第五章 脂类和生物膜

（三）小分子物质的运输
单向运输：只能运输一种物质由膜的一侧到另一侧。 同向运输：如果一种物质的运输和另一种物质的运输相关且 方向相同。（葡萄糖和钠的运输） 反向运输：如果一种物质的运输和另一种物质的运输相关且 方向相反。（钠和钾的运输） 通常情况下，分子越小，疏水性越强，越容易透过膜。 1、Na+和K+的运输（逆浓度梯度的主动运输且为反向运输）
① Ca 2+ 浓度极低时，钙调蛋白以不与Ca 2+结合的状态存在，不能激活 Ca 2+ —ATP酶，酶对钙的亲和力低。 ②如细胞内的钙离子浓度升高，则钙调蛋白与钙形成复合物，可与Ca 2+ —ATP酶结合，提高酶对钙的亲和力。 Ca 2+ —ATP酶的作用机制 经历磷酸化和去磷酸化的过程，通过E1和E2两种构象的相互转变，将钙 从膜的一侧运输到另一侧。
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
通过细胞膜的融合证明细胞的流动性
1）膜脂的流动性（取决于磷脂） 膜脂运动的方式： ①磷脂分子在膜内侧作侧向扩散或侧向移动（速度很快） 人工膜和生物膜中均有。 ②磷脂分子在脂双层中作翻转运动（速度较慢）。 ③磷脂烃链围绕C-C键旋转而导致异构化运动。 ④磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴左右摆动。 ⑤磷脂分子围绕与膜平面垂直的轴旋转运动。 影响流动性的因素：脂酰链的不饱和度、链长、蛋白质、 pH、离子强度。 2）膜蛋白的运动性 膜蛋白的侧向扩散、膜蛋白的旋转扩散 膜蛋白的旋转扩散＜膜蛋白的侧向扩散＜ 膜脂的侧向扩散 膜脂合适的流动性是膜蛋白正常功能表现的必要条件。
细胞膜：包裹在细胞外的，将内含物与环境分开的一层膜。 内膜系统：组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器的 膜。 二、生物膜的组成和性质 蛋白质、脂类（磷脂）、糖类、水和无机离子。 其中蛋白质和脂类的比例差别很大，功能复杂的膜，蛋白质 比例大，功能简单的膜，蛋白质比例小。 （一）膜脂 分类：磷脂、糖脂、胆固醇
Na+.K+-ATPase的亚基 结构及其在膜上定位
Na+-K+-ATPase
去污剂微囊
增溶的膜蛋白
Na+-K+- ATPase 的体外重建
脂-去污剂微囊
透析 纯化 外加的磷脂 去污剂微囊 Na+-K+-ATPase 在脂质体上重建
纯化的膜蛋白
• 3、阴离子的运输 • 4、糖和Aa的运输 • 1）葡萄糖的运输（主动运输、协同运输中的同向 运输） • 葡萄糖的运输利用Na+梯度提供能量，通过载体蛋 白，伴随着Na+一起运输入细胞，Na+梯度越大，葡 萄糖进入的速度越快，进入膜内的Na+又通过Na+、 K+—ATP酶运输体系将Na+运输到膜外，以维持Na+梯 度，所以葡萄糖的运输是Na+、K+—ATP酶维持的， Na+梯度推动的。[动物细胞中利用Na+梯度，细菌 中用H+梯度]
四、脂质过氧化作用对机体的损伤 1、中间产物自由基导致蛋白质分子的聚合 2、脂质过氧化终产物可与蛋白质的氨基发生作用导致多肽 链的链内交联和链间交联。被修饰了的蛋白质和酶失去生 物活性，导致代谢异常。 3、脂质过氧化对膜的伤害 脂质过氧化的直接结果是不饱和脂肪酸减少，膜脂的 流动性降低。 4、脂质过氧化和动脉粥样硬化 5、脂质过氧化和衰老 老年斑、老年色素、脂褐素、黑色素
锚定膜蛋白
内嵌蛋白
糖脂
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胆固醇
卵磷脂
三、生物膜的功能 信号传递、能量转换、细胞识别、细胞免疫、神经传导和 代谢调控、物质运输。
四、生物膜的物质运输方式及其机理
根据物质运输自由能变化：主动运输和被动运输 （一）被动运输 1、定义 ：物质从高浓度一侧，通过膜运输到低浓度一侧，即 顺浓度梯度跨膜运输的过程。 2、特点：顺浓度梯度、不需供能的自发过程，有的需要孔道蛋 白或载体蛋白。 3、分类：①简单扩散——是许多脂溶性小分子的运输的主要形 式，从高浓度一侧向低浓度一侧，不需要载体，不具有特异性， 不具有饱和性，扩散结果使物质在膜两侧浓度相等。
