1、第18章 生物膜的组成与结构,细胞体,纤毛,线粒体,消化泡,内质网,分泌泡,一.生物膜的作用生物膜的形成对于生物的物质贮存及细胞间的通讯起着关键作用。膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。膜不仅仅是被动的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件；膜上的泵可以逆跨膜梯度移动（运送）特定的有机物和无机离子；能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量；质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件。,二.膜的分
2、子组成生物膜由蛋白质和极性脂质组成，少量的碳水化合物也是糖蛋白或糖脂的一部分。蛋白质和脂类的相对比例因不同的膜而不同，反映着膜生物作用的广泛性。神经元的髓鞘主要由脂类构成，为一种电子绝缘体。但细菌、线粒体、叶绿体的膜上由许多酶催化的代谢过程发生，含有的蛋白比脂类要多。特化的脊椎动物视网膜杆状细胞90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白视紫红质。特化较低的红细胞质膜约含20种含量较高的蛋白及十几种较少的蛋白，其中多数的蛋白为运输载体。有些膜蛋白还与一个或多个膜脂分子共价结合，后者可能形成一种疏水的稳定体系以保证蛋白质存在于膜中。膜脂组成因不同的物种、不同的细胞和不同的细胞器而不同。,鼠肝细胞膜及细胞器膜的
3、脂质类型,红细胞质膜内外单层膜 磷脂的不对称分布,两性脂在水中形成的聚集体 所有生物膜拥有共同的基本特征：对多数极性分子或带电分子不通透，允许非极性分子通透；约5-8 nm厚，横切电镜照片近似三层结构。脂类与水相共存时会迅速形成一种脂双分子层结构而避开水的作用，生物膜的厚度（电镜测定为5-8 nm）是由3 nm的脂双分子层和蛋白的厚度决定的，所有证据都支持生物膜由脂双分子层构成。,温度引起侧链热运动,脂双层平面内的扩散,跨膜扩散：“翻跟头”,膜脂的运动虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个的磷脂和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由，它们的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就可环绕红细胞的一周。双分
4、子的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋转而不断地运动。另外一种运动就是跨双分子层运动，即flip-flop。膜流动的程度依赖于脂的组成及温度，低温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态（类晶体、半晶体）排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。,O-连接四糖,N-连接糖,-螺旋,红细胞上血型糖蛋白的跨膜结构生物膜的冰冻蚀刻电镜观察到的一个蛋白或多蛋白复合体分布情况显示，一些蛋白仅存在于膜的一面，另一些则横跨整个膜双分子层，有些穿过膜的另一表面。膜蛋白在脂双分子层上可侧向运动。,冰冻蚀刻（Freeze-fracture Technique)撕开膜双层,外周蛋白,嵌入（膜内）
5、蛋白,去污剂处理,蛋白-多糖,pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白,外周蛋白和膜内（嵌入）蛋白外周蛋白（peripheral proteins）与膜结合松散，很容易释放，是水溶性的；外周蛋白通过与嵌入蛋白的亲水区域或膜脂的极性头部以静电作用或氢键结合到膜上，通过温度的改变或破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释放出来。这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物、或与一些膜蛋白的流动性有关。,膜内（嵌入）蛋白（integral proteins）通常富含疏水氨基酸区域（可在中间段，也可在氨基端或羧基端），有些可有多个疏水序列，
