生物膜2-生物化学-教学课件.ppt

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1、生物膜的组成和结构模型膜蛋白的结构与功能膜与物质的转运生物膜和信息传递生物膜与能量传递细胞内膜系统与功能第四章 生物膜概 述生物膜有多种功能:细胞的起源遗传信息传递生物能量转换物质转运激素作用神经传导细胞免疫细胞识别细胞分化和增殖信号传导近年来生物膜的研究已深入到生物学、医学等各个领域。出现了膜病学(membranopathy)，它已成为分子生物学中最活跃的领域之一。第一节 生物膜的组成成分及主要性质一、膜脂质磷脂固醇糖脂甘油磷脂鞘磷脂糖鞘脂糖甘油脂脂双层内外糖链固醇膜脂质磷脂固醇糖脂甘油磷脂糖鞘脂磷鞘脂糖甘油脂CH2-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3CH-O-CO-CH2-(CH2)

2、15-CH3CH2-O-PO2H-O-X磷脂的结构通式磷脂酰肌醇二磷脂酰甘油(心磷脂)CH2-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3CH-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3O-PO2H-O-CH2 OHOHOH OHOHCH2-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3CH-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3 O-PO2H-O-CH2 CH2-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3CH-O-CO-CH2-(CH2)15-CH3O-PO2H-O-CH2 CH-OHCH2-CH2-膜脂质磷脂固醇糖脂甘油磷脂糖鞘脂鞘磷脂糖甘油脂H3C-(CH2)12C=C C C CH2OHH OH

3、NH3+H H H鞘氨醇鞘磷脂脂肪酸磷酰胆碱CH3-(CH 2)13CH2-CH-2CH2-C=OH3C-(CH2)12CH2C=C C C CH2-O-PO-CH2-CH2-NH OH NH H HCH3CH3CH3+OO=H2HOH糖鞘脂HOOHCH2OHOHO膜脂质磷脂固醇糖脂甘油磷脂糖鞘脂磷鞘脂糖甘油脂CH2-O-C-(CH2)16-CH3CH-O-C-(CH2)16-CH3 CH2O=O=OHOOHCH2OHOHO单半乳糖甘油二酯双半乳糖甘油二酯HOOHO-CH2OHOHOOHCH2OHOHOCH2-O-C-(CH2)16-CH3CH-O-C-(CH2)16-CH3 CH2O=O=O

4、HOCH3CH3CHCH2CH2CH2CHCH3CH3CH38131516171812345679101 1121419202122 23 24252627胆固醇HOCH3CH3CH CH2CH2CH2CH CH3CH3CH381315161718123456791011121419202122 23 24252627麦角固醇固醇类:膜脂双层比例模型(垂直截取膜片层)脂质双层中间为疏水层分子结构特性决定了一定浓度、水介质条件下的分子集合行为非极性尾部避开水相，相互聚集形成脂质体；非极性尾部避开水相，娓娓相连形成连续的、封闭的双分子层热力学稳定结构亲水性头部疏水性尾部例如呼吸链主要由5个蛋白复合

5、体组成：NADH-CoQ氧化还原酶(复合体)、琥珀酸-CoQ氧化还原酶(复合体)、CoQ-细胞色素c还原酶(复合体)、细胞色素c氧化酶(复合体)、ATP合酶(复合体，F1F0-ATPase)。从复合体到复合体以及F1F0-ATPase都已得到原子分辨率的三维结构(Lancaster et al.1999,Iwata et al.1998,Tsukihara et al.1997)，结构解析结果如下图。复合体 K+离子选择性通道每个K+通道由4个亚基组成，每个压基含2个跨膜的螺旋，其中靠外的是疏水性螺旋，亲水性的螺旋靠近中心，4个亚基相聚形成亲水性通道每个亚基的靠近内侧具有4个环圈(loop)，

