细胞膜结构和功能.pptx

生物膜结构与功效生物膜结构与功效 目标与要求：经过本章学习，要求掌握生目标与要求：经过本章学习，要求掌握生物膜结构和功效关系。生物膜在生命活动中功物膜结构和功效关系。生物膜在生命活动中功效是多方面，本章重点讨论膜物质运输功效和效是多方面，本章重点讨论膜物质运输功效和能量转换功效能量转换功效。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第1页页生物膜结构与功效生物膜结构与功效 第一节第一节 生物膜结构与功效概述生物膜结构与功效概述 第二节第二节 生物膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输第三节第三节 生物膜与能量转换生物膜与能量转换细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第2页页第一节第一节 生物膜结构与功效概述生物膜结构与功效概述一、生物膜一、生物膜功效概述功效概述二、生物膜二、生物膜组成组成三、生物膜三、生物膜结构和特点结构和特点细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第3页页一、生物膜功效概述一、生物膜功效概述 细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联络，各种不一细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联络，各种不一细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联络，各种不一细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联络，各种不一样膜系统有着独特结构和功效。生物膜与生命科学中许多基样膜系统有着独特结构和功效。生物膜与生命科学中许多基样膜系统有着独特结构和功效。生物膜与生命科学中许多基样膜系统有着独特结构和功效。生物膜与生命科学中许多基本理论问题和一些亟待处理实际问题亲密相关，如细胞起源、本理论问题和一些亟待处理实际问题亲密相关，如细胞起源、本理论问题和一些亟待处理实际问题亲密相关，如细胞起源、本理论问题和一些亟待处理实际问题亲密相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作用等等。尽管如此，生物膜普通生物学功效能够概括为以下用等等。尽管如此，生物膜普通生物学功效能够概括为以下用等等。尽管如此，生物膜普通生物学功效能够概括为以下用等等。尽管如此，生物膜普通生物学功效能够概括为以下几个方面。几个方面。几个方面。几个方面。1 1 1 1、区域化或房室化（、区域化或房室化（、区域化或房室化（、区域化或房室化（compartmemtalizationcompartmemtalizationcompartmemtalizationcompartmemtalization）2 2 2 2、物质跨膜运输（、物质跨膜运输（、物质跨膜运输（、物质跨膜运输（transporttransporttransporttransport）3 3 3 3、能量转换（、能量转换（、能量转换（、能量转换（energy conversionenergy conversionenergy conversionenergy conversion）4 4 4 4、细胞识别细胞识别细胞识别细胞识别（cell recognitioncell recognitioncell recognitioncell recognition）细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第4页页细胞识别基细胞识别基本类型本类型对游离大、小对游离大、小对游离大、小对游离大、小分子识别分子识别分子识别分子识别细胞细胞细胞细胞细胞细胞细胞细胞间识别间识别间识别间识别细胞细胞细胞细胞基质识别基质识别基质识别基质识别神经递质神经递质神经递质神经递质激素、细胞因子激素、细胞因子激素、细胞因子激素、细胞因子抗原抗原抗原抗原药品药品药品药品有害物质有害物质有害物质有害物质其它其它其它其它异种异种异种异种(异体异体异体异体)同类同类同类同类细胞间识别细胞间识别细胞间识别细胞间识别输血输血输血输血器官移植器官移植器官移植器官移植异种异类细异种异类细异种异类细异种异类细胞间识别胞间识别胞间识别胞间识别细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染固氮菌对寄生植物感染固氮菌对寄生植物感染固氮菌对寄生植物感染固氮菌对寄生植物感染各种共生寄生过程各种共生寄生过程各种共生寄生过程各种共生寄生过程同种异类细同种异类细同种异类细同种异类细胞间识别胞间识别胞间识别胞间识别单细胞生物结合单细胞生物结合单细胞生物结合单细胞生物结合动物受精过程动物受精过程动物受精过程动物受精过程植物受精、受粉过程植物受精、受粉过程植物受精、受粉过程植物受精、受粉过程免疫细胞作用免疫细胞作用免疫细胞作用免疫细胞作用同种同类细同种同类细同种同类细同种同类细胞间识别胞间识别胞间识别胞间识别低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集低等生物细胞聚集高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化高等生物胚胎发育和分化凝血中血小板聚集凝血中血小板聚集凝血中血小板聚集凝血中血小板聚集细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第5页页二、二、生物膜组成生物膜组成1 