浙大生物化学课件7：生物膜

生 物 化 学,浙江大学 生命科学学院 江 辉,第七章 生物膜,第一节 生物膜的组成和性质 第二节 生物膜的分子结构 第三节 被动运输和主动运输 第四节 小分子物质的跨膜运输,第一节 生物膜的组成和性质,生物膜：是构成细胞所有膜的总称。包括细胞原生质最外面的质膜以及细胞内各种细胞器的内膜。,生物膜的重要性,生物膜的形成对于生物能量的贮存及细胞间的通讯起着中心作用。 膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连接紧密但有弹性，允许膜在细胞生长和运动中改变形状；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。,膜的电镜横切面照片,细胞体,纤毛,线粒体,消化泡,内质网,分泌泡,生物膜的组成,膜脂 膜蛋白 糖,一、膜脂,磷脂 甘油磷脂 鞘磷脂 糖脂 鞘糖脂 甘油糖脂 胆固醇,1、磷脂：甘油磷脂,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰胆碱,磷脂酰肌醇,不是糖基,磷脂：鞘磷脂,鞘氨醇,神经鞘磷脂,磷脂是生物膜主要组成部分,磷脂在膜双层的分布不对称,2、糖脂,甘油糖脂 鞘糖脂,3、胆固醇,真核细胞的细胞膜中含胆固醇。 真核细胞的细胞器膜不含胆固醇。 酵母和植物中还存在麦角甾醇。,胆固醇,麦角甾醇,二、膜蛋白,1、内嵌蛋白 一个或多个跨膜区域。 与膜脂结合紧密：疏水相互作用。 不溶于水。 由膜上释放时要用特别的试剂（去污剂、有机溶剂、变性剂等）。 嵌入蛋白由膜上释放出来以后，一旦去除变性剂或去污剂会立即引起蛋白沉淀（不溶聚积物）析出。,红细胞膜血型糖蛋白,跨膜区域富含疏水性氨基酸，趋向形成螺旋和折叠。 螺旋和折叠中主链上肽键形成蛋白分子内氢键。,2、外周蛋白,位于膜双层的表面。 水溶性蛋白。 与膜结合力：离子键、氢键。 与膜结合位点：磷脂极性头部和内嵌蛋白亲水结构域 与膜结合疏松：温度的改变、破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释放出来。 生理学功能：这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物。,外周蛋白,嵌入（膜内）蛋白,去污剂,糖蛋白,pH改变、螯合剂、尿素、碳酸盐可除去外周蛋白,有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上,有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。,磷脂酰肌醇,3、糖,糖脂 甘油糖脂 鞘糖脂 糖蛋白 膜糖蛋白的糖多为氨基糖、乙酰氨基糖 糖基一般与蛋白天冬酰胺侧链上的酰胺N原子、或者丝氨酸/苏氨酸侧链上的羟基O原子相连,第二节 生物膜的分子结构,一、生物膜中分子间作用力 静电力 疏水作用 范德华力,生物膜的一般特征,纸片样结构，厚度5 8 nm 含有脂类、蛋白质、糖类 非共价组合体 不对称：膜内外表面所含成分不同 流动性：侧向扩散、跨层扩散 电极性、膜电位,二、膜组分的不对称分布,1、膜脂的不对称分布 膜脂组成因不同的界、不同的种、不同的组织、不同的细胞、不同的细胞器而不同。 膜脂在同一个膜内层和外层的分布不对称。,2、膜蛋白的不对称分布,不同来源膜的蛋白质组成比其脂质组成的变化更大，反映了功能的不对称；许多膜蛋白在双分子层上有一定的取向，很少发生翻转的情况，即使有速度也非常慢。 脊椎动物视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，90%以上的膜蛋白是光吸收蛋白-视紫红质；特化较低的红细胞质膜约含20种显著的蛋白及十几种较少的蛋白，其中多数的蛋白为运输载体，每一种蛋白运输一种跨膜的溶质等。,3、糖的不对称分布,细胞膜和细胞器膜中糖脂和糖蛋白的分布都是不对称的。,三、生物膜的流动性,1、膜脂的流动性 虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个的磷脂和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由，它们的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就可环绕红细胞的一周。 双分子的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链可通过碳碳旋转而不断地运动。 另外一种运动就是跨双分子层运动，即flip-flop。,温度引起侧链热运动,脂双层平面的扩散,跨膜扩散：“翻跟头”,膜流动的程度依赖于脂的组成及温度，低温下的运动相对较少，脂双分子层几乎呈晶态（类晶体、半晶体）排列；温度升到一定高度时，运动增加，膜由晶态向液态转变。 不饱和脂肪酸含量越高，流动性越强。在低温下，细菌细胞膜中不饱和脂肪酸含量升高。