生物膜的结构与功能省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第四章生物膜结构与功效

目标与要求：经过本章学习，要求掌握生物膜结构和功效关系。生物膜在生命活动中功效是多方面，本章重点介绍膜物质运输功效，能量转换功效和信号转导功效。1/119生物膜结构与功效

第一节生物膜结构特点第二节生物膜与物质跨膜运输第三节生物膜与能量转换第四节生物膜与细胞信号转导2/119第一节生物膜结构特点

一、生物膜结构模型及特点

1．流动镶嵌模型2．特点（1）膜蛋白分布不对称性（2）膜脂流动性及其意义（3）膜蛋白运动性二、生物膜体外重建

实例：Na+-

K+-

ATPase体外重建3/119

细胞膜流动镶嵌模型

4/119

生物膜结构不对称性5/119红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列

6/119高流动性磷脂双脂层模型图7/119磷脂磷脂分子运动几个方式

侧向移动全反式、偏转构型旋转异构化运动翻转运动摆动、扭动8/119膜脂相变变相温度（Tc）凝胶态液晶态T<TcT>Tc9/119发红光硷性蕊香红标识人细胞膜蛋白抗体发绿光荧光素标识小鼠细胞膜蛋白抗体经过细胞膜融合证实膜蛋白运动示意图

10/119膜双脂层形成试验

11/119Na+-K+-ATPase体外重建Na+-K+-ATPase去污剂微囊脂-去污剂微囊增溶膜蛋白去污剂微囊外加磷脂透析纯化膜蛋白Na+-K+-ATPase在脂质体上重建纯化12/119膜蛋白被去污剂溶解过程

13/119细胞膜Ca2+转运体系重组

14/119第二节生物膜与物质跨膜运输

一、被动运输与主动运输二、小分子物质运输三、生物大分子跨膜运输15/119二．小分子物质运输1．Na+.K+-ATPase(1)K.whittam及其同事经典试验(2)Na+.K+-ATPase结构和作用机理2.阴离子运输3．糖和氨基酸运输(1)协同运输（co-transport）(2)基团运输（grouptransport)16/119三、生物大分子跨膜运输

1、胞吐和内吞作用2、新生蛋白质跨膜定向运输（1）分泌蛋白质经过内质网运输a信号肽(signalsequence)b信号肽假说(signalhypothesis)(2)线粒体蛋白质跨膜运输a线粒体蛋白质跨膜运输特征b导肽（leadersequences）性质和特征17/119被动运输（Passivetransport）

物质从高浓度一侧经过膜运输到低浓度一侧，即顺浓度梯度方向跨膜运输过程称被动运输。在该过程中△G<0。

主动运输（Actictransport）

凡物质逆浓度梯度运输称主动运输，这一过程进行需供给能量。△G=2.3RTlog(C2/C1)+ZF△V>0主动运输特点：

专一性；饱和性；方向性；可被选择性抑制；需提供能量18/119K.Whittam试验

试验设计：

制备红细胞血影（ghost），观察ATP水解情况和膜内外K+，Na+浓度关系。试验结果：

a．红细胞内ATP水解同时，K+、Na+都按预定方向跨越细胞膜（2K+进，3Na+出）；b．假如膜内外仅有K+或Na+，则ATP水解极少；c．红细胞血影只能利用膜内ATP，而不能利用膜外ATP；d．K+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被取代。19/119Na+.K+-ATPase亚基结构及其在膜上定位20/119Na+-K+-ATPase作用模型ATPADP细胞外细胞质12543621/119Na+.K+-ATPase作用机制

22/119脂双层细胞外细胞内葡萄糖协同运输系统23/119细胞质

糖磷酸磷酸转换酶系统糖细菌膜细胞外丙酮酸PEP细菌中糖经过基团运输主动运输24/119

糖基团转运机制

25/119

细胞膜上HCO3-和Cl-交换

26/119真核细胞膜阴离子通道结构域

27/119糖基团转运

28/119分泌蛋白质合成和胞吐作用内质网高尔基体泡泡泡融入质膜核糖体芽泡29/119

一些真核细胞多肽链上N-端信号肽结构

30/119

信号肽假说示意图

31/119线粒体外膜线粒体内膜带有导肽线粒体蛋白质前体跨膜运输过程示意图内外膜接触位点蛋白质通道线粒体hsp70受体蛋白hsp70导肽蛋白酶切除导肽32/119第三节生物膜与能量转换

一．氧化磷酸化能量转换机制二．光合磷酸化能量转化机制33/119一．氧化磷酸化能量转换机制

1.线粒体结构和呼吸链组成2呼吸链电子传递过程中自由能改变3.Mitchell化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）