1、膜脂、膜脂 种类：种类：磷脂磷脂、类固醇类固醇、糖脂糖脂 特点：特点：多态性多态性（polymorphismpolymorphism）2 2、膜蛋白膜蛋白 外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白3 3、膜糖膜糖 细胞表面天线细胞表面天线细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第6页页三、三、生物膜结构和特点生物膜结构和特点1 1、生物膜分子结构模型、生物膜分子结构模型 “流体镶嵌流体镶嵌”模型模型2 2、生物膜中分子间主要作用力、生物膜中分子间主要作用力 静电力、疏水作用、范德华引力静电力、疏水作用、范德华引力3 3、生物膜结构主要特征、生物膜结构主要特征 膜组分膜组分不对称分布不对称分布、膜脂和膜蛋白、膜脂和膜蛋白流动性流动性细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第7页页X甘油甘油磷脂结构磷脂结构磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine)X=磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine)X=磷脂酰甘油磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol)X=双磷脂酰甘油双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol)X=磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol)X=磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine)X=细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第8页页鞘氨醇鞘氨醇(Sphingosine)鞘磷脂鞘磷脂(Sphingomyelin)磷磷酸酸胆胆碱碱神经酰胺神经酰胺部分部分鞘氨醇、神经酰胺和鞘氨醇、神经酰胺和鞘鞘磷脂结构磷脂结构神经酰胺神经酰胺(Ceramide)脂肪酸脂肪酸部分部分鞘氨醇部分鞘氨醇部分细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第9页页胆固醇胆固醇(Cholesterol)（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）胆固醇羟基与磷脂极性胆固醇羟基与磷脂极性胆固醇羟基与磷脂极性胆固醇羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲四头相连系，环戊烷多氢菲四头相连系，环戊烷多氢菲四头相连系，环戊烷多氢菲四个环状结构及其连接三个烃个环状结构及其连接三个烃个环状结构及其连接三个烃个环状结构及其连接三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。链与磷脂疏水尾巴平行排列。链与磷脂疏水尾巴平行排列。链与磷脂疏水尾巴平行排列。在动物细胞膜中在动物细胞膜中在动物细胞膜中在动物细胞膜中胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇分子现有与磷脂分子相结合分子现有与磷脂分子相结合分子现有与磷脂分子相结合分子现有与磷脂分子相结合限制其运动作用，也有将磷限制其运动作用，也有将磷限制其运动作用，也有将磷限制其运动作用，也有将磷脂分子隔开使其轻易流动作脂分子隔开使其轻易流动作脂分子隔开使其轻易流动作脂分子隔开使其轻易流动作用，即预防膜脂由液相变为用，即预防膜脂由液相变为用，即预防膜脂由液相变为用，即预防膜脂由液相变为固相以确保膜脂处于流动状固相以确保膜脂处于流动状固相以确保膜脂处于流动状固相以确保膜脂处于流动状态。态。态。态。这种双向调整和稳定作这种双向调整和稳定作这种双向调整和稳定作这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽温度范围用使生物膜在较宽温度范围用使生物膜在较宽温度范围用使生物膜在较宽温度范围(303040400 0C C)内行使功效。内行使功效。内行使功效。内行使功效。