第五章生物膜的结构与功能PPT.ppt
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生物化学 第五章 生物膜
(2) 嵌 入 蛋 白
这类蛋白被紧密连 在膜上，并且不易溶 于水。主要靠疏水作 用通过某些非极性氨 基酸残基与膜脂疏水 部分相结合。 只有用破坏膜结构 的试剂，如有机溶剂 （氯仿）、超声波、 或去污剂（TritonX100）、SDS才能把它 们从膜中提取出来。
1998,美国MacKinnan 实验室获得链霉菌 倒锥形跨膜K+通道的 晶体。
4个亚单位，每个亚单位 包括两段跨膜螺旋。
K+半径=0.133nm Na+半径=0.093nm
膜锚蛋白
内在蛋白的一 种特殊形式
有些膜内在蛋白本身并没有进入膜内，他们以共价键 与脂质、脂酰链或通过糖分子间接与脂质相结合并通过 他们的疏水部分插入到膜内，这种形式的内在蛋白称为 膜锚蛋白。
3. 糖类
影响膜脂流动性的因素
A.磷脂分子中脂肪酸链的长短及不饱和程度： 链越短,不饱和程度越高,流动性越大. B.胆固醇的含量：胆固醇对膜脂流动性有一定 的调控作用,
在相变温度以上，胆固醇的闭合环状结构干扰了 脂酰链的旋转异构化运动，因此降低膜的流动性， 在相变温度以下，阻止脂酰链的有序排列，降低 相变温度，保持膜的流动性。
鞘磷脂
H H O CH3 H3C-(CH2)12-C C- C- C- CH2-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3 H OH N-H OCH3 鞘氨醇 O C 胆碱鞘磷脂 R1
鞘氨醇作骨架 分子中有亲水的磷酸化的头部（胆碱或乙醇胺）和
疏水的两个碳氢链，其中一条来自鞘氨醇，另一条 来自脂肪酸。脂肪酸以酰胺键连在鞘氨醇上。
双半乳糖甘油二酯
③固 醇
又名甾醇，也是一类 重要的膜脂。 动物膜固醇主要是胆 固醇，植物主要有豆 固醇、谷固醇等，许 多真菌以麦角固醇为 主。
生物膜的结构与功能
肠系膜动脉粥样硬化可表现为饱餐后腹痛便血等症状。
下肢动脉粥样硬化引起血管腔严重狭窄者可出现间歇性跛行、足 背动脉搏动消失，严重者甚至可发生坏疽。
预防方法
（1）合理饮食，饮食总热量不应过高防止超重。 （2）坚持适量的体力活动。 （3）合理安排工作及生活。 （4）其他方面。提倡不吸烟，可饮少量酒。 （5）控制易患因素。如患有糖尿病、应及时控制血糖，
2015-6-30
动脉粥样硬化
• 动脉粥样硬化（Atherosclerosis）是由于脂肪、血 栓、结缔组织和碳酸钙在血管壁（主要是动脉，但 也包括静脉）沉积所造成的一种对人体有害的状态。 其特点是动脉管壁增厚变硬、失去弹性和管腔缩小， 由于在动脉内膜上积聚的脂质外观呈黄色粥样， 因此称为动脉粥样硬化。主要累及大中型动脉，其 临床表现主要以受累器官的病象为主。动脉粥样硬 化是一组称为动脉硬化的血管病中最常见、最重要 的一种。病变由内膜开始的。
包括饮食控制。
谢谢！
请老师同学们批评指正！
临床表现
动脉粥样硬化的症状主要决定于血管病变及受累器官的缺血程度， 主动脉粥样硬化常无症状，冠状动脉粥样硬化者，若管径狭窄达 75%以 上,则可发生心绞痛、心肌梗塞、心律失常，甚至猝死。 脑动脉硬化可引起脑缺血、脑萎缩，或造成脑血管破裂出血 肾
动脉粥样硬化常引起夜尿、顽固性高血压、严重者可有肾功能不全。
2015-6-30
动 脉 粥 样 硬 化
2015-6-30
正 常 动 脉 与 硬 化 动 脉 比 较
2015-6-30
2015-6-30
疾病危害
从动脉粥样硬化的慢性经过来看，受累动脉 弹性减弱，脆性增加，其管腔逐渐变窄甚至 完全闭塞，也可扩张而形成动脉瘤。视受累 的动脉和侧支循环建立情况的不同，可引起 整个循环系统或个别器官的功能紊乱。 并发症 本病根据其发生的部位不同，可引起相应器 官的受损和疾病，其中以冠心病，心绞痛和 脑栓塞最为严重和常见。
生物膜的组成与分
2、膜内在蛋白质 膜内在蛋白质一般占膜蛋白的70%——80% 左右，主要靠疏水力与膜脂相结合，
蛋白质分子上非极性基团的氨基酸侧链与膜 脂的疏水部分都与水疏远，它们之间
存在一种相互趋近的作用，称为疏水相互作 用。膜内在蛋白质有的部分嵌在脂双 层中，有的横跨全膜。
