生物膜—醫(yī)學演示文稿

1、1,生物膜,2,3,4,1895年，歐文頓（ E. Overton ）,一. 對生物膜結構的探究歷程,5,1925年，E. Gorter 和F. Grendel用有機溶劑抽提人的紅細胞膜的膜脂成分，并測定膜脂單層分子在水中的鋪展面積，發(fā)現(xiàn)它為紅細胞表面積的2倍。 提示 ：質膜是由雙層脂分子組成。,6,發(fā)現(xiàn)質膜的表面張力比油水界面的表面張力小很多 Davson和Danielli 推測，脂質中含有蛋白質成分，

2、并提出了“蛋白質-脂質-蛋白質”的三明治模型,7,1959年，羅伯特森（J. D. Robertsen）在電鏡下看到細胞膜清晰的暗—亮—暗的三層結構。,提出：單位膜模型,8,1970年， Larry Frye等，用熒光標記法證實細胞膜具有流動性,9,1972年，桑格和尼克森提出流動鑲嵌模型。,10,11,二. 生物膜的化學組成,細胞質膜 (Plasma Membrane)內膜系統(tǒng) (Endomembrane System)

3、 生物膜 (Biomembrane),12,生物膜主要由蛋白質（60-70%）和脂類（25-40%）組成，少量的碳水化合物（5%），金屬離子和水。,13,主要有三種類型： 磷酯 （>50%） 糖脂 （ >5% ） 膽固醇,1. 膜脂,14,分為甘油磷脂和鞘磷脂磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部；疏水端是兩條長短不一的烴鏈, 稱為尾部，一般含有14～24個偶數碳原子（線粒體內膜上的心磷脂有四條尾巴

4、）；其中一烴鏈常含有一個或數個雙鍵，雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉。,1. 1 磷脂 (phospholipids),15,16,糖脂是含糖而不含磷酸的脂類，普遍存在于原核和真核細胞膜上,含量約占膜脂的5%以下；最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，僅有一個半乳糖作為極性頭部； 變化最多、最復雜的是神經節(jié)苷脂；,1. 2 糖脂 (Glycolipid),17,半乳糖腦苷脂 2. GM1 神經節(jié)苷脂 3.

5、唾液酸,18,膽固醇存在于真核細胞膜中： 動物細胞膜膽固醇的含量較高； 植物細胞膜中主要為谷甾醇、豆甾醇；膽固醇的功能： 提高雙脂層的力學穩(wěn)定性，調節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質的通透性。,1. 3 固醇（ Cholesterol ）,19,沿膜平面的側向運動（基本運動方式）脂分子圍繞軸心的自旋運動脂分子尾部的擺動雙層脂分子之間的翻轉運動,1. 4 膜脂的四種運動方式,20,21,根據與膜脂的結合

6、方式和分離的難易程度： 外周蛋白 內在蛋白,2. 膜蛋白,膜蛋白是生物膜實施功能的基本場所,22,2. 1 外周蛋白（ peripheral proteins ）,23,水溶性蛋白，靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子極性頭部非共價結合，易分離。占膜蛋白總量的20%～30%。,24,內在蛋白約占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。不溶于水，主要靠疏水鍵與

7、膜脂相結合；不易從膜中分離出來。內在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分，多肽鏈內形成氫鍵趨向大大增加，主要以?-螺旋和?-折疊形式存在，其中又以?-螺旋更普遍。,2. 2 內在蛋白（ intraral proteins ）,25,26,27,膜蛋白的功能,28,生物膜中含有一定的寡糖類物質。它們大多與膜蛋白結合，少數與膜脂結合。膜糖全部處于細胞膜的外側。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。糖類

8、化合物在信息傳遞和識別方面具有重要作用,3. 膜糖,29,30,脂雙分子層是細胞膜的主要結構支架；膜蛋白為球蛋白，分布于脂雙層表面或嵌入脂分子中，有的甚至橫跨整個脂雙層；具有流動性具有不對稱性,三. 流動鑲嵌模型,31,質膜內外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性；樣品經冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面名稱不同。,1. 膜的不對稱性,32,33,脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質膜的內外兩側分布的磷脂的含量比

9、例也不同。磷脂酰膽堿和鞘磷脂主要分布在外半層，而磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸主要分布在質膜內半層。,1.1 膜脂的不對稱性,34,紅細胞質膜內外單層膜磷脂的不對稱分布,35,膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在時才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結合于膜的內側，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內膜的細胞色素氧化酶，需要心磷

