生化06章生物膜

1、第六章第六章生物膜生物膜生物膜（生物膜（biological membrane） 细胞膜（细胞膜（cytoplasmic membrane）/质膜质膜 内膜系统：核膜、线粒体膜、内质网膜、线粒体内膜系统：核膜、线粒体膜、内质网膜、线粒体膜、类囊体膜等膜、类囊体膜等原生动物（原生动物（Menoidium）革兰氏阴性菌（革兰氏阴性菌（Aquaspirillum serpens）高尔基体高尔基体胰腺腺体细胞胰腺腺体细胞第一节生物膜的组成与结构特征一、生物膜的组成一、生物膜的组成 蛋白质蛋白质 脂质脂质 糖糖1. 膜脂及其结构特征膜脂及其结构特征 磷脂磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂）、（甘油磷脂、鞘磷脂）、糖

2、脂糖脂（甘（甘油糖脂、鞘糖脂）、油糖脂、鞘糖脂）、胆固醇胆固醇 不同生物膜，脂质组成及含量差异大不同生物膜，脂质组成及含量差异大（1）磷脂（）磷脂（phospholipids）甘油磷脂甘油磷脂第一大类膜脂第一大类膜脂 = 胆碱、乙醇胺、胆碱、乙醇胺、 丝氨酸、肌醇、磷丝氨酸、肌醇、磷脂酰甘油等脂酰甘油等 机机体体内内几几类类重重要要的的甘甘油油磷磷脂脂甘油磷脂的甘油磷脂的结构结构鞘磷脂鞘磷脂第二大类膜脂第二大类膜脂鞘脂鞘脂(sphingolipids)含鞘氨醇含鞘氨醇(sphingosine)或二氢鞘氨醇的脂类。或二氢鞘氨醇的脂类。高等动物脑髓鞘和红细胞膜中特别丰富。高等动物脑髓鞘和红细胞膜中

3、特别丰富。鞘氨醇以酰胺键与脂肪酸相连鞘氨醇以酰胺键与脂肪酸相连形成神经酰胺形成神经酰胺胆碱鞘磷脂胆碱鞘磷脂磷酸胆碱磷酸胆碱脂肪酸部分脂肪酸部分鞘氨醇骨架鞘氨醇骨架磷脂是双亲性分子：极性磷酸基团磷脂是双亲性分子：极性磷酸基团 非极性脂肪酸非极性脂肪酸双亲性膜脂质的多态性（双亲性膜脂质的多态性（polymorphism）磷脂是生物膜的主要组成成分磷脂是生物膜的主要组成成分磷脂双分子层构成生物膜的基本骨架磷脂双分子层构成生物膜的基本骨架（2）糖脂（）糖脂（glycolipids）甘甘 油油 脂脂 糖糖 单半乳糖基二酰甘油单半乳糖基二酰甘油二半乳糖基二酰甘油二半乳糖基二酰甘油硫代脱氧吡喃葡萄糖基二酰甘

4、油硫代脱氧吡喃葡萄糖基二酰甘油鞘糖脂鞘糖脂(glycosphingolipids)的结构的结构动物细胞质膜中的糖脂大多为鞘糖脂。动物细胞质膜中的糖脂大多为鞘糖脂。半乳糖脑苷脂是髓鞘膜的主要糖脂，占外层半乳糖脑苷脂是髓鞘膜的主要糖脂，占外层膜脂的膜脂的40%。质膜中的糖脂大多含质膜中的糖脂大多含1-15个糖残基。个糖残基。脑苷脂（脑苷脂（cerebroside）神经节苷脂神经节苷脂(gangliosides)是带有数目不等糖残基（至少含一个唾液酸）的是带有数目不等糖残基（至少含一个唾液酸）的神经酰胺。神经酰胺。已知已知60余种。余种。具有受体功能：霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素具有受体功能：霍乱毒

