生物膜

1,生物膜,2,3,4,1895年，欧文顿（ E. Overton ）,一. 对生物膜结构的探究历程,5,1925年，E. Gorter 和F. Grendel用有机溶剂抽提人的红细胞膜的膜脂成分，并测定膜脂单层分子在水中的铺展面积，发现它为红细胞表面积的2倍。 提示 ：质膜是由双层脂分子组成。,6,发现质膜的表面张力比油水界面的表面张力小很多 Davson和Danielli 推测，脂质中含有蛋白质成分，并提出了“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治模型,7,1959年，罗伯特森（J. D. Robertsen）在电镜下看到细胞膜清晰的暗亮暗的三层结构。,提出：单位膜模型,8,1970年， Larry Frye等，用荧光标记法证实细胞膜具有流动性,9,1972年，桑格和尼克森提出流动镶嵌模型。,10,11,二. 生物膜的化学组成,细胞质膜 (Plasma Membrane)内膜系统 (Endomembrane System) 生物膜 (Biomembrane),12,生物膜主要由蛋白质（60-70%）和脂类（25-40%）组成，少量的碳水化合物（5%），金属离子和水。,13,主要有三种类型： 磷酯 （50%） 糖脂 （ 5% ） 胆固醇,1. 膜脂,14,分为甘油磷脂和鞘磷脂磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部，一般含有1424个偶数碳原子（线粒体内膜上的心磷脂有四条尾巴）；其中一烃链常含有一个或数个双键，双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。,1. 1 磷脂 (phospholipids),15,16,糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下；最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，仅有一个半乳糖作为极性头部； 变化最多、最复杂的是神经节苷脂；,1. 2 糖脂 (Glycolipid),17,半乳糖脑苷脂 2. GM1 神经节苷脂 3. 唾液酸,18,胆固醇存在于真核细胞膜中： 动物细胞膜胆固醇的含量较高； 植物细胞膜中主要为谷甾醇、豆甾醇；胆固醇的功能： 提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。,1. 3 固醇（ Cholesterol ）,19,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）脂分子围绕轴心的自旋运动脂分子尾部的摆动双层脂分子之间的翻转运动,1. 4 膜脂的四种运动方式,20,21,根据与膜脂的结合方式和分离的难易程度： 外周蛋白 内在蛋白,2. 膜蛋白,膜蛋白是生物膜实施功能的基本场所,22,2. 1 外周蛋白（ peripheral proteins ）,23,水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。占膜蛋白总量的20%30%。,24,内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合；不易从膜中分离出来。内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，多肽链内形成氢键趋向大大增加，主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍。,2. 2 内在蛋白（ intraral proteins ）,25,26,27,膜蛋白的功能,28,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。膜糖全部处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。糖类化合物在信息传递和识别方面具有重要作用,3. 膜糖,29,30,脂双分子层是细胞膜的主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有的甚至横跨整个脂双层；具有流动性具有不对称性,三. 流动镶嵌模型,31,质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性；样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面名称不同。,1. 膜的不对称性,32,33,脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。磷脂酰胆碱和鞘磷脂主要分布在外半层，而磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸主要分布在质膜内半层。,1.1 膜脂的不对称性,34,红细胞质膜内外单层膜磷脂的不对称分布,35,膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。,1.2 膜蛋白的不对称性,36,无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。,1.3 膜糖的不对称性,37,主要指膜脂分子的侧向运动。脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的相变温度越低，流动性越大,2. 膜的流动性,38,四. 