生物膜

电压门通道
配体门通道 压力激活通道
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1.3 主动运输（active transport）

转运载体 消耗能量 逆浓度梯度
如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等
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1.3.1 ATP 直接提供能量的主动运输
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Na+-K+泵由αβ两个亚基组成， 其中α亚基跨膜， 上有Na+、K+、ATP及乌本苷结合位点。 Na+-K+泵的作用机制，人们普遍接受的是构象 变化假说
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1. 半乳糖脑苷脂 2. GM1 神经节苷脂 3. 唾液酸
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1. 3 固醇（ Cholesterol ）

胆固醇存在于真核细胞 膜中： 动物细胞膜胆固醇的含 量较高； 植物细胞膜中主要为谷 甾醇、豆甾醇；

胆固醇的功能： 提高双脂层的力学稳定 性，调 节 双脂层 流 动性 ， 降低水溶性物质的通透 性。
受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序 列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些 相邻基因的转录水平。

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3.2.2 NO
1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO信 号转导机制的研究获得诺贝尔生理和医学奖
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一氧化氮的信号作用

一氧化氮是可溶性的气体，产自血管内皮细胞和 神经细胞，底物精氨酸，由一氧化氮合酶(NOS) 催化生成；
3.1.2 细胞内两种常见的蛋白活性的调节方式


通过蛋白激酶磷酸化而活化，蛋白磷酸酶去磷酸化 而失活； 或通过结合GTP而活化，结合GDP失活
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3.1.3 受体 （Receptor） 能够识别和选择结合某种配体（信号分子）的大 分子物质，多为糖蛋白。 至少包括两个功能区域：配体结合区和产生效应 的区域。 存在部位：细胞表面受体和细胞内受体
NO作用的靶酶是鸟苷环化酶，使GTP转变成 cGMP，继而激活PKG； NO最终能够引起血管壁的平滑肌细胞松弛，从而 引起血管扩张。
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3.3 细胞表面受体介导的信号传递
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3.3.1 离子通道偶联的受体 （配体门离子通道、递质门离子通道）

受体本身为离子通道 （即配体门通道）； 如乙酰胆碱(Ach)受体
Hsp90）与受体分离，暴露与DNA的结合位点。

受体结合的序列是受体依赖的转录增强子。
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甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小 分子，可以通过简单扩散跨越质膜进入细 胞内。 每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受 体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能 穿过核孔进入细胞核内。

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激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高 了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合 于特异的DNA序列调节基因表达。
Davson和Danielli 推测，脂质中含有蛋白质成
分，并提出了“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治模
型
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1959年，罗伯特森（J. D. Robertsen）在电镜下看 到细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构。
提出：单位膜模型
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1970年， Larry Frye等，用荧光标记法证实细胞膜 具有流动性
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第二信使 (second messenger)


大多数水溶性激素类信号分子不能直接进入细胞，只能通过 同膜受体结合后进行信息转换，通常把细胞外的信号称为第 一信使，而把细胞内最早产生的信号物质称为第二信使。 目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、DG和IP3。
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Na+-K+泵与H+泵
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1.3.2 离子梯度驱动的主动运输
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1.4 内吞作用和外排作用
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1.5 蛋白质的跨膜转运
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1.6 基团转移

细菌吸收营养物质时的一种物质跨膜运输方式
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2. 能量转换

叶绿体 线粒体

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3. 信号转导
内在蛋白与双层脂膜疏水区接触部分，多肽链内 形成氢键趋向大大增加，主要以-螺旋和-折叠 形式存在，其中又以-螺旋更普遍。
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膜蛋白的功能
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3. 膜糖

生物膜中含有一定的寡糖类物质。它们大多与膜 蛋白结合，少数与膜脂结合。 膜糖全部处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖 的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄 糖和葡萄糖胺等。 糖类化合物在信息传递和识别方面具有重要作用
其中一烃链常含有一个或数个双键，双键的存在造成 这条不饱和链有一定角度的扭转。
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1. 2 糖脂 (Glycolipid)

糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核 和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下；

最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，仅有一个半乳糖
作为极性头部；

变化最多、最复杂的是神经节苷脂；
（protein kinase A system, PKA）

激活型的系统组成 由激活型的信号作用于激活型的受体Rs，经激活 型的G蛋白（Gs）去激活腺苷酸环化酶(adenylate cyclase, AC)，从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应 抑制型的系统组成 通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体Ri， 经抑制型的G蛋白（Gi）去抑制腺苷酸环化酶的活性。

载体蛋白(Carrier proteins)
参与被动运输和主动运输，也叫通透酶，具有专一性、 饱和性、竞争性。
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通道蛋白(Channel proteins) 也称为离子通道(ion channels)或者闸门通道 (gated channel) ；只介导被动运输。
根据开启和关闭条件，离子通道分为三种类型：

顺浓度梯度 不需要能量 小分子比大分子容易 非极性分子比极性分子容易
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1.2 协助扩散（facilitated diffusion）

由高浓度向低浓度
不需要能量
需通道蛋白或载体蛋白介导
包括亲水性分子如糖、氨基酸等的运输
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简单扩散
协助扩散
被动运输
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水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜表 面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价 结合，易分离。 占膜蛋白总量的20%～30%。

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2. 2 内在蛋白（ intraral proteins ）

内在蛋白约占膜蛋白的 70-80% ，蛋白的部分或全 部嵌在双层脂膜的疏水层中。 不溶于水，主要靠疏水键与膜脂相结合；不易从 膜中分离出来。
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3.1 几个概念 3.1.1 信号分子

生物体内的某些化学分子，既非营养物，又非能
源物质和结构物质，也不是酶

主要是用来在细胞间和细胞内传递信息，如激素、
神经递质、生长因子等统称为信号分子，它们的 唯一功能是与细胞受体结合并传递信息
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信号分子的类型