这类蛋白质不易分离，只有用较剧烈的条件 （如去垢剂、有机溶剂和超声波等） 才能把它们溶解下来。
（二）膜蛋白
▪ 根据粗略计算，细胞中大约20%-25%的蛋白质是与 膜结构相联系的，膜蛋白根据它们在膜上的定位可 分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质。
（1）外周蛋白质 外周蛋白质分布与膜的脂双层（外层或内层），它 们通过静电力或非共价键与其他膜蛋白相互作用连 接在膜上。 膜周边蛋白质比较易于分离，通过改变离子强度或 加入金属螯合剂即可提取。
（三）糖类
▪ 生物膜中含有一定量的糖类，在真核细 胞中，无论质膜还是细胞内膜系都有糖 类分布，前者约占质膜重量的2%—10%。 它们大多与膜蛋白结合，少量与膜脂结 合。
▪ 糖蛋白可能与大多数细胞的表面行为有 关，细胞与周围环境的相互作用都涉及 到糖蛋白。
二、生物膜的分子结构
（一）生物膜中分子间作用力 一般认为，生物膜中分子之间主要有3种力起 作用：静电力、疏水力和范德华引力。 1、静电力 静电力存在于分子的一切机型和带电荷基 团之间，它们相互吸引或排斥。
①膜蛋白的侧向扩散
②膜蛋白的旋转扩散
（三）生物膜分子结构的模型
▪ 脂双层模型 ▪ Danielli与Davson三夹板模型 ▪ Robertson单位膜模型 ▪ “流体镶嵌”模型
（一）膜脂
1、脂的种类
生物膜内的脂质有磷脂、胆固醇、糖脂等，其中以磷脂为主 要组分，分布很广泛。 （1）磷脂 构成生物膜的主要成分的磷脂中主要是甘油磷酸 二酯，除了甘油磷脂外，生物膜中还含有另外一类磷脂，称 为鞘磷脂。 无论甘油磷脂还是鞘磷脂都系两亲性分子，每一分子既有亲 水部分 （有时称为“头部”）又有疏水部分（有时称“尾 部”）。这一特征决定了它们在生物膜中的双分子排列（或 称脂双层）
生物膜的结构与功能
机制。
06
CATALOGUE
生物膜的应用与展望
生物膜在医学领域的应用
药物传递
生物膜作为药物载体，可以实现药物的定向传递和缓释，提高治 疗效果和降低副作用。
组织工程
生物膜可作为组织工程中的支架材料，为细胞提供生长和分化的 三维环境，促进组织再生和修复。
人工器官
利用生物膜材料可以构建人工器官，如人工血管、人工心脏瓣膜 等，用于替代或辅助病变器官的功能。
03
CATALOGUE
生物膜的功能
物质运输功能
01
选择性吸收
生物膜可以选择性地吸收对细胞 有益的营养物质，如葡萄糖、氨 基酸等。
02
03
排斥有害物质
物质转运
生物膜能够阻止对细胞有害的物 质进入，如毒素、重金属离子等 。
通过膜蛋白的介导，生物膜可以 实现各种离子、小分子和大分子 的跨膜转运。
信息传递功能
细胞壁
位于植物细胞的最外层，对细胞具有支持和保护的作用；细胞壁由纤维素和果 胶构成，使相邻细胞彼此连合，形成统一整体。
细胞核与细胞器膜
细胞核
真核细胞的细胞核包括核膜、核仁和染色质等结构，是遗传信息库，也是细胞代谢和遗传的控制中心 。
细胞器膜
包括内质网膜、高尔基体膜、线粒体膜、叶绿体膜等，这些生物膜将细胞内各种细胞器分隔开，使得 细胞内能够同时进行多种化学反应，而不会相互干扰，保证了细胞生命活动高效、有序地进行。
生物膜在生物工程领域的应用
生物分离
生物膜具有选择性透过 性，可用于生物分离过 程，如血液透析、超滤 等，实现生物大分子和 细胞的分离纯化。
酶固定化
将酶固定在生物膜上， 可以提高酶的稳定性、 重复利用性和催化效率 ，广泛应用于生物工程 中的催化反应。
06
CATALOGUE
生物膜的应用与展望
生物膜在医学领域的应用
药物传递
生物膜作为药物载体，可以实现药物的定向传递和缓释，提高治 疗效果和降低副作用。
组织工程
生物膜可作为组织工程中的支架材料，为细胞提供生长和分化的 三维环境，促进组织再生和修复。
人工器官
利用生物膜材料可以构建人工器官，如人工血管、人工心脏瓣膜 等，用于替代或辅助病变器官的功能。
03
CATALOGUE
生物膜的功能
物质运输功能
01
选择性吸收
生物膜可以选择性地吸收对细胞 有益的营养物质，如葡萄糖、氨 基酸等。
02
03
排斥有害物质
物质转运
生物膜能够阻止对细胞有害的物 质进入，如毒素、重金属离子等 。
通过膜蛋白的介导，生物膜可以 实现各种离子、小分子和大分子 的跨膜转运。
信息传递功能
细胞壁