生物膜之间的联系,39,40,细胞的生物膜系统最少有以下三方面的功能：使细胞具有一个相对稳定的内部环境。在物质的运输与交换及信息传递中起决定性作用。增大膜的面积，供酶、核糖体等附着在上面。使各种化学反应有序进行。将细胞分隔成许多小区室，使各种化学反应能同时进行而不互相干扰。,五. 生物膜的功能,41,42,1. 物质运输,43,顺浓度梯度不需要能量小分子比大分子容易非极性分子比极性分子容易,1.1 简单扩散（ simple diffusion ）,44,45,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包括亲水性分子如糖、氨基酸等的运输,1.2 协助扩散（facilitated diffusion）,46,简单扩散协助扩散,被动运输,47,不消耗ATP，但需要特异膜转运蛋白的协助；速度快，要比自由扩散快几个数量级；自由扩散的速率与溶质的浓度成正比，而协助扩散的速率可以达到最大值；具有特异性。,48,载体蛋白(Carrier proteins) 参与被动运输和主动运输，也叫通透酶，具有专一性、饱和性、竞争性。,膜转运蛋白(membrane transport proteins),无论是被动运输还是主动运输，都会有膜蛋白的参与，称为膜转运蛋白。,49,通道蛋白(Channel proteins) 也称为离子通道(ion channels)或者闸门通道(gated channel) ；只介导被动运输。根据开启和关闭条件，离子通道分为三种类型：,电压门通道配体门通道压力激活通道,50,51,52,转运载体消耗能量逆浓度梯度,1.3 主动运输（active transport）,如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等,53,54,55,1.3.1 ATP 直接提供能量的主动运输,56,Na+-K+泵由两个亚基组成， 其中亚基跨膜，上有Na+、K+、ATP及乌本苷结合位点。Na+-K+泵的作用机制，人们普遍接受的是构象变化假说,57,58,59,60,Na+-K+泵与H+泵,61,62,1.3.2 离子梯度驱动的主动运输,63,64,65,1.4 内吞作用和外排作用,66,67,68,1.5 蛋白质的跨膜转运,69,70,细菌吸收营养物质时的一种物质跨膜运输方式,1.6 基团转移,71,叶绿体线粒体,2. 能量转换,72,3. 信号转导,73,生物体内的某些化学分子，既非营养物，又非能源物质和结构物质，也不是酶主要是用来在细胞间和细胞内传递信息，如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子，它们的唯一功能是与细胞受体结合并传递信息,3.1 几个概念,3.1.1 信号分子,74,根据信号分子的溶解性： 亲脂性信号分子：甾类激素和甲状腺素 亲水性信号分子：神经递质、生长因子等 气体性信号分子：NO 根据信号分子的传导方式： 激素：内分泌信号传导 局部介质：旁分泌和自分泌信号传导 神经递质：神经信号传导, 信号分子的类型,75,大多数水溶性激素类信号分子不能直接进入细胞，只能通过同膜受体结合后进行信息转换，通常把细胞外的信号称为第一信使，而把细胞内最早产生的信号物质称为第二信使。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、DG和IP3。, 第二信使 (second messenger),76,77,78,通过蛋白激酶磷酸化而活化，蛋白磷酸酶去磷酸化而失活；或通过结合GTP而活化，结合GDP失活,3.1.2 细胞内两种常见的蛋白活性的调节方式,79,能够识别和选择结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白。至少包括两个功能区域：配体结合区和产生效应的区域。存在部位：细胞表面受体和细胞内受体,3.1.3 受体 （Receptor）,80,81,信号转导,细胞内受体介导,细胞表面受体介导,细胞表面整联蛋白介导,离子通道偶联的受体,G蛋白偶联的受体,酶偶联的受体,82,细胞内受体主要位于细胞核，有些位于细胞质中，配体为亲脂性小分子；两个结构域(domain)：激活基因转录的N端结构域、 DNA结合结构域；两个结合位点(site)：C端的与配体结合位点、抑制蛋白结合位点；配体受体结合后形成复合物，成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达。,3.2 细胞内受体介导的信号传递,83,亲脂性小分子：甾类激素、甲状腺激素、类维生素 A、维生素 D NO,84,细胞内受体是激素激活的基因调控蛋白。受体与配体（如皮质醇）结合，使抑制性蛋白（如Hsp90）与受体分离，暴露与DNA的结合位点。受体结合的序列是受体依赖的转录增强子。,3.2.1 甾类激素,85,86,甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。 每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内。,87,激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。 受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。