生物膜教学讲解课件

第四章生物膜（BiologicalMembrane）第四章生物膜

主要内容第一节生物膜的功能

第二节生物膜的组成和性质第三节生物膜的分子结构

主要内容本章教学目的要求：

掌握生物膜的功能，生物膜的组成和性质，生物膜的分子结构。重点、难点：

生物膜的性质，生物膜的分子结构模型。第四章生物膜课件

生物膜：细胞的外周膜和内膜系统称为生物膜。意义：1、在工业方面2、在农业方面3、在医药方面

第一节生物膜的功能一、保护功能二、转运功能（一）细胞或细胞器需要经常与外界进行物质交换以维持其正常的功能。（二）细胞或细胞器通过生物膜，从膜外选择性地吸收所需要的养料，同时也要排出不需要的物质。（三）在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着重要的调控作用。第一节生物膜的功能

1、被动转运物质从高浓度的一侧，通过膜转运到低浓度的另一侧，即沿着浓度梯度（膜两边的浓度差）的方向跨膜转运的过程。

特点：（1）这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发过程。（2）许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助。1、被动转运

举例：（1）葡萄糖从血液转运进入红细胞内（2）人红细胞膜的阴离子交换蛋白第四章生物膜课件第四章生物膜课件形式有两种：（1）简单扩散（自由扩散freediffusion）特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助。第四章生物膜课件第四章生物膜课件（2）协助扩散（促进扩散facilitateddiffusion）特点：①比自由扩散转运速率高；②特异性,饱和性。载体：离子载体和通道蛋白两种类型。

第四章生物膜课件2、主动转运主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。特点：（1）膜的专一性;（2）载体蛋白，物质的主动转运需要载体蛋白的参与;（3）方向性，物质可以逆浓度梯度或电化学梯度进行转运;（4）主动转运过程可以被某些抑制剂抑制;（5）主动转运所需的能量一般由ATP提供。2、主动转运

举例：钠钾泵

构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的四聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。

工作原理：

Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高。在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。

工作原理：Na+-K+ATPPUMPNa+-K+ATPPUMP

膜泡运输的基本概念真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。第四章生物膜课件细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。1、吞噬作用细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用细胞吞入液体或极小的颗粒物质。2、胞饮作用细胞吞入液体或极小的颗粒物质。2、胞饮作用第四章生物膜课件3、外排作用exocytosis包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。3、外排作用exocytosis包含大分子物质的小囊泡从细

4、穿胞运输

在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管；5、胞内膜泡运输

细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。4、穿胞运输

三、能量转换真核细胞的氧化磷酸化主要在线粒体膜上进行。原核细胞的氧化磷酸化则是在细胞质膜上进行。光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行。

四、信息传递

生物体内的信息传递，例如激素的刺激、神经传导和遗传信息的传递等，主要是在细胞膜上进行的。五、运动功能许多原生动物及单细胞动物主要是通过其细胞膜表面的纤毛或鞭毛的摆动而移动。

四、信息传递第二节生物膜的组成和性质生物膜主要由蛋白质（包括酶）、脂质（主要是磷脂）和糖类组成，还有水、金属离子等。第四章生物膜课件一、膜脂（一）脂质的种类有磷脂、糖脂、胆固醇等，其中以磷脂为主要组分。1、磷脂（1）甘油磷脂（glycerophospholipids）是生物膜的主要成分，膜中最丰富，这类脂都含有甘油骨架。

一、膜脂第四章生物膜课件第四章生物膜课件

（2）鞘磷脂（sphingomyelins）鞘磷脂是由连接在神经酰胺C1

羟基上的磷酰胆碱组成的。可以看出，鞘磷脂是个两性分子，与磷脂酰胆碱很相似，因为二者都含有胆碱、磷酸和两个长的疏水尾巴。鞘磷脂存在于大多数哺乳动物细胞的质膜内，是包围着某些神经细胞的髓鞘的主要成分。

第四章生物膜课件2、糖脂（1）脑苷脂（cerebrosides）脑苷脂是含有一个单糖残基的糖鞘脂，该单糖通过-糖苷键与神经酰胺连接。

半乳糖脑苷脂，也称之半乳糖神经酰胺，是一个极性头部为-D-半乳糖残基的脑苷脂。

2、糖脂第四章生物膜课件（2）神经节苷脂（gangliosides）神经节苷脂是最复杂的糖鞘脂，分子中含有的N-乙酰神经氨酸的寡糖链连接在神经酰胺上。分子中带有数目不等糖残基的神经酰胺。第四章生物膜课件第四章生物膜课件3、胆固醇类固醇是真核生物中常见的第三类膜脂。类固醇有一个由4个稠环组成的环形核。其中3个环是6碳环（A、B和C环），一个环是5碳环（D环）。3、胆固醇第四章生物膜课件（二）膜脂的多态性1、形成脂双层由磷脂和糖脂组装成一个脂双层。由于磷脂和糖脂含有两条烃链的尾巴，不能很好地包装成微团，却可以精巧地组装成脂双层。第四章生物膜课件2、形成微团或双层微囊由胆固醇组装。2、形成微团或双层微囊

