5第五章 脂类和生物膜

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 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
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
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。
（二）生物膜结构的几个特征 1、脂双层是生物膜的基本骨架 脂双层结构是指一层膜由两层膜脂分子组成，脂分子都是 极性头部朝向外侧，非极性尾部朝向内侧，形成纸片样结 构。 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。
单体、微团、双层微囊（最稳定的结构）
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。
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。
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
（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）
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。 生物膜流动性异常导致疾病
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]
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
பைடு நூலகம்
（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。
3、Robertson单位膜模型
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
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。
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