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第10页页神经节苷脂结构神经节苷脂结构D-D-半乳糖半乳糖GM1GM2GM3N-N-乙酰乙酰-D-D-半乳糖半乳糖D-D-半乳糖半乳糖D-D-葡萄糖葡萄糖N-N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸硬脂酸硬脂酸鞘氨醇鞘氨醇细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第11页页磷脂分子在水溶液中存在几个结构形式磷脂分子在水溶液中存在几个结构形式双层微囊双层微囊水水空气空气微团微团单体单体单层单层细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第12页页磷脂类双层结构和六角形相磷脂类双层结构和六角形相H1、H2双层结构双层结构（Bilyer）六角形相六角形相 (Hexagonal)H2H1六角形相六角形相 (Hexagonal)细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第13页页膜蛋白与膜脂双脂层结合主要形式膜蛋白与膜脂双脂层结合主要形式膜脂膜脂双层双层胞液胞液 内在蛋白内在蛋白：-螺旋螺旋横穿双脂层，正合于脂双层结构之中横穿双脂层，正合于脂双层结构之中锚定蛋白锚定蛋白：经过共价键与插入双脂层脂肪酸链结合经过共价键与插入双脂层脂肪酸链结合锚定蛋白锚定蛋白：经过寡糖链连到较小磷脂、磷脂酰肌醇上经过寡糖链连到较小磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白外周蛋白：经过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上经过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第14页页红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第15页页 Singer Nicolson流体镶嵌模型流体镶嵌模型特点：特点：特点：特点：生物膜是由生物膜是由生物膜是由生物膜是由脂质和蛋白质脂质和蛋白质脂质和蛋白质脂质和蛋白质分子按二维排分子按二维排分子按二维排分子按二维排列流体，突出列流体，突出列流体，突出列流体，突出了膜流动性了膜流动性了膜流动性了膜流动性;膜蛋白膜蛋白膜蛋白膜蛋白 和膜和膜和膜和膜脂分布含有不脂分布含有不脂分布含有不脂分布含有不对称性。对称性。对称性。对称性。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第16页页生物膜流动镶嵌模型生物膜流动镶嵌模型（外侧）（外侧）（外侧）（外侧）（内侧）（内侧）（内侧）（内侧）糖蛋白分子糖蛋白分子糖蛋白分子糖蛋白分子中寡糖链中寡糖链中寡糖链中寡糖链脂脂脂脂双双双双层层层层甾醇类甾醇类甾醇类甾醇类外周蛋白经外周蛋白经外周蛋白经外周蛋白经过共价连系过共价连系过共价连系过共价连系与脂类连接与脂类连接与脂类连接与脂类连接有多个跨膜有多个跨膜有多个跨膜有多个跨膜螺旋内嵌蛋螺旋内嵌蛋螺旋内嵌蛋螺旋内嵌蛋白白白白有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋内嵌蛋白内嵌蛋白内嵌蛋白内嵌蛋白外周蛋白外周蛋白外周蛋白外周蛋白磷脂极磷脂极磷脂极磷脂极性头部性头部性头部性头部脂脂脂脂酰酰酰酰链链链链糖脂糖脂糖脂糖脂细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第17页页低聚寡糖链低聚寡糖链跨膜糖蛋白跨膜糖蛋白脂双层脂双层糖被糖被糖残基糖残基唾液酸唾液酸糖脂糖脂细胞外壳（糖萼）示意图细胞外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）脂、胆固醇）细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第18页页生物膜脂不对称分布生物膜脂不对称分布（1 1 1 1）膜内层和外）膜内层和外）膜内层和外）膜内层和外层所含脂质分子种层所含脂质分子种层所含脂质分子种层所含脂质分子种类不一样；类不一样；类不一样；类不一样；（2 2 2 2）膜内外磷脂）膜内外磷脂）膜内外磷脂）膜内外磷脂层所带电荷不一样；层所带电荷不一样；层所带电荷不一样；层所带电荷不一样；（3 3 3 3）膜内外层磷）膜内外层磷）膜内外层磷）膜内外层磷脂分子中脂肪酸饱脂分子中脂肪酸饱脂分子中脂肪酸饱脂分子中脂肪酸饱和度不一样；和度不一样；和度不一样；和度不一样；（4 4 4 4）糖脂均分布）糖脂均分布）糖脂均分布）糖脂均分布在外层脂质中。在外层脂质中。在外层脂质中。在外层脂质中。占总量百分比占总量百分比占总量百分比占总量百分比5050252550502525外层外层外层外层内层内层内层内层膜脂总量膜脂总量膜脂总量膜脂总量鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺人红细胞膜主要磷脂在人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层分布膜内、外两层分布细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第19页页膜蛋白不对称分布膜蛋白不对称分布（1 1 1 1）糖蛋白糖链主要分布在膜外表面；）糖蛋白糖链主要分布在膜外表面；）糖蛋白糖链主要分布在膜外表面；）糖蛋白糖链主要分布在膜外表面；（2 2 2 2）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；（3 3 3 3）腺苷酸环化酶分布在膜内表面）腺苷酸环化酶分布在膜内表面）腺苷酸环化酶分布在膜内表面）腺苷酸环化酶分布在膜内表面。