10、脂存在才具活性。,1.2 膜蛋白的不對稱性,36,無論在任何情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面，這些成分可能是細胞表面受體，并且與細胞的抗原性有關。,1.3 膜糖的不對稱性,37,主要指膜脂分子的側向運動。脂肪酸鏈越短，不飽和程度越高，膜脂的相變溫度越低，流動性越大,2. 膜的流動性,38,四. 生物膜之間的聯(lián)系,39,40,細胞的生物膜系統(tǒng)最少有以下三方面的功能：使細胞具有一個相對穩(wěn)定的內部環(huán)境。在物質的運輸與交換及信

11、息傳遞中起決定性作用。增大膜的面積，供酶、核糖體等附著在上面。使各種化學反應有序進行。將細胞分隔成許多小區(qū)室，使各種化學反應能同時進行而不互相干擾。,五. 生物膜的功能,41,42,1. 物質運輸,43,順濃度梯度不需要能量小分子比大分子容易非極性分子比極性分子容易,1.1 簡單擴散（ simple diffusion ）,44,45,由高濃度向低濃度不需要能量需通道蛋白或載體蛋白介導包括親水性分子如糖、氨基酸等的運

12、輸,1.2 協(xié)助擴散（facilitated diffusion）,46,簡單擴散協(xié)助擴散,,被動運輸,47,不消耗ATP，但需要特異膜轉運蛋白的協(xié)助；速度快，要比自由擴散快幾個數量級；自由擴散的速率與溶質的濃度成正比，而協(xié)助擴散的速率可以達到最大值；具有特異性。,48,載體蛋白(Carrier proteins) 參與被動運輸和主動運輸，也叫通透酶，具有專一性、飽和性、競爭性。,膜轉運蛋白(membrane tra

13、nsport proteins),無論是被動運輸還是主動運輸，都會有膜蛋白的參與，稱為膜轉運蛋白。,49,通道蛋白(Channel proteins) 也稱為離子通道(ion channels)或者閘門通道(gated channel) ；只介導被動運輸。根據開啟和關閉條件，離子通道分為三種類型：,電壓門通道配體門通道壓力激活通道,50,51,52,轉運載體消耗能量逆濃度梯度,1.3 主動運輸（active t

14、ransport）,如：質子泵、鈉-鉀泵、鈣泵等,53,54,55,1.3.1 ATP 直接提供能量的主動運輸,56,Na+-K+泵由αβ兩個亞基組成， 其中α亞基跨膜，上有Na+、K+、ATP及烏本苷結合位點。Na+-K+泵的作用機制，人們普遍接受的是構象變化假說,57,58,59,60,Na+-K+泵與H+泵,61,62,1.3.2 離子梯度驅動的主動運輸,63,64,65,1.4 內吞作用和外排作用,66,67,68,1.5

15、 蛋白質的跨膜轉運,69,70,細菌吸收營養(yǎng)物質時的一種物質跨膜運輸方式,1.6 基團轉移,71,葉綠體線粒體,2. 能量轉換,72,3. 信號轉導,73,生物體內的某些化學分子，既非營養(yǎng)物，又非能源物質和結構物質，也不是酶主要是用來在細胞間和細胞內傳遞信息，如激素、神經遞質、生長因子等統(tǒng)稱為信號分子，它們的唯一功能是與細胞受體結合并傳遞信息,3.1 幾個概念,3.1.1 信號分子,74,根據信號分子的溶解性： 親

16、脂性信號分子：甾類激素和甲狀腺素 親水性信號分子：神經遞質、生長因子等 氣體性信號分子：NO 根據信號分子的傳導方式： 激素：內分泌信號傳導 局部介質：旁分泌和自分泌信號傳導 神經遞質：神經信號傳導,? 信號分子的類型,75,大多數水溶性激素類信號分子不能直接進入細胞，只能通過同膜受體結合后進行信息轉換，通常把細胞外的信號稱為第一信使，而把細胞內最早產生的信號物質稱為第二信使。目前公認的第二信使有cAMP、

17、cGMP、DG和IP3。,? 第二信使 (second messenger),76,77,78,通過蛋白激酶磷酸化而活化，蛋白磷酸酶去磷酸化而失活；或通過結合GTP而活化，結合GDP失活,3.1.2 細胞內兩種常見的蛋白活性的調節(jié)方式,79,能夠識別和選擇結合某種配體（信號分子）的大分子物質，多為糖蛋白。至少包括兩個功能區(qū)域：配體結合區(qū)和產生效應的區(qū)域。存在部位：細胞表面受體和細胞內受體,3.1.3 受體 （Receptor）

18、,80,81,信號轉導,細胞內受體介導,細胞表面受體介導,,,細胞表面整聯(lián)蛋白介導,離子通道偶聯(lián)的受體,G蛋白偶聯(lián)的受體,酶偶聯(lián)的受體,82,細胞內受體主要位于細胞核，有些位于細胞質中，配體為親脂性小分子；兩個結構域(domain)：激活基因轉錄的N端結構域、 DNA結合結構域；兩個結合位點(site)：C端的與配體結合位點、抑制蛋白結合位點；配體－受體結合后形成復合物，成為轉錄促進因子，作用于特異的基因調控序列，啟動基因的

