第五章生物膜的结构与功能PPT.ppt
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第五章生物膜的结构与功能
生物膜的结构与功能
第一节 生物膜的组成和性质 第二节 生物膜的结构和特点 第三节 生物膜的功能
第一节 生物膜的组成和性质
一、膜脂
种类：磷脂、胆固醇、糖脂 特点：多态性（polymorphism）
二、膜蛋白
外周蛋白、内在蛋白
三、糖类 — 细胞表面天线
第二节 生物膜的结构和特点
移动性载体模型
构象变化假说
孔道或通道模型
两 种 类 型 门 控 离 子 通 道
被动运输和主动运输示意图
（ G < 0）
（ G>0 ）
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△G<0。
主动运送（Actic transport）
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) + ZF△V>0
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
K.Whittam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。
糖链 血型蛋白(Glycophorin)
肌动蛋白 (Actin) 蛋白质4.1 (Protein4.1)
血影蛋白(Sectrin)
细胞外壳（糖萼）示意图
糖被
糖残基
唾液酸 糖脂
低聚寡糖链 跨膜糖蛋白
脂双层
膜脂（磷脂、 糖脂、胆固醇）
Singer&Nicolson流体镶嵌模型
人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布
一、生物膜中分子间的作用力
静电力、疏水作用、范德华引力
二、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
三、生物膜分子结构模型
“流体镶嵌”模型
鞘氨醇、神经磷脂和鞘磷脂结构
磷
酸
胆
鞘氨醇(Sphingosine )
碱
脂肪酸 部分
神经酰胺(Ceramide )
神经酰胺
部分
鞘磷脂(Sphingomyelin )
50
占 25 总 量 的 百 分 比
25
膜脂总量
外层 鞘磷脂
磷脂酰胆碱
内层
磷脂酰丝氨酸 磷脂酰乙醇胺
50
膜脂的相变
变相温度（Tc）
凝胶态
液晶态
T<Tc
T>Tc
磷脂分子运动的几种方式
侧向移动
翻转运动
摆动 、扭动
全反式、偏转构型 旋转异构化运动
发绿光荧光素 标记的小鼠细 胞膜蛋白抗体
发红光硷性蕊香 红标记的人细胞 膜蛋白抗体
（1）胞吐和内吞作用
（2）新生蛋白质的跨膜定向运送
•蛋白质通过信号肽引导到目的地
信号肽(signal sequence) 信号肽假说(signal hypothesis)
•线粒体及叶绿体蛋白质的翻译后跨膜运送
线粒体蛋白质的跨膜运送图例
4、跨膜运送的分子机制
1、移动性载体模型 2、孔道或通道模型 3、构象变化假说
2．小分子物质的运送
（1）阳离子运送（例：Na+ . K+ - ATPase） • K.whittam及其同事的经典实验 • Na+ . K+ - ATPase的结构和作用的机理
（2）糖和氨基酸的运送 •协同运送（co-transport） • 基团运送（group transport)
3、生物大分子的跨膜运送
通过细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图
Na+-K+-ATPase
增溶的膜蛋白
去污剂微囊
Na+-K+- ATPase 的体外重建
wk.baidu.com
脂-去污剂微囊
透析 去污剂微囊
纯化
纯化的膜蛋白
外加的磷脂
Na+-K+-ATPase 在脂质体上重建
生物膜与物质跨膜运输
1、被动运输与主动运输 2、小分子物质的运送 3、生物大分子的跨膜运送 4、跨膜运送的分子机制
H1
H2
双层结构 （Bilyer）
生物膜膜周边蛋白、膜内在蛋白示意图
a . b . c . —膜周边蛋白 ， d .e .—膜内在蛋白
膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式
膜脂双层
膜脂双层
血影蛋白(Sectrin)
红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列
红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图
带3蛋白(Band 3) 糖蛋白 (Ankyrin)
胆固醇结构
胆固醇(Cholesterol )
D-半乳糖
神经节苷脂的结构
GM1
GM2
N-乙酰-D-半乳糖 D-半乳糖
GM3
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
空气
单层 微团
水
单体
双层微囊
磷脂类的双层结构和六角形相H1、H2
六角形相 (Hexagonal ) 六角形相 (Hexagonal )
Na+- K+- ATPase的作用模型
1
细胞外
2
细胞质
ATP ADP
3
6
4
5
细胞外 脂双层
细胞内
葡萄糖的协同运送系统
细胞外 细菌膜
细胞质
糖
磷酸转换酶系统
PEP 丙酮酸
糖磷酸
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
实验结果：
a．红细胞内ATP水解的同时，K+、Na+都按预定方向跨越细 胞膜（2K+进，3 Na+出）；
