生物膜的结构与功能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物膜的结构与功能,Function and structure of bio,omembranes,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。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,20,30%,，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，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 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,2,2,四个亚基组成,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），,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,(PIP,2,),水解成三磷酸肌醇,(IP,3,),和,DG,。,脂溶性的,DG,在膜上累积并使紧密结合在膜上的无活性,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,Ras,（,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,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（,chemically-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,+,、,Ca,2+,、,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,