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1、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
2、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概括为以下几个方面。,1、区域化或房室化（compartmemtalization）2、物质的跨膜运输（transport）3、能量转换（energy conversion）4、细胞识别（cell recognition）,细胞识别的基本类型,对游离的大、小分子的识别,细胞细胞间的识别,细胞基质的识别,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“
3、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,鞘氨醇(Sphingosine),鞘氨醇、神经酰胺和鞘磷脂结构,胆固醇(Cholesterol),胆固醇的羟基与磷脂极性头相连系，环戊烷多氢菲的四个环状结构及其连接的三个烃链与磷脂疏水尾巴平行排列。在动物细胞膜中胆固醇分子既有与磷脂分子相结合限制其运动的作用，也有将磷脂分子隔开使其容易流动的作用，即防止膜脂由液相变为固相以保证膜脂处于流动状态。这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽温度范围(30400C)内行使功能。,神经节苷脂的结构,D
4、-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),H2,H1,六角形相(Hexagonal),膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式,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,Sing
5、er Nicolson流体镶嵌模型,特点：生物膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体，突出了膜的流动性;膜蛋白 和膜脂分布具有不对称性。,生物膜的流动镶嵌模型,（外侧）,（内侧）,糖蛋白分子中的寡糖链,脂双层,甾醇类,外周蛋白通过共价连系与脂类连接,有多个跨膜螺旋的内嵌蛋白,有一跨膜螺旋的内嵌蛋白,外周蛋白,磷脂极性头部,脂酰链,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）膜内层和外层所含脂质分子的种类不同；（2）膜内外磷脂层所带电荷不同；（3）膜内外层磷脂分子中脂肪酸的饱和度不同；（4）糖脂均分
6、布在外层脂质中。,膜蛋白不对称分布,（1）糖蛋白的糖链主要分布在膜的外表面；（2）膜受体分子均分布在膜外层脂质分子中；（3）腺苷酸环化酶分布在膜的内表面。,膜脂的相变,相变温度（Tc）,凝胶态(TTc),液晶态(TTc),相变温度（Tc）,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，相变温度越低，膜脂流动性越大。,磷脂分子运动的几种方式,Fryt Edidin细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图,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,荧光漂白恢复法(Fluorescenc
7、e Photibleaching Recorevy，FPR)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，该区荧光性恢复。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。,主动运送（Actic transport
8、）凡物质逆浓度梯度的运送称主动运送，这一过程进行需供给能量。G=2.3RT log(C2/C1)+ZFV0,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
9、送（co-transport）基团运送（group transport),两种类型门控离子通道,1、电位门控通道,2、配体门控通道,电位门控通道在膜去极化时打开,配体门控通道在与胞外配体结合时打开,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 同向转运 反向转运,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
10、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
11、+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鸟苯苷只有在血影膜外侧时因竞争K+结合位置才能起到抑制作用；K+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被取代。d每水解一个ATP分子向膜外泵出3个Na+，向膜内泵入2个K+；e.将提纯的Na+，K+-ATP酶重建在人工膜脂质体上，当有ATP和Mg+存在时，重建ATP酶有向膜外运送Na+向膜内运送K+的功能。,Na+-K+-ATPase的体外重建,Na+-K+-ATPase,去污剂微囊,脂-去污剂微囊,增溶的膜蛋白,去污剂微囊,外加的磷脂,透析,纯化的膜
