生物膜的结构与功能.ppt

1、第四章 生物膜的结构与功能,目的与要求：通过本章学习，要求掌握生物膜的结构和功能的关系。生物膜在生命活动中的功能是多方面的，本章重点介绍膜的物质运输功能，能量转换功能和信号转导功能 。,生物膜的结构与功能,第一节 生物膜的结构特点 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,第一节 生物膜的结构特点,一、生物膜的结构模型及特点 1流动镶嵌模型 2特点 （1）膜蛋白分布的不对称性 （2）膜脂的流动性及其意义 （3）膜蛋白的运动性,二、生物膜体外重建 实例：Na+ - K+ - ATPase的体外重建,细胞膜流动镶嵌模型,生物膜结构的不对称性,红细胞膜血型

2、蛋白跨膜部分氨基酸序列,高流动性磷脂双脂层模型图,磷脂磷脂分子运动的几种方式,膜脂的相变,变相温度（Tc）,凝胶态,液晶态,TTc,TTc,通过细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图,膜双脂层形成实验,Na+-K+- ATPase的体外重建,Na+-K+-ATPase,去污剂微囊,脂-去污剂微囊,增溶的膜蛋白,去污剂微囊,外加的磷脂,透析,纯化的膜蛋白,Na+-K+-ATPase在脂质体上重建,纯化,膜蛋白被去污剂溶解的过程,细胞膜Ca2+转运体系的重组,第二节 生物膜与物质跨膜运输,一、被动运输与主动运输 二、小分子物质的运送 三、生物大分子的跨膜运送,二小分子物质的运送,1Na+ . K+ - A

3、TPase (1) K.whittam及其同事的经典实验 (2) Na+ . K+ - ATPase的结构和作用的机理 2. 阴离子运送 3糖和氨基酸的运送 (1) 协同运送（co-transport） (2)基团运送（group transport),三、生物大分子的跨膜运送,1、胞吐和内吞作用,2、新生蛋白质的跨膜定向运送 （1）分泌蛋白质通过内质网的运送 a 信号肽(signal sequence) b 信号肽假说(signal hypothesis) (2) 线粒体蛋白质的跨膜运送 a 线粒体蛋白质跨膜运送的特征 b 导肽（leader sequences）的性质和特征,被动运送（Pa

4、ssive transport）,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G0。,主动运送（Actic transport） 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 =2.3RT log(C2/C1) + ZFV0,主动运输的特点： 专一性；饱和性；方向性；可被选择性抑制；需提供能量,K.Whittam的实验,实验设计： 制备红细胞血影（ghost），观察ATP水解情况和膜内外K+，Na+浓度的关系。,实验结果： a红细胞内ATP水解的同时，K+、Na+都按预定方向跨越细胞膜（2K+进，3 Na+出）； b如果膜内

5、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； dK+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被取代。,Na+.K+-ATPase的亚基结构及其在膜上定位,Na+- K+- ATPase的作用模型,ATP,ADP,细胞外,细胞质,1,2,5,4,3,6,Na+.K+-ATPase作用机制,葡萄糖的协同运送系统,细菌中糖通过基团运送的主动运送,糖的基团转运机制,细胞膜上HCO3-和Cl-的交换,真核细胞膜阴离子通道结构域,糖的基团转运,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,核糖体,芽泡,一些真核细胞多肽链上N

6、-端的信号肽的结构,信号肽假说示意图,线粒体外膜,线粒体内膜,带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图,内外膜接触位点的蛋白质通道,线粒体hsp70,受体蛋白,hsp70,导肽,蛋白酶切除导肽,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,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的自由能变化,3.Mitchell的化学渗透假说 （chemiosmotic hypothesis） 电子的动力质子的动力ATP合成,4. ATP酶的结构与功能 ATP酶的旋转催化理论,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

7、光合磷酸化的比较,1叶绿体的结构和光合链,线粒体结构示意图,NADH呼吸链,NADH呼吸链电子传递过程中自由能的变化,FADH 2呼吸链的自由能变化,化学渗透假说示意图,线粒体ATP酶,氧化磷酸化重建示意图,Boyer和Walker的工作,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合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分

8、辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III 寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置 /亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变, 亚基的中心 -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.,ATP酶作用机理,ATP,有于ADP与Pi结合的构象,有于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,叶绿体结构示意图,光合电子传递链,光

9、合电子传递链,叶绿体ATP酶,光合磷酸化示意图,光合磷酸化和氧化磷酸化能量转化机理比较,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的跨摸信号转导 三、具有酶活性的细胞表面受体的跨摸信号转导四、蛋白质的可逆磷酸化及其对基因表达的调控 五、 细胞信号转导的基本规律和研究前景,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的类型,1研究内容及进展,细胞信号转导的概念,生物细胞中进行着复杂的新陈代谢过程，其中包括物质代谢和能量代谢。随着生命科学的发展，揭示出生物细胞还存在着另一种特殊的代谢过程，它传递着环境变化的

