生物化学第二章生物膜幻灯片.ppt

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1、生物化学课件第二章生物膜第1页，共53页，编辑于2022年，星期一2.1生物膜的组成和结构生物膜的组成和结构l1 1生物膜的组成生物膜的组成l主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、主要由脂质（主要是磷脂和胆固醇）、l蛋白质（包括酶）和多糖类组成，蛋白质（包括酶）和多糖类组成，l水和金属离子等。水和金属离子等。l生生物物膜膜的的组组成成，因因膜膜的的种种类类不不同同而而有有很很大的差别。大的差别。第2页，共53页，编辑于2022年，星期一2 2生物膜的结构生物膜的结构生物膜是以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜生物膜是以磷脂、胆固醇和糖脂为主构成的双层脂膜第3页，共53页，编辑于2022年，星期一

2、生物膜的结构生物膜的结构第4页，共53页，编辑于2022年，星期一第5页，共53页，编辑于2022年，星期一（1 1）脂质）脂质LipidLipidl脂质是构成生物膜最基本的结脂质是构成生物膜最基本的结构物质构物质l脂质包括磷脂、胆固醇和糖脂脂质包括磷脂、胆固醇和糖脂等，其中以磷脂为主要成分。等，其中以磷脂为主要成分。3，构成生物膜的主要物质，构成生物膜的主要物质第6页，共53页，编辑于2022年，星期一 磷脂磷脂GlycerophospholipidsGlycerophospholipidsl主主要要是是磷磷酸酸甘甘油油二二脂脂。甘甘油油中中第第1 1，2 2位位碳碳原原子子与与脂脂肪肪酸酸

3、酯酯基基（主主要要是是含含1616碳碳的的软软脂脂酸酸和和1818碳碳的的油油酸酸）相相连连，第第3 3位位碳碳原原子子则则与与磷磷酸酸酯酯基基相相连连。不不同同的的磷磷脂脂，其磷酸酯基组成也不相同。其磷酸酯基组成也不相同。第7页，共53页，编辑于2022年，星期一磷脂的结构类型磷脂的结构类型第8页，共53页，编辑于2022年，星期一卵磷脂的结构卵磷脂的结构第9页，共53页，编辑于2022年，星期一脂肪酸脂肪酸l饱和脂肪酸：硬脂酸（饱和脂肪酸：硬脂酸（1818碳脂肪酸）、软脂酸碳脂肪酸）、软脂酸（1616碳脂肪酸）、花生酸（二十碳酸）等。碳脂肪酸）、花生酸（二十碳酸）等。l不饱和脂肪酸：油酸（

4、不饱和脂肪酸：油酸（1818碳一烯酸碳一烯酸99）、）、亚油酸亚油酸（1818碳二烯酸碳二烯酸99，1212）、亚麻酸（）、亚麻酸（1818碳三烯酸碳三烯酸99，1212，1515或或6 6，9 9，1212）、花生四烯酸（二十碳四）、花生四烯酸（二十碳四烯酸）、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸。烯酸）、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸。l必需脂肪酸：维持生长所需的，体内又不能合成的脂必需脂肪酸：维持生长所需的，体内又不能合成的脂肪酸肪酸第10页，共53页，编辑于2022年，星期一磷脂的特点磷脂的特点l磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂性的脂肪酸链，是优良的两亲性分

5、子。脂性的脂肪酸链，是优良的两亲性分子。l磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作磷脂分子在水溶液中，由于水分子的作用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。用，能够形成双层脂膜结构或微团结构。l磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双磷酸甘油二脂在水溶液中主要是形成双层脂膜。层脂膜。l磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜磷脂的这种性质，使它具有形成生物膜（双层脂膜）的特性。（双层脂膜）的特性。第11页，共53页，编辑于2022年，星期一l磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂的脂肪酸链，是磷脂分子中含有亲水性的磷酸酯基和亲脂的脂肪酸链，是优良的两亲性分子优良的两亲性分子磷脂的两亲性结构磷脂的两亲性结构极性端非极性

