《生物膜结构与功能》PPT课件.ppt

第四章生物膜的结构与功能 第一节生物膜化学组成和结构第二节生物膜的功能 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 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 第一节生物膜的化学组成和结构 一 生物膜的组成二 生物膜的结构和特点 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 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 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 一 生物膜的组成 1 膜脂磷脂 类固醇 糖脂2 膜蛋白外周蛋白 内在蛋白 脂锚定蛋白3 膜糖 细胞表面天线 二 生物膜的结构特点和模型 1 生物膜的结构特点2 生物膜的结构模型流动镶嵌模型 1972年 板块镶嵌模型 1977年 X 甘油磷脂结构 鞘氨醇 Sphingosine 鞘磷脂结构的组成和结构 胆固醇 Cholesterol 胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系 环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列 胆固醇一方面提高膜的刚性和微粘度 另方面它的烃链固有的运动性又又能增加膜的微区的无序性 使膜流动性增加 这种双向调整和稳定作用使生物膜在较高温度范围 30 400C 内行使功能 一种鞘糖脂 神经节苷脂的结构 D 半乳糖 GM1 GM2 GM3 N 乙酰 D 半乳糖 D 半乳糖 D 葡萄糖 N 乙酰神经氨酸 硬脂酸 鞘氨醇 膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式 内在蛋白 螺旋横穿双脂层 整合于脂双层结构之中 锚定蛋白 通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合 锚定蛋白 通过寡糖链连到较小的磷脂 磷脂酰肌醇上 外周蛋白 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 红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图 肌动蛋白 Actin 蛋白质4 1 Protein4 1 血影蛋白 Spectrin 带3蛋白 Band3 糖蛋白 Ankyrin 血型蛋白 Glycophorin 糖链 生物膜的结构特征 膜脂双层的形成和优势 膜脂和蛋白分布具有不对称分布 是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体 具有流动性 磷脂分子特点及形成脂双层结构的优势 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 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 低聚寡糖链跨膜糖蛋白 脂双层 糖被 糖残基 唾液酸 糖脂 细胞外壳 糖萼 示意图 膜脂 磷脂 糖脂 胆固醇 人红细胞膜主要磷脂在膜内 外两层的分布 占总量的百分比 50 25 50 25 外层 内层 膜脂总量 鞘磷脂 磷脂酰胆碱 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰乙醇胺 膜脂的相变温度 相变温度 Tc 凝胶态 液晶态 T Tc T Tc 相变温度 Tc 磷脂分子运动的几种方式 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 膜脂中有不饱和脂肪酸时 膜脂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流动性以适应环境变化 不同培养条件下E coli细胞中脂肪酸组成情况 占总脂肪酸含量 100C200C300C400C 肉豆蔻酸 14 0 Myristicacid 棕榈酸 16 0 Palmiticacid 棕榈油酸 16 1 Palmiticacid 油酸 18 1 Oleicacid 羟基肉豆蔻酸hydroxymyristicacid 不饱和脂肪酸 饱和脂肪酸 4448 18252948 2624239 38343012 1310108 2 92 01 60 36 脂肪酸 Fryt Edidin细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图 1970年 小鼠细胞 人细胞 细胞膜蛋白 细胞融合 杂合细胞 370培育 40分钟以后 膜蛋白被标记细胞 细胞膜蛋白 证明膜蛋白运动性的新方法光致漂白荧光恢复法 FluorescencePhotibleachingRecorevy 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 Singer Nicolson的流动镶嵌模型 1972 外侧 内侧 糖蛋白分子中的寡糖链 脂双层 甾醇类 外周蛋白通过共价连系与脂类连接 有多个跨膜螺旋的内嵌蛋白 有一跨膜螺旋的内嵌蛋白 外周蛋白 磷脂极性头部 脂酰链 糖脂 Jain White的板块镶嵌模型 1977 Jain White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 在以脂双层为骨架的生物膜中 膜蛋白 膜脂以及膜内外物质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区域化 