位于植物细胞的最外层，对细胞具有支持和保护的作用；细胞壁由纤维素和果 胶构成，使相邻细胞彼此连合，形成统一整体。
细胞核与细胞器膜
细胞核
真核细胞的细胞核包括核膜、核仁和染色质等结构，是遗传信息库，也是细胞代谢和遗传的控制中心 。
细胞器膜
包括内质网膜、高尔基体膜、线粒体膜、叶绿体膜等，这些生物膜将细胞内各种细胞器分隔开，使得 细胞内能够同时进行多种化学反应，而不会相互干扰，保证了细胞生命活动高效、有序地进行。
生物膜在生物工程领域的应用
生物分离
生物膜具有选择性透过 性，可用于生物分离过 程，如血液透析、超滤 等，实现生物大分子和 细胞的分离纯化。
酶固定化
将酶固定在生物膜上， 可以提高酶的稳定性、 重复利用性和催化效率 ，广泛应用于生物工程 中的催化反应。
生物膜的结构与功能
包括细胞膜、内质网膜等。其主要生理功能多样，首先是作为转运蛋白，负责物质运输，将无机或有机分子跨膜输送到膜的另一侧。其次，膜蛋白作为酶，能催化发生在膜表面的重要代谢反应。此外，生物膜还能作为细胞表面受体，敏感地接收膜表面的化学信息，同时作为细胞标志被其他细胞识别，并作为附着连接蛋白与其他细胞相互结合。最后，生物膜的锚蛋白能起固定细胞骨架的作用。这些功能得益于生物膜的有序性、流动性和不对称性，使其能适应膜内外环境的变化，保证细胞代谢活动在高度有序的状态下进行。
细胞膜的结构
根据免疫
荧光、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动 镶嵌模型”。
Fluid-mosaic model
1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。 1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。 生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体 2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。 2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。 球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中
膜内在蛋白（ 膜内在蛋白（intrinsic proteins） proteins） ----膜整合蛋白 ----膜整合蛋白 膜外在蛋白（ protein） 膜外在蛋白（extrinsic protein） ----膜周边蛋白 ----膜周边蛋白
4
非胞质面
脂 质 双 层
1
2 2.多次穿膜 多次穿膜
NH2 H—C—COOH CH2 O O P O O CH— CH—CH2 O O C OC O
CH3 CH3 N CH2 CH2 O CH3
O
P O O 神经 酰胺
磷 脂 酰 胆 碱 （卵 磷 脂
磷 脂 酰 乙 醇 胺 （脑 磷 脂 ）
C OC O
C OC O
磷 脂 酰 丝 氨 酸
鞘 磷 脂
磷脂分子的主要特征 主要特征是： 主要特征
第一节 细胞膜的化学组成和分子结构
细胞膜主要由脂类 蛋白质和 脂类、蛋白质和 糖类组成 脂类 蛋白质和少量糖类 糖类 糖类以糖脂和糖蛋白的形式存在
膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。
一、膜
膜脂主要包括三种类型：
脂
磷脂：构成细胞膜的基本成分 胆固醇：调节膜流动性和稳定膜的作用 糖脂：所有动物的细胞膜都含有糖脂
生物膜的结构和功能1
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(4)磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS） 磷脂酰丝氨酸（ 磷脂酰丝氨酸 ， ）
磷脂酰丝氨酸广泛分布于各类细胞膜系中，但 其浓度通常低于磷脂总量的10％。在中性pH时，带 负电荷。
X＝－ 2－CH－N＋H3 ＝－CH ＝－ － COO－
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能量转换（ 能量转换（Energy conversion） ）