电子动力→质子动力→ATP合成4.ATP酶结构与功效

ATP酶旋转催化理论34/119二．光合磷酸化能量转化机制

2．光合磷酸化机理3．氧化磷酸化和光合磷酸化比较1．叶绿体结构和光合链35/119线粒体结构示意图

36/119

FADH2呼吸链NADH呼吸链

37/119

OHNADOHNADH2221+®++++

00¢¢D-=DEnFG()[]32.082.5.962---=o107.220--=molKJ×.×NADH呼吸链电子传递过程中自由能改变38/119FADH2呼吸链自由能改变

OHFADOFADH22221+=+()[]18.082.05.962--´´-=0¢¢D-=DEnFGo10.183-×-=molKJ

39/1192H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

化学渗透假说示意图

40/119线粒体ATP酶

41/119

氧化磷酸化重建示意图42/119Boyer和Walker工作

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不一样构象，一个构象(L)有利于ADP和Pi结合，一个构象(T)可使结合ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成ATP轻易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象交替改变，所需能量由跨膜H+提供。

英国科学家Walker经过x光衍射取得高分辩率牛心线粒体ATP酶晶体三维结构，证实在ATP酶合成ATP催化循环中三个β亚基确实有不一样构象，从而有力地支持了Boyer假说。

Boyer和Walker共同取得1997年诺贝尔化学奖43/119ATPase旋转催化模型

III

IVIII定子转子旋转催化理论认为质子流经过Fo引发亚基III寡聚体和

及

亚基一起转动,这种旋转配置

/

亚基之间不对称相互作用,引发催化位点性质转变,

亚基中心

-螺旋被认为是转子,亚基I和II与

亚基组合在一起组成定子,它压住

/

异质六聚体.44/119ATP酶作用机理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合构象有于ADP与Pi生成构象有利于ATP释放构象45/119叶绿体结构示意图46/119光合电子传递链

光合电子传递链47/119叶绿体ATP酶48/119光合磷酸化示意图

49/119光合磷酸化和氧化磷酸化能量转化机理比较

光合磷酸化O2

有机物NADPHH2O光子光子ATPee氧化磷酸化:

O2

有机物NADHH2O氧化e

ATPATPATPe50/119第四节生物膜与细胞信号转导

一、细胞信号转导概述二、与G-蛋白偶联细胞表面受体跨摸信号转导三、含有酶活性细胞表面受体跨摸信号转导

四、蛋白质可逆磷酸化及其对基因表示调控五、细胞信号转导基本规律和研究前景51/119一．细胞信号转导概述

3、细胞信号主要种类4、受体及跨摸信号转换2、细胞间和细胞环境间信号转导类型1．研究内容及进展52/119细胞信号转导概念

生物细胞中进行着复杂新陈代谢过程，其中包含物质代谢和能量代谢。伴随生命科学发展，揭示出生物细胞还存在着另一个特殊代谢过程，它传递着环境改变信息，调整和控制着物质与能量代谢以及生理反应与生长发育，这一体系称为细胞信号转导系统。53/119细胞信号转导研究内容

在遗传密码破译及转录、翻译基本规律取得突破之后，怎样控制细胞基因增殖、分化、发育就成为生物学最大挑战，而环境刺激在此过程中起着主要调整作用。因而“细胞信号转导”任务是研究细胞感受和转导环境刺激分子路径以及生物个体发育过程中怎样调整基因表示和调整代谢生理反应等问题。54/119细胞信号转导研究进展

80年代以前

胞间激素、神经递质信号传递方式80年代以后

信号跨膜转换及胞内信号存在90年代以来

该领域科学家取得4次诺贝尔奖

1991年

Nelzer和Sokmann，单个细胞膜离子通道

1992年

Krebs和Fisher，

糖元代谢中蛋白质可逆磷酸化

1994年

Gilman和Rodbell，G蛋白及其向细胞转导信号作用

1998年

Fishergot和Egenano，NO作为信号分子作用55/119

细胞和细胞环境间信号转导类型经过分泌化学介质间接联络型经过间隙置换直接联络型经过质膜结合分子直接接触型56/119２．细胞信号主要种类

(2)物理信号光、电、磁场、辐射(1)生物大分子结构信号a蛋白质b核酸c多糖及糖蛋白、糖脂类(3)化学信号a细胞间信号分子（第一信使）类别和特点b细胞内信号分子（第二信使）类别和特点57/119低聚寡糖链跨膜糖蛋白脂双层糖被糖残基唾液酸糖脂多糖被结构模式58/119胞间信号分子类别