19、轉錄和表達。,3.2 細胞內受體介導的信號傳遞,83,親脂性小分子：甾類激素、甲狀腺激素、類維生素 A、維生素 D NO,84,細胞內受體是激素激活的基因調控蛋白。受體與配體（如皮質醇）結合，使抑制性蛋白（如Hsp90）與受體分離，暴露與DNA的結合位點。受體結合的序列是受體依賴的轉錄增強子。,3.2.1 甾類激素,85,86,甾類激素分子是化學結構相似的親脂性小分子，可以通過簡單擴散跨越質膜進入細胞內。 每種類型的甾類

20、激素與細胞質內各自的受體蛋白結合，形成激素-受體復合物，并能穿過核孔進入細胞核內。,87,激素和受體的結合導致受體蛋白構象的改變，提高了受體與DNA的結合能力，激活的受體通過結合于特異的DNA序列調節(jié)基因表達。 受體與DNA序列的結合已得到實驗證實，結合序列是受體依賴的轉錄增強子，這種結合可增加某些相鄰基因的轉錄水平。,88,1998年R.Furchgott等三位美國科學家因對NO信號轉導機制的研究獲得諾貝爾生理和醫(yī)學獎,3.2.2

21、 NO,89,一氧化氮是可溶性的氣體，產自血管內皮細胞和神經細胞，底物精氨酸，由一氧化氮合酶(NOS)催化生成；NO作用的靶酶是鳥苷環(huán)化酶，使GTP轉變成cGMP，繼而激活PKG；NO最終能夠引起血管壁的平滑肌細胞松弛，從而引起血管擴張。,一氧化氮的信號作用,90,91,3.3 細胞表面受體介導的信號傳遞,92,受體本身為離子通道（即配體門通道）；如乙酰膽堿(Ach)受體主要存在于神經、肌肉等可興奮細胞，其信號分子為神經遞

22、質,3.3.1 離子通道偶聯(lián)的受體 （配體門離子通道、遞質門離子通道）,93,離子通道偶聯(lián)的受體位于細胞膜上時，一般是四次跨膜蛋白位于內質網或其他細胞器的膜上，一般為六次跨膜蛋白受體對配體具有選擇的特異性，激活的通道對離子也具有選擇性；比如乙酰膽堿激活的通道選擇性的運輸Na+、Ca2+,94,3.3.2 G蛋白（三聚體GTP結合調節(jié)蛋白）偶聯(lián)的受體,95,G蛋白由三個亞基組成, 分別叫αβγ亞基, βγ兩亞基通常

23、緊密結合在一起；G蛋白α亞基與GDP結合，活性處于關閉態(tài)；當收到G蛋白偶聯(lián)受體的刺激后，GDP被GTP交換，α亞基被活化，進而傳遞信號；,96,cAMP途徑磷脂酰肌醇途徑,97,激活型的系統(tǒng)組成 由激活型的信號作用于激活型的受體Rs，經激活型的G蛋白（Gs）去激活腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase, AC)，從而提高cAMP的濃度引起細胞的反應抑制型的系統(tǒng)組成 通

24、過抑制型的信號分子作用于抑制型的受體Ri，經抑制型的G蛋白（Gi）去抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性。,3.3.2.1. cAMP途徑 = PKA途徑 （protein kinase A system, PKA）,98,五種成分： Rs Ri Gs Gi AC,99,100,通過調節(jié)cAMP的濃度，將細胞外信號轉變?yōu)榧毎麅刃盘枺?

25、 反應鏈： 激素→G蛋白偶聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因調控蛋白→基因轉錄,,101,cAMP的產生 激素→G蛋白偶聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP,102,cAMP的信號放大: 蛋白激酶A的激活,103,Ser、Thr磷酸化，改變蛋白活性；不同的細胞中有不同的靶蛋白被磷酸化,104,cAMP途徑的信號解除和信號抑制,?信號解除 通過磷酸二酯酶將cAMP降解,形成5‘-A

26、MP；?信號抑制 通過抑制型的信號作用于Ri, 然后通過Gi起作用： ●Gi的α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結合； ●Gi的βγ復合物與Gs的α亞基結合。,105,激素→G蛋白偶聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因調控蛋白→基因轉錄,106,毒素對cAMP信號途徑的影響,霍亂和百日咳分別由兩種細菌毒素作用于刺激型和抑制型的G蛋白所引起： 霍亂毒素(cholera toxin) 能把N