6、分布在亲水通道中构成具有过滤器功能的微区，决定对K+的选择性通透。膜蛋白糖蛋白脂蛋白糖蛋白中的糖常见的有八种：半乳糖、葡萄糖、L-岩藻糖、唾液酸、甘露糖、果糖、肌醇、氨基葡萄糖。棕榈酸结合蛋白豆蔻酸结合蛋白异戊二烯结合蛋白膜蛋白从组成分类：糖蛋白类型1.含o-糖苷键HOCH2OHOHONHC-CH3=O-N-乙酰半乳糖氨基-丝氨酸(o-糖苷键)O-CH2-CHC=ONH蛋白质肽链OH糖蛋白是构成生物膜成分之一，它能有效保护人肠道的表面免遭有害物质的伤害。南北极冰海中的一些特定鱼血液中含有的抗冻蛋白，属于糖蛋白。这些抗冻糖蛋白共有结构是：HONHC-CH3CH2OHO=OHOCH2OHOHOOH

7、O-半乳糖基（1 3）-N-乙酰葡萄糖氨-丝氨酸(苏氨酸)Ala-Ala-Thrn-Ala-AlaCH2O蛋白质肽链2.含有N-糖苷键-X-Asn-Thr-XCH2NHC=ONHC-CH3CH2OHO=OCH2OHOHOONHC-CH3CH2O=OHOCH2OHOHOOHOOOHOHOCH2OHOHOOHOH甘露糖(Man)N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)一般生物膜的真实结构模型：固醇类脂双层跨膜蛋白外周蛋白糖链糖链细胞内细胞外细胞内骨架蛋白第二节、生物膜的结构特点和结构模型一、脂质双分子层是生物膜的结构骨架；二、膜蛋白镶嵌脂质双层中或附着其上；脂双层蛋白在疏水环境中保持应有的构象和有序定位排

8、列，在近距离共同发挥作用；某些蛋白需要脂类激活或被抑制。三、膜脂与膜蛋白相互作用膜上的功能蛋白活性与膜脂双层的流动性呈正相关。例如1个分子肌质网膜Ca+-ATP酶至少需要30个磷脂分子才能表现活性；线粒体内膜的-羟丁酸脱氢酶需要PC才能表现活性；如换成SM，活性只有一般。糖基转移酶、半乳糖基转移酶需PC才能有活性。运动中相互影响；膜蛋白保证膜的高度折叠方式，也是膜功能的体现者。四、正常的生物膜处于液晶态胆固醇分子在膜流动性的影响方面作用很微妙，它们分布于磷脂分子之间，由于其分子中强硬的板面状结构，一方面阻止了磷脂烃链尾的互相集聚，从而抑制了膜的结晶化，另一方面又使脂双层不至于有太大的流动性。膜

9、脂的适当流动性对生物膜的功能至关重要。当膜脂双层的流动性低于一定域值或者说粘稠度高于一定域值时，许多跨膜运输和膜上的酶活动就会停止。而膜脂流动性过高(如缺乏胆固醇的膜)，则膜将发生溶解。五、生物膜结构和功能两侧不对称蛋白质内外两侧分布的不对称性及蛋白质分子本身取向性(如N-端或C-端在内)，决定了膜特定的功能；脂类内外两侧的不对称性，保证了特定蛋白的功能的发挥。例如线粒体电子传递的定向性和质子泵出的定向性都与内膜蛋白分布的不对称性密切相关。CytCCytCCytCFe-SFe-SFMNCoQCoQH2Fe-S2H+2H+2H+2H+Cytaa3Cu+2H+膜的不对称性内容包括：a.膜磷脂内外两

10、侧组成的差异；b.蛋白质分子在内质网中合成和插入脂双层的方式是不对称；c.内质网和高尔基体腔中糖基化也是不对称的糖总是加在多肽链的非胞质面一端；d.跨膜的膜蛋白在膜上的定位也是不对称的，有些只连接在胞质单层上，另一些则只连接在非胞质单层 上；横跨脂双层的蛋白N端或C端定向不同。细胞内细胞外跨膜的离子通道或小分子亲水物的通道如乙酰胆碱受体甘氨酸受体通过糖基化的磷脂酰肌醇将蛋白猫定于脂质双层的膜中。膜桥蛋白：17KD的糖蛋白，一端与质膜相联，另一端与胞内激动球蛋白纤丝相联，能介导成核作用。膜脂双层膜蛋白在脂双层中的组装模式图二、膜蛋白功能膜蛋白(按存在部位)外周蛋白嵌入蛋白嵌入方式整个分子跨过脂双