6、端第12页，共53页，编辑于2022年，星期一膜的构造膜的构造第13页，共53页，编辑于2022年，星期一 胆固醇胆固醇SterolsSterolsl胆固醇是一种类胆固醇是一种类脂化合物脂化合物,在生在生物膜中含量较多。物膜中含量较多。胆固醇以中性脂的形式分布在双胆固醇以中性脂的形式分布在双层脂膜内，对生物膜中脂类的物层脂膜内，对生物膜中脂类的物理状态有一定的调节作用，理状态有一定的调节作用，有利于有利于保持膜的流动性和降低相变温度保持膜的流动性和降低相变温度。第14页，共53页，编辑于2022年，星期一 糖脂糖脂GlycosphingolipidsGlycosphingolipidsl糖脂也

7、是构成双层脂膜的结构物质。糖脂也是构成双层脂膜的结构物质。l糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。l动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。l 结构为：结构为：半乳糖第15页，共53页，编辑于2022年，星期一脑苷脂的分子结构脑苷脂的分子结构第16页，共53页，编辑于2022年，星期一鞘氨醇磷脂的结构鞘氨醇磷脂的结构第17页，共53页，编辑于2022年，星期一脑苷脂中所含的高级脂肪酸脑苷脂中所含的高级脂肪酸l脑苷脂中所含的高级脂肪酸有：二十四脑苷脂中所含的高级脂肪酸有：二十四酸、二十四烯酸和酸、二十四烯酸和-羟二十四酸等。这羟二

8、十四酸等。这些脂肪酸以酰胺键形式与神经鞘氨醇中些脂肪酸以酰胺键形式与神经鞘氨醇中的氨基相连。的氨基相连。l细菌和植物的细胞膜中糖脂含量较多。细菌和植物的细胞膜中糖脂含量较多。这类糖脂结构比较复杂，主要为甘油的这类糖脂结构比较复杂，主要为甘油的衍生物。衍生物。第18页，共53页，编辑于2022年，星期一（2 2）膜蛋白质）膜蛋白质l生生物物膜膜中中含含有有多多种种不不同同的的蛋蛋白白质质，通通常常称为膜蛋白。称为膜蛋白。l根根据据它它们们在在膜膜上上的的定定位位情情况况，可可以以分分为为外周蛋白和内在蛋白。外周蛋白和内在蛋白。l膜膜蛋蛋白白具具有有重重要要的的生生物物功功能能，是是生生物物膜膜实

9、施功能的基本场所。实施功能的基本场所。第19页，共53页，编辑于2022年，星期一外周蛋白外周蛋白peripheral peripheral proteinproteinl这这类类蛋蛋白白约约占占膜膜蛋蛋白白的的202030%30%，分分布布于于双双层层脂脂膜膜的的外外表表层层，主主要要通通过过静静电电引引力力或范德华力与膜结合。或范德华力与膜结合。l外外周周蛋蛋白白与与膜膜的的结结合合比比较较疏疏松松，容容易易从从膜上分离出来。膜上分离出来。l外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。第20页，共53页，编辑于2022年，星期一内在蛋白内在蛋白integral proteinintegral

10、proteinl内内在在蛋蛋白白约约占占膜膜蛋蛋白白的的70-80%70-80%，蛋蛋白白的的部部分分或或全全部嵌在双层脂膜的疏水层中。部嵌在双层脂膜的疏水层中。l这这类类蛋蛋白白的的特特征征是是不不溶溶于于水水，主主要要靠靠疏疏水水键键与与膜膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。l内内在在蛋蛋白白与与双双层层脂脂膜膜疏疏水水区区接接触触部部分分，由由于于没没有有水水分分子子的的影影响响，多多肽肽链链内内形形成成氢氢键键趋趋向向大大大大增增加加，因因此此，它它们们主主要要以以-螺螺旋旋和和-折折叠叠形形式式存存在在，其其中中又又以以-螺旋更普遍。螺旋更普遍。

