生物末的结构与功能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物膜结构与功效生物膜结构与功效Function and structure of bioomembranes第1页本章主要内容本章主要内容生物膜化学组成生物膜化学组成生物膜结构生物膜结构物质过膜运输物质过膜运输信号跨膜传导信号跨膜传导第2页第一节第一节 生物膜化学组成生物膜化学组成第3页 生物膜（生物膜（biomembranesbiomembranes）是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。是包含细胞质膜在内细胞中全部膜结构统称。A A 细胞膜细胞膜B B 腔膜腔膜C C 线粒体膜线粒体膜D D 消化泡（次级溶酶体）消化泡（次级溶酶体）E E 内质网膜内质网膜F F 分泌泡分泌泡第4页 全部生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。全部生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成。尚含有少许糖、金属离子和水（尚含有少许糖、金属离子和水（15%-20%）一、膜脂一、膜脂(lipid)磷脂、少许糖脂和胆固醇总称，其中以磷脂为主要成份磷脂、少许糖脂和胆固醇总称，其中以磷脂为主要成份化学组成化学组成第5页 主主主主要要要要是是是是磷磷磷磷酸酸酸酸甘甘甘甘油油油油二二二二脂脂脂脂。甘甘甘甘油油油油中中中中第第第第1 1 1 1，2 2 2 2位位位位碳碳碳碳原原原原子子子子与与与与脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸酯酯酯酯基基基基（主主主主要要要要是是是是含含含含16161616碳碳碳碳软软软软脂脂脂脂酸酸酸酸和和和和18181818碳碳碳碳油油油油酸酸酸酸）相相相相连连连连，第第第第3 3 3 3位位位位碳碳碳碳原原原原子子子子则则则则与与与与磷磷磷磷酸酸酸酸酯酯酯酯基基基基相相相相连连连连。不不不不一一一一样样样样磷磷磷磷脂脂脂脂，其其其其磷磷磷磷酸酸酸酸酯酯酯酯基组成也不相同基组成也不相同基组成也不相同基组成也不相同。甘油磷脂（甘油磷脂（Glycerophospholipids）第6页 磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪磷脂分子中含有亲水性磷酸酯基和亲脂脂肪酸链，是优良两亲性分子酸链，是优良两亲性分子酸链，是优良两亲性分子酸链，是优良两亲性分子极性端非极性端第7页极性端非极性端极性端脂双层结构模型第8页 糖糖糖糖脂脂脂脂也也也也是是是是组组组组成成成成双双双双层层层层脂脂脂脂膜膜膜膜结结结结构构构构物物物物质质质质。主主主主要要要要分分分分布布布布在在在在细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜外外外外侧侧侧侧单单单单分分分分子子子子层层层层中中中中。动动动动物物物物细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜所所所所含含含含糖糖糖糖脂脂脂脂主主主主要要要要是脑苷脂。是脑苷脂。是脑苷脂。是脑苷脂。结构为结构为糖脂（糖脂（Glycosphingolipids）半乳糖第9页 依据在膜上定位情况：依据在膜上定位情况：依据在膜上定位情况：依据在膜上定位情况：外周蛋白外周蛋白外周蛋白外周蛋白 内在蛋白内在蛋白内在蛋白内在蛋白 膜蛋白是生物膜实施功效基本场所。膜蛋白是生物膜实施功效基本场所。膜蛋白是生物膜实施功效基本场所。膜蛋白是生物膜实施功效基本场所。二、膜蛋白二、膜蛋白第10页 这这这这类类类类蛋蛋蛋蛋白白白白约约约约占占占占膜膜膜膜蛋蛋蛋蛋白白白白2020202030%30%30%30%，分分分分布布布布于于于于双双双双层层层层脂脂脂脂膜膜膜膜外外外外表表表表层层层层，主主主主要要要要经经经经过过过过静静静静电电电电引引引引力力力力或或或或范范范范德德德德华华华华力力力力与与与与膜膜膜膜结合。结合。结合。结合。外外外外周周周周蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与膜膜膜膜结结结结合合合合比比比比较较较较疏疏疏疏松松松松，轻轻轻轻易易易易从从从从膜膜膜膜上上上上分分分分离出来。离出来。离出来。离出来。