,88,1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究获得诺贝尔生理和医学奖,3.2.2 NO,89,一氧化氮是可溶性的气体，产自血管内皮细胞和神经细胞，底物精氨酸，由一氧化氮合酶(NOS)催化生成；NO作用的靶酶是鸟苷环化酶，使GTP转变成cGMP，继而激活PKG；NO最终能够引起血管壁的平滑肌细胞松弛，从而引起血管扩张。,一氧化氮的信号作用,90,91,3.3 细胞表面受体介导的信号传递,92,受体本身为离子通道（即配体门通道）；如乙酰胆碱(Ach)受体主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质,3.3.1 离子通道偶联的受体 （配体门离子通道、递质门离子通道）,93,离子通道偶联的受体位于细胞膜上时，一般是四次跨膜蛋白位于内质网或其他细胞器的膜上，一般为六次跨膜蛋白受体对配体具有选择的特异性，激活的通道对离子也具有选择性；比如乙酰胆碱激活的通道选择性的运输Na+、Ca2+,94,3.3.2 G蛋白（三聚体GTP结合调节蛋白）偶联的受体,95,G蛋白由三个亚基组成, 分别叫亚基, 两亚基通常紧密结合在一起；G蛋白亚基与GDP结合，活性处于关闭态；当收到G蛋白偶联受体的刺激后，GDP被GTP交换，亚基被活化，进而传递信号；,96,cAMP途径磷脂酰肌醇途径,97,激活型的系统组成 由激活型的信号作用于激活型的受体Rs，经激活型的G蛋白（Gs）去激活腺苷酸环化酶(adenylate cyclase, AC)，从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应抑制型的系统组成 通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体Ri，经抑制型的G蛋白（Gi）去抑制腺苷酸环化酶的活性。,3.3.2.1. cAMP途径 = PKA途径 （protein kinase A system, PKA）,98,五种成分： Rs Ri Gs Gi AC,99,100,通过调节cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号； 反应链： 激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录,101,cAMP的产生 激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP,102,cAMP的信号放大: 蛋白激酶A的激活,103,Ser、Thr磷酸化，改变蛋白活性；不同的细胞中有不同的靶蛋白被磷酸化,104,cAMP途径的信号解除和信号抑制,信号解除 通过磷酸二酯酶将cAMP降解,形成5-AMP；信号抑制 通过抑制型的信号作用于Ri, 然后通过Gi起作用： Gi的亚基与腺苷酸环化酶结合； Gi的复合物与Gs的亚基结合。,105,激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录,106,毒素对cAMP信号途径的影响,霍乱和百日咳分别由两种细菌毒素作用于刺激型和抑制型的G蛋白所引起： 霍乱毒素(cholera toxin) 能把NAD+上的ADP核糖基转移到Gs蛋白的亚基上，使G蛋白核糖化亚基丧失了GTP酶的活性，cAMP合成失去控制，Na+和水分泌到腹腔导致严重腹泻。 百日咳毒素(whooping couch toxin) 使Gi蛋白进行ADP核糖化，降低GTP与Gi蛋白的亚基结合，其结果也是使cAMP的浓度增加，大量体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。,107,在该系统中，细胞外信号要被转换成胞内的两个第二信使：IP3和DG(DAG)；又称为“双信使系统”(double messenger system)。,3.3.2.2. 磷脂酰肌醇途径 = PKC途径,108,109,“双信使系统”反应链 胞外信号分子G蛋白偶联受体G蛋白PLCIP3,激活PKC蛋白磷酸化,胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白,DG,110,PKC的激活,111,PKC与基因调控,112,信号的终止IP3作用的终止 在5磷酸酶的作用下，IP3水解为IP2，并进一步水解成肌醇。DG信号的解除 被DG激酶磷酸化，生成磷脂酸(PA)，再进入磷脂酰肌醇循环。 被DG酯酶水解生成单脂酰甘油。Ca2+信号解除 胞内Ca2+浓度持久升高, 可激活Ca2+-ATP酶（质膜、内质网膜的钙泵），从而降低胞质中的 Ca2+。,113,受体蛋白既是受体又是酶，均为单次跨膜蛋白，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体；主要与细胞生长、分裂有关。,3.3.3 与酶偶联的受体,114,受体酪氨酸激酶（形成二聚体活化）受体丝氨酸/苏氨酸激酶（异二聚体）受体酪氨酸磷酸酶（单体活化） 受体鸟苷酸环化酶（单体活化）：将GTP转化为第二信使cGMP，后者激活蛋白激酶G酪氨酸激酶偶联受体（二聚体）,已知5类酶联受体：,115,结构与配体结合的细胞外结构域； 膜内区具有酪氨酸蛋白激酶的自我催化部位；单次跨膜结构域。,RTK-Ras蛋白信号通路,有6个亚族，包括：表皮生长因子受体、胰岛素受体等,116,配体的结合导致了两个单体受体形成一个二聚体，并在细胞内结构域的酪氨酸残基位点自我磷酸化，其结果是激活了RTK本身；RTK被激活后，可以被含有SH2结构域的胞内其它信号蛋白识别并结合，启动信号传导。,受体酪氨酸激酶(RTK)的激活,117,受体酪氨酸蛋白激酶通过接头蛋白的连接激活Ras激活蛋白(GRF)；Ras激活蛋白通过替换GDP为GTP，激活Ra