（二）膜蛋白 20-25%蛋白质与膜结构相联系，根据在膜上的定 位可分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质。 1、膜周边蛋白质（占膜蛋白的20-30%—外周蛋白 分布于膜的脂双层表面，通过静电力或非共价键与 其它膜蛋白相互作用连接到膜上，膜周边蛋白易于 分离，改变离子强度或金属螯合剂可提取，这类蛋 白质溶于水。 2、膜内在蛋白质（占膜蛋白的70-80%）
3、衍生脂质 包括取代烃、固醇类、萜类、其它脂质
三、脂质的生物学作用 1、贮存脂质：三酰甘油和蜡； 2、结构脂质:参与生物膜的组成； 3、活性脂质:类固醇激素、脂溶性维生素。 必需脂肪酸：人体不能合成的，但是对人 体功能必不可少的，必需由膳食提供的。 亚油酸和亚麻酸。 亚油酸：各种植物油 亚麻酸：坚果
生物膜流动性异常导致疾病
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
（三）生物膜分子结构的模型
1、脂双层模型：1925年，荷兰科学家Gorter，Grendel
2、Danielli与Davson的三夹板模型
1935年，蛋白质-脂质-蛋白质，蛋白质以单层覆盖两侧。
晶格镶嵌模型 1975年，Wallach提出了晶格镶嵌模型。他在流动镶嵌模 型的基础上，进一步强调：生物膜中流动性脂质的可 逆性变化。这种变化区域呈点状分布在膜上。相变表 现为膜脂分子的一种协同效益，即几十个以上的脂分 子同时相变。膜脂的相变受温度、脂本身的性质、膜 中其他成分、pH和二价阳离子浓度等因素的影响。 板 块镶嵌模型 板块镶嵌模型 1977年，Jain和White提出了板块镶嵌模型，其内容本质 上与晶格镶嵌模型相同。他们认为：在流动的脂双分 子层中，存在许多大小不同的、刚度较大的、彼此独 立运动的脂质“板块”（有序结构区），板块之间被 无序的流动的脂质区所分割，这两种区域处于一种连 续的动态平衡之中。
1、磷脂 甘油磷脂：以甘油为骨架; 鞘磷脂：以鞘氨醇为骨架. 磷脂结构：亲水性头部＋疏水性尾部，构成生物膜的骨架。
脂质分子在细胞膜中是如何排列的呢？哪一种排列 方式又是最稳定的呢？ 1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提 取脂质，在空气－水界面上铺成单分子层，测得单 分子层的面积恰为红细胞的两倍。 单体、微团、双层微囊（最稳定的结构）
（二）生物膜结构的几个特征
1、脂双层是生物膜的基本骨架
2、膜蛋白以两种方式与膜结合 外周蛋白和内在蛋白 3、膜组分的不对称分布 构成膜的脂质、蛋白质和糖类在膜两侧分布都是不对称的。
（脂质在双层之间可以翻转，而膜蛋白在双层之间不能翻
转） 4、生物膜的流动性（主要特征）变形虫运动.avi
合适的流动性对生物膜表现正常功能具有重要作用。
②协助扩散—溶质在顺浓度梯度扩散时，依赖于特定载体。 这些载体主要是镶嵌在膜上的多肽或蛋白质，属于透性酶 系，通过载体构象的变化完成运输，如：红细胞膜对葡萄 糖的运输。 两者的区别：协助扩散具有明显的饱和效应。 （二）主动运输（运送） 定义：凡物质逆浓度梯度的运输过程。 特点：①专一性（有的细胞膜只能运输氨基酸,不能运输葡 萄糖）；②运输速度可达到饱和状态（需载体蛋白）；③ 方向性（细胞总是向外运输Na+，向内运输K+以维持正常的 生理功能）④选择性抑制（乌本苷抑制Na+向外运输，根皮 苷抑制肾细胞对G的运输）⑤需提供能量 主动运输过程发生需要两个体系：一是参与运输的传递体、 二是酶系组成的能量传递系统。
Ⅰ 脂类
一、脂质的定义 是一类低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分 子，对大多数脂质而言即是脂肪酸和醇所形成的酯类及 其衍生物。脂肪酸多是四碳以上的长链一元羧酸，而醇
类包括甘油、鞘氨醇、高级一元醇和固醇。
二、脂质分类 按照化学组成可分为： 1、单纯脂质，包括甘油三酯和蜡。 2、复合脂质（含有非脂分子成分）包括磷脂和糖脂
3、Robertson单位膜模型
20世纪50年代末，与三夹板不同之处，脂双层两侧蛋白质分
子以β -折叠形式存在，而且是不对称性分布。
4、流动镶嵌模型（广泛接受的膜结构模型）细胞膜的三维动 画模型.avi
