生物膜教學講解課件

第四章生物膜（BiologicalMembrane）第四章生物膜

主要內(nèi)容第一節(jié)生物膜的功能

第二節(jié)生物膜的組成和性質(zhì)第三節(jié)生物膜的分子結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容本章教學目的要求：

掌握生物膜的功能，生物膜的組成和性質(zhì)，生物膜的分子結(jié)構(gòu)。重點、難點：

生物膜的性質(zhì)，生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型。第四章生物膜課件

生物膜：細胞的外周膜和內(nèi)膜系統(tǒng)稱為生物膜。意義：1、在工業(yè)方面2、在農(nóng)業(yè)方面3、在醫(yī)藥方面

第一節(jié)生物膜的功能一、保護功能二、轉(zhuǎn)運功能（一）細胞或細胞器需要經(jīng)常與外界進行物質(zhì)交換以維持其正常的功能。（二）細胞或細胞器通過生物膜，從膜外選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時也要排出不需要的物質(zhì)。（三）在各種物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程中，細胞膜起著重要的調(diào)控作用。第一節(jié)生物膜的功能

1、被動轉(zhuǎn)運物質(zhì)從高濃度的一側(cè)，通過膜轉(zhuǎn)運到低濃度的另一側(cè)，即沿著濃度梯度（膜兩邊的濃度差）的方向跨膜轉(zhuǎn)運的過程。

特點：（1）這類轉(zhuǎn)運是通過被轉(zhuǎn)運物質(zhì)本身的擴散作用進行的，是一個不需要外加能量的自發(fā)過程。（2）許多物質(zhì)的被動轉(zhuǎn)運過程需要特殊的蛋白載體幫助。1、被動轉(zhuǎn)運

舉例：（1）葡萄糖從血液轉(zhuǎn)運進入紅細胞內(nèi)（2）人紅細胞膜的陰離子交換蛋白第四章生物膜課件第四章生物膜課件形式有兩種：（1）簡單擴散（自由擴散freediffusion）特點：①沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。第四章生物膜課件第四章生物膜課件（2）協(xié)助擴散（促進擴散facilitateddiffusion）特點：①比自由擴散轉(zhuǎn)運速率高；②特異性,飽和性。載體：離子載體和通道蛋白兩種類型。

第四章生物膜課件2、主動轉(zhuǎn)運主動轉(zhuǎn)運是在外加能量驅(qū)動下進行的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程。特點：（1）膜的專一性;（2）載體蛋白，物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運需要載體蛋白的參與;（3）方向性，物質(zhì)可以逆濃度梯度或電化學梯度進行轉(zhuǎn)運;（4）主動轉(zhuǎn)運過程可以被某些抑制劑抑制;（5）主動轉(zhuǎn)運所需的能量一般由ATP提供。2、主動轉(zhuǎn)運

舉例：鈉鉀泵

構(gòu)成：由2個大亞基、2個小亞基組成的四聚體，實際上就是Na+-K+ATP酶，分布于動物細胞的質(zhì)膜。

工作原理：

Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高。在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。K+與磷酸化酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進兩個K+。

工作原理：Na+-K+ATPPUMPNa+-K+ATPPUMP

膜泡運輸?shù)幕靖拍钫婧思毎ㄟ^內(nèi)吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。第四章生物膜課件細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用。1、吞噬作用細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用細胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。2、胞飲作用細胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。2、胞飲作用第四章生物膜課件3、外排作用exocytosis包含大分子物質(zhì)的小囊泡從細胞內(nèi)部移至細胞表面，與質(zhì)膜融，將物質(zhì)排出細胞之外。3、外排作用exocytosis包含大分子物質(zhì)的小囊泡從細

4、穿胞運輸

在細胞的一側(cè)形成胞飲小泡穿越細胞質(zhì)，另一側(cè)使小泡中的物質(zhì)釋放出去。如：肝細胞從血竇中吸收免疫球蛋白A（IgA），通過穿胞運輸輸送到膽微管；5、胞內(nèi)膜泡運輸

細胞內(nèi)膜系統(tǒng)各個部分之間的物質(zhì)傳遞也通過膜泡運輸方式進行。如從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體；高爾基體到溶酶體等。4、穿胞運輸