细胞或机体都是一个开放系统，存在一系列能量 转换机制，膜在细胞的能量转换中起着重要作用。光 合作用中发生着最大量的能量转换，太阳光能由膜结 合的色素吸收并转换为以碳氢化合物形式储存的化学 能。膜还涉及从碳氢化合物或脂肪到ATP的能量转换。 在真核细胞中，执行这些能量转换的机构是叶绿体膜 和线粒体膜。另外，当膜维持着某些特异离子或溶质 跨越膜两侧表面的浓度差时，能量即储蓄于它的跨膜 电化学梯度中，膜就成为储存能量的场所（Site of energy storage）或者成为“能势膜”（energized membranes）。如同储蓄于电池中的能量一样，这些能 量反过来用于驱动细胞的许多重要活性。
X＝－ 2CH2N＋H3 ＝－CH ＝－
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(3) 磷脂酰肌醇（phosphatidylincositol，PI） 磷脂酰肌醇（ ， ）
磷脂酰肌醇是次要的磷脂成分。一般含量为5—10 ％。它在神经组织（主要在髓鞘）中含量较高。据报 道，它在细胞信息传递过程中起着重要的作用。
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第二部分
膜与细胞生物物理
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第五章 生物膜的结构和功能
生物物理 第五章2
生物膜基本上是脂双层（lipid bilayers）结构，即 双磷脂分子层。但是各种生物膜的相结构成分 （phase composition）并不是单一形式（Uniform）， 任何给定的膜也不都是仅以脂双层结构存在。某一 膜内有可能同时存在几种相结构，
膜脂分子（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相 Nankai 结构： University 脂双层构象（Bilayers configuration） a. 液晶或流体相（Liquid-crystalline or fluid phase）（L-α） b. 固相或凝胶相（solid or gel phase）（L-β） 非脂双层构象（non-bilayers configuration） a. 六角形 HI (Hexagonal)相 (Hexagonal) b. 倒六角形HII（inverted Hexagonal）相 c. 立方体（II）相 d. 倒立方体（III）相 混合相（mixed phases） 例如在一些膜中，某 些区域可能是L- α脂双层构象，而另外的相结构可 能分散其间。
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(1) 脂双层的不对称性
外层：glycolipids, phosphatidylcholine (PC) cholesterol 内层：phosphatidylserine (PS) phosphatidyl-ethanolamine (PE) phosphatidylinositol (PI) 糖脂仅存在于脂膜外侧小叶中。 这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。 。
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§5.4 生物膜的特性
膜的不对称性 膜的运动性 膜的相结构和相变 膜的通透性
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膜脂分子（主要是磷脂分子）可以存在以下几种相 Nankai 结构： University 脂双层构象（Bilayers configuration） a. 液晶或流体相（Liquid-crystalline or fluid phase）（L-α） b. 固相或凝胶相（solid or gel phase）（L-β） 非脂双层构象（non-bilayers configuration） a. 六角形 HI (Hexagonal)相 (Hexagonal) b. 倒六角形HII（inverted Hexagonal）相 c. 立方体（II）相 d. 倒立方体（III）相 混合相（mixed phases） 例如在一些膜中，某 些区域可能是L- α脂双层构象，而另外的相结构可 能分散其间。