a．内分泌激素（动植物、昆虫激素）

b．神经递质（是神经系统胞间通讯化学分子由专一突轴结构释放。主要有胆碱、氨基酸类、单胺类、肽类）。c．局部化学介导因子（一些化学信号物质分泌到细胞外液后很快被吸收或破坏，只作用于邻近细胞如组胺、前列腺素、神经生长因子）。d．气体信号分子，如NO。59/119胞间通讯信号分子特点

a．作用特异性b．作用复杂性c．不一样信号分子时间效应各异

激素信号：相对迟缓而弥散；但后果深远，影响面广

神经递质信号：短距离传递信息，作用快速，准确集中d．水溶、脂溶性胞间信号有别

水溶性信号分子：与膜表面受体结合，介导短暂反应

脂溶性信号分子：与膜内受体结合，影响基因表示,表现为连续效应60/119胞内信号分子类别

a．cAMP与cGMPb．肌醇三磷酸（IP3）和甘油二酯（DG）c．Ca2+

胞内信号分子特点胞内信号分子是在胞间信号被细胞表面受体接收后，经过G蛋白偶联激活一样处于膜上酶或离子通道而产生，这么才能完成跨膜信号转换，最终造成细胞反应。假如我们将胞间信号分子看作第一信史，则胞内信号分子正是充当了第二信使作用。61/119第一信使和第二信使图解

各种刺激

激素（第一信使）失活激素腺苷酸环化酶或磷脂酶C

cAMP或IP3、DG（第二信使）酶活性通透性及其它生理反应内分泌腺类固醇激素、甲状腺等激素释放细胞膜细胞质62/119３．受体(receptor)及跨摸信号转换(1)受体概念、特征及分类(4)受体研究方法：亲和技术提纯受体；标识配体法检测受体；分子克隆技术获取微量受体(3)细胞表面受体种类与结构：离子通道受体；G蛋白偶联型受体；含有酶活性受体(2)

细胞内受体作用机制63/119受体概念

受体（receptor）是细胞表面或在细胞组分中一个天然分子，能够识别并特异地与有生物活性化学信号分子（配体）结合，从而激活或开启细胞内一系列生物化学反应，最终造成该信号物质特定生物效应。绝大多数受体为蛋白质,极少数为非蛋白受体.

受体特点

受体与配体结合含有特异性、亲和性、饱和性受体类别

细胞内受体细胞表面受体64/119细胞表面受体三种类型

C、含有酶活性受体配体无活性状态活化状态A、离子通道型受体离子B、G-蛋白偶联型受体靶酶或离子通道活化靶酶或离子通道配体G-蛋白活化G-蛋白65/119两种类型门控离子通道示意图66/119分子克隆技术取得微量受体

从细胞中提取全部mRNA（其中含有能正常表示所需受体蛋白mRNA），逆转录成cDNA，将其重组入载体质粒，继而让其转染缺乏受体培养细胞群，其中少数细胞可能含有能编码受体所需cDNA，并表示成表面受体。67/119标识配体法检测受体

用化学或酶学方法合成一个标识配体，将其加入含有受体样品（细胞或细胞膜）中，使标识配体和受体结合平衡后再测定结合或游离标识配体数量，由此得出受体浓度和解离常数。

68/119去垢剂溶解膜蛋白从柱中洗去未结合蛋白将受体从固定化alprenolol上洗下来洗脱下来受体-alprenolol复合体去掉非特异蛋白受体颗粒alprenolol加过量加洗脱液亲和层析法提纯ß肾上腺素受体

69/119制备所需细胞表面受体表示克隆法A.DNA重组靶细胞mRNAcDNA终止信号开启子质粒DNAB.转染及表示编码无关蛋白质DNA编码所需受体DNA核内质粒复制所需受体表示所需受体细胞粘附于培养瓶底粘合在瓶底配体粘附细胞培养介质D.从粘附细胞中提纯质粒DNA并克隆

DNA质粒70/1192、细胞内受体跨摸信号转导

(１)甾类激素受体信号转导基本特征(２)甾类激素受体结构和功效71/119类固醇激素作用原理示意图72/119

(A)初级反应脱皮激素脱皮激素受体（B）次级反应次级反应蛋白质活化受体活化受体激活初级反应基因诱导合成几种蛋白质初级合成蛋白质关闭初级反应基因初级反应蛋白质开启次初级反应基因果蝇细胞中脱皮激素诱导基因活化初级与次级反应模型