根据信号分子的溶解性： 亲脂性信号分子：甾类激素和甲状腺素 亲水性信号分子：神经递质、生长因子等 气体性信号分子：NO 根据信号分子的传导方式： 激素：内分泌信号传导 局部介质：旁分泌和自分泌信号传导 神经递质：神经信号传导
生物膜
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一. 对生物膜结构的探究历程

1895年，欧文顿（ E. Overton ）
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1925年，E. Gorter 和F. Grendel用有机溶剂抽提人的
红细胞膜的膜脂成分，并测定膜脂单层分子在水中
的铺展面积，发现它为红细胞表面积的2倍。
提示 ：质膜是由双层脂分子组成。
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发现质膜的表面张力比油水界面的表面张力小很多


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三. 流动镶嵌模型

脂双分子层是细胞膜的主要结构支架；膜 蛋白为球蛋白，分布于脂双层表面或嵌入 脂分子中，有的甚至横跨整个脂双层；

具有流动性 具有不对称性
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1. 膜的不对称性

质膜内外两层的组分和功能的差异，称为 膜的不对称性； 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双 层中央断开，各断面名称不同。
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G蛋白由三个亚基组成, 分 别叫αβγ亚基, βγ两亚基 通常紧密结合在一起；
G蛋白α亚基与GDP结合， 活性处于关闭态；当收 到G蛋白偶联受体的刺激 后，GDP被GTP交换，α 亚基被活化，进而传递 信号；
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cAMP途径

磷脂酰肌醇 途径
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3.3.2.1. cAMP途径 = PKA途径
不消耗ATP，但需要特异膜转运蛋白的协助； 速度快，要比自由扩散快几个数量级； 自由扩散的速率与溶质的浓度成正比，而协助 扩散的速率可以达到最大值； 具有特异性。

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膜转运蛋白(membrane transport proteins)
无论是被动运输还是主动运输，都会有膜蛋白的 参与，称为膜转运蛋白。
两个结合位点(site)：C端的与配体 结合位点、抑制蛋白结合位点； 配体－受体结合后形成复合物， 成为转录促进因子，作用于特异 的基因调控序列，启动基因的转 录和表达。
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亲脂性小分子：甾类激素、甲状腺激素、 类维生素 A、维生素 D NO

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3.2.1 甾类激素

细胞内受体是激素激活的基因调控蛋白。 受体与配体（如皮质醇）结合，使抑制性蛋白（如
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1.3 膜糖的不对称性

无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布
于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞
表面受体，并且与细胞的抗原性有关。
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2. 膜的流动性

主要指膜脂分子的侧向运动。 脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的 相变温度越低，流动性越大

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四. 生物膜之间的联系
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五. 生物膜的功能



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细胞内受体介导
离子通道偶联的受体
信号转导
细胞表面受体介导
G蛋白偶联的受体 酶偶联的受体
细胞表面整联蛋白 介导
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3.2 细胞内受体介导的信号传递

细胞内受体主要位于细胞核，有 些位于细胞质中，配体为亲脂性 小分子； 两个结构域(domain)：激活基因转 录的N端结构域、 DNA结合结构 域；

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1.1 膜脂的不对称性

脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内 外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。磷脂 酰胆碱和鞘磷脂主要分布在外半层，而磷脂 酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸主要分布在质膜内 半层。
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红细胞质膜内外单层膜磷脂的不对称分布
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1.2 膜蛋白的不对称性

膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞 膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各 种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。 某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其 功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要 磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体 内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具 活性。
细胞的生物膜系统最少有以下三方面的功能：

使细胞具有一个相对稳定的内部环境。在物质的运 输与交换及信息传递中起决定性作用。 增大膜的面积，供酶、核糖体等附着在上面。使各 种化学反应有序进行。 将细胞分隔成许多小区室，使各种化学反应能同时 进行而不互相干扰。
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1. 物质运输
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1.1 简单扩散（ simple diffusion ）
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1. 膜脂
主要有三种类型：

磷酯 （>50%） 糖脂 （ >5% ） 胆固醇
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1. 1 磷脂 (phospholipids)

分为甘油磷脂和鞘磷脂

磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；疏水端是 两条长短不一的烃链, 称为尾部，一般含有14～24个 偶数碳原子（线粒体内膜上的心磷脂有四条尾巴）；

主要存在于神经、肌 肉等可兴奋细胞，其 信号分子为神经递质
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离子通道偶联的受体位于细胞膜上时，一般是四 次跨膜蛋白 位于内质网或其他细胞器的膜上，一般为六次跨 膜蛋白 受体对配体具有选择的特异性，激活的通道对离 子也具有选择性；比如乙酰胆碱激活的通道选择 性的运输Na+、Ca2+


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3.3.2 G蛋白（三聚体GTP结合调节蛋白）偶联的受体
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1972年，桑格和尼克森提出流动镶嵌模型。
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二. 生物膜的化学组成
细胞质膜 (Plasma Membrane) 内膜系统 (Endomembrane System) 生物膜 (Biomembrane)
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生物膜主要由蛋白质（60-70%）和脂类（2540%）组成，少量的碳水化合物（5%），金属离子 和水。
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1. 4 膜脂的四种运动方式

沿膜平面的侧向运动（基本运动方式） 脂分子围绕轴心的自旋运动 脂分子尾部的摆动

双层脂分子之间的翻转运动
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2. 膜蛋白

根据与膜脂的结合方式和分离的难易程度： 外周蛋白 内在蛋白
膜蛋白是 生物膜实 施功能的 基本场所
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2. 1 外周蛋白（ peripheral proteins ）