二、膜蛋白（一）外周膜蛋白分布于膜的脂双层（外层或内层）的表面，通过静电力或非共价键与其他膜蛋白相互作用连接在膜上。膜周边蛋白质比较易于分离，通过改变离子强度或加入金属螯合剂即可提取。第四章生物膜课件（二）膜内在蛋白主要靠疏水力与膜脂相结合。有的部分嵌在脂双层中，有的横跨全膜。膜内在蛋白不易分离，只有用较剧烈的条件（如去垢剂、有机溶剂和超声波等）才能把它们溶解下来。

（二）膜内在蛋白膜内在蛋白质与膜结合的主要形式：

1、以单一α螺旋跨膜如人红细胞的血型糖蛋白。2、以多段α螺旋跨膜如细菌视紫红质蛋白膜内在蛋白质与膜结合的主要形式：穿膜蛋白(Monotopic蛋白)

一般具有跨膜的多肽区的内在膜蛋白称之穿膜蛋白，这是参与跨膜转运和信号传递的蛋白质所必须具备的特征。受体蛋白一般都属于这类蛋白。穿膜蛋白(Monotopic蛋白)细菌视紫红质蛋白(Polytopic膜蛋白)有7个跨膜的-螺旋片段，每个片段大约含有25个氨基酸残基.细菌视紫红质蛋白(Polytopic膜蛋白)

3、以蛋白质分子末端片段插膜4、通过共价键结合的脂插膜

锚脂膜蛋白：通过共价键被“栓”在一个脂分子上。最简单的一类锚脂膜蛋白是通过蛋白中的一个氨基酸残基与膜中的脂肪酸残基，形成酰胺键或酯键固定在膜上的，这类蛋白质通常出现在病毒和真核细胞中。3、以蛋白质分子末端片段插膜第四章生物膜课件三、糖类大多数与膜蛋白结合，少量与膜脂结合。分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖—蛋白质复合物（glycocalyx）或称细胞外壳（cellcoat）三、糖类第四章生物膜课件糖蛋白的功能尚未完全阐明。糖蛋白可能与大多数细胞的表面行为有关，在接受外界信息以及细胞间相互识别方面具有重要作用。因此有人将细胞膜的糖类部分比喻为细胞表面的天线，糖蛋白的功能尚未完全阐明。第三节生物膜的分子结构一、生物膜中分子间作用力1、静电力存在于分子的一切极性和带电荷基团之间。2、疏水作用对维持膜结构起主要作用。依赖于水的存在。

疏水相互作用：蛋白质分子上非极性基团的氨基酸侧链和膜脂的疏水部分都与水疏远，它们之间存在一种相互趋近的作用。3、范德华力倾向于使膜中分子尽可能彼此靠近，和疏水作用有相互补充的作用第三节生物膜的分子结构二、生物膜结构的几个主要特征（一）膜组分的不对称分布构成膜组分的脂质、蛋白质和糖类在膜两侧的分布都是不对称的。第四章生物膜课件（二）生物膜的流动性1、膜脂的流动性（1）磷脂分子在膜内作侧向扩散或侧向移动（2）磷脂分子在脂双层中作翻转运动（3）磷脂烃链围绕C—C键旋转而导致异构化运动（4）磷脂分子围绕于膜平面相垂直的轴左右摆动（5）磷脂分子围绕于膜平面相垂直的轴作旋转运动（二）生物膜的流动性脂双层是动态结构

侧向扩散，即在双层中的每层平面内的脂运动是非常快的。

横向扩散（也称之翻转），即双层中的某一层内的脂过渡到另一层是非常慢的。第四章生物膜课件膜脂分子的运动异构化运动侧向扩散翻转运动左右摆动旋转运动膜脂分子的运动异构化运动侧向扩散翻转运动左右摆影响磷脂流动性的因素：（1）磷脂脂酰链的不饱和的程度和链长（2）胆固醇、鞘磷脂的含量（3）膜蛋白（4）温度、pH、离子强度、金属离子等

影响磷脂流动性的因素：2、膜蛋白的运动性（1）膜蛋白的侧向扩散（2）膜蛋白的旋转扩散膜蛋白的旋转扩散一般慢于侧向扩散，而膜蛋白的侧向扩散又显著慢于膜脂的侧向扩散。

第四章生物膜课件第四章生物膜课件三、生物膜分子结构的模型（一）脂双层模型1895年Overton发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。1899年提出脂质和胆固醇类物质可能是构成细胞膜的主要组分。E.Gorter&F.Grendel1925年用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成，极性端朝外，非极性端朝内。三、生物膜分子结构的模型脂双层模型的来源脂双层模型的来源（二）三夹板模型J.Danielli&H.Davson1935年发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。因而形成蛋白质—脂质—蛋白质的“三明治”（或“三夹板”）式结构。

（二）三夹板模型三