第二节生物膜功能 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 一 区域化或房室化 compartmemtalization 二 物质的跨膜运输 transport 三 能量转换 energyconversion 四 细胞识别和跨膜信号转导 signaltransducgtion 细胞膜结构对代谢途径的分隔控制调节 控制跨膜离子浓度梯度和电化梯度 控制细胞和细胞器物质运输 内膜系统对代谢途径的分隔作用 通过膜与酶的可逆结合来调节酶活性 被动运输和主动运输 二 生物膜的物质运输功能 1 主动运输和被动运输的概念2 转运蛋白介导的跨膜运输3 小分子物质的跨膜主动运输4 大分子的跨膜运输 被动运输和主动运输 被动运送 Passivetransport 物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧 即顺浓度梯度的方向跨膜运送的过程称被动运输 在该过程中 G 0 主动运送 Actictransport 凡物质逆浓度梯度的运送称主动运送 这一过程进行需供给能量 G 2 3RTlog C2 C1 ZF V 0 主动运输的特点 需提供能量 专一性 饱和性 方向性 可被选择性抑制 一级主动转运 a 和二级主动转运 b X X S S X X ATP ADP Pi ATP ADP Pi a b 例1 Na K ATPase 例2 小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖模型 Na K ATPase的亚基结构及其在膜上定位 高 K 低 Na 低 K 高 Na 运送过程需ATP提供能量 Na K ATPase的作用模型 细胞外 细胞质 Na 小肠上皮细胞主动摄取葡萄糖的模型 2Na out 葡萄糖out2Na in 葡萄糖in E Coli细胞摄取乳糖的模型 由于离子梯度在主动转运和能量守恒中的重要性 任何使跨膜离子梯度崩溃的物质对细胞都是有毒的 一些抗生素就是通过破坏二级主动转运杀死微生物的 转运蛋白介导的跨膜转运 S A 外 单向转运 同向转运 反向转运 A 内 A 外 A 内 B 外 B 内 A 外 A 内 B 外 B 内 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 endocytosis 排除的过程叫做胞吐作用 ex0cytosis 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 内质网 高尔基体 运输小泡 运输小泡 泡融入质膜 核糖体 芽泡 信号肽假说简图 SRP循环 内质网腔 信号肽酶 核糖体循环 mRNA 5 cap AAAA A n3 SRP 信号肽序列 SRP受体 核糖体受体 多肽转位复合物 GDP Pi 细胞质 SRP signalrecognitionpaticle 信号识别蛋白 识别信号肽 干扰肽键形成反应 脂肪 葡萄糖 其它单糖 三羧酸循环 电子传递 氧化 蛋白质 脂肪酸 甘油 多糖 氨基酸 乙酰CoA e 磷酸化 Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物乙酰CoA 共同中间物进入三羧酸循环 氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O 释放出大量能量 其中一部分通过磷酸化储存在ATP中 大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段 线粒体内膜是能量转化的场所 化学渗透假说模型 线粒体外膜 线粒体内膜 H H 细胞识别的基本类型 对游离的大 小分子的识别 细胞 细胞间的识别 神经递质激素 细胞因子抗原药物有害物质其它 细胞间通过质膜上的糖蛋白相互识别 细胞可通过跨膜信号转导接受胞外信息 什么是细胞信号转导 细胞信号转导 signaltransducgtion 是指细胞受到外刺激或胞间信号分子作用于质膜 或胞内 受体后 跨膜在胞内形成信号 其后经胞内信息分子级联传递 生物信号逐渐放大 引起基因表达和代谢反应变化 鉴于细胞信号转导与代谢和基因表达调控 细胞免疫 生长发育 细胞的分裂 分化 转化 增殖等重要的生命活动有着十分密切的联系 已成为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 各种刺激 胞间信号 第一信使 失活的信号分子 膜表面受体 cAMP或IP3 DG 第二信使 生理反应 细胞膜 细胞质 胞内受体 基因表达调控 细胞表面受体的三种类型 A 离子通道型受体 配体 异三聚体G蛋白的结构 靶酶 生理效应 G蛋白介导的跨膜信号途径 cAMP 蛋白激酶介导的信号传递示意图 内在蛋白质的磷酸化作用 改变细胞的生理过程 细胞膜 细胞膜 c R 蛋白激酶 无活性 c cAMP 蛋白激酶 有活性 受体 腺苷酸环化酶 G蛋白 cAMP激活蛋白激酶的作用机理 肾上腺素调节糖原分解 由于酶的共价修饰反应是酶促反应 只要有少量信号分子 如激素 存在 即可通过加速这种酶促反应 而使大量的另一种酶发生化学修饰 从而获得放大效应 这种调节方式快速 效率极高 肾上腺素或胰高血糖素 1 腺苷酸环化酶 无活性 腺苷酸环化酶 活性 2 ATP cAMP R cAMP 3 蛋白激酶 无活性 蛋白激酶 活性 4 磷酸化酶激酶 无活性 磷酸化酶激酶 活性 5 磷酸化酶b 无活性 磷酸化酶a 活性 6 糖原 6 磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖 葡萄糖 血液 肾上腺素或胰高血糖素 1 ATPADP 4 5 6 PLC DG PIP2 IP3