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白（外周蛋白（peripheral proteinperipheral protein）第11页内在蛋白内在蛋白（integral protein）内内内内在在在在蛋蛋蛋蛋白白白白约约约约占占占占膜膜膜膜蛋蛋蛋蛋白白白白70-80%70-80%70-80%70-80%，蛋蛋蛋蛋白白白白部部部部分分分分或或或或全全全全部嵌在双层脂膜疏水层中。部嵌在双层脂膜疏水层中。部嵌在双层脂膜疏水层中。部嵌在双层脂膜疏水层中。这这这这类类类类蛋蛋蛋蛋白白白白特特特特征征征征是是是是不不不不溶溶溶溶于于于于水水水水，主主主主要要要要靠靠靠靠疏疏疏疏水水水水键键键键与与与与膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。膜脂相结合，而且不轻易从膜中分离出来。内内内内在在在在蛋蛋蛋蛋白白白白与与与与双双双双层层层层脂脂脂脂膜膜膜膜疏疏疏疏水水水水区区区区接接接接触触触触部部部部分分分分，因因因因为为为为没没没没有有有有水水水水分分分分子子子子影影影影响响响响，多多多多肽肽肽肽链链链链内内内内形形形形成成成成氢氢氢氢键键键键趋趋趋趋向向向向大大大大大大大大增增增增加加加加，所所所所以以以以，它它它它们们们们主主主主要要要要以以以以 -螺螺螺螺旋旋旋旋和和和和 -折折折折叠叠叠叠形形形形式式式式存存存存在在在在，其中又以其中又以其中又以其中又以 -螺旋更普遍。螺旋更普遍。螺旋更普遍。螺旋更普遍。第12页跨膜蛋白跨膜蛋白第13页三、膜糖三、膜糖 生物膜中含有一定寡糖类物质。它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上分布是不对称，全部都处于细胞膜外侧。生物膜中组成寡糖单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有主要作用。第14页第15页第二节第二节 生物膜结构生物膜结构第16页膜运动性膜运动性(1)磷脂分子运动：磷脂分子运动：在膜内作侧向扩散或侧向移动；在膜内作侧向扩散或侧向移动；围绕与围绕与膜平面垂直轴作旋转运动；膜平面垂直轴作旋转运动；围绕与膜平面垂直轴左右摆动；围绕与膜平面垂直轴左右摆动；膜脂沿纵轴上下振动；膜脂沿纵轴上下振动；在脂双层中作翻转运动；在脂双层中作翻转运动；烃链围烃链围绕绕C-C键旋转而造成异构化运动键旋转而造成异构化运动 第17页(2)膜蛋白运动膜蛋白运动1970年Frye和Edidin所做细胞融合试验。它们用细胞融合技术将小鼠细胞和人体细胞进行融合，并同时用不一样荧光抗体标识各自细胞表面蛋白质。当两种细胞融合形成杂核细胞后，各自特定蛋白质分布在各自膜表面。一段时间后发觉不一样蛋白质已均匀分布在杂核细胞膜上。第18页流动镶嵌模型流动镶嵌模型脂双分子层是细胞膜主要结构支架；膜蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入脂分子中，有甚至横跨整个脂双层；细胞膜含有流动性；组成细胞膜各种成份在膜中分布是不均匀，即含有不对称性。第19页第三节第三节 物质过膜运输物质过膜运输第20页单向转运单向转运（同向、异向）（同向、异向）协同转运协同转运基本方式基本方式第21页一、小分子与离子过膜转运一、小分子与离子过膜转运（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（一）简单扩散（simple diffusion)simple diffusion)包含分子和离子转运包含分子和离子转运顺浓度梯度顺浓度梯度不需要能量不需要能量 （二）促进扩散（二）促进扩散（二）促进扩散（二）促进扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）1)1)由高浓度向低浓度由高浓度向低浓度2 2）不需要能量不需要能量3 3）需通道蛋白或载体蛋白介导）需通道蛋白或载体蛋白介导第22页（三）主动运输（三）主动运输（active transport）1 1）转运载体）转运载体2 2）消耗能量）消耗能量3 3）逆浓度梯度）逆浓度梯度如：质子泵、钠如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等钾泵、钙泵等第23页主动转运举例：主动转运举例：Na+-K+ATPase Na+-K+ATPase 是膜上载体蛋白，称为是膜上载体蛋白，称为Na-Na-K K泵或泵或 Na-K-ATPNa-K-ATP酶酶由由2 22 2四个亚基组成四个亚基组成Na-K-ATPNa-K-ATP酶有两种不一样构型酶有两种不一样构型第24页二、大分子物质过膜转运二、大分子物质过膜转运吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis）细胞内吞噬较细胞内吞噬较大固体颗粒或大固体颗粒或分子复合物如分子复合物如微生物、细胞微生物、细胞碎片等过程。