三、能量轉(zhuǎn)換真核細胞的氧化磷酸化主要在線粒體膜上進行。原核細胞的氧化磷酸化則是在細胞質(zhì)膜上進行。光合磷酸化主要在葉綠體膜上進行。

四、信息傳遞

生物體內(nèi)的信息傳遞，例如激素的刺激、神經(jīng)傳導和遺傳信息的傳遞等，主要是在細胞膜上進行的。五、運動功能許多原生動物及單細胞動物主要是通過其細胞膜表面的纖毛或鞭毛的擺動而移動。

四、信息傳遞第二節(jié)生物膜的組成和性質(zhì)生物膜主要由蛋白質(zhì)（包括酶）、脂質(zhì)（主要是磷脂）和糖類組成，還有水、金屬離子等。第四章生物膜課件一、膜脂（一）脂質(zhì)的種類有磷脂、糖脂、膽固醇等，其中以磷脂為主要組分。1、磷脂（1）甘油磷脂（glycerophospholipids）是生物膜的主要成分，膜中最豐富，這類脂都含有甘油骨架。

一、膜脂第四章生物膜課件第四章生物膜課件

（2）鞘磷脂（sphingomyelins）鞘磷脂是由連接在神經(jīng)酰胺C1

羥基上的磷酰膽堿組成的?？梢钥闯?，鞘磷脂是個兩性分子，與磷脂酰膽堿很相似，因為二者都含有膽堿、磷酸和兩個長的疏水尾巴。鞘磷脂存在于大多數(shù)哺乳動物細胞的質(zhì)膜內(nèi)，是包圍著某些神經(jīng)細胞的髓鞘的主要成分。

第四章生物膜課件2、糖脂（1）腦苷脂（cerebrosides）腦苷脂是含有一個單糖殘基的糖鞘脂，該單糖通過-糖苷鍵與神經(jīng)酰胺連接。

半乳糖腦苷脂，也稱之半乳糖神經(jīng)酰胺，是一個極性頭部為-D-半乳糖殘基的腦苷脂。

2、糖脂第四章生物膜課件（2）神經(jīng)節(jié)苷脂（gangliosides）神經(jīng)節(jié)苷脂是最復雜的糖鞘脂，分子中含有的N-乙酰神經(jīng)氨酸的寡糖鏈連接在神經(jīng)酰胺上。分子中帶有數(shù)目不等糖殘基的神經(jīng)酰胺。第四章生物膜課件第四章生物膜課件3、膽固醇類固醇是真核生物中常見的第三類膜脂。類固醇有一個由4個稠環(huán)組成的環(huán)形核。其中3個環(huán)是6碳環(huán)（A、B和C環(huán)），一個環(huán)是5碳環(huán)（D環(huán)）。3、膽固醇第四章生物膜課件（二）膜脂的多態(tài)性1、形成脂雙層由磷脂和糖脂組裝成一個脂雙層。由于磷脂和糖脂含有兩條烴鏈的尾巴，不能很好地包裝成微團，卻可以精巧地組裝成脂雙層。第四章生物膜課件2、形成微團或雙層微囊由膽固醇組裝。2、形成微團或雙層微囊

二、膜蛋白（一）外周膜蛋白分布于膜的脂雙層（外層或內(nèi)層）的表面，通過靜電力或非共價鍵與其他膜蛋白相互作用連接在膜上。膜周邊蛋白質(zhì)比較易于分離，通過改變離子強度或加入金屬螯合劑即可提取。第四章生物膜課件（二）膜內(nèi)在蛋白主要靠疏水力與膜脂相結(jié)合。有的部分嵌在脂雙層中，有的橫跨全膜。膜內(nèi)在蛋白不易分離，只有用較劇烈的條件（如去垢劑、有機溶劑和超聲波等）才能把它們?nèi)芙庀聛怼?/p>

（二）膜內(nèi)在蛋白膜內(nèi)在蛋白質(zhì)與膜結(jié)合的主要形式：

1、以單一α螺旋跨膜如人紅細胞的血型糖蛋白。2、以多段α螺旋跨膜如細菌視紫紅質(zhì)蛋白膜內(nèi)在蛋白質(zhì)與膜結(jié)合的主要形式：穿膜蛋白(Monotopic蛋白)

一般具有跨膜的多肽區(qū)的內(nèi)在膜蛋白稱之穿膜蛋白，這是參與跨膜轉(zhuǎn)運和信號傳遞的蛋白質(zhì)所必須具備的特征。受體蛋白一般都屬于這類蛋白。穿膜蛋白(Monotopic蛋白)細菌視紫紅質(zhì)蛋白(Polytopic膜蛋白)有7個跨膜的-螺旋片段，每個片段大約含有25個氨基酸殘基.細菌視紫紅質(zhì)蛋白(Polytopic膜蛋白)