b．如果膜内外仅有K+或Na+，则ATP水解极少； c．红细胞血影只能利用膜内ATP，而不能利用膜外ATP； d．K+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被 取代。
Na+.K+-ATPase的亚基 结构及其在膜上定位
生物膜的结构与功能
第一节 生物膜的组成和性质 第二节 生物膜的结构和特点 第三节 生物膜的功能
第一节 生物膜的组成和性质
一、膜脂
种类：磷脂、胆固醇、糖脂 特点：多态性（polymorphism）
二、膜蛋白
外周蛋白、内在蛋白
三、糖类 — 细胞表面天线
第二节 生物膜的结构和特点
移动性载体模型
构象变化假说
孔道或通道模型
两 种 类 型 门 控 离 子 通 道
被动运输和主动运输示意图
（ G < 0）
（ G>0 ）
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△G<0。
主动运送（Actic transport）
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) + ZF△V>0
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
K.Whittam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。
糖链 血型蛋白(Glycophorin)
肌动蛋白 (Actin) 蛋白质4.1 (Protein4.1)
血影蛋白(Sectrin)
细胞外壳（糖萼）示意图
糖被
糖残基
唾液酸 糖脂
低聚寡糖链 跨膜糖蛋白
脂双层
膜脂（磷脂、 糖脂、胆固醇）
Singer&Nicolson流体镶嵌模型
人红细胞膜主要磷脂在膜内、外两层的分布
一、生物膜中分子间的作用力
静电力、疏水作用、范德华引力
二、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
三、生物膜分子结构模型
“流体镶嵌”模型
鞘氨醇、神经磷脂和鞘磷脂结构
磷
酸
胆
鞘氨醇(Sphingosine )
碱
脂肪酸 部分
神经酰胺(Ceramide )
神经酰胺
部分
鞘磷脂(Sphingomyelin )
50
占 25 总 量 的 百 分 比
25
膜脂总量
外层 鞘磷脂
磷脂酰胆碱
内层
磷脂酰丝氨酸 磷脂酰乙醇胺
50
膜脂的相变
变相温度（Tc）
凝胶态
液晶态
T<Tc
T>Tc
磷脂分子运动的几种方式
侧向移动
翻转运动
摆动 、扭动
全反式、偏转构型 旋转异构化运动
发绿光荧光素 标记的小鼠细 胞膜蛋白抗体
发红光硷性蕊香 红标记的人细胞 膜蛋白抗体
（1）胞吐和内吞作用
（2）新生蛋白质的跨膜定向运送
•蛋白质通过信号肽引导到目的地
信号肽(signal sequence) 信号肽假说(signal hypothesis)
•线粒体及叶绿体蛋白质的翻译后跨膜运送
线粒体蛋白质的跨膜运送图例
4、跨膜运送的分子机制
1、移动性载体模型 2、孔道或通道模型 3、构象变化假说
2．小分子物质的运送
（1）阳离子运送（例：Na+ . K+ - ATPase） • K.whittam及其同事的经典实验 • Na+ . K+ - ATPase的结构和作用的机理
（2）糖和氨基酸的运送 •协同运送（co-transport） • 基团运送（group transport)
3、生物大分子的跨膜运送
通过细胞膜融合证明膜蛋白运动示意图
Na+-K+-ATPase
增溶的膜蛋白
去污剂微囊
Na+-K+- ATPase 的体外重建
wk.baidu.com
脂-去污剂微囊
透析 去污剂微囊
纯化
纯化的膜蛋白
外加的磷脂
Na+-K+-ATPase 在脂质体上重建
生物膜与物质跨膜运输
1、被动运输与主动运输 2、小分子物质的运送 3、生物大分子的跨膜运送 4、跨膜运送的分子机制
H1
H2
双层结构 （Bilyer）
生物膜膜周边蛋白、膜内在蛋白示意图
a . b . c . —膜周边蛋白 ， d .e .—膜内在蛋白
膜蛋白与膜脂双脂层结合的主要形式
膜脂双层
膜脂双层
血影蛋白(Sectrin)
红细胞膜血型蛋白跨膜部分氨基酸序列
红细胞膜骨架各组分与质膜连接示意图
带3蛋白(Band 3) 糖蛋白 (Ankyrin)
胆固醇结构
胆固醇(Cholesterol )
D-半乳糖
神经节苷脂的结构
GM1
GM2
N-乙酰-D-半乳糖 D-半乳糖
GM3
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
空气
单层 微团
水
单体
双层微囊
磷脂类的双层结构和六角形相H1、H2
六角形相 (Hexagonal ) 六角形相 (Hexagonal )
Na+- K+- ATPase的作用模型
1
细胞外
2
细胞质
ATP ADP
3
6
4
5
细胞外 脂双层
细胞内
葡萄糖的协同运送系统
细胞外 细菌膜
细胞质
糖
磷酸转换酶系统
PEP 丙酮酸
糖磷酸
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
实验结果：
a．红细胞内ATP水解的同时，K+、Na+都按预定方向跨越细 胞膜（2K+进，3 Na+出）；
b．如果膜内外仅有K+或Na+，则ATP水解极少； c．红细胞血影只能利用膜内ATP，而不能利用膜外ATP； d．K+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被 取代。
Na+.K+-ATPase的亚基 结构及其在膜上定位