11、第21页，共53页，编辑于2022年，星期一内在蛋白内在蛋白第22页，共53页，编辑于2022年，星期一（3 3）糖类）糖类l生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。l糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。l生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用。第23页，共53页，编辑于2022年，星期一膜膜蛋蛋白白中中的的糖糖类类第24页，共53页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 生物膜的功能生物膜的功能l生生物物膜膜具具有有保保护护、转转运运、能能量量转转换换、信

12、信息传递、运动和免疫等生物功能。息传递、运动和免疫等生物功能。第25页，共53页，编辑于2022年，星期一 1 1保护功能保护功能l在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用是在细胞或细胞器中，生物膜第一个重要作用是将其内含物质与外界环境分隔开来，使之成为将其内含物质与外界环境分隔开来，使之成为具有特殊功能的独立个体。具有特殊功能的独立个体。l生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外界环生物膜能够保护细胞或细胞器不受或少受外界环境因素改变的影响，保持它们原有的形状和完整境因素改变的影响，保持它们原有的形状和完整结构结构。第26页，共53页，编辑于2022年，星期一 2 2转运功能转运功能l细细胞胞或

13、或细细胞胞器器需需要要经经常常与与外外界界进进行行物物质质交交换换以以维维持持其其正正常常的的功功能。能。l细细胞胞或或细细胞胞器器通通过过生生物物膜膜，从从膜膜外外选选择择性性地地吸吸收收所所需需要要的的养养料料，同同时时也也要要排排出出不不需需要要的物质。的物质。l在在各各种种物物质质跨跨膜膜转转运运过过程程中中，细细胞胞膜膜起起着着重要的调控作用。重要的调控作用。第27页，共53页，编辑于2022年，星期一（1 1）被动转运）被动转运l物物质质从从高高浓浓度度的的一一侧侧，通通过过膜膜转转运运到到低低浓浓度度的的另另一一侧侧，即即沿沿着着浓浓度度梯梯度度（膜膜两两边边的的浓浓度度差差）的

14、的方方向向跨跨膜膜转转运运的的过程。过程。l这这类类转转运运是是通通过过被被转转运运物物质质本本身身的的扩扩散散作作用用进进行行的的，是是一一个个不需要外加能量的自发过程。不需要外加能量的自发过程。l许多物质的被动转运过程需要许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助。特殊的蛋白载体帮助。第28页，共53页，编辑于2022年，星期一转运通道转运通道第29页，共53页，编辑于2022年，星期一被被动动转转运运的的实实验验第30页，共53页，编辑于2022年，星期一（2 2）主动转运）主动转运l主主动动转转运运是是在在外外加加能能量量驱驱动动下下进进行行的的物质跨膜转运过程。物质跨膜转运过程。l

15、主主动动转转运运的的物物质质，可可以以是是离离子子、小小分分子子化化合合物物，也也可可以以是是复复杂杂的的大大分分子子物物质质，如如某某些蛋白或酶等。些蛋白或酶等。l这这一一过过程程一一般般都都与与ATPATP的释能反应相偶联。的释能反应相偶联。第31页，共53页，编辑于2022年，星期一主主动动转转运运过过程程第32页，共53页，编辑于2022年，星期一钠钠、钾钾离离子子泵泵第33页，共53页，编辑于2022年，星期一主动转运的特点主动转运的特点l 膜的专一性：膜对于主动转运的物质有专一性。膜的专一性：膜对于主动转运的物质有专一性。l 载载体体蛋蛋白白：物物质质的的主主动动转转运运需需要要载