6、如-螺旋，可横贯整个膜脂双分子层。与膜结合紧密，由膜上释放时要用特别的试剂（去污剂、有机溶剂、变性剂等），即使嵌入蛋白由膜上释放出来，一旦去除变性剂或去污剂会立即引起蛋白沉淀（不溶聚积物）析出。,磷脂酰肌醇,鞘糖脂,有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。,细胞与细胞相互作用：四种膜内蛋白作用类型,配体结合域,黏附域,类免疫球蛋白域,凝集素域,膜蛋白的扩散运动许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向，很少发生翻转的情况，即使有，flip-flop也非常慢。蛋白质分布的不对称往往还与
7、组成膜上的泵相关。糖蛋白分布的不对称反映了功能的不对称。,红细胞氯-碳酸氢盐交换体的局限运动,锚蛋白,血影蛋白,膜结构的流动镶嵌模型(Fluid Mosaic Model)生物膜中兼性的磷脂和固醇形成一个脂质双分子层，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；脂质双分子层结构中，球状蛋白以非正规间隔埋于其中；另一些蛋白则伸出（突出）膜的一面或另一面；还有一些蛋白跨越整个膜。蛋白质在脂双分子层中的方向是不对称的，表现为膜蛋白功能的不对称。脂质与蛋白质之间构成一个流动的镶嵌结构。,膜蛋白的三维结构 The three-dimensional structure of maltoporin
8、from E.coli （大肠杆菌麦芽糖膜孔蛋白）,大肠杆菌麦芽糖膜孔蛋白中肽链的排列,膜的融合（Membrrane Fusion)生物膜的一个明显的特征是可与另一个膜融合而不失去其完整性。膜虽是稳定的，但不是静止的，内膜系统中膜状结构不断地从高尔基复合体上分泌形成；外吞、内饮、细胞分裂、精卵细胞融合、膜包裹病毒进入宿主细胞等都涉及膜的重新形成，而它们最基本的行为就是两个膜片段的融合而不失去完整性。,膜融合过程两个膜融合需要：相互识别；相互表面靠近并相对（排除水分子）；双层结构部分破坏；两个双分子层融合为一个连续的脂双分子层。受体调节的内吞或控制的分泌还需要融合发生在合适的时间或者是对特异信号
9、的反应。融合蛋白（嵌入蛋白）（fusion protein）参与以上融合事件，引起特异识别和短暂、局部脂双层结构变形促使膜融合。融合蛋白可搭起两个膜融合的桥，并带来融合区域脂双分子层的暂时恢复。膜联蛋白（annexin）（一种Ca2+活化后可与膜磷脂结合的蛋白）是一类紧挨质膜的蛋白质，需要Ca2+，与脂双分子层的磷脂结合，可通过交叉连接两个不同膜的脂质分子。,病毒进入宿主细胞的膜融合,基本要求 1.熟悉生物膜的物质组成。 2.熟悉生物膜的结构模型。,考试方式与题型 考试方式 闭卷集中考试。 题型： 1.填空。每空1分，共10分。 2.判断。10题10分。 3.名词解释： 5题10分。 4.分析
10、与计算。5-6题，70分。,复习重点糖蛋白中糖链的结构特点和生物学功能；淀粉和纤维素结构和功能的异同；糖胺聚糖的结构特点和生物学功能；碘值、酸值、皂化值的含义和计算；脂质过氧化的机制及对生物体造成的损伤；各类磷酯的结构；测定蛋白质一级结构的步骤和常用方法；蛋白质二级结构和结构域的主要类型；维持蛋白质空间结构的作用力；球状蛋白质三维结构的特征；蛋白质溶液的稳定因素和实验室沉淀蛋白质的常用方法；血红蛋白的功能及调控因子的作用；蛋白质形成寡聚体的生物学意义；常用的蛋白质分离技术的基本原理；酶催化作用的特点；米氏方程的应用；酶催化作用的化学机制（即影响催化效率的有关因素）；各类抑制剂对酶催化作用的影响
