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1、生物膜的结构与功能,本章主要内容,生物膜的化学组成 生物膜的结构 物质的过膜运输 信号的跨膜传导,第一节 生物膜的化学组成,生物膜（biomembranes） 是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。,A 细胞膜 B 腔膜 C 线粒体膜 D 消化泡（次级溶酶体） E 内质网膜 F 分泌泡,所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。尚含有少量糖、金属离子和水（15%-20%）,一、膜脂(lipid),磷脂、少量糖脂和胆固醇的总称，其中以磷脂为主要成分,化学组成,主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位碳原子与脂肪酸酯基（主要是含16碳的软脂酸和18碳的油酸）相连，第3位碳原子则与磷酸酯基相连
2、。不同的磷脂，其磷酸酯基组成也不相同。,甘油磷脂（Glycerophospholipids）,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,极性端,非极性端,极性端,非极性端,极性端,脂双层结构模型,糖脂也是构成双层脂膜的结构物质。主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。 结构为,糖脂（Glycosphingolipids）,半乳糖,根据在膜上的定位情况： 外周蛋白 内在蛋白 膜蛋白是生物膜实施功能的基本场所。,二、膜蛋白,这类蛋白约占膜蛋白的2030%，分布于双层脂膜的外表层，主要通过静电引力或范德华力与膜结合。 外周蛋白与膜的结合比较疏松，
3、容易从膜上分离出来。 外周蛋白能溶解于水。,外周蛋白（peripheral protein）,内在蛋白（integral protein）,内在蛋白约占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 这类蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合，而且不容易从膜中分离出来。 内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，由于没有水分子的影响，多肽链内形成氢键趋向大大增加，因此，它们主要以-螺旋和-折叠形式存在，其中又以-螺旋更普遍。,跨膜蛋白,三、膜糖,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。 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
4、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。 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。,第二节 生物膜的结构,膜的运动性,(1)磷脂分子的运动：在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直的轴左右摆动；膜脂沿纵轴的上下振动；在脂双层中作翻转运动；烃链围绕C-C键旋转而导致的异构化运动,(2)膜蛋白的运动,1970年Frye和Edidin所做的细胞融合实验。它们用细胞融合技术将小鼠细胞和人体细胞进行融合，并同时用不同的荧光抗体标记各自细胞表面的蛋白质。 当两种细胞融合形成杂核细胞后，各自特定的蛋白质分布在各自膜表面。 一段时间后
5、发现不同的蛋白质已均匀的分布在杂核细胞膜上。,流动镶嵌模型,脂双分子层是细胞膜的主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有的甚至横跨整个脂双层；细胞膜具有流动性；组成细胞膜的各种成分在膜中的分布是不均匀的，即具有不对称性。,第三节 物质的过膜运输,单向转运,（同向、异向）,协同转运,基本方式,一、小分子与离子的过膜转运,（一）简单扩散（simple diffusion) 包括分子和离子的转运,顺浓度梯度 不需要能量,（二）促进扩散（facilitated diffusion）,1)由高浓度向低浓度 2）不需要能量 3）需通道蛋白或载体蛋白介导,（三）主动运输（active
6、 transport）,1）转运载体 2）消耗能量 3）逆浓度梯度,如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等,主动转运举例： Na+-K+ ATPase,是膜上的载体蛋白，称为Na-K泵或 Na-K-ATP酶 由22四个亚基组成,Na-K-ATP酶有两种不同的构型,二、大分子物质的过膜转运,吞噬作用（phagocytosis）,细胞内吞噬较大的固体颗粒或分子复合物如微生物、细胞碎片等的过程。,第四节 膜受体介导的信号传导,一、受体 1.受体的概念,是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经递质、毒素、药物等）并与之结合的生物大分子。 大多是蛋白质，少量糖脂 受体大多位于膜上（膜受体，多为镶嵌糖蛋白
7、）， 少部分在胞内（胞内受体，均为DNA结合蛋白） 配体（ligand） 与受体结合的活性分子。是信息的载体，也称第一信使,2、受体的特点,可饱和性,受体的特点,专一性,可逆性,高亲和性,特定的作用模式,3、膜受体的分类,G-蛋白偶联型：肾上腺素，糖原 酶偶联型: 生长因子 离子通道型：乙酰胆碱,二、G蛋白偶联型受体系统,（一）G 蛋白：全称为GTP结合调节蛋白。是一类和GTP或GDP相结合的蛋白。 三个亚基组成。,两种构象： 非活化型： ,GDP,活化型：,GTP,分布极广，参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控,G蛋白相偶联的受体：一条肽链形成的过膜蛋白，有7个跨膜-螺旋肽段往返于质膜的脂
