固醇激素和非类固醇激素的作用模式类固醇激素和非类固醇激素的作用模式胞质胞质胞质胞质 效应器效应器效应器效应器胞质胞质胞质胞质 效应器效应器效应器效应器转录效应转录效应转录效应转录效应核核核核类固醇激素类固醇激素类固醇激素类固醇激素非类固醇激素非类固醇激素非类固醇激素非类固醇激素最新研究最新研究最新研究最新研究发现类固发现类固发现类固发现类固醇激素也醇激素也醇激素也醇激素也能通过质能通过质能通过质能通过质膜受体发膜受体发膜受体发膜受体发挥作用挥作用挥作用挥作用