11、；酶活性部位的研究方法；影响酶活性的因素；酶活性调控的机制；DNA和RNA的结构要点；DNA序列分析和PCR的基本原理；核酸变性复性的影响因素；核酸分子杂交的原理和应用。,第21章,物质运输,生物膜与,复杂的膜系统,一、被动运输与主动运输所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境中去。质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞，有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。小分子物质的跨膜一般是直接通过蛋白质构成的跨膜通道（channels）、载体(carriers)或泵（pumps）通过
12、生物膜的。被动运输是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累。 主动运输是逆浓度梯度运输，引起物质的积累。主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他顺浓度梯度的运输。在初级主动运输中，物质的积累直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接；次级主动运输由初级主动运输引起的离子浓度梯度驱动。光、氧化作用、ATP水解驱动Na+或H+的离子梯度的形成，离子梯度为次级主动运输提供能量，驱动其他物质的协同运输。,两种类型的主动运输,协同运输的两种类型,除去水化膜 的简单扩散,跨膜蛋白降低溶质跨膜运输的活化能,亲水溶质通过生物膜脂双层的能量变化,被动
13、运输是由膜蛋白促进的顺浓度梯度的扩散因膜将胞内和胞外环境分隔开来，膜是一种选择性通透屏障，生物体内的简单扩散要通过脂双分子层，极性分子或带电溶质必需解除水化膜的作用，然后透过约3nm 的质膜。水是一种例外，可很快透过生物膜，机制尚不清楚，膜两侧溶质浓度差异大时，渗透压的不平衡引起膜两侧水的流动，直至两侧的渗透压相等。极性溶质或离子的过膜运输由膜上的蛋白降低活化能，而对特异的物质提供过膜路径，促进其通过膜的双分子层，称作促进扩散。,非带电物质的被动扩散,带电物质的扩散,被动扩散和促进（易化）扩散的区别,二、小分子物质的运输 （一）Na+和K+的运输每个动物细胞与环境相比维持较低的Na+和较高的K
14、+，这种不平衡由质膜上的主动运输所建立和维持，涉及Na+K+-ATPases，偶联ATP水解，引起Na+,K+的逆浓度梯度运输。每水解1ATP，偶联运输2个K+进质膜内，3个Na+出质膜外。Na+K+-ATPases是一种膜蛋白，由2个跨膜蛋白亚基组成。,Na+ K+ ATPase驱动的钠钾离子运输的作用机制,强心甙抑制Na+K+ ATPase使血管壁细胞的钠和钙堆积，血管收缩变窄，血压升高。,几种强心甙的结构,内酯环为黄色。,洋地黄皂苷元,毒毛旋花子苷元,乌本苷,Na+K+ ATPase在质膜上的排列,（二）Ca2+的运输,Ca2+ ATPase在膜上的排列,（三）三类驱动离子运输的ATPa
15、sesNa+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype），被称为P -type ATPase（可以可逆磷酸化的）；另一类为V-type ATPase Proton pumps(V-vacuole即微囊)，通过ATP水解供能逆浓度梯度转运质子；第三种，即F-type ATPases（F-energy-coupling factors），在细菌、线粒体和叶绿体中的能量转化中起中心作用。细菌、线粒体和叶绿体可以利用电子传递（氧化反应）释放的能量使质子逆浓度跨膜运输产生浓度梯度，当质子通过F-type ATPases的质子通道由高浓度一侧流向低浓度一侧时，释放的能量用于ATP的合成
16、。,三种类型离子运输ATPase亚基结构,F类型ATPases,四种类型的运输ATPases,几种ATPase核苷结合结构域和磷酸化结构域的同源性,H+,K+ ATPase在胃粘膜上的作用,H+ ATPase将H+ 转运到破骨细胞膜和骨表面之间促进骨骼的矿物质溶解,破骨细胞,（四）阴离子运输(anion transport) 氯化物和碳酸氢盐跨红细胞膜的运输为协同运输（Cotransport）红细胞存在另一种促进扩散系统阴离子交换体，这对于肌肉及肝脏中CO2回到肺中的运输是必需的。呼吸组织产生的废气CO2由血浆进入红细胞，在红细胞中转化为HCO3-，HCO3-重新回到血浆中被运输到肺组织。因H