1972年，Singer与Nicolson 膜结构特点： ①膜结构主体是脂质双分子层。 ②脂质双分子层具有流动性。 ③内在蛋白质镶嵌于脂质双分子层中或横跨全膜。 ④外周蛋白质分布于脂质双分子层的表面。 ⑤脂质分子之间或脂质与蛋白质之间无共价结合。 ⑥膜蛋白质可作横向运动。 与以往模型相比，最大的区别两点： 一是突出了膜的流动性；二是显示了膜蛋白分布的不对称性
五、抗氧化剂的保护作用 几种重要的抗氧化剂 超氧化物歧化酶（SOD） 过氧化氢酶（CAT），人体肝脏和红细胞中含量最为丰富。 维生素E，生物体内的自由基清除剂。
Ⅱ 生物膜
一、生物膜组成、结构的探索历程 1、1859年，欧文顿利用500多种化学物质对植物细胞的细胞膜 进行了上万次的研究，发现凡是易溶于脂类的物质比较容易 通过膜，反之不容易溶于脂类的物质则不容易穿过膜。 2、1897年，crijins 和hedin用红细胞做实验，同样证明分子的 通透性与其在脂质中的溶解度有关，溶解度越大越容易通过。 根据相似相容原理可以证明膜中含有脂类，那么还是否含有其 它成分呢？ 3、20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离 出来，发现细胞膜也会被蛋白酶水解，化学分析表明也含有 蛋白质成分。
单层
微团
双层微囊
2、糖脂 动物细胞几乎都含有糖脂，含量约占外层膜脂的5％，大多 是鞘氨醇的衍生物。 植物细胞和细菌质膜的糖脂几乎都是甘油的衍生物，非极性 部分亚麻酸含量丰富，极性是糖残基。 功能：糖脂往往具有受体功能，与药物结合起作用，如神经 节苷脂（干扰素、促甲状腺素、破伤风素等的受体）。 3、胆固醇（胆甾醇） 动物细胞的胆固醇多，植物细胞中没有，质膜含量多于细胞 内膜。 功能：调整膜的流动性。
发现：Na+、K+—ATP酶 ，1957年丹麦科学家Jens c.Skou提 出。该酶是一个跨膜脂的Na+、K+—泵，即通过水解ATP产 生的能量向外运输Na+ 、向内运输K+，每水解一个ATP向外 运输3个Na+ 、向内运输2个K+。
结构：一个催化亚基（α-亚基）和一个糖蛋白亚基（β 亚基），
以α2β2四聚体的形式结合在膜上，α-亚基在膜内侧有Na+和 ATP的结合位点，在膜外侧有K+和乌本苷的结合位点。 作用机制：符合构象变化学说
膜内在蛋白质有的部分嵌在脂双层中，有的横跨全膜，通 过疏水作用与膜脂结合，膜内在蛋白质不易分离，只有用剧 烈的条件（去垢剂、有机溶剂、超声波）才能溶解下来，这 类蛋白质不溶于水，分离下来之后一旦除去去垢剂或有机溶 剂又聚合成不溶性物质，构象和活性发生很大的变化。 膜内在蛋白质与膜的连接方式： 1）以单一螺旋跨膜 2）以多段a-螺旋跨膜 3）以蛋白质分子末端片段插膜 4）通过共价键结合的脂插入膜中
Na+- K+- ATPase的作用模型
1
细胞外
2
细胞质
ATP ADP
3
构象变化学说
6
4
5
• • • • •
2、Ca2+的运输（单向运输） Ca 2+泵和Ca 2+ —ATP酶 Ca2+—ATP酶可以催化下列反应： 2Ca 2+ （外）+ATP 2Ca 2+ （内） + ADP（外）+Pi （外） ①Ca2+—ATP酶是肌质网的主要成分，占膜蛋白的90%，易于提 纯，对Ca2+有很高的亲和力。 • ②肌肉的收缩和松弛过程，是Ca 2+从肌质网释放和再摄入的主 动运输过程。 • ③每一分子ATP酶每秒钟可以水解10个ATP分子，每水解一分子 ATP运输2个Ca 2+。 • 钙调蛋白：可刺激细胞对钙离子的摄取，钙调蛋白的作用与Ca 2+浓度有关。
功能：选择性透过物质运输通道，信息识别受体。
以非共价键结合
静电力结合
Pr分子末端片段插入膜中
以单一a螺旋跨膜
以多段a螺旋跨膜
通过共价键结合的脂插膜
（三）糖类
质膜：糖类占质膜2-10%，大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。 内膜系统
分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖-蛋白质复合物（细胞外壳-糖萼）
糖蛋白功能：糖蛋白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，在接受外界信息及细胞间相互识别方面有重 要作用。 二、生物膜的分子结构 （一）生物膜中的分子作用力 1、静电力：一切极性和带电基团之间，相互吸引或排斥 2、疏水作用：对维持膜结构起主要作用 3、范德华力：使膜中分子彼此靠近，在膜结构中也很重要。