肌动蛋白肌动蛋白 (Actin)蛋白质蛋白质4.1 (Protein4.1)血影蛋白血影蛋白(Spectrin)带带3蛋白蛋白(Band 3)糖蛋白糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白血型蛋白(Glycophorin)糖链糖链红细胞膜蛋白质分布红细胞膜蛋白质分布细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第20页页膜脂相变膜脂相变相变温度相变温度相变温度相变温度（TcTc）凝胶态凝胶态凝胶态凝胶态(TTc)(TTc)(TTc)相变温度相变温度相变温度相变温度（TcTc）影响膜脂流动性主要原因是磷脂分子脂肪酸链不影响膜脂流动性主要原因是磷脂分子脂肪酸链不影响膜脂流动性主要原因是磷脂分子脂肪酸链不影响膜脂流动性主要原因是磷脂分子脂肪酸链不饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温度越饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温度越饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温度越饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温度越低，膜脂流动性越大。低，膜脂流动性越大。低，膜脂流动性越大。低，膜脂流动性越大。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第21页页磷脂分子运动几个方式磷脂分子运动几个方式侧向移动侧向移动全反式、偏转构型全反式、偏转构型旋转异构化运动旋转异构化运动翻转运动翻转运动摆动摆动、扭动、扭动细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第22页页 Fryt Edidin细胞膜融合证实膜细胞膜融合证实膜蛋白运动示意图蛋白运动示意图发红光硷性蕊香发红光硷性蕊香红标识人细胞膜红标识人细胞膜蛋白抗体蛋白抗体发绿光荧光素发绿光荧光素标识小鼠细胞标识小鼠细胞膜蛋白抗体膜蛋白抗体小鼠细胞小鼠细胞人细胞人细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白细胞融合细胞融合杂合细胞杂合细胞37370 0培育培育4040分钟以后分钟以后膜蛋白被膜蛋白被标识细胞标识细胞细胞膜细胞膜蛋白蛋白细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第23页页证实膜蛋白运动性新方法证实膜蛋白运动性新方法证实膜蛋白运动性新方法证实膜蛋白运动性新方法荧光漂白恢复法荧光漂白恢复法(Fluorescence Photibleaching Recorevy(Fluorescence Photibleaching Recorevy，FPR)FPR)用荧光素标识膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内用荧光素标识膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内用荧光素标识膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内用荧光素标识膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有荧光素膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区结合有荧光素膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区结合有荧光素膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区结合有荧光素膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复。荧光性恢复。荧光性恢复。荧光性恢复。因为膜流动性，淬灭区亮度逐步增加，最终恢因为膜流动性，淬灭区亮度逐步增加，最终恢因为膜流动性，淬灭区亮度逐步增加，最终恢因为膜流动性，淬灭区亮度逐步增加，最终恢复到与周围荧光强度相等。依据荧光恢复速度能够推复到与周围荧光强度相等。依据荧光恢复速度能够推复到与周围荧光强度相等。依据荧光恢复速度能够推复到与周围荧光强度相等。依据荧光恢复速度能够推算出膜蛋白和膜脂扩散速率。算出膜蛋白和膜脂扩散速率。算出膜蛋白和膜脂扩散速率。算出膜蛋白和膜脂扩散速率。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第24页页第二节第二节 生物膜与物质跨膜运输生物膜与物质跨膜运输一、一、被动运输与主动运输被动运输与主动运输二、二、小分子物质运输小分子物质运输三、三、生物大分子跨膜运输生物大分子跨膜运输细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第25页页被动运输和主动运输概念被动运输和主动运输概念被动运输（被动运输（Passive transportPassive transport）物物质质从从高高浓浓度度一一侧侧经经过过膜膜运运输输到到低低浓浓度度一一侧侧，即即顺顺浓浓度度梯梯度度方向跨膜运输过程称被动运输方向跨膜运输过程称被动运输 。