12、蛋白,Na+-K+-ATPase 在脂质体上重建,纯化,Na+.K+-ATPase的亚基结构及其在膜上定位,Na+-K+-ATPase的作用模型,ATP,ADP,细胞外,细胞质,1.细胞质中3个Na+结合到酶分上暴露的Na+结合部位,H2O,细胞外,细胞质,3Na+,2K+,2.酶分子中Asp残基磷酸化诱导构象改变，导致Na+释放到胞外,4.当酶分去磷酸化后构象发生改变，将K+释放到胞内,3.细外2个K+结合到酶分上暴露的K+结合部位,5.3个Na+结合部位重新暴露，又一轮转运过程开始,依赖ATP离子泵的三种类型,P-type V-type F-type,(Na+-K+-ATPase),(H+
13、-ATPase),(线粒体、叶绿体ATP合酶),葡萄糖的协同运送系统,细菌中糖通过基团运送的主动运送,糖的基团转运机制,细胞膜上HCO3-和Cl-的交换,带3蛋白在红细胞膜上可能分布示意图,细胞膜上HCO3-和Cl-的交换,代谢产生CO2进入的红细胞,CO2+H2O,HCO3-+H+Cl-,HCO3-+H+Cl-,CO2+H2O,碳酸酐酶,碳酸酐酶,CO2,HCO3-Cl-,HCO3-Cl-,(HCO3-溶于血浆),(HCO3-从血浆进入红细胞),(CO2离开红细胞被呼出体外),呼吸细胞中,肺部,Cl-HCO3-交换蛋白,三、生物大分子的跨膜运送,1、蛋白质跨膜运输的基本途径2、新生肽链经由内
14、质网膜转位3、蛋白质跨膜转位进入线粒体及叶绿体 线粒体蛋白质的跨膜运送图例,生活细胞需要主动地摄入或排出蛋白质、多核苷酸、多糖等大分子，不同细胞器、房室之间也有大分子的跨膜转位，这个过程涉及许多重要的生命现象，阐明大分子的跨膜运送的分子机制具有重大的理论意义和应用前景，已成为新的热门研究领域。,蛋白质运输的基本途径,细胞溶质,细胞核,过氧化物酶体,线粒体,质体,内质网,细胞表面,胞内体,溶酶体,高尔基体,分部囊泡,内吞,外排,孔门运输,跨膜转位,囊泡运输,内质网高尔基体可视为胞内蛋白质和生物膜合成组装分拣和运输中心,分泌蛋白质的合成和胞吐作用,内质网,高尔基体,泡,泡,泡融入质膜,核糖体,芽泡
15、,新生肽链经由内质网膜转位,粗糙内质网上的核糖体合成的蛋白质分两类，一种进入内质网腔，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；另一种则与内质网(ER)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胞器的膜蛋白。新生肽链N-端有引导其跨越内质网膜的信号肽(signal sequence)，Salatini 和Blobel提出的信号肽假说(signal hypothesis)解释了新生肽链经由内质网转位机制。,一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构,特点：信号肽序列在10-40个氨基酸范围，中部有10-15个高度疏水氨基酸组成的肽段；N端至少含一个带正电荷基团（如Ly
16、s、Arg）；C端有被酶识别位点，其上游常有疏水性强的5肽，切点上游第1、第3多为为Ala。,Cleavage site,信号肽假说示意图,SRP(signal recognition paticle)：信号肽识别蛋白（识别信号肽，干扰肽键形成反应）SRP receptor：信号肽识别蛋白受体Ribosome receptor：核糖体受体,信号肽识别示意图,mRNA,tRNA,新生肽上的信号肽,SRP结合信号肽，引起翻译终止,ER膜上的SRP受体蛋白,核糖体受体,蛋白转移器,胞液,ER网腔,核糖体,具有内部开始转移肽的膜蛋白与内质网膜整合,ER膜上的成熟蛋白,COOH,NH2,NH2,NH2,
17、NH2,腔,胞液,内部开始转移肽,+,-,(A),+,NH2,NH2,NH2,腔,胞液,在反向插入的信号序列,NH2,-,+,(B),ER膜上的成熟蛋白,-,+,COOH,COOH,COOH,COOH,COOH,-,+,细胞质,切除内膜识别序列加工折叠,前体蛋白,切除外膜识别序列,前体蛋白通过两个信号肽序列的连续跨膜过程,内膜识别序列(1),外膜识别序列(1),跨外膜,进内膜,内膜通道蛋白(2),内膜基质,通道蛋白(2),NH3+,NH3+,NH3+,COO-,COO-,NH3+,COO-,膜间隙,外膜,与受体结合去折叠,受体,内膜,（1）、线粒体前体蛋白的信号肽（2）、线粒体膜上的转位复合物
18、（3）、分子伴侣,分子伴侣（3）,线粒体外膜,线粒体内膜,带有定向肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图,内外膜接触位点的蛋白质通道,线粒体hsp70,受体蛋白,hsp70,导肽,蛋白酶切除定向肽,加工折叠,Hsp70：分子伴侣（molecule chaperon）,第三节 生物膜与能量转换,生物体是一个开放体系，其特点就是与周围环境不断进行物质交换和能量交换。线粒体内膜、叶绿体类囊体膜和细菌的质膜是能量转换的主要场所，从而成为研究生物能量代谢的中心。ATP被视为生物体内能量的通货，阐明ATP合成的分子机制是生物能学的关键的问题。,一、氧化磷酸化能量转化机制二、光合磷酸化能量转化机制,生物界的