27、AD+上的ADP核糖基轉移到Gs蛋白的α亞基上，使G蛋白核糖化α亞基喪失了GTP酶的活性，cAMP合成失去控制，Na+和水分泌到腹腔導致嚴重腹瀉。 百日咳毒素(whooping couch toxin) 使Gi蛋白進行ADP核糖化，降低GTP與Gi蛋白的α亞基結合，其結果也是使cAMP的濃度增加，大量體液分泌進入肺，引起嚴重的咳嗽。,107,在該系統(tǒng)中，細胞外信號要被轉換成胞內的兩個第二信使：IP3和DG(DAG)；又稱

28、為“雙信使系統(tǒng)”(double messenger system)。,3.3.2.2. 磷脂酰肌醇途徑 = PKC途徑,108,109,“雙信使系統(tǒng)”反應鏈 胞外信號分子→G蛋白偶聯(lián)受體→G蛋白→PLC→IP3,,→激活PKC→蛋白磷酸化,→胞內Ca2+濃度升高→Ca2+結合蛋白,DG,110,PKC的激活,111,PKC與基因調控,112,信號的終止?IP3作用的終止 在5’磷酸酶的

29、作用下，IP3水解為IP2，并進一步水解成肌醇。?DG信號的解除 被DG激酶磷酸化，生成磷脂酸(PA)，再進入磷脂酰肌醇循環(huán)。 被DG酯酶水解生成單脂酰甘油。?Ca2+信號解除 胞內Ca2+濃度持久升高, 可激活Ca2+-ATP酶（質膜、內質網膜的鈣泵），從而降低胞質中的 Ca2+。,,113,受體蛋白既是受體又是酶，均為單次跨膜蛋白，一旦被配體激活即具有酶活性并將信號放大，又稱催化

30、受體；主要與細胞生長、分裂有關。,3.3.3 與酶偶聯(lián)的受體,114,受體酪氨酸激酶（形成二聚體活化）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶（異二聚體）受體酪氨酸磷酸酶（單體活化） 受體鳥苷酸環(huán)化酶（單體活化）：將GTP轉化為第二信使cGMP，后者激活蛋白激酶G酪氨酸激酶偶聯(lián)受體（二聚體）,已知5類酶聯(lián)受體：,115,結構◆與配體結合的細胞外結構域； ◆膜內區(qū)具有酪氨酸蛋白激酶的自我催化部位；◆單次跨膜結構域。,RTK-Ras蛋白信號

31、通路,有6個亞族，包括：表皮生長因子受體、胰島素受體等,116,配體的結合導致了兩個單體受體形成一個二聚體，并在細胞內結構域的酪氨酸殘基位點自我磷酸化，其結果是激活了RTK本身；RTK被激活后，可以被含有SH2結構域的胞內其它信號蛋白識別并結合，啟動信號傳導。,?受體酪氨酸激酶(RTK)的激活,117,受體酪氨酸蛋白激酶通過接頭蛋白的連接激活Ras激活蛋白(GRF)；Ras激活蛋白通過替換GDP為GTP，激活Ras。,? Ra

32、s蛋白的激活,GRB-2(growth factor receptor-bound protein 2)是一種接頭蛋白Sos(son of sevenless)是一種鳥苷釋放因子,118,Ras 的信號放大作用,119,RTK- Ras信號通路：,配體→RTK→ adaptor-GRF →Ras→Raf（MAPKKK）→MEK(MAPKK)→MAPK→進入細胞核→轉錄因子→激活靶基因→細胞應答和效應,,鳥苷釋放因子,120

33、,RTK- Ras信號通路,121,整聯(lián)蛋白結構特點：是細胞表面的跨膜蛋白，由α、β兩個亞基組成的異二聚體；屬于細胞表面的粘著因子；整聯(lián)蛋白的胞內部分和肌動蛋白纖維連接，形成粘著斑。粘著斑是復雜的大分子結構，其裝配由整聯(lián)蛋白介導的信號所控制。,3.4 細胞表面整聯(lián)蛋白介導的信號傳遞,122,胞外配體與整聯(lián)蛋白的結合，誘發(fā)了信號通路的產生；關鍵是Rho蛋白的激活，Rho與Ras類似，結合GTP為活性狀態(tài)；Rho激活后，

34、產生兩條信號通路，途徑不同，結果相同，均促進了肌動蛋白纖維的裝配。,? 整聯(lián)蛋白介導粘著斑裝配的信號通路,123,? 整聯(lián)蛋白介導的胞內信號傳遞,124,3.5 細胞信號傳遞網絡的特點,信號的收斂,125,信號的發(fā)散,126,信號的交叉,127,信號網絡,128,多途徑、多層次的細胞信號傳遞通路具有收斂或發(fā)散的特點；細胞的信號轉導既具有專一性又有作用機制的相似性；信號轉導過程具有信號放大作用，但這種放大作用又必須受到適度的調控，這表