5、素、干扰素、促甲状腺素、破伤风素等的受体均为神经节苷脂类化合物。、破伤风素等的受体均为神经节苷脂类化合物。可能还有调节膜蛋白功能。可能还有调节膜蛋白功能。神经节苷脂的结构神经节苷脂的结构 唾液酸唾液酸神经酰胺神经酰胺（3） 胆固醇（胆固醇（cholesterol）胆固醇具有双亲性胆固醇具有双亲性胆固醇是胆固醇是生物膜的重要成分生物膜的重要成分通常动物细胞胆固醇含量高于植物细胞通常动物细胞胆固醇含量高于植物细胞质膜的胆固醇含量高于细胞内膜质膜的胆固醇含量高于细胞内膜胆固醇对生物膜中脂质的物理状态有调节胆固醇对生物膜中脂质的物理状态有调节作用作用质膜中的胆固醇质膜中的胆固醇不同类型细胞膜膜脂的种类

6、和含量不同不同类型细胞膜膜脂的种类和含量不同髓鞘草履虫不同类型生物膜膜脂的种类和含量不同不同类型生物膜膜脂的种类和含量不同膜脂的分布不对称膜脂的分布不对称2. 膜蛋白膜蛋白细胞中约细胞中约20-25%的蛋白与膜结构相连的蛋白与膜结构相连依膜上定位分为镶嵌蛋白、外周蛋白依膜上定位分为镶嵌蛋白、外周蛋白（1）内嵌蛋白）内嵌蛋白（integral protein）一般占膜蛋白一般占膜蛋白70-80%。蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中 （疏水相互作用与膜结合）。（疏水相互作用与膜结合）。一般不溶于水。一般不溶于水。不容易从膜中分离出来。不容易从膜中分离出来。

7、主要以主要以 -螺旋或螺旋或折叠形式存在。折叠形式存在。红：红：Trp 黄：黄：Tyr；蓝：蓝：Lys，Arg，Asp，Glu 白：疏水氨基酸及部分极性不带电荷氨基酸白：疏水氨基酸及部分极性不带电荷氨基酸红细胞膜血型糖蛋红细胞膜血型糖蛋白的结构白的结构单一单一螺旋跨膜螺旋跨膜糖基糖基细菌视紫红质的跨膜结构细菌视紫红质的跨膜结构翠绿色红假单胞菌光核反应中心翠绿色红假单胞菌光核反应中心（2）外周蛋白）外周蛋白（peripheral protein） 分布于双层脂膜的外表层。分布于双层脂膜的外表层。 与膜的结合比较疏松（离子键、氢键），与膜的结合比较疏松（离子键、氢键）， 容易从膜上分离出来。容易从

8、膜上分离出来。与脂（长链脂肪酸、类异戊二烯、磷酯酰与脂（长链脂肪酸、类异戊二烯、磷酯酰 肌醇等）肌醇等） 锚定锚定法尼脂酰化法尼脂酰化牻牛脂酰化牻牛脂酰化豆蔻酰基化豆蔻酰基化棕榈酰基化棕榈酰基化、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白（3）糖蛋白）糖蛋白糖与蛋白的连接方式糖与蛋白的连接方式-半乳糖苷半乳糖苷-1，3-N-乙酰半乳糖苷乙酰半乳糖苷-丝氨酸丝氨酸-木糖木糖-苏氨酸苏氨酸-甘露糖甘露糖-丝氨酸丝氨酸二、生物膜的二、生物膜的“流动镶嵌流动镶嵌”模型模型基本结构是脂质双层基本结构是脂质双层尾尾相对尾尾相对, ,蛋白质蛋白质 或镶嵌在膜上或结合在膜的表面或镶

9、嵌在膜上或结合在膜的表面, , 寡糖链指寡糖链指 向胞外侧。向胞外侧。脂双层与膜蛋白相互作用脂双层与膜蛋白相互作用功能功能脂双层是运动的脂双层是运动的, ,随温度变化随温度变化, , 呈液晶态或呈液晶态或 凝胶态；膜蛋白的运动受限制（扩散）。凝胶态；膜蛋白的运动受限制（扩散）。脂双层是流动的，蛋白质和磷脂能旋转和侧向运动脂双层是流动的，蛋白质和磷脂能旋转和侧向运动三、三、 生物膜的流动性生物膜的流动性 膜脂是运动的膜脂是运动的 Ca2+作用下磷脂作用下磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱发生相胺、磷脂酰胆碱发生相位分离。位分离。膜脂运动方式：膜脂运动方式：侧向扩散、颠倒换