19、能量传递及转化总过程,一、氧化磷酸化能量转化机制,1、生物氧化的三个阶段 2、呼吸链组成和电子传递过程中的自由能变化 3、H+ATP酶的结构与功能研究 4、Mitchell的化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）5、ATP合成的分子机制研究的新进展 结合变化机制（binding change mechanism）旋转催化机制（rotation catalysis mechanism）,二光合磷酸化能量转化机制,1叶绿体的结构和光合链2光合磷酸化机理3氧化磷酸化和光合磷酸化的比较,线粒体及三分子体结构,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、
20、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物乙酰CoA,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,电子传递链标准氧化还原自由能变化,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素C还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,细胞色素还原酶部分结构模式,细胞色素氧
21、化酶结构示意图,线粒体基质,17K,Cyt c,36K,21K,23K,12K,8K,4K,4K,铁-硫蛋白,Cyt b,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE=-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1,内膜,F0F1 ATP酶,e-,ADP+Pi,底物,H+,ATP,H+,H+,H+,基质,膜间隙,电子传递链,电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(H+)驱动ATP的合成。,化学渗透假说(chemiosmotic hypothas
22、is),化学渗透假说模型,线粒体外膜,线粒体内膜,H+,H+,ATP合酶结构示意图,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,内膜外侧,内膜内侧,OSCP:寡霉素受体敏感蛋白，DCCD:二环己基碳二亚胺,Racker的氧化磷酸化重建示意图（1963年）,ATP合成的结合变化机制和旋转催化机制,1994年英国科学家Walker发表的高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象，有力地支持了Boyer的假说。,1977年美国科学家Boyer提出提出结合变化机制(binding change mechanism)，认为 ATP合成
23、酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来.在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。在此基础上，1993年Boyer又提出提出旋转催化理论(rotation catalysis mechanism)，更好地解释了ATP酶作用机理。,Boyer和Walker与Skou共同分享1997年诺贝尔化学奖。,结合变化机理示意图,ATPase的旋转催化模型,FO,F1,旋转催化理论认为当质子流通过Fo单元返回基质时，触发了C亚基的旋转，C亚基带动、以至
24、()3复合物一起旋转，使 和亚基发生构象变化,从而导致ATP的合成。亚基的中心-螺旋被认为是转子,a、b与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体。,C,a,ATPase的旋转催化机制的其它实验证据,1、Cross实验室根据牛心线粒体F1ATPase的晶体结构，用基因工程方法在亚基上靠近亚基的地方引入一个Cys残基，使得单个亚基与亚基之间能形成专一的二硫键交联。这个二硫键使亚基与亚基不能旋转，完全终止了ATPase的催化能力 2、Yashida实验室利用F1-ATPase晶体结构的结果，精心设计了一系列的标记、突变，用最新的荧光显微镜摄象技术，把的亚基旋转运动展现出来。,Cross实验室为证
25、明旋转催化机制设计的实验,制备 D380C F1,*,L,HS,S,*,T,HS,*,形成-间二硫键,与放射性标记的亚基重组,解离、分析-中的放射性,重新氧化形成二硫键,加入Mg、ATP使酶催化,亚基解离,还原-间二硫键,Yashida实验设计及观察F1ATPase旋转所用的系统,突变1：在亚基N-端加上10个His组成的尾巴；突变2：把亚基107Ser突变成Cys;突变3:把亚基中唯一的193 Cys突变成Ser.,2.5m,F1-ATPase,此项工作不仅提供了F1ATPase分子中亚基单方向旋转的分子模型，证明了Boyer模型的正确性，而且把大分子结构与功能的研究带上了单分子水平，展现了运动性研究的广阔前景。,叶绿体结构示意图,光合电子传递链,光合电子传递链,叶绿体ATP酶,光合磷酸化示意图,光合磷酸化和氧化磷酸化能量转化机理比较,