73/119DNA结合位点暴露绞链区抑制蛋白激素结合部位基因激活区域DNA结合区域甾素激甾醇类激素受体作用模型74/119二、与G蛋白偶联跨摸信号转换系统

1、G-蛋白（GTP-bindingprotein）与跨摸信号转导2、胞内信使cAMP和cGMP系统3、胞内信使IP3与DG（双信使）系统4、胞内信使Ca2+系统5、cAMP与与Ca2+信号系统之间“crosstalk”75/119G蛋白概念

G蛋白（GTP-bindingprotein）普通是指一类与膜受体偶联异三聚体结合蛋白，其含有和GTP结合并催化GTP水解成GDP能力，由α、β、γ三个亚基组成，可充当细胞膜上受体和靶酶之间信号传递体。另外还发觉一类分子量较小“小G蛋白”（smallGTP-bindingprotein），其特点是它们都是单体，存在于不一样细胞部位，在细胞信号传递中也饰演着主要角色，Ras蛋白是该家族中最主要组员。76/119异三聚体

G

蛋白结构77/119激素信号经过G蛋白激活靶酶

TargetenzymeSecondarymessenger78/119cAMP信号转导通路

（1）cAMP发觉和第二信史学说提出（2）受体经过G蛋白与cAMP环化酶偶联模型（3）信号分子cAMP产生和灭活（4）cAMP信号系统传递模型（5）cAMP信号调整生理过程79/119受体经过G蛋白与cAMP环化酶偶联模型

受体蛋白G蛋白腺苷酸环化酶GDPGDPGDPGDPGDPGTPGTP

A.信号分子结合改变受体构象暴露出蛋白结合位点B.膜上扩散造成配体-受体与Gs蛋白结合从而将其激活并进行GTP-GDP交换C.GDP为GTP所取代，引发

亚基从G蛋白复合体中解离，暴露出

亚基上腺苷酸环化酶结合位点

D.

亚基结合并激活环化酶，产生许多cAMP分子E.GTP水解，使

亚基回到原初构象，从而与环化酶脱离，环化酶失活，

亚基与

再结合F.环化酶重复激活，除非信号分子从受体上解离并离开受体回到原初构象GDPGTPATPcAMP80/119cAMP激活蛋白激酶作用机理

81/119cAMP和成与分解腺苷酸环化酶cAMP磷酸二酯酶82/119肽类激素经过cAMP-蛋白激酶调整代谢示意图

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质磷酸化作用改变细胞生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcAMP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白83/119cAMP信号系统传递模型84/119

cAMP信号传递过程中放大作用

85/119cAMP参加一些生理过程

生理过程细胞组织促进糖原分解抑制糖原合成肝、肌肉、脂肪细胞促进糖原异生肝、肾促进甘油三酯及胆固醇水解脂肪细胞、肝、肌肉、产生类固醇细胞抑制脂类合成肝、脂肪组织促进类固醇激素合成肾上腺皮质、睾丸间质细胞增强膜透性（离子）神经细胞、肌肉细胞增强膜透性（水）肾、膀胱、皮肤基因转录微生物乳糖操纵子、酶诱导蛋白质合成分解效应（肝）、选择性蛋白质合成（肾上腺皮质）细胞分裂与分化肝瘤细胞86/119cGMP信号转导通路模式图一氧化氮合成酶血红素氧化酶其它靶分子浆可溶型鸟苷酸环化酶脱受体结合型鸟苷酸环化酶cGMP门控离子通道cGMP抑制PDEADP-核糖环化酶cGMP激和PDEcGMP依赖蛋白激酶cAMP依赖蛋白激酶离子流动cAMP反应性cAMP反应性cADPR合成蛋白磷酸化蛋白磷酸化cGMPANP/BNPCNPSTa/GuanylinNOCOGC-AGC-BGC-CcAMP87/1193、胞内信使—IP2与DG（双信使路径）（1）双信使（IP3/Ca2+和DG/PKC）路径发觉

（2）

磷脂酸肌醇循环（3）受体经过G蛋白与磷脂酶C(PLC)偶联

双信使系统模型（4）IP3/Ca2+信号传递路径

（5）

DG/PKC信号传递路径及其多样性（6）双信使路径之间相互作用88/119

PIP2DGIP3

磷脂酶C(PLC)双信使信号产生

89/119

PA:磷脂酸MG:单酰甘油AA:花生四烯酸磷脂酸肌醇循环90/119PLCDGPIP2IP3双信使系统模式图

91/119磷脂酸肌醇循环及信号转导92/119

刺激受体

Ca2+通道Ca2+泵IP4引发胞外Ca2+跨膜内流IP3引发内质网Ca2+释放IP3引发胞内Ca2+动员示意图

93/119PIP3IP3DGDG磷脂酶CPKC依赖Ca2+和PS蛋白激酶PS磷脂酰丝氨酸活化PKCPKC-PS-DG-Ca2+复合物PKC激活机制图解94/119PKC生理功效多样性