10、位、分子摆动、侧向扩散、颠倒换位、分子摆动、旋转运动等旋转运动等 膜脂的翻转（膜脂的翻转（flip）需翻转酶（）需翻转酶（flippase）的作用：）的作用：消耗能量消耗能量ATP膜蛋白是运动的膜蛋白是运动的 膜蛋白运动方式：扩散运动膜蛋白运动方式：扩散运动 、 旋转运动。旋转运动。 Frye-Edidin荧光抗体标记实荧光抗体标记实 验显示膜蛋白的扩散运动。验显示膜蛋白的扩散运动。 膜蛋白的运动膜蛋白的运动 随机、定向、局部随机、定向、局部相变温度及其影响因素相变温度及其影响因素相变温度：相变温度：膜脂物理状态互相转变的临界温膜脂物理状态互相转变的临界温 度。高于相变温度时，膜呈流动状态，低

11、于度。高于相变温度时，膜呈流动状态，低于 相变温度时，膜呈类结晶态相变温度时，膜呈类结晶态/ /凝胶态。凝胶态。相变温度取决于脂肪酸的长度和饱和度。烃相变温度取决于脂肪酸的长度和饱和度。烃 链短、不饱和度高，相变温度低，膜流动链短、不饱和度高，相变温度低，膜流动 性强。性强。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。温度对膜脂相变的影响温度对膜脂相变的影响四、生物膜的结构特征生物膜的结构特征生物膜具有片层结构，生物膜具有片层结构，5-8nm生物膜具有不对称性：蛋白质、膜脂生物膜具有不对称性：蛋白质、膜脂生物膜具有流动性：生物膜具有流动性：“流动镶嵌流动镶嵌”模型模型生物膜是一个非

12、共价组合体：疏水力、范德华生物膜是一个非共价组合体：疏水力、范德华作用、静电作用、静电存在膜电位存在膜电位细胞膜两侧的电位差细胞膜两侧的电位差 生物膜的功能生物膜的功能屏障和保护作用：排除有毒分子、积累营养，屏障和保护作用：排除有毒分子、积累营养， 防止极性分子和离子的进入等防止极性分子和离子的进入等细胞的分割和区域化作用细胞的分割和区域化作用调节代谢物、生物大分子和离子的转运调节代谢物、生物大分子和离子的转运能量的转化能量的转化信号转导信号转导相邻细胞的相互作用相邻细胞的相互作用第二节小分子的跨膜转运物质跨膜转运的基本方式：单向转运、协同转运物质跨膜转运的基本方式：单向转运、协同转运（同向、

13、反向）（同向、反向）一、跨膜转运的类型跨膜转运的类型1. 主动转运和被动转运主动转运和被动转运 根据物质转运过程中是否需要能量，根据物质转运过程中是否需要能量，跨膜转运分为主动转运和被动转运。跨膜转运分为主动转运和被动转运。（1）被动转运）被动转运/被动扩散（被动扩散（passive transport/passive diffusion）概念：物质从高浓度的一侧通过膜运输到低浓概念：物质从高浓度的一侧通过膜运输到低浓 度一侧，即顺浓度梯度的跨膜运输。度一侧，即顺浓度梯度的跨膜运输。特点：不需要供给能量。转运速率与被转运物质特点：不需要供给能量。转运速率与被转运物质 浓度差、大小、电荷、溶解度

14、有关。自浓度差、大小、电荷、溶解度有关。自由由 能变化为负值。能变化为负值。类型：简单扩散、借助转运蛋白转运。类型：简单扩散、借助转运蛋白转运。简单扩散：简单扩散：O2 、N2 、CO2 、H2O 、疏水小分子、疏水小分子借助转运蛋白的被动转运借助转运蛋白的被动转运葡萄糖（红细胞、肝细胞）葡萄糖（红细胞、肝细胞） 、氨基酸、氨基酸、cAMP、胆碱、胆碱葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白/葡萄糖通葡萄糖通 透酶具有透酶具有T1和和T2 两种构两种构 象，作用有专一性。象，作用有专一性。葡萄糖进入红细胞葡萄糖进入红细胞HCO3- - Cl-交换蛋白交换蛋白 红细胞中的促进扩散体系红细胞中的促进扩散体系