,2、膜蛋白的运动性,膜蛋白的侧向扩散,四、“流体镶嵌”结构模型,骨架：脂质双分子层，主要是磷脂和固醇，非极性部分相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外； 膜蛋白：内嵌蛋白跨越整个膜；外周蛋白伸出膜的一面或另一面； 不对称性：脂质和蛋白质在脂双分子层中的分布不对称。 流动性：膜蛋白在双分子层上可以自由扩散，但是不能翻转。,第三节 被动运输和主动运输,生物膜的主要功能： 能量转换 物质运输 信息识别与传递,所有生物细胞都要从环境获得原材料为其生物合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境中去。 质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞。 有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。,溶质通过透过性膜的移动,不带电,带电,跨膜转运的类型,被动转运总是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累。 主动运输总是逆浓度梯度运输，引起物质的积累。 主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他顺浓度梯度的运输。 一级主动转运中，物质的积累直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接 二级主动转运发生于由一级主动运输引起的逆浓度积累的顺浓度梯度运输。,两种类型的主动转运,一级主动转运：直接消耗能量，如ATP。 二级主动转运：转运目标分子（S）的能量来源于另一种物质（X）主动转运产生的电化学梯度。,转运蛋白的类型,单向转运蛋白 偶联转运蛋白 同向转运蛋白 反向转运蛋白,第四节 小分子物质的跨膜运输,葡萄糖转运蛋白 HCO3- Cl-交换体 转运ATP酶 Na+-葡萄糖同向转运蛋白,一、葡萄糖转运蛋白,葡萄糖是重要能量物质 葡萄糖转运速率曲线,简单扩散,促进扩散,葡萄糖转运蛋白,内嵌蛋白 单向转运蛋白 葡萄糖的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量,葡萄糖转运蛋白构象的改变,葡萄糖转运蛋白具有底物专一性,对D-葡萄糖，Kt=1.5 mM 对L-葡萄糖，Kt=3 M,二、 HCO3- Cl-交换体,内嵌蛋白 偶联转运蛋白、反向转运蛋白 HCO3-的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量,血液中HCO3-比CO2的溶解度大，这种变化增加了由组织到肺的CO2运输的血容量,HCO3-Cl-交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加HCO3-对红细胞膜的透过，这一系统也被称为协同运输系统。 Cl-不存在时，HCO3- 不被转运。 HCO3-被排出红细胞的同时，Cl-进入红细胞，避免电荷改变。,三、转运ATP酶,1、P型ATP酶（Na+K+-ATP酶） 哺乳动物： 负责H+和K+-的跨膜转运 高等植物和霉菌：H+泵出细胞，产生跨膜的pH梯度和电位差 细菌：排出有毒重金属离子,P型ATP酶,内嵌蛋白 偶联转运蛋白、反向转运蛋白 Na+和K+的转运从低浓度到高浓度，消耗能量,动物细胞与环境相比： Na+低，K+高 转运过程中Na+和K+必须同时存在，Mg2+是水解ATP所必须的,P型ATP酶转运蛋白构象的改变,三种转运ATP酶结构,2、 V型ATP酶,真核生物液泡膜中 真菌和高等植物：利用胞质ATP作为能量，将H+泵入细胞内的液泡内 液泡中pH = 36；细胞质中pH = 7.5,3、 F型ATP酶,H+可逆的跨膜转运。 H+顺电化学梯度转运时，ADP转化为ATP， F型ATP酶也称ATP合成酶。 H+逆电化学梯度转运时，消耗ATP。,四、Na+-葡萄糖同向转运蛋白,（1） 葡萄糖转运蛋白 被动转运葡萄糖 无需能量,（2） Na+K+-ATP酶 主动转运Na+和K+ 消耗能量（ATP）,（3） Na+-葡萄糖同向转运蛋白 主动转运Na+和葡萄糖 消耗能量（ Na+和跨膜电势位）,小肠上皮细胞,Na+和葡萄糖进入上皮细胞所需能量来源于： 胞外Na+浓度高于胞内； 内负的跨膜电势位 Na+和葡萄糖的转运： 同向转运 主动转运,葡萄糖转运蛋白 被动转运中性分子 单向转运 HCO3- Cl-交换体 被动转运离子 偶联转运蛋白 反向转运蛋白,P型ATP酶 一级主动转运 Na+-葡萄糖同向转运蛋白 二级主动转运,针对转运蛋白的抗生素,离子载体：携带离子沿浓度梯度方向穿过质膜，破坏二级主动转运和能量守恒反应 缬氨霉素，结合K+ 莫能菌素，结合Na+,Summary,生物膜的组成：膜脂、膜蛋白 生物膜的结构 生物膜的流动性 跨膜转运：被动转运（简单扩散、促进扩散）、主动转运 主动转运所需能量来源,