在该过程中。在该过程中G0G0ZFV0主动运输特点：主动运输特点：专一性专一性 饱和性饱和性 方向性方向性 可被选择性抑制可被选择性抑制 需提供能量需提供能量细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第26页页二小分子物质运输二小分子物质运输1 1、被动运输、被动运输（1 1）简单扩散）简单扩散（simple diffusion）（2 2）促进扩散）促进扩散（facilitated diffusion）门通道门通道、载体蛋白载体蛋白、离子载体离子载体2 2、主动运输、主动运输（1 1）初级主动运输）初级主动运输（primary actic transport）例：例：NaNa+.K.K+-ATPase-ATPase Skou Skou及其同事及其同事试验试验 N N+,K,K+ATPaseATPase结构和作用机理结构和作用机理 （2 2）次级主动运输）次级主动运输（secondary actic transport）协同运输协同运输（co-transportco-transport）基团运输基团运输（group transport)group transport)细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第27页页两两种种类类型型门门控控离离子子通通道道1 1、电位门控通道、电位门控通道、电位门控通道、电位门控通道2 2、配体门控通道、配体门控通道、配体门控通道、配体门控通道电位门控通道在膜电位门控通道在膜电位门控通道在膜电位门控通道在膜去极化时打开去极化时打开去极化时打开去极化时打开配体门控通道在与配体门控通道在与配体门控通道在与配体门控通道在与胞外配体结合时打胞外配体结合时打胞外配体结合时打胞外配体结合时打开开开开细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第28页页载体蛋白载体蛋白载体蛋白表现出米氏动力学特征，说明在运输载体蛋白表现出米氏动力学特征，说明在运输过程中发生了构象改变。过程中发生了构象改变。载体蛋白运输很各种无机离子和小分子有机溶载体蛋白运输很各种无机离子和小分子有机溶质，并含有很高专一性质，并含有很高专一性载体蛋白活性受到转录和翻译后调控。载体蛋白活性受到转录和翻译后调控。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第29页页载体蛋白转运方式载体蛋白转运方式单向转运单向转运单向转运单向转运 同向转运同向转运同向转运同向转运 反向转运反向转运反向转运反向转运 共转运共转运共转运共转运细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第30页页离子载体（离子载体（ionophoresionophores）离子载体是一类可溶于脂双层疏水性小分子，它能增加脂双层对离子透性。离子载体是一类可溶于脂双层疏水性小分子，它能增加脂双层对离子透性。大多数离子载体是又微生物合成，有离子载体本身就是抗生素。在天然膜和大多数离子载体是又微生物合成，有离子载体本身就是抗生素。在天然膜和人工膜研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子透性，是研究离子人工膜研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子透性，是研究离子运输有用工具。离子载体可分为运输有用工具。离子载体可分为移动性离子载体移动性离子载体和和通道形成载体。通道形成载体。例：例：缬缬氨霉素氨霉素：链霉菌抗生素，特异：链霉菌抗生素，特异K K+载体载体 尼日利亚霉素：进行尼日利亚霉素：进行H H+和和K K+交换交换 短杆菌肽短杆菌肽 A A：由两个单体分子头：由两个单体分子头-头相正确二聚体形成跨头相正确二聚体形成跨膜通道，能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度经过。膜通道，能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度经过。移动性离子载体移动性离子载体通道形成载体。通道形成载体。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第31页页缬缬氨霉素氨霉素K K+载体载体缬缬氨霉素结构氨霉素结构K K+缬缬氨霉素复合物氨霉素复合物细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第32页页短杆菌肽短杆菌肽 A A在脂双层中形成二聚体在脂双层中形成二聚体细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第33页页 SkouSkou等关于等关于 NaNa+，K K+-ATP-ATP酶酶试验试验试验设计：试验设计：制制备备红红细细胞胞血血影影（ghostghost），观观察察ATPATP水水解解情况和膜内外情况和膜内外K K+，NaNa+浓度关系。