15、协同反向转运蛋白协同反向转运蛋白/阴离子交换蛋白阴离子交换蛋白 增加血液携增加血液携CO2从组织到肺的能力从组织到肺的能力 HCO3- - Cl-一对一跨膜转运具强制性一对一跨膜转运具强制性 维持胞质维持胞质pH红细胞膜上的红细胞膜上的HCO3- - Cl-交换蛋白交换蛋白呼吸组织呼吸组织肺肺血浆血浆红细胞红细胞碳酸酐酶碳酸酐酶（2）主动转运（）主动转运（active transport）概念：概念：物质逆浓度梯度或电化学梯度的转运。物质逆浓度梯度或电化学梯度的转运。 特点：需要供给能量。能量主要来自特点：需要供给能量。能量主要来自ATP和和 离子浓度梯度，自由能变化为正值。离子浓度梯度，自由

16、能变化为正值。类型：一级主动转运、二级主动转运。类型：一级主动转运、二级主动转运。一级主动转运和二级主动转运一级主动转运和二级主动转运二、几种小分子的主动转运二、几种小分子的主动转运1. Na+，K+-ATPase （Na+，K+泵）泵）Jens C. Skou（丹麦）（丹麦） 1957，1997诺贝尔化诺贝尔化学奖。学奖。Na+，K+-ATPase的结构的结构ATPase通过磷酸化改变对通过磷酸化改变对Na+、K+的亲和力的亲和力磷酸化位点磷酸化位点Asp369磷酸化形式磷酸化形式P-EnzII：亲：亲K + ；脱磷酸化形式；脱磷酸化形式EnzI：亲：亲Na+转运机制转运机制催化的反应催化的

17、反应ATP4-+ H2O + 3Na+(内内)+ 2K+（外）（外） ADP3- + H2PO4- + 3Na+(外外)+ 2K+(内内)生物学功能生物学功能 维持细胞的渗透性，保持细胞体积；维持细胞的渗透性，保持细胞体积； 维持低维持低Na+高高K+的细胞内环境；的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。维持细胞的静息电位。p 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性； Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。和少量膜脂有助提高于其活性。 2. Ca2+ -ATPase（Ca2+泵）泵）位置：位置：质膜、肌浆网膜（肌细胞内特化的内质质膜、肌浆网膜（肌细胞内特化的内质 网膜系统

18、，网膜系统， 膜蛋白膜蛋白70-80%为为Ca2+ -ATPase）。）。作用：作用：维持细胞内离子钙的分布维持细胞内离子钙的分布胞外胞外Ca2+ 浓度浓度0.1-10 mM，肌浆网，肌浆网Ca2+ 浓度浓度 0.1-10 mM （钙库），胞质（钙库），胞质Ca2+浓度浓度0.1-10 M；肌肉收缩（；肌肉收缩（Ca2+释放入胞质）与舒张（释放入胞质）与舒张（Ca2+重新摄入肌浆网）。重新摄入肌浆网）。其他其他Ca2+运输体系：运输体系：Na+, Ca2+ 交换蛋白（细胞交换蛋白（细胞 膜），膜），Ca2+ 通道等。通道等。Ca2+-ATPase是跨膜蛋白是跨膜蛋白铰链结构域铰链结构域疏水跨膜

19、结构域疏水跨膜结构域茎结构域茎结构域胞浆胞浆Ca2+ 逆浓度梯度转运至肌浆网逆浓度梯度转运至肌浆网Ca2+-ATPase作用机制作用机制3.胃粘膜细胞的胃粘膜细胞的H+,K+-ATPase运转运转ATP酶（酶（ATP驱动泵）驱动泵） P型型ATP酶（酶（ATP-driven cation transporter）：）：载体蛋白利用载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（使自身磷酸化（phosphorylation），），Na+-K+泵、泵、Ca2+泵，泵，H+-K+ATP酶。酶。 V型型ATP酶：位于液泡（酶：位于液泡（vacuole）膜，多亚基，）膜，多亚基，水解水解ATP无自磷酸化。无自磷酸化。F型型ATP酶：多亚基管状结构，酶：多亚基管状结构，H沿浓度梯度运沿浓度梯度运动，所释放的能量与动，所释放的