碎片等过程。第25页第四节第四节 膜受体介导信号传导膜受体介导信号传导第26页一、受体一、受体1.受体概念受体概念 是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素、神经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、药品等）并与之结合生物大分子。递质、毒素、药品等）并与之结合生物大分子。递质、毒素、药品等）并与之结合生物大分子。递质、毒素、药品等）并与之结合生物大分子。大多是蛋白质，少许糖脂大多是蛋白质，少许糖脂大多是蛋白质，少许糖脂大多是蛋白质，少许糖脂 受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（受体大多位于膜上（膜受体膜受体膜受体膜受体，多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），多为镶嵌糖蛋白），少部分在胞内（少部分在胞内（少部分在胞内（少部分在胞内（胞内受体，胞内受体，胞内受体，胞内受体，均为均为均为均为DNADNA结合蛋白）结合蛋白）结合蛋白）结合蛋白）配体（配体（配体（配体（ligandligand）与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使与受体结合活性分子。是信息载体，也称第一信使第27页2、受体特点、受体特点可饱和性可饱和性受体特点受体特点专一性专一性 可逆性可逆性高亲和性高亲和性特定作用模式特定作用模式第28页3、膜受体分类、膜受体分类 G-G-蛋白偶联型：肾上腺素，糖原蛋白偶联型：肾上腺素，糖原 酶偶联型酶偶联型:生长因子生长因子 离子通道型：乙酰胆碱离子通道型：乙酰胆碱第29页二、二、G G蛋白偶联型受体系统蛋白偶联型受体系统（一）一）一）一）G G G G 蛋白蛋白蛋白蛋白：全称为：全称为：全称为：全称为GTPGTPGTPGTP结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和结合调整蛋白。是一类和GTPGTPGTPGTP或或或或GDPGDPGDPGDP相结合蛋白。相结合蛋白。相结合蛋白。相结合蛋白。三个亚基组成。三个亚基组成。三个亚基组成。三个亚基组成。两种构象：两种构象：非活化型：非活化型：GDP活化型：活化型：GTP分布极广，分布极广，参加细胞物质代谢调整和基因转录调控参加细胞物质代谢调整和基因转录调控第30页G G蛋白相偶联受体蛋白相偶联受体：一条肽链形成过膜蛋白，有一条肽链形成过膜蛋白，有7 7个跨个跨膜膜-螺旋肽段往返于质膜脂质双层中螺旋肽段往返于质膜脂质双层中第31页1.受体受体-G蛋白蛋白-AC（腺苷酸环化酶）路径（腺苷酸环化酶）路径：以靶细胞内以靶细胞内cAMPcAMP浓度浓度改变和激活改变和激活蛋白激酶蛋白激酶A A（protein protein kinase A,PKAkinase A,PKA）为主要特征，是激素调整物质代谢主要为主要特征，是激素调整物质代谢主要路径路径功效：功效：调整物质代谢调整物质代谢 调控基因表示调控基因表示(二二)G)G蛋白偶联受体信号转导主要路径蛋白偶联受体信号转导主要路径 第32页配体与受体结合配体与受体结合交换交换GTP/GDPGTP/GDP（G G蛋白活化）蛋白活化）结合并激活结合并激活ACAC（腺苷酸环化酶）腺苷酸环化酶）生成生成cAMPcAMP（第二信使）第二信使）激活激活PKAPKA 发挥作用发挥作用第33页2.2.受体受体-G蛋白蛋白-PLC（磷脂酶（磷脂酶C）路径）路径 当激素与受体结合后经当激素与受体结合后经G G蛋白转导，激活磷脂酶蛋白转导，激活磷脂酶C C，由磷脂酶，由磷脂酶C C将质膜上磷脂酰肌醇二磷酸将质膜上磷脂酰肌醇二磷酸(PIP(PIP2 2)水解成三磷酸肌醇水解成三磷酸肌醇(IP(IP3 3)和和DGDG。第34页 脂溶性脂溶性DGDG在膜上累积并使紧密结合在膜上无活性在膜上累积并使紧密结合在膜上无活性PKCPKC活化。活化。