浓度关系。试验结果：试验结果：a aK K+和和NaNa+运输与运输与ATPATP水解紧密相偶联；水解紧密相偶联；b b离离子子运运输输与与ATPATP水水解解只只有有在在NaNa+和和ATPATP存存在在于于血血影影膜膜内内侧侧，而而K K+存存在在于于膜外侧时才能发生；膜外侧时才能发生；c c鸟鸟苯苯苷苷只只有有在在血血影影膜膜外外侧侧时时因因竞竞争争K+K+结结合合位位置置才才能能起起到到抑抑制制作作用用；K K+可被其它正一价离子（如可被其它正一价离子（如NHNH4 4+）取代，而）取代，而NaNa+则不能被取代。则不能被取代。d d每水解一个每水解一个ATPATP分子向膜外泵出分子向膜外泵出3 3个个NaNa+，向膜内泵入，向膜内泵入2 2个个K K+；e.e.将将提提纯纯NaNa+，K K+-ATP-ATP酶酶重重建建在在人人工工膜膜脂脂质质体体上上，当当有有ATPATP和和MgMg+存存在在时，时，重建重建ATPATP酶酶有向膜外运输有向膜外运输NaNa+向膜内运输向膜内运输K K+功效。功效。K+Na+ATPADPNa+，K+-ATP酶酶细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第34页页NaNa+-K-K+-ATPase-ATPase体外重建体外重建NaNa+-K-K+-ATPase-ATPase去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊脂脂脂脂-去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊增溶膜蛋白增溶膜蛋白增溶膜蛋白增溶膜蛋白去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊去污剂微囊外加磷脂外加磷脂外加磷脂外加磷脂透析透析透析透析纯化膜蛋白纯化膜蛋白纯化膜蛋白纯化膜蛋白NaNaNaNa+-K-K-K-K+-ATPase -ATPase -ATPase -ATPase 在脂质体上重建在脂质体上重建在脂质体上重建在脂质体上重建纯化纯化纯化纯化细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第35页页NaNa+.+.K K+-ATPase-ATPase亚基结构亚基结构及其在膜上定位及其在膜上定位细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第36页页NaNa+-K-K+-ATPase-ATPase作用模型作用模型ATPATPADPADP细胞外细胞外细胞外细胞外细胞质细胞质细胞质细胞质1.1.细胞质中细胞质中细胞质中细胞质中3 3个个个个NaNa+结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露结合到酶分上暴露NaNa+结合部位结合部位结合部位结合部位HH2 2OO 细胞外细胞外细胞外细胞外细胞质细胞质细胞质细胞质3Na3Na+2K2K+2.2.酶分子中酶分子中酶分子中酶分子中AspAsp残基磷残基磷残基磷残基磷酸化诱导构象改变，造酸化诱导构象改变，造酸化诱导构象改变，造酸化诱导构象改变，造成成成成NaNa+释放到胞外释放到胞外释放到胞外释放到胞外4.4.当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化当酶分去磷酸化后构象发生改变，后构象发生改变，后构象发生改变，后构象发生改变，将将将将KK+释放到胞内释放到胞内释放到胞内释放到胞内3.3.细外细外细外细外2 2个个个个KK+结合到酶结合到酶结合到酶结合到酶分上暴露分上暴露分上暴露分上暴露KK+结合部位结合部位结合部位结合部位5.5.3 3个个个个NaNa+结合部位结合部位结合部位结合部位重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮重新暴露，又一轮转运过程开始转运过程开始转运过程开始转运过程开始细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第37页页依赖依赖ATPATP离子泵离子泵三种类型三种类型P-type V-type F-type(Na+-K+-ATPase)(H+-ATPase)(线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体ATP合酶合酶)细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第38页页脂双层脂双层细胞外细胞外细胞内细胞内葡萄糖协同运输系统葡萄糖协同运输系统细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第39页页细胞质细胞质 糖磷酸糖磷酸磷酸转换酶系统磷酸转换酶系统糖糖细菌膜细菌膜细胞外细胞外丙酮酸丙酮酸PEP细菌中糖经过基团运输主动运输细菌中糖经过基团运输主动运输细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第40页页 