生物膜的结构与功能目的与要求：通过本章学习，要求掌握生物膜的结构和功能的关系。生物膜在生命活动中的功能是多方面的，本章重点讨论膜的物质运输功能和能量转换功能。生物膜的结构与功能第一节 生物膜的结构与功能概述第二节 生物膜与物质跨膜运输第三节 生物膜与能量转换第一节 生物膜的结构与功能概述一、生物膜功能概述二、生物膜的组成三、生物膜的结构和特点一、生物膜功能概述细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同细胞全部生命活动几乎都与生物膜有某种联系，各种不同 的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多的膜系统有着独特的结构和功能。生物膜与生命科学中许多 基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞基本理论问题和一些亟待解决的实际问题密切相关，如细胞 起源、形态发生、细胞分裂分化、细胞识别、免疫、物质运起源、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、肿瘤发生以及药物和输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药物和 毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以毒物的作用等等。尽管如此，生物膜的一般生物学功能可以 概括为以下几个方面。概括为以下几个方面。1 1、区域化或房室化（、区域化或房室化（compartmemtalizationcompartmemtalization）2 2、物质的跨膜运输（、物质的跨膜运输（transporttransport）3 3、能量转换（、能量转换（energy conversionenergy conversion）4 4、细胞识别细胞识别（cell recognitioncell recognition）细胞识别的 基本类型对游离的大、对游离的大、 小分子的识别小分子的识别细胞细胞细胞细胞 间的识别间的识别细胞细胞基质的识别基质的识别神经递质神经递质 激素、细胞因子激素、细胞因子 抗原抗原 药物药物 有害物质有害物质 其它其它异种异种( (异体异体) )同类同类 细胞间的识别细胞间的识别输血输血 器官移植器官移植异种异类细异种异类细 胞间的识别胞间的识别细胞感染和真菌感染细胞感染和真菌感染 固氮菌对寄生植物的感染固氮菌对寄生植物的感染 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 胞间的识别胞间的识别单细胞生物的结合单细胞生物的结合 动物的受精过程动物的受精过程 植物的受精、受粉过程植物的受精、受粉过程 免疫细胞的作用免疫细胞的作用同种同类细同种同类细 胞间的识别胞间的识别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 凝血中血小板的聚集凝血中血小板的聚集二、 生物膜的组成1、膜脂种类：磷脂、类固醇、糖脂特点：多态性（polymorphism）2、膜蛋白外周蛋白、内在蛋白、脂锚定蛋白3、膜糖 细胞表面天线三、 生物膜的结构和特点1、生物膜分子结构模型“流体镶嵌”模型2、生物膜中分子间的主要作用力静电力、疏水作用、范德华引力3、生物膜结构的主要特征膜组分的不对称分布、膜脂和膜蛋白的流动性X甘油磷脂结构磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine )X=磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine )X=磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol )X=双磷脂酰甘油(Diphosphatidylglycerol )X=磷脂酰肌醇 (Phosphatidylinositol )X=磷脂酰胆碱(Phosphatidylchiine )X=鞘氨醇(Sphingosine )鞘磷脂(Sphingomyelin )磷 酸 胆 碱神经酰胺 部分鞘氨醇、神经酰胺和鞘磷脂结构神经酰胺(Ceramide )脂肪酸 部分鞘氨醇部分胆固醇(Cholesterol )（环戊烷多氢菲）（环戊烷多氢菲）胆固醇的羟基与磷脂极胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。行排列。在动物细胞膜中在动物细胞膜中胆固醇胆固醇分子既有与磷脂分子相结合分子既有与磷脂分子相结合限制其运动的作用，也有将限制其运动的作用，也有将磷脂分子隔开使其容易流动磷脂分子隔开使其容易流动的作用，即防止膜脂由液相的作用，即防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流变为固相以保证膜脂处于流动状态。动状态。这种双向调整和稳这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽温度定作用使生物膜在较宽温度 范围范围( (303040400 0C C) )内行使功能。内行使功能。神经节苷脂的结构D-半乳糖GM1 GM2 GM3 N-乙酰-D-半乳糖D-半乳糖D-葡萄糖N-乙酰神经氨酸 硬脂酸鞘氨醇磷脂分子在水溶液中存在的几种结构形式双层微囊水空气微团单体单层磷脂类的双层结构和六角形相H1、H2双层结构 （Bilyer）六角形相(Hexagonal) H2H1六角形相(Hexagonal )膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式膜脂 双层胞液 内在蛋白：-螺旋横穿双脂层，正合于脂双层结构之中锚定蛋白：通过共价键与插入双脂层的脂肪酸链结合锚定蛋白：通过寡糖链连到较小的磷脂、磷脂酰肌醇上外周蛋白：通过非共价键与膜蛋白相互作用结合在膜上红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列Singer Nicolson流体镶嵌模型特点：特点： 生物膜是由生物膜是由 脂质和蛋白质脂质和蛋白质 分子按二维排分子按二维排 列的流体，突列的流体，突 出了膜的流动出了膜的流动 性性; ; 膜蛋白膜蛋白 和膜和膜 脂分布具有不脂分布具有不 对称性。