8、质双层中,1.受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径 ： 以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A（protein kinase A,PKA）为主要特征，是激素调节物质代谢的主要途径,功能： 调节物质代谢 调控基因表达,(二) G蛋白偶联受体信号转导的主要途径,配体与受体结合 交换GTP/GDP（G蛋白活化） 结合并激活AC（腺苷酸环化酶） 生成cAMP（第二信使） 激活PKA 发挥作用,2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径,当激素与受体结合后经G蛋白转导，激活磷脂酶C，由磷脂酶C将质膜上的磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和DG。,脂溶性的DG在膜上累积并使紧密结合
9、在膜上的无活性PKC活化。PKC活化后使大量底物蛋白(包括胰岛素、-肾上腺素等激素和神经递质在细胞膜上的受体，还有糖原合成酶，DNA甲基转移酶，Na-KATP酶和转铁蛋白等)的丝氨酸或苏氨酸的羟基磷酸化。引起细胞内的生理效应。,三、酶偶联受体介导的信号转导系统,酶偶联受体具有和G蛋白偶联受体完全不同的分子结构和特性，其胞质侧自身具有酶的活性，或者可直接结合并激活胞质中的酶而不需要G蛋白的参与。 已知的六类酶偶联型受体有：受体酪氨酸激酶、受体鸟苷酸环化酶、受体酪氨酸磷脂酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶酪氨酸激酶连接的受体、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。下面主要介绍受体酪氨酸激酶和受体鸟苷
10、酸环化酶。,（一）受体酪氨酸激酶,受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）是最大的一类酶偶联受体。RPTKs都由三部分组成：细胞外结构域、单次跨膜的疏水螺旋区、细胞内结构域。受体酪氨酸激酶的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。,配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物,R
11、as（rat sarcoma）是原癌基因c-ras表达的产物， 是单体GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。通过与GTP或GDP的结合调节其活性。,（二）受体鸟苷酸环化酶,受体鸟苷酸环化酶（receptor guanylate cyclase）是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体如心房排钠肽（ANPs）和脑排钠肽（BNPs）。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANPs，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。 介导ANP反应的受体分布在肾和血管平滑肌细胞表面。ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为
12、cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化，从而引起细胞反应。,四、离子通道受体介导的信号转导,离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，离子通道的开放和关闭，称为门控(gating)。 根据门控机制的不同，将离子通道主要分为三大类：(1) 化学门控通道，(2)电压门控通道，(3)机械门控通道，这3种通道蛋白质使不同细胞对外界相应的刺激起反应,完成跨膜信号转导。 离子通道受体介导的信号转导的特点：不需要产生其它的细胞内信使分子，信号转导的速度快，对外界作用出现反应的位点较局限。,（一）化学门控通道,化学门控通道（che
13、mically-gated ion channel）又称配体门控性离子通道: 由某些化学物质控制其开或关的通道称，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等。,N2型Ach受体阳离子通道是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一种结构为2的梅花状通道样结构；每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜4次；在5个亚单位中，Ach的结合位点在亚单位上，结合后可引起通道结构的开放，然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信号转导,（二）电压门控通道,电压门控通道又称电压依赖性或电压敏感性离子通道:因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4种主要类型，各类型又分若干亚型。 分子结构与化学门控通道类似，但分子结构中存在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚单位，诱发整个通道分子功能状态的改变。,（三）机械门控通道,机械门控通道又称机械敏感性离子通道:是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。,本 章 结 束,