糖基团转运机制糖基团转运机制细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第41页页细胞膜上细胞膜上HCOHCO3 3-和和ClCl-交换交换带带3 3蛋白在红细胞膜蛋白在红细胞膜上可能分布示意图上可能分布示意图细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第42页页细胞膜上细胞膜上HCOHCO3 3-和和ClCl-交换交换代谢产生代谢产生代谢产生代谢产生COCOCOCO2 2 2 2进入红细胞进入红细胞进入红细胞进入红细胞COCOCOCO2 2 2 2+H+H+H+H2 2 2 2O O O OHCOHCOHCOHCO3 3 3 3-+H+H+H+H+ClClClCl-HCOHCOHCOHCO3 3 3 3-+H+H+H+H+ClClClCl-COCOCOCO2 2 2 2+H+H+H+H2 2 2 2O O O O碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶COCOCOCO2 2 2 2HCOHCOHCOHCO3 3 3 3-ClClClCl-HCOHCOHCOHCO3 3 3 3-ClClClCl-(HCO(HCO(HCO(HCO3 3 3 3-溶于血浆溶于血浆溶于血浆溶于血浆)(HCO(HCO(HCO(HCO3 3 3 3-从血浆进入红细胞从血浆进入红细胞从血浆进入红细胞从血浆进入红细胞)(CO(CO(CO(CO2 2 2 2离开红细胞被呼出体外离开红细胞被呼出体外离开红细胞被呼出体外离开红细胞被呼出体外)呼吸细胞中呼吸细胞中呼吸细胞中呼吸细胞中肺部肺部肺部肺部 ClClClCl-HCOHCOHCOHCO3 3 3 3-交换蛋白交换蛋白交换蛋白交换蛋白 细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第43页页三、生物大分子跨膜运输三、生物大分子跨膜运输 1 1、蛋白质跨膜运输、蛋白质跨膜运输基本路径基本路径2 2、新生肽链经由、新生肽链经由内质网膜转位内质网膜转位3 3、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体 线粒体蛋白质跨膜运输线粒体蛋白质跨膜运输图例图例 生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖等大分子，不一样细胞器、房室之间也有大分子跨膜转位，这等大分子，不一样细胞器、房室之间也有大分子跨膜转位，这个过程包括许多主要生命现象，说明大分子跨膜运输分子机制个过程包括许多主要生命现象，说明大分子跨膜运输分子机制含有重大理论意义和应用前景，已成为新热门研究领域。含有重大理论意义和应用前景，已成为新热门研究领域。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第44页页蛋白质运输基本路径蛋白质运输基本路径细细胞胞溶溶质质细细胞胞核核过过氧氧化化物物酶酶体体线线粒粒体体质质体体内内质质网网细细胞胞表表面面胞胞内内体体溶溶酶酶体体高高尔尔基基体体分分部部囊囊泡泡内吞内吞内吞内吞外排外排外排外排孔门运输孔门运输孔门运输孔门运输跨膜转位跨膜转位跨膜转位跨膜转位囊泡运输囊泡运输囊泡运输囊泡运输内质网内质网内质网内质网高尔基体可视为胞内蛋白质高尔基体可视为胞内蛋白质高尔基体可视为胞内蛋白质高尔基体可视为胞内蛋白质和生物膜合成和生物膜合成和生物膜合成和生物膜合成组装分拣和组装分拣和组装分拣和组装分拣和运输中心运输中心运输中心运输中心细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第45页页分泌蛋白质合成和胞吐作用分泌蛋白质合成和胞吐作用内质网内质网高尔基体高尔基体泡泡泡泡泡融入泡融入质膜质膜核糖体核糖体芽泡芽泡细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第46页页新生肽链经由内质网膜转位新生肽链经由内质网膜转位 粗糙内质网上核糖体合成蛋白质分两类，一个进入粗糙内质网上核糖体合成蛋白质分两类，一个进入内质网腔，经一系列加工、修饰、包装、投送，进入溶内质网腔，经一系列加工、修饰、包装、投送，进入溶酶体、质膜或分泌到胞外；另一个则与内质网酶体、质膜或分泌到胞外；另一个则与内质网(ER)(ER)膜结膜结合，留在内质网或经内质网系统投送成为质膜和其它细合，留在内质网或经内质网系统投送成为质膜和其它细胞器膜蛋白。胞器膜蛋白。新生肽链新生肽链N-N-端有引导其跨越内质网膜端有引导其跨越内质网膜信号肽信号肽(signal sequence)，Salatini 和和Blobel提出提出信号肽假说信号肽假说(signal hypothesis)解释了新生肽链经由内质网转位机制。解释了新生肽链经由内质网转位机制。