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(1) 脂双层的不对称性
外层：glycolipids, phosphatidylcholine (PC) cholesterol 内层：phosphatidylserine (PS) phosphatidyl-ethanolamine (PE) phosphatidylinositol (PI) 糖脂仅存在于脂膜外侧小叶中。 这种不对称可能在内质网合成时已经开始了。 。
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§5.4 生物膜的特性
膜的不对称性 膜的运动性 膜的相结构和相变 膜的通透性
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生物膜的组成汇总
2019/1/19 6
硫脂是分中含有硫酸基团的脂类。有 两类，一类是含有糖残基的硫脂，主 要存在于植物膜中，例如叶绿体片层 膜中的6-磺基-6-脱氧-葡萄糖甘油二 脂（下式）。另一类是存在于一些藻 类膜中的烷基硫酸和氯化烷基硫酸白可以把脂 类(三酰甘油、磷脂、胆固醇)从一个 器官运输到另一个器官。 （ 1） ）乳糜微粒，运输甘油三酯和胆 （ 2 极低密度脂蛋白 VLDL 在肝脏 （ 4 ）高密度脂蛋白 (HDL ， 1.063固醇脂，从小肠到组织肌肉和脂肪 （ 3）低密度脂蛋白，把胆固醇运输 中生成，将脂类运输到组织中。 1.210g/cm3) ，也是在肝脏中生成， 组织。 到组织。 清除细胞膜上过量的胆固醇。
2019/1/19 12
第二节 生物膜的结构
（一）膜脂的结构特点 （二）膜蛋白的结构特点 （三）膜脂与膜蛋白的相互作用
（四）生物膜的结构模型
糖类：生物膜中含有一定的糖类，它们 膜脂质 水和金属离子：据估计水占膜重量的 膜蛋白 : 根据粗略估计，细胞中大约 20 主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。膜中 30 ％，其中大部分呈结合状态。膜上 脂质 : 构成生物膜的脂质主要是磷脂， 膜蛋白 ％～ 25 ％的蛋白质是与膜结合存在的。 磷脂 甘油磷脂 的糖以寡糖链共价键结合于蛋白、鞘磷 金属离子和一些膜蛋白与膜的结合有 此外还有糖脂、胆固醇等。不同细 生物膜 不同的生物膜，膜蛋白含量相差很大。 2+对调节膜的生物功能有 脂上，形成糖蛋白和糖脂。糖类在细胞 糖类 关，例如 Ca 胞其脂质组成差异很大，仅从某一 鞘磷脂 神经细胞膜只含三种蛋白质，含量为 2+对ATP酶复合体与 质膜和细胞内膜系统都有分布，但分布 重要作用， Mg 细胞生物膜的组成来看也不是一成 水 膜脂质 糖脂 18 ％，细菌质膜及线粒体内膜蛋白质 是不对称的，全部分布在非细胞质的一 膜的结合有促进作用。 不变的，它随着细胞的生长、分化、 含量都超过 75 ％，种类在 60 种以上。 侧，即：质膜中所有的糖类均暴露在细 金属离子 外界条件等改变而改变。 硫脂 实验证明，功能越复杂多样的膜，膜 胞外表面；细胞内膜系统的糖类则朝向 蛋白含量越高，种类也越多。 胆固醇 内膜系统的内侧。
硫脂是分中含有硫酸基团的脂类。有 两类，一类是含有糖残基的硫脂，主 要存在于植物膜中，例如叶绿体片层 膜中的6-磺基-6-脱氧-葡萄糖甘油二 脂（下式）。另一类是存在于一些藻 类膜中的烷基硫酸和氯化烷基硫酸白可以把脂 类(三酰甘油、磷脂、胆固醇)从一个 器官运输到另一个器官。 （ 1） ）乳糜微粒，运输甘油三酯和胆 （ 2 极低密度脂蛋白 VLDL 在肝脏 （ 4 ）高密度脂蛋白 (HDL ， 1.063固醇脂，从小肠到组织肌肉和脂肪 （ 3）低密度脂蛋白，把胆固醇运输 中生成，将脂类运输到组织中。 1.210g/cm3) ，也是在肝脏中生成， 组织。 到组织。 清除细胞膜上过量的胆固醇。
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第二节 生物膜的结构
（一）膜脂的结构特点 （二）膜蛋白的结构特点 （三）膜脂与膜蛋白的相互作用