16、载体体蛋蛋白白的的参参与与。载载体体蛋蛋白白具具有有专专一一性性，一一种种载载体体蛋蛋白白一一般般只只能能转转运运一一种种或或一类物质。一类物质。l 方方向向性性：物物质质可可以以逆逆浓浓度度梯梯度度或或电电化化学学梯梯度度进进行行转转运运。如如细细胞胞为为了了保保持持膜膜内内、外外的的K K+和和NaNa+离离子子的的浓浓度度梯梯度度以以维维持持正正常常的的生生理理活活动动需需要要，细细胞胞通通过过主主动动转转运运方方式式，向向内内泵入泵入K K+，而向外泵出，而向外泵出 Na Na+。l 主动转运过程可以被某些抑制剂抑制。主动转运过程可以被某些抑制剂抑制。l 主动转运所需的能量一般由主动转

17、运所需的能量一般由ATPATP提供。提供。第34页，共53页，编辑于2022年，星期一3 3能量转换能量转换l氧氧化化磷磷酸酸化化：通通过过生生物物氧氧化化作作用用，将将食食物物分分子子中中存存储储的的化化学学能能转转变变成成生生物物能能，即即将将化化学学能能转转换换成成ATPATP分分子子的的高高能能磷磷酸酸键键。然然后后再再通通过过ATPATP分分子子磷磷酸酸键键的的分分解解释释放放能能量量，为为生生物体提供所需的能量。物体提供所需的能量。l光光合合磷磷酸酸化化：通通过过光光合合作作用用，将将光光能能（主主要要是是太太阳阳能能）转转换换成成ATPATP的的高高能能磷磷酸酸键键。再再利利用用

18、ATPATP的的能能量量合合成成糖糖类类物物质。质。l真核细胞的氧化磷酸化主要在真核细胞的氧化磷酸化主要在线粒体膜线粒体膜上进行。上进行。l原核细胞的氧化磷酸化则是在原核细胞的氧化磷酸化则是在细胞质膜细胞质膜上进行。上进行。l光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行。第35页，共53页，编辑于2022年，星期一光合磷酸化光合磷酸化第36页，共53页，编辑于2022年，星期一氧氧化化磷磷酸酸化化第37页，共53页，编辑于2022年，星期一4 4信息传递信息传递l生物体内的信息传递，例如激素的刺激、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，主要是神经传导和

19、遗传信息的传递等，主要是在细胞膜上进行的。在细胞膜上进行的。l细胞膜上有接受不同信息的专一性受体，细胞膜上有接受不同信息的专一性受体，这些受体能识别和接受各种特殊信息，这些受体能识别和接受各种特殊信息，然后将不同的信息分别传递给有关的靶然后将不同的信息分别传递给有关的靶细胞并产生相应的效应以调节代谢、控细胞并产生相应的效应以调节代谢、控制遗传和其它生理活动。制遗传和其它生理活动。第38页，共53页，编辑于2022年，星期一激素作用过程激素作用过程第39页，共53页，编辑于2022年，星期一5运动功能运动功能l 许多原生动物及许多原生动物及单细胞动物主要是单细胞动物主要是通过其细胞膜表面通过其细

20、胞膜表面的纤毛或鞭毛的摆的纤毛或鞭毛的摆动而移动。动而移动。l淋巴细胞的吞噬作淋巴细胞的吞噬作用和某些细胞利用用和某些细胞利用质膜内折叠将外源质膜内折叠将外源物质包围入细胞的物质包围入细胞的作用等都是靠细胞作用等都是靠细胞膜的运动实现的。膜的运动实现的。第40页，共53页，编辑于2022年，星期一6免疫功能免疫功能l细胞的免疫性主要是由于细胞膜上有专一性的抗原受体，细胞的免疫性主要是由于细胞膜上有专一性的抗原受体，当抗原受体被抗原激活后，即产生相应的抗体。当抗原受体被抗原激活后，即产生相应的抗体。l抗体能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒抗体能够识别及特异性地与外源性抗原（如细菌、病毒