PKCPKC活化后使大量底物蛋白活化后使大量底物蛋白(包含胰岛素、包含胰岛素、-肾上肾上腺素等激素和神经递质在细胞膜上受体，还有糖原合成腺素等激素和神经递质在细胞膜上受体，还有糖原合成酶，酶，DNADNA甲基转移酶，甲基转移酶，NaNa-K-KATPATP酶和转铁蛋白等酶和转铁蛋白等)丝氨丝氨酸或苏氨酸羟基磷酸化。引发细胞内生理效应。酸或苏氨酸羟基磷酸化。引发细胞内生理效应。第35页三、酶偶联受体介导信号转导系统三、酶偶联受体介导信号转导系统酶偶联受体含有和G蛋白偶联受体完全不一样分子结构和特征，其胞质侧本身含有酶活性，或者可直接结合并激活胞质中酶而不需要G蛋白参加。已知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受体、组氨酸激酶连接受体（与细菌趋化性相关）。下面主要介绍受体酪氨酸激酶和受体鸟苷酸环化酶。第36页（一）受体酪氨酸激酶（一）受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）是最大一类酶偶联受体。RPTKs都由三部分组成：细胞外结构域、单次跨膜疏水螺旋区、细胞内结构域。受体酪氨酸激酶胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合多肽或蛋白类激素，包含胰岛素和各种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶催化部位，并含有自磷酸化位点。第37页 配体（如EGF）在胞外与受体结合并引发构象改变，造成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，激活受体本身酪氨酸蛋白激酶活性，二聚体细胞内结构域装配成一个信号转导复合物第38页第39页Ras（rat sarcoma）是原癌基因c-ras表示产物，是单体GTP结合蛋白，含有弱 GTP酶活性。经过与GTP或GDP结合调整其活性。第40页（二）受体鸟苷酸环化酶（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，同时造成血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应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活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP蛋白激酶G（PKG），造成靶蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化，从而引发细胞反应。第41页四、离子通道受体介导信号转导四、离子通道受体介导信号转导离子通道型受体是一类本身为离子通道受体，离子通道开放和关闭，称为门控(gating)。依据门控机制不一样，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种通道蛋白质使不一样细胞对外界对应刺激起反应,完成跨膜信号转导。离子通道受体介导信号转导特点：不需要产生其它细胞内信使分子，信号转导速度快，对外界作用出现反应位点较局限。第42页（一）化学门控通道（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:由一些化学物质控制其开或关通道称，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种不一样亚单位组成5聚体蛋白质，形成一个结构为2梅花状通道样结构；每个亚单位肽链都要重复贯通膜4次；在5个亚单位中，Ach结合位点在亚单位上，结合后可引发通道结构开放，然后靠对应离子易化扩散而完成跨膜信号转导 第43页（二）电压门控通道（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:因膜电位改变而开启和关闭，以最轻易经过离子命名，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改变敏感结构域或亚单位，诱发整个通道分子功效状态改变。第44页（三）机械门控通道（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改变，实现胞外机械信号向胞内转导通道，依据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，依据功效作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。第45页本本 章章 结结 束束第46页