17、CO3-比CO2的溶解度大，这种变化增加了CO2由组织到肺的运输量，在肺中HCO3-重回红细胞被转化为CO2，被缓慢呼出。氯化物-碳酸氢盐交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加红细胞膜的HCO3-透过量，这一系统也被称为协同运输系统。,红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体,（五）糖和氨基酸的运送 1.红细胞葡萄糖渗透酶（Glucose Permease）调控的被动运输红细胞中产生能量的代谢，依赖于葡萄糖不断地由血浆中进入红细胞，葡萄糖通过渗透酶由促进扩散进入细胞，这一膜蛋白（Mr=45000）有12个疏水区域，可能跨膜12次，它可使葡萄糖进入细胞内的速度增大约50000倍。,葡萄糖转运蛋白的结构模式图
18、,1. D-Glc与T1特异结合降低构象改变的活化能,2. T1转变为T2改变Glc跨膜通道的结构,3. Glc由T2释放到胞质,4. T2构象变回T1,2. 葡萄糖运输进入红细胞的 模型,3.葡萄糖在肠内皮细胞的协同运输,Na+或K+梯度驱动的协同运输,3.葡萄糖的基团运输,(六）格兰氏阴性菌的膜孔蛋白大肠杆菌的膜孔蛋白PhoE跨膜区-折叠片的排布，这些-折叠片形成桶状，疏水一侧在外围与双分子膜结合，亲水一侧在桶状结构内侧，可以使小分子物质通过，有些膜孔蛋白可以使多种小分子物质通过称作通用型膜孔蛋白，另有一些膜孔蛋白对小分子物质有选择性，称作选择型膜孔蛋白。,Rhyodobacter cap
19、suulatus膜孔蛋白为三聚体，每个单体由-折叠片形成桶状，桶状结构内侧可以使小分子物质通过。,单体侧面,三聚体顶面,（七）哺乳动物细胞膜的间隙连接,（八）乙酰胆碱受体离子通道的结构,（十）ATP/ADP交换体,（九）链霉的K+通道（Ion Channel),三、生物大分子的跨膜运输,四、离子载体(ionophores)抗生素和特异性的膜孔蛋白,缬氨霉素,无活菌素,莫能菌素,短杆菌肽A,离子载体抗生素的两种类型,移动型离子载体,通道型离子载体,缬氨霉素-K+的结构,缬氨霉素的结构,缬氨霉素为移动型离子载体,短杆菌肽为通道型离子载体，通道由双螺旋或头-头相连的单螺旋构成,单螺旋每圈6.3个残基
20、，为左手螺旋。,蜂毒素(26肽)的结构，-螺旋可以聚集成跨膜孔道，蚕的杀菌肽具有类似的结构。,大肠菌素Ia(Colicin Ia)的三维结构,膜孔形成毒素,R亚基,C亚基,T亚基,C亚基,10螺旋束，绿色为疏水螺旋，其余8个为两亲螺旋。,跨过周质,苏云金芽孢杆菌-内毒素的结构,棒状杆菌白喉毒素的结构,-螺旋束构成跨膜结构，白色为疏水螺旋。,The umbrella model of membrane channel protein insertion.,两亲螺旋围绕疏水螺旋,疏水螺旋插入双分子膜,两亲螺旋形成膜孔,pH或膜电位的变化启动跨膜结构域插入双分子膜,The structure of
21、the heptameric（七聚体） chennel formed by -hemolysin（溶血素）.each of the seven subunits contributes a -sheet hairpin to the transmembrane channel.,五、生物膜运输的分子机制,（一）移动载体模型,（二）通道模型发现于神经元、肌肉细胞，许多其他细胞的质膜中，原核、真核中也有，不同的刺激引起神经元及肌细胞质膜跨膜电势的迅速改变，引起离子通道的快速打开和关闭，对信号传导起重要作用。,（三）构像变化假设,基本要求 1.掌握被动运输与主动运输等基本概念。 2.熟悉小分子物质和生物大分子的跨膜运输。 3.熟悉重要的离子载体。 4.熟悉生物膜运输的分子机制。,