细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第47页页一些真核细胞多肽链上一些真核细胞多肽链上N-N-端信号肽结构端信号肽结构特点：特点：特点：特点：信号肽序列在信号肽序列在信号肽序列在信号肽序列在10-4010-4010-4010-40个氨基酸范围，中部有个氨基酸范围，中部有个氨基酸范围，中部有个氨基酸范围，中部有10-1510-1510-1510-15个高度疏水氨基酸组成肽段；个高度疏水氨基酸组成肽段；个高度疏水氨基酸组成肽段；个高度疏水氨基酸组成肽段；N N N N端最少含一个带正电荷基团（如端最少含一个带正电荷基团（如端最少含一个带正电荷基团（如端最少含一个带正电荷基团（如LysLysLysLys、ArgArgArgArg）；）；）；）；C C C C端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强5 5 5 5肽，切点上游第肽，切点上游第肽，切点上游第肽，切点上游第1 1 1 1、第、第、第、第3 3 3 3多为为多为为多为为多为为AlaAlaAlaAla。Cleavage Cleavage sitesite细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第48页页 信号肽假说信号肽假说示意图示意图SRP(signal recognition paticle)SRP(signal recognition paticle)：信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）SRP receptorSRP receptor：信号肽识别蛋白受体信号肽识别蛋白受体信号肽识别蛋白受体信号肽识别蛋白受体Ribosome receptorRibosome receptor：核糖体受体核糖体受体核糖体受体核糖体受体细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第49页页信号肽识别信号肽识别示意图示意图mRNAmRNAtRNAtRNA新生肽上新生肽上新生肽上新生肽上信号肽信号肽信号肽信号肽SRPSRPSRPSRPSRPSRP结合信号肽，结合信号肽，结合信号肽，结合信号肽，引发翻译终止引发翻译终止引发翻译终止引发翻译终止SRPSRP结合核蛋白体结合核蛋白体结合核蛋白体结合核蛋白体选择性地连接到选择性地连接到选择性地连接到选择性地连接到 ERER膜上膜上膜上膜上SRPSRP受体受体受体受体SRPSRPSRPSRPSRPSRP转移转移转移转移和再循环和再循环和再循环和再循环ERER膜上膜上膜上膜上SRPSRP受受受受体蛋白体蛋白体蛋白体蛋白核糖体核糖体核糖体核糖体受体受体受体受体蛋白转移器蛋白转移器蛋白转移器蛋白转移器胞液胞液胞液胞液ERERERER网腔网腔网腔网腔翻译继续翻译继续翻译继续翻译继续转移开始转移开始转移开始转移开始核糖体核糖体核糖体核糖体细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第50页页含有含有内部内部开始开始转移转移肽膜肽膜蛋白蛋白与内与内质网质网膜整膜整合合ERERERER膜上成膜上成膜上成膜上成熟蛋白熟蛋白熟蛋白熟蛋白COOHCOOHNHNH2 2NHNH2 2NHNH2 2NHNH2 2腔腔腔腔胞液胞液胞液胞液内部开始内部开始内部开始内部开始转移肽转移肽转移肽转移肽+-(A)(A)+NHNH2 2NHNH2 2NHNH2 2腔腔腔腔胞液胞液胞液胞液在反向插入在反向插入在反向插入在反向插入信号序列信号序列信号序列信号序列NHNH2 2-+(B)(B)ERERERER膜上成膜上成膜上成膜上成熟蛋白熟蛋白熟蛋白熟蛋白-+COOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH-+细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第51页页细胞质细胞质细胞质细胞质切除内膜识别序列切除内膜识别序列切除内膜识别序列切除内膜识别序列加工折叠加工折叠加工折叠加工折叠前体前体蛋白蛋白切除外膜切除外膜切除外膜切除外膜识别序列识别序列识别序列识别序列前体蛋白经过两个信号肽序列连续跨膜过程前体蛋白经过两个信号肽序列连续跨膜过程内膜识别序列内膜识别序列内膜识别序列内膜识别序列(1)(1)外膜识别序列外膜识别序列外膜识别序列外膜识别序列(1)(1)跨外膜跨外膜跨外膜跨外膜进内膜进内膜进内膜进内膜内膜通道内膜通道内膜通道内膜通道蛋白蛋白蛋白蛋白(2)(2)内膜基质内膜基质内膜基质内膜基质通道蛋白通道蛋白通道蛋白通道蛋白(2)(2)NHNH3 3+NHNH3 3+NHNH3 3+COOCOO-COOCOO-NHNH3 3+COOCOO-膜间隙膜间隙膜间隙膜间隙外膜外膜外膜外膜与受体结合与受体结合与受体结合与受体结合去折叠去折叠去折叠去折叠受体受体受体受体内膜内膜内膜内膜（1 1 1 1）、线粒体前体蛋白信号肽）、线粒体前体蛋白信号肽）、线粒体前体蛋白信号肽）、线粒体前体蛋白信号肽（2 2 2 2）、线粒体膜上转位复合物）、线粒体膜上转位复合物）、线粒体膜上转位复合物）、线粒体膜上转位复合物（3 3 3 3）、分子伴侣）、分子伴侣）、分子伴侣）、分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣（3 3）细胞膜结构和功能细胞膜结构和功能第第52页页线粒体外膜线粒体外膜线粒体外膜线粒体外膜线粒体内膜线粒体内膜线粒体内膜线粒体内膜带有定向肽线粒体蛋白质前带有定向肽线粒体蛋白质前体跨膜运输过程示意图体跨膜运输过程示意图内外膜接触位点内外膜接触位点内外膜接触位点内外膜接触位点蛋白质通道蛋白质通道蛋白质通道蛋白质通道线粒体线粒体线粒体线粒体hsp70hsp70受体蛋