10、信息，调节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。,细胞信号转导的研究内容,在遗传密码破译及转录、翻译的基本规律获得突破之后，如何控制细胞基因的增殖、分化、发育就成为生物学的最大挑战，而环境刺激在此过程中起着重要调节作用。因而“细胞信号转导”的任务是研究细胞感受和转导环境刺激的分子途径以及生物个体发育过程中如何调节基因表达和调节代谢生理反应等问题。,细胞信号转导研究进展,80年代以前 胞间激素、神经递质信号传递的方式 80年代以后 信号的跨膜转换及胞内信号的存在 90年代以来 该领域科学家获得4次诺贝尔奖 1991年 Nelzer和Sokmann，单个细胞膜

11、离子通道 1992年 Krebs和Fisher， 糖元代谢中蛋白质的可逆磷酸化 1994年 Gilman和Rodbell，G蛋白及其向细胞转导信号的作用 1998年 Fishergot和Egenano，NO作为信号分子的作用,细胞和细胞环境间信号转导类型,通过分泌化学介质间接联系型,通过间隙置换直接联系型,通过质膜结合分子直接接触型,细胞信号主要种类,(2)物理信号 光、电、磁场、辐射,(1)生物大分子的结构信号 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）的类别和特点 b 细胞内信号分子（第二信使）的类别和特点,多糖被的结构模式,胞间信号分子的

12、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的化学分子由专一的突轴结构释放。主要有胆碱、氨基酸类、单胺类、肽类）。,c局部化学介导因子（某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。,胞间通讯信号分子的特点,a作用的特异性,b作用的复杂性,c不同信号分子的时间效应各异 激素信号：相对缓慢而弥散；但后果深远， 影响面广 神经递质信号：短距离传递信息，作用迅速，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，影响基因表达,表

13、现为持续效应,胞内信号分子类别,acAMP与cGMP b肌醇三磷酸（IP3）和甘油二酯（DG） cCa2+,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受后，通过G蛋白偶联激活同样处于膜上的酶或离子通道而产生的，这样才能完成跨膜的信号转换，最后导致细胞反应。如果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的作用。,第一信使和第二信使图解,各种刺激,激素 （第一信使）,失活的激素,腺苷酸环化酶 或 磷脂酶C,cAMP或IP3、DG （第二信使）,酶活性通透性及其他生理反应,内分泌腺,类固醇激素、甲状腺等激素释放,细胞膜,细胞质,受体(receptor)及跨摸信号

14、转换,(1)受体的概念、特征及分类,(4)受体的研究方法：亲和技术提纯受体；标记配体法检测受体；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；具有酶活性的受体,(2) 细胞内受体的作用机制,受体的概念,受体（receptor）是细胞表面或在细胞组分中的一种天然分子，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号分子（配体）结合，从而激活或启动细胞内一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。绝大多数受体为蛋白质,极少数为非蛋白受体.,受体的特点 受体与配体结合具有特异性、亲和性、饱和性,受体的类别 细胞内受体 细胞表面受体,细胞表面受体的三种类

15、型,两种类型门控离子通道示意图,分子克隆技术获得微量受体,从细胞中提取所有mRNA（其中含有能正常表达所需受体蛋白的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的培养细胞群，其中少数细胞可能含有能编码受体所需的cDNA，并表达成表面受体。,标记配体法检测受体,用化学或酶学方法合成一种标记配体，将其加入含有受体的样品（细胞或细胞膜）中，使标记配体和受体结合平衡后再测定结合或游离的标记配体数量，由此得出受体的浓度和解离常数。,亲和层析法提纯肾上腺素受体,制备所需细胞表面受体的表达克隆法,A. DNA重组,靶细胞mRNA,cDNA,终止信号,启动子,质粒DNA,2、细胞内受

16、体的跨摸信号转导,()甾类激素受体信号转导的基本特征 () 甾类激素受体的结构和功能,类固醇激素作用原理示意图,果蝇细胞中脱皮激素诱导基因活化的初级与次级反应模型,DNA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,二、与G蛋白偶联的跨摸信号转换系统,1、G-蛋白（GTP-binding protein）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+信号系统之间的“cross talk”,G蛋白的概念,G 蛋白（GTP-binding

17、protein）一般是指一类与膜受体偶联的异三聚体结合蛋白，其具有和GTP结合并催化GTP水解成GDP的能力，由、三个亚基组成，可充当细胞膜上受体和靶酶之间的信号传递体。 另外还发现一类分子量较小的“小G蛋白”（ small GTP-binding protein ），其特点是它们都是单体，存在于不同的细胞部位，在细胞信号传递中也扮演着重要的角色， Ras蛋白是该家族中最重要的成员。,异三聚体G蛋白的结构,激素信号通过G蛋白激活靶酶,cAMP信号转导通路,（1） cAMP的发现和第二信史学说的提出 （2）受体通过G蛋白与cAMP环化酶偶联的模型 （3）信号分子cAMP的产生和灭活 （4）cAM

18、P信号系统传递模型 （5）cAMP信号调节的生理过程,受体通过G蛋白与cAMP环化酶偶联的模型,受体蛋白,G蛋白,腺苷酸环化酶,A. 信号分子结合改变受体 构象暴露出蛋白的结合位点,B.膜上扩散导致配体-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，引起亚基 从G蛋白复合体中解离，暴露出亚 基上腺苷酸环化酶的结合位点,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,cAMP激活蛋白激酶的作用机理,