（四）生物膜的结构模型
糖类：生物膜中含有一定的糖类，它们 膜脂质 水和金属离子：据估计水占膜重量的 膜蛋白 : 根据粗略估计，细胞中大约 20 主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。膜中 30 ％，其中大部分呈结合状态。膜上 脂质 : 构成生物膜的脂质主要是磷脂， 膜蛋白 ％～ 25 ％的蛋白质是与膜结合存在的。 磷脂 甘油磷脂 的糖以寡糖链共价键结合于蛋白、鞘磷 金属离子和一些膜蛋白与膜的结合有 此外还有糖脂、胆固醇等。不同细 生物膜 不同的生物膜，膜蛋白含量相差很大。 2+对调节膜的生物功能有 脂上，形成糖蛋白和糖脂。糖类在细胞 糖类 关，例如 Ca 胞其脂质组成差异很大，仅从某一 鞘磷脂 神经细胞膜只含三种蛋白质，含量为 2+对ATP酶复合体与 质膜和细胞内膜系统都有分布，但分布 重要作用， Mg 细胞生物膜的组成来看也不是一成 水 膜脂质 糖脂 18 ％，细菌质膜及线粒体内膜蛋白质 是不对称的，全部分布在非细胞质的一 膜的结合有促进作用。 不变的，它随着细胞的生长、分化、 含量都超过 75 ％，种类在 60 种以上。 侧，即：质膜中所有的糖类均暴露在细 金属离子 外界条件等改变而改变。 硫脂 实验证明，功能越复杂多样的膜，膜 胞外表面；细胞内膜系统的糖类则朝向 蛋白含量越高，种类也越多。 胆固醇 内膜系统的内侧。
生物膜系统
2019/8/3
10
固醇类（甾类）是含有环戊烷多氢菲 母核的一类醇、酸及其衍生物。
环戊烷多氢菲由四个固定环组成的类 固醇的母核，四个环中的三个为六碳 环，一个为五碳环，这种母核为环戊 烷多氢菲母核，整个环几乎是平面、 僵硬的，C-C之间不能旋转。
包括：固醇、固醇衍生物。
2019/8/3
11
胆固醇及其衍生物
2019/8/3
12
第二节 生物膜的结构
（一）膜脂的结构特点 （二）膜蛋白的结构特点 （三）膜脂与膜蛋白的相互作用 （四）生物膜的结构模型
生膜％不神1含实糖主的脂质是侧胞8物脂此胞细不外水3金关重膜0％同验糖外经要上膜不，类蛋 ～ 量膜外胞和属其 变 界 的质 ％ ， 要，的2细以，和对即证 以 表白都：的还 生 金 离脂 条 结:，例 作5构细生明寡面胞 糖 形 细 称 ：生超:％根，膜 膜 糖 水 金有物属子质 件 合其如 用成菌物膜 蛋 成 胞 的 质， 糖 ；物过的据脂 类蛋 属它糖膜离和组 等 有C中，生质膜只白糖内，膜功链细膜7蛋a粗随质白离脂的子一成改促大M52物膜，含和蛋膜全中能共胞中+白％略对g着子、组：些差变进部膜2及膜三糖白系部所脂越价内含质，+估调细胆成膜异而作分据对的线蛋种脂和统分有质复键膜有是种计节胞固来蛋估很改用呈A脂粒白蛋的糖都布的杂结系一与类T，膜的醇看白大变。计结质P体含白形脂有在糖多合统定膜在磷糖硫细的生等也与，。合水酶主内量质式。分非类样于的的结6脂脂脂胞生长。不膜占仅状复0要膜相，存糖布细均的 蛋 糖糖合种中物、不 是 的从膜态合是蛋差含 在 类 ， 胞 暴膜 白 类类存甘以大功鞘分同 一 结某。重体磷白很量 。 在 但 质 露， 、 则，在油上约能磷化细 成 合量一膜与脂质大为 膜 细 分 的 在膜 鞘 朝它的磷。2有脂、有的上，0。中 胞 布 一 细磷 向们。脂 蛋内白膜含系量 统越 的高内，侧种。类也越胆多固。醇
细胞膜系统的结构和功能
3、控制物质进出细胞 由于细胞膜具有选择透过性，因此能
有选择地控制细胞内外的物质交换，这 与细胞膜上的载体种类和数量有关。
物质跨膜运输方式
物质出
被动运输
入细胞 方式
自由扩散
协助扩散
主动运输
运输方 高浓度→低 高浓度→低浓 一般为低浓度→
向
浓度
度
高浓度
是否需 要载体
不需要
需要
需要
是否消 耗能量
不消耗
一、生物膜系统的组成
细胞内存在着一套复杂的膜系统，它由细胞膜、 核膜以及细胞器的膜共同组成。它们在结构和功 能上是紧密联系的统一整体，这种结构体系，就 称作生物膜系统（也可称细胞膜系统）。
二、生物膜的化学成分
细胞亚显微结构中膜的化学成分相似，基 本结构大致相同，统称为生物膜。生物膜 的化 学组成是蛋白质、脂类和糖类。脂类中除磷脂 外，还有胆固醇(有的还含有糖脂),实际上组成 脂双层的脂类成分因不同生物而不同。细菌、 蓝藻等原核细胞和植物细胞中一般没有胆固醇。 在动物细胞中,胆固醇在脂双层中所占的比例较 大,特别是在哺乳动物细胞中,它可和磷脂分子 一样多。
要点： ①膜为静止的结构 ②蛋白质均匀分布在磷脂双分子层两侧
罗伯特森提出的“三明治”模型，存在缺陷！ 细胞膜并不是静止不动的，而是有流动性。 蛋白质不是均匀分布在磷脂分子两侧。
资料1：变形虫的运动和白细胞的吞噬作用
实验：荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合
红色荧光 染料标记 的膜蛋白
绿色荧光 染料标记 的膜蛋白
蛋白质分子： 镶在、嵌入、贯穿磷脂双分子层中 大多数蛋白质分子也可运动。
多糖： 只分布在细胞膜外表面，有些与蛋白质结合形成糖 蛋白，称作糖被。起保护和润滑的作用，与细胞的 识别等有关。
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（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
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 )
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 )
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
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
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）
Sing、外两层的分布
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。
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
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
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
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
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
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）
（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
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 )
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 )
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
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
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）
Sing、外两层的分布
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。
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
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
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
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
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
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）