3、以蛋白質(zhì)分子末端片段插膜4、通過共價鍵結(jié)合的脂插膜

錨脂膜蛋白：通過共價鍵被“栓”在一個脂分子上。最簡單的一類錨脂膜蛋白是通過蛋白中的一個氨基酸殘基與膜中的脂肪酸殘基，形成酰胺鍵或酯鍵固定在膜上的，這類蛋白質(zhì)通常出現(xiàn)在病毒和真核細胞中。3、以蛋白質(zhì)分子末端片段插膜第四章生物膜課件三、糖類大多數(shù)與膜蛋白結(jié)合，少量與膜脂結(jié)合。分布于質(zhì)膜表面的糖殘基形成一層多糖—蛋白質(zhì)復合物（glycocalyx）或稱細胞外殼（cellcoat）三、糖類第四章生物膜課件糖蛋白的功能尚未完全闡明。糖蛋白可能與大多數(shù)細胞的表面行為有關(guān)，在接受外界信息以及細胞間相互識別方面具有重要作用。因此有人將細胞膜的糖類部分比喻為細胞表面的天線，糖蛋白的功能尚未完全闡明。第三節(jié)生物膜的分子結(jié)構(gòu)一、生物膜中分子間作用力1、靜電力存在于分子的一切極性和帶電荷基團之間。2、疏水作用對維持膜結(jié)構(gòu)起主要作用。依賴于水的存在。

疏水相互作用：蛋白質(zhì)分子上非極性基團的氨基酸側(cè)鏈和膜脂的疏水部分都與水疏遠，它們之間存在一種相互趨近的作用。3、范德華力傾向于使膜中分子盡可能彼此靠近，和疏水作用有相互補充的作用第三節(jié)生物膜的分子結(jié)構(gòu)二、生物膜結(jié)構(gòu)的幾個主要特征（一）膜組分的不對稱分布構(gòu)成膜組分的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類在膜兩側(cè)的分布都是不對稱的。第四章生物膜課件（二）生物膜的流動性1、膜脂的流動性（1）磷脂分子在膜內(nèi)作側(cè)向擴散或側(cè)向移動（2）磷脂分子在脂雙層中作翻轉(zhuǎn)運動（3）磷脂烴鏈圍繞C—C鍵旋轉(zhuǎn)而導致異構(gòu)化運動（4）磷脂分子圍繞于膜平面相垂直的軸左右擺動（5）磷脂分子圍繞于膜平面相垂直的軸作旋轉(zhuǎn)運動（二）生物膜的流動性脂雙層是動態(tài)結(jié)構(gòu)

側(cè)向擴散，即在雙層中的每層平面內(nèi)的脂運動是非?？斓?。

橫向擴散（也稱之翻轉(zhuǎn)），即雙層中的某一層內(nèi)的脂過渡到另一層是非常慢的。第四章生物膜課件膜脂分子的運動異構(gòu)化運動側(cè)向擴散翻轉(zhuǎn)運動左右擺動旋轉(zhuǎn)運動膜脂分子的運動異構(gòu)化運動側(cè)向擴散翻轉(zhuǎn)運動左右擺影響磷脂流動性的因素：（1）磷脂脂酰鏈的不飽和的程度和鏈長（2）膽固醇、鞘磷脂的含量（3）膜蛋白（4）溫度、pH、離子強度、金屬離子等

影響磷脂流動性的因素：2、膜蛋白的運動性（1）膜蛋白的側(cè)向擴散（2）膜蛋白的旋轉(zhuǎn)擴散膜蛋白的旋轉(zhuǎn)擴散一般慢于側(cè)向擴散，而膜蛋白的側(cè)向擴散又顯著慢于膜脂的側(cè)向擴散。

第四章生物膜課件第四章生物膜課件三、生物膜分子結(jié)構(gòu)的模型（一）脂雙層模型1895年Overton發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。1899年提出脂質(zhì)和膽固醇類物質(zhì)可能是構(gòu)成細胞膜的主要組分。E.Gorter&F.Grendel1925年用有機溶劑提取了人的紅細胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成，極性端朝外，非極性端朝內(nèi)。三、生物膜分子結(jié)構(gòu)的模型脂雙層模型的來源脂雙層模型的來源（二）三夾板模型J.Danielli&H.Davson1935年發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。因而形成蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)的“三明治”（或“三夾板”）式結(jié)構(gòu)。

（二）三夾板模型三