19、cAMP的和成与分解,腺苷酸环化酶,cAMP磷酸二酯酶,肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,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,cAMP信号系统传递模型,cAMP信号传递过程中的放大作用,cAMP参与的某些生理过程,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

20、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,cGMP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抑制的PDE,ADP-核糖环化酶,cGMP激和的PDE,cGMP依赖的蛋白激酶,cAMP依赖的蛋白激酶,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,cGMP,ANP/BNP,CNP,STa/Guanylin,NO,CO,GC-A,GC-B,GC-C,cAMP,3、胞内信使IP2与DG（双信使途径）,（1） 双信使（IP3/Ca2+和DG/

21、PKC）途径的发现 （2） 磷脂酸肌醇循环 （3）受体通过G蛋白与磷脂酶C(PLC)偶联的 双信使系统模型 （4） IP3/Ca2+信号传递途径 （5） DG/PKC信号传递途径及其多样性 （6）双信使途径之间的相互作用,双信使信号的产生,磷脂酸肌醇循环,PLC,DG,PIP2,IP3,双信使系统模式图,磷脂酸肌醇循环及信号转导,IP4引起胞外Ca2+的跨膜内流,IP3引起内质网Ca2+释放,IP3引起胞内Ca2+的动员示意图,PKC的激活机制图解,PKC的生理功能的多样性,1 对膜离子转运功能的调节 2 对膜受体功能的调节 3 参与代谢的调节（如通过催化磷酸化反应调节酶 活性） 4 参与生物

22、活性物质的合成与分泌 5 对转录过程的调节作用（通过调节转录因子活性 间接调节基因转录活动）,IP2/Ca2+和DG/PKC途径之间的相互作用,Ca2+调节的生理反应,PKC调节的生理反应,细胞生理效应,4、胞内信使Ca2+,（1）细胞内Ca2+平衡及Ca2+释放（2）钙信使的信号传递钙结合蛋白的结构与功能 （3） Ca2+ -CaM依赖性蛋白激（CaM-PK）的结构和 作用机理 （4） CaM-PK的生物学效应,Na+-Ca2+交换器,钙泵,Na+.Ca2+ATP 酶,离子通道,动物肌细胞中的Ca2+转运系统,植物细胞钙离子转运体系,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

23、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+信使的靶分子主要是钙结合蛋白，即其信号传递是通过钙结合蛋白介导的。,钙结合蛋白的种类： （1）具有EF手形结构的钙结合蛋白家族，如钙调素(Calmodulin,CaM) （2）依赖钙的磷脂结合蛋白-附加蛋白家族（annexin）,钙调素的结构,Ca2+ CaM复合体对靶酶的活化作用,+,Ca2+,CaM,Ca2+ 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,钙调素依赖蛋白激酶（CaM-PK）作用机制示意图,ATP,ATP,蛋白磷酸酶,Mg2+/ATP,Ca2

24、+/CaM,催化结构域,抑制结构域,连接结构域,CaM-PK的底物及其功能,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,cAMP与与Ca2+信号系统之间的“cross talk”,cAMP,Ca2+,激酶 R亚基,激酶 C亚基,磷酸蛋白,Ca2+ CaM依赖PDE,CaM (无活性),Ca2+ CaM (活性)

25、,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,功能水平,三具有酶活性的表面受体信号转换系统,2、 具有受体功能的Ser/Thr蛋白激酶,1、 具有受体功能的Tyr蛋白激酶 (receptor protein tyrosine kinase, RPTK) （1）RPTK的基本结构 （2）RPTK的活化与跨摸信号转导 (3) RPTK受体的胞内信号转导通路,RPTK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,

26、RPTK受体激酶激活机理,无活性单体,RPTK型受体的细胞内信号转导通路,MAPK激酶,受体,Ser/Thr蛋白激酶,细胞分裂原活化蛋白激酶,细胞膜,四、蛋白质的可逆磷酸化及其对基因表达的调控,1、蛋白质的磷酸化和脱磷酸化 2、蛋白质可逆磷酸化在信号转导中的特点和意义 3、蛋白质的磷酸化与基因表达的调控,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,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,转录因子磷酸化对DNA结合的影响,I,III,II,IV,V,蛋白质可逆磷酸化在信号转导中的特点和意义,1、在胞内介导胞外信号时具专一应答的特点； 2、可以控制细胞内已存在酶的“活性酶量”，使应答反应更有效； 3、对外界信号具有级联放大作用； 4、几乎涉及所有的生理过程，功能上具有多样性； 5、在细胞对外界信号的持续反应中具有重要作用。,细胞信号转导主要途径模式图,胞间信使,激素等,生长因子,甾激素,酪氨酸蛋白激酶,胞间信号第一信使,跨膜信号转导,蛋白质可逆磷酸化,胞质受体(TE),(细胞外),(质膜),(细胞质),光,(细胞核),Ca2+结合蛋白,生理功能调节