对称性。生物膜的流动镶嵌模型（外侧）（外侧）（内侧）（内侧）糖蛋白分子糖蛋白分子 中的寡糖链中的寡糖链脂脂 双双 层层甾醇类甾醇类外周蛋白通外周蛋白通 过共价连系过共价连系 与脂类连接与脂类连接有多个跨膜有多个跨膜 螺旋的内嵌螺旋的内嵌 蛋白蛋白有一跨膜螺旋有一跨膜螺旋 的内嵌蛋白的内嵌蛋白外周蛋白外周蛋白磷脂极磷脂极 性头部性头部脂脂 酰酰 链链糖脂糖脂低聚寡糖链跨膜糖蛋白脂双层糖被糖残基唾液酸糖脂细胞外壳（糖萼）示意图膜脂（磷脂、糖 脂、胆固醇）生物膜脂不对称分布（1 1）膜内层和外）膜内层和外 层所含脂质分子的层所含脂质分子的 种类不同；种类不同；（2 2）膜内外磷脂）膜内外磷脂 层所带电荷不同；层所带电荷不同；（3 3）膜内外层磷）膜内外层磷 脂分子中脂肪酸的脂分子中脂肪酸的 饱和度不同；饱和度不同；（4 4）糖脂均分布）糖脂均分布 在外层脂质中。在外层脂质中。 占总量的百分比占总量的百分比5050252550502525外层外层内层内层膜脂总量膜脂总量鞘磷脂鞘磷脂 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乙醇胺磷脂酰乙醇胺人红细胞膜主要磷脂在 膜内、外两层的分布膜蛋白不对称分布（1 1）糖蛋白的糖链主要分布在膜的外表面；）糖蛋白的糖链主要分布在膜的外表面；（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；（3 3）腺苷酸环化酶分布在膜的内表面）腺苷酸环化酶分布在膜的内表面。肌动蛋白 (Actin)蛋白质4.1 (Protein4.1)血影蛋白(Spectrin)带3蛋白(Band 3) 糖蛋白 (Ankyrin)血型蛋白(Glycophorin)糖链红细胞膜蛋白质分布膜脂的相变相变温度相变温度（TcTc）凝胶态凝胶态(TTc)(TTc)相变温度相变温度（TcTc）影响膜脂流动性的重要因素是磷脂分子脂肪酸链影响膜脂流动性的重要因素是磷脂分子脂肪酸链 的不饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温的不饱和程度。磷脂脂肪链不饱和性越高，相变温 度越低，膜脂流动性越大。度越低，膜脂流动性越大。磷脂分子运动的几种方式侧向移动全反式、偏转构型 旋转异构化运动翻转运动 摆动 、扭动Fryt Edidin 细胞膜融合证明膜 蛋白运动示意图发红光硷性蕊香 红标记的人细胞 膜蛋白抗体发绿光荧光素 标记的小鼠细 胞膜蛋白抗体小鼠细胞人细胞细胞膜 蛋白细胞融合杂合细胞370培育40分钟以后膜蛋白被 标记细胞细胞膜 蛋白证明膜蛋白运动性的新方法证明膜蛋白运动性的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)用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内用荧光素标记膜蛋白，利用激光使膜上某一微区内结合有荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该结合有荧光素的膜蛋白不可逆地漂白，经温育后，该区荧光性恢复。区荧光性恢复。由于膜的流动性，淬灭区的亮度逐渐增加，最由于膜的流动性，淬灭区的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光的恢复速后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光的恢复速度可以推算出膜蛋白和膜脂的扩散速率。度可以推算出膜蛋白和膜脂的扩散速率。第二节 生物膜与物质跨膜运输一、被动运输与主动运输二、小分子物质的运送三、生物大分子的跨膜运送被动运输和主动运输的概念被动运送（Passive transport）物质从高浓度一侧通过膜运送到低浓度一侧，即顺浓度梯度 的方向跨膜运送的过程称被动运输 。在该过程中G0主动运输的特点：专一性饱和性方向性可被选择性抑制需提供能量二小分子物质的运送 1、被动运输（1）简单扩散（simple diffusion）（2）促进扩散（facilitated diffusion）门通道、载体蛋白、离子载体 2、主动运输 （1）初级主动运输（primary actic transport）例：Na+ . K+ - ATPase Skou及其同事的实验 N+,K+ATPase的结构和作用机理（2）次级主动运输（secondary actic transport）协同运送（co-transport）基团运送（group transport)两 种 类 型 门 控 离 子 通 道1 1、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 开开载体蛋白 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变化。 载体蛋白运输很多种无机离子和小分子的有机溶质，并具有很高的专一性 载体蛋白的活性受到转录和翻译后调控。载体蛋白的转运方式单向转运单向转运 同向转运同向转运 反向转运反向转运共转运共转运离子载体（ ionophores）离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，它能增加脂双层对离子的透性。大多数离子载体是又微生物合成的，有的离子载体本身就是抗生素。在天然膜和人工膜的研究中离子载体被广泛用于增加膜对一些特殊离子的透性，是研究离子运输的有用工具。离子载体可分为移动性离子载体和通道形成载体。例：缬氨霉素：链霉菌抗生素，特异的K+载体尼日利亚霉素：进行H+和K+的交换短杆菌肽 A ：由两个单体分子头-头相对的二聚体形成跨 膜通道，能选择性地让一价阳离子顺电化学梯度通过。移动性离子载体通道形成载体。缬氨霉素K+载体缬氨霉素结构K+缬氨霉素复合物短杆菌肽 A在脂双层中形成的二聚体Skou等关于 Na+ ，K+-ATP酶的实验实验设计：制备红细胞血影（ghost），观察ATP水解 情况和膜内外K+，Na+浓度的关系。实验结果：aK+和Na+的运输与ATP的水解紧密相偶联；b离子的运输与ATP的水解只有在Na+和ATP存在于血影膜内侧，而K+存在于膜外侧时才能发生；c鸟