1对膜离子转运功效调整2对膜受体功效调整3参加代谢调整（如经过催化磷酸化反应调整酶活性）4参加生物活性物质合成与分泌5对转录过程调整作用（经过调整转录因子活性间接调整基因转录活动）95/119IP2/Ca2+和DG/PKC路径之间相互作用Ca2+调整生理反应PKC调整生理反应细胞生理效应96/1194、胞内信使—Ca2+

（1）细胞内Ca2+平衡及Ca2+释放

（2）钙信使信号传递—钙结合蛋白结构与功效（3）Ca2+-CaM依赖性蛋白激（CaM-PK）结构和作用机理（4）CaM-PK生物学效应97/119线粒体肌质网

Na+-Ca2+交换器钙泵Na+..Ca2+ATP酶离子通道动物肌细胞中Ca2+转运系统

98/119植物细胞钙离子转运体系99/119钙结合蛋白胞内信使系统共同特点之一是，胞内信号产生后，要与其靶分子（靶蛋白或靶酶）作用而传递信息，继而产生生理反应。Ca2+信使靶分子主要是钙结合蛋白，即其信号传递是经过钙结合蛋白介导。

钙结合蛋白种类：（1）含有EF手形结构钙结合蛋白家族，如钙调素(Calmodulin,CaM)（2）依赖钙磷脂结合蛋白-附加蛋白家族（annexin）Ca2+EF100/119钙调素结构101/119Ca2+

CaM复合体对靶酶活化作用+Ca2+CaMCa2+CaM酶X(有活性)酶X(无活性)酶X-----蛋白激酶、磷酸酯酶、核苷酸环化酶、离子通道蛋白、肌肉收缩蛋白102/119钙调素依赖蛋白激酶（CaM-PK）作用机制示意图PPATPATPP底物底物P底物底物蛋白磷酸酶Mg2+/ATPCa2+/CaM催化结构域抑制结构域连接结构域103/119CaM-PK底物及其功效底物蛋白功能乙酰CoA羧化酶脂肪酸合成ATP-柠檬酸裂解酶脂肪酸合成环核苷酸磷酸二酯酶环腺苷酸代谢鸟苷酸环化酶环磷酸鸟苷代谢糖原合成酶糖代谢丙酮酸激酶糖代谢磷酸果糖激酶糖原分解核糖体蛋白5S蛋白质合成Ryanodine受体.心肌Ca2+释放三磷酸肌醇(IP3)受体IP3刺激Ca2+外排104/119cAMP与与Ca2+信号系统之间“crosstalk”生理反应cAMPCa2+激酶R亚基激酶C亚基磷酸蛋白Ca2+CaM依赖PDECaM(无活性)Ca2+CaM(活性)Ca2+CaM结合蛋白Ca2+CaM依赖蛋白磷酸酶Ca2+CaM依赖蛋白激酶蛋白磷酸酶抑制因子P-蛋白质糖原合成酶MLCK代谢水平功效水平105/119三．含有酶活性表面受体信号转换系统

2、含有受体功效Ser/Thr蛋白激酶

1、含有受体功效Tyr蛋白激酶(receptorproteintyrosinekinase,RPTK)（1）RPTK基本结构（2）RPTK活化与跨摸信号转导(3)RPTK受体胞内信号转导通路106/119RPTK结构示意图半胱氨酸残基酪氨酸残基激酶活性区跨膜结构区配体结合区N-末端C-末端细胞外区域细胞内区域质膜107/119RPTK受体激酶激活机理

配体无活性单体有活性单体ATPADP受体本身磷酸化PPPPPP磷酸化底物底物108/119RPTK型受体细胞内信号转导通路PLC-

PI-3KPIP2DGIPI2PKCCa2+P21-rasSer家族组员Raf-1MEKMAPKMAPK激酶生长因子受体PIP2PIP3Ser/Thr蛋白激酶细胞分裂原活化蛋白激酶细胞膜109/119四、蛋白质可逆磷酸化及其对基因表示调控

1、蛋白质磷酸化和脱磷酸化2、蛋白质可逆磷酸化在信号转导中特点和意义3、蛋白质磷酸化与基因表示调控

110/119蛋白质磷酸化和脱磷酸化

蛋白激酶ATPADP蛋白质蛋白质Pn蛋白磷酸酶nPiH2O分类第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型分类第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型第三类：双重底物型111/119转录因子磷酸化对DNA结合影响p–p–p–p–p–IIIIIIIVVATP

ADP蛋白激酶

磷酸化位点

调整因子p–