11、层部分肽链嵌入脂单层脂蛋白7080%20 30%功 能膜酶载体离子泵 受体细胞骨架 的固着物膜蛋白与其他蛋白组分上相同，皆由氨基酸组成，只是疏水性氨基酸较多，一般都有一段约30个氨基酸的多肽链插入膜，这些氨基酸残基多数是疏水性的，即非极性氨基酸。典型的动物细胞你能想象到发达的膜系统在生命活动中所起的作用吗？典型的植物细胞不同之处植物细胞普遍存在发达的细胞壁，共同之处都存在发达的膜系统。生物膜有多种功能:细胞的起源遗传信息传递生物能量转换物质转运激素作用神经传导细胞免疫细胞识别细胞分化和增殖信号传导近年来生物膜的研究已深入到生物学、医学等各个领域。出现了膜病学(membranopathy)，它已

12、成为分子生物学中最活跃的领域之一。第四节 生物膜功能二、物质转运功能一、保护功能三、信号转导功能四、能量转换五、免疫功能细胞质膜是内外环境的有机屏障，保护细胞不受或少受外环境因素改变的影响，保存细胞的原有形态和完整性。细胞间信息传递、神经冲动信息转导、生物遗传信息的传递都通过细胞膜受体、膜上相关功能蛋白才能完成。光合作用光反应光合磷酸化和线粒体中的氧化磷酸化过程，都是膜功能的真实体现。易化扩散、帮助转运、主动转运、协同转运等。二、物质转运功能易化扩散、帮助转运、主动转运、协同转运等。物质转运方向 是否需膜蛋白 耗能及形式易化扩散帮助扩散主动转运协同转运高浓度区低浓度区高浓度区低浓度区低浓度区高

13、浓度区低浓度区高浓度区否载体蛋白膜酶酶/载体顺浓度梯度顺浓度梯度ATP或其它势能ATP或其它势能转运方式物质跨膜主要转运方式：ATPADP+PiGPIP2K+进通道K+出通道K+K+Ca2+通道H+REIP3DGACa2+ABACa2+SVVKCa2+VmpH液泡Ca2+ATPCa2+K+H+胞质阴离子通道A-VmRR植物气孔开放调节物质在有机体内既需要长距离运输，也需要跨膜转运。转运的物质种类很多，例如有机小分子、离子、生物大分子等。从是否需要载体和消耗能量两个角度划分为简单扩散、易化运输、主动运输。物质运输常常于某个生理过程紧密相关。例如K+、Ga2+、H+离子转运与植物的气孔开放密切相关

14、等。帮助扩散及其特点:膜K+K+1.被转运的物质需要载体蛋白帮助通过膜；2.被转运的物质从膜的高浓度一侧向低浓度侧转运；3.物质转运过程不需要消耗能量，而靠被转运物质的浓度势差；K+高浓度侧K+低浓度侧载体蛋白(高势能)(低势能)主动转运及特点：以Na+,K+-ATPase为例说明。Na+,K+-ATPase普遍存在于细胞质膜和亚细胞膜中，他的正常运转具有重要生理生化功能，如维持正常膜电位，主动转运等。A TP ADPPiH2ONa+Na+Na+K+K+每消耗1分子ATP泵出3个Na+，泵入2个K+离子工作机理:1.主动转运是酶或载体蛋白通过自身构象变化完成物质从低浓度区向高浓度区的转运过程。2.酶或载体蛋白通过催化ATP水解或消耗某种势能促进其构象变化。Na+,K+-ATPase内外第五节 磷脂分子的运动方式EBFADCA：磷脂碳氢链绕C-C键快速旋转；B：刚性固醇分子的角度运动；C：磷脂在膜平面快速侧向扩散；D：随膜蛋白质旋转运动；E：随膜蛋白质侧向运动；F：磷脂分子跨双分子层翻转运动不仅很慢，而且需要翻转酶催化。