21、等）结合并吞噬消灭。等）结合并吞噬消灭。l另外，吞噬细胞和淋巴细胞的免疫功能，是由于它们能另外，吞噬细胞和淋巴细胞的免疫功能，是由于它们能够识别外源物质（细菌或其它蛋白质等），并能将这些够识别外源物质（细菌或其它蛋白质等），并能将这些外源物质吞噬消灭。外源物质吞噬消灭。第41页，共53页，编辑于2022年，星期一2.3 2.3 生物膜的模拟生物膜的模拟-人工膜人工膜l是是指指由由双双亲亲性性分分子子高高度度有有序序排排列列形形成成的的体体系系.是是指指由由双双亲亲性性分分子子高高度度有有序序排排列列形形成成的的体体系系，如如胶胶束束、微微团团、单单分分子子层层膜膜、双双分分子子层层膜膜和和脂脂

22、质体等。质体等。l人人工工膜膜具具有有生生物物膜膜的的基基本本结结构构特特点点和和某某些些理理化化性性质质，是是研研究究生生物物膜膜结结构构与与功功能能关系的基本模型。关系的基本模型。l最最能能代代表表生生物物膜膜结结构构特特性性的的人人工工膜膜是是单分子层膜、双分子层膜和脂质体。单分子层膜、双分子层膜和脂质体。第42页，共53页，编辑于2022年，星期一1 1单分子层膜单分子层膜l单分子层膜是由高度有序排列的双亲性分子形成的单分子层膜是由高度有序排列的双亲性分子形成的单分子层膜结构。单分子层可以在气单分子层膜结构。单分子层可以在气-液、气液、气-固、固、液液-液和固液和固-液等界面形成，其中

23、，空气液等界面形成，其中，空气-水界面形成水界面形成的单层膜最重要。的单层膜最重要。lLBLB膜技术是制备单分子层膜的主要方法。膜技术是制备单分子层膜的主要方法。LBLB膜技术是由膜技术是由Langmuir Langmuir 和和BlodgettBlodgett发明的膜制备技术，所以称为发明的膜制备技术，所以称为LBLB膜技术。膜技术。第43页，共53页，编辑于2022年，星期一2 2双层类脂膜双层类脂膜l这类膜是指具有双分子厚度，能有效分隔水溶液的超这类膜是指具有双分子厚度，能有效分隔水溶液的超薄类脂膜。双层类脂膜的厚度小于薄类脂膜。双层类脂膜的厚度小于10 nm10 nm，具有两个界，具有

24、两个界面，不透光。双层类脂膜可以将溶液分隔成两个部分，面，不透光。双层类脂膜可以将溶液分隔成两个部分，是模拟细胞膜内、外环境的理想模型，在生物化学体是模拟细胞膜内、外环境的理想模型，在生物化学体系研究中具有重要意义。系研究中具有重要意义。第44页，共53页，编辑于2022年，星期一人工膜人工膜第45页，共53页，编辑于2022年，星期一第46页，共53页，编辑于2022年，星期一第47页，共53页，编辑于2022年，星期一第48页，共53页，编辑于2022年，星期一3 3脂质体脂质体l是指由磷脂形成的封闭的双分子层球是指由磷脂形成的封闭的双分子层球形或椭圆形的囊泡结构。形或椭圆形的囊泡结构。l由于脂质体在结构上与细胞相似，因由于脂质体在结构上与细胞相似，因此，是研究细胞膜的结构与功能的理此，是研究细胞膜的结构与功能的理想模型。想模型。第49页，共53页，编辑于2022年，星期一高分子聚合物脂质体高分子聚合物脂质体第50页，共53页，编辑于2022年，星期一同位素荧光标记脂质体同位素荧光标记脂质体第51页，共53页，编辑于2022年，星期一脂质脂质体在体在生物生物技术技术方面方面的应的应用用第52页，共53页，编辑于2022年，星期一第53页，共53页，编辑于2022年，星期一