1、生 物 化 学浙江大学浙江大学 生命科学学院生命科学学院江江 辉辉1-第七章 生物膜n第一节第一节 生物膜的组成和性质生物膜的组成和性质n第二节第二节 生物膜的分子结构生物膜的分子结构n第三节第三节 被动运输和主动运输被动运输和主动运输n第四节第四节 小分子物质的跨膜运输小分子物质的跨膜运输2-第一节 生物膜的组成和性质n生物膜：是构成细胞所有膜的总称。包括细生物膜：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胞原生质最外面的质膜以及细胞内各种细胞器的内膜。器的内膜。3-生物膜的重要性生物膜的重要性n生物膜的形成对于生物能量的贮存及细胞间的生物膜的形成对于生物能量的贮存
2、及细胞间的通讯起着中心作用。通讯起着中心作用。n膜的生物活性来自于膜自身显著的特性：膜连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。细胞或两个膜状包裹物的融合。4-膜的电镜横切面照片膜的电镜横切面照片细胞体细胞体纤毛纤毛线粒体线粒体消化泡消化泡内质网内质网分泌泡分泌泡5-生物膜的组成生物膜的组成n膜脂膜脂n膜蛋白膜蛋白n糖糖6-一、膜
3、脂一、膜脂n磷脂磷脂n甘油磷脂甘油磷脂n鞘磷脂鞘磷脂n糖脂糖脂n鞘糖脂鞘糖脂n甘油糖脂甘油糖脂n胆固醇胆固醇7-1、磷脂：甘油磷脂、磷脂：甘油磷脂CHCH2H2COOOCORCORPOOO-H2CCNH3+HCOO-CHCH2H2COOOCORCORPOOO-H2CH2CNH3+CHCH2H2COOOCORCORPOOO-H2CH2CN+CH3CH3CH3CHCH2H2COOOCORCORPOOO-HOHHOHHOHHHOOHH磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇不是糖基不是糖基8-磷脂：鞘磷脂磷脂：鞘磷脂(CH2)12H3CCCCHHCHO
4、HCH2HNH3+OH(CH2)12H3CCCCHHCHOHCH2HNHOORPOH2CH2CN+CH3CH3CH3OO-鞘氨醇鞘氨醇神经鞘磷脂神经鞘磷脂9-磷脂是生物膜主要组成部分磷脂是生物膜主要组成部分n磷脂在膜双层的分布不对称磷脂在膜双层的分布不对称10-2、糖脂、糖脂(CH2)12H3CCCCHHCHOHCH2HNHOORORCHCH2H2COOOCORCOROR甘油糖脂甘油糖脂鞘糖脂鞘糖脂n甘油糖脂甘油糖脂n鞘糖脂鞘糖脂11-3、胆固醇、胆固醇n真核细胞的细胞真核细胞的细胞膜中含胆固醇。膜中含胆固醇。n真核细胞的细胞真核细胞的细胞器膜不含胆固醇。器膜不含胆固醇。n酵母和植物中还酵母和
5、植物中还存在麦角甾醇。存在麦角甾醇。胆固醇胆固醇麦角甾醇麦角甾醇12-二、膜蛋白二、膜蛋白1、内嵌蛋白、内嵌蛋白n一个或多个跨膜区域。一个或多个跨膜区域。n与膜脂结合紧密：疏水相互作用。与膜脂结合紧密：疏水相互作用。n不溶于水。不溶于水。n由膜上释放时要用特别的试剂（去由膜上释放时要用特别的试剂（去污剂、有机溶剂、变性剂等）。污剂、有机溶剂、变性剂等）。n嵌入蛋白由膜上释放出来以后，一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。蛋白沉淀（不溶聚积物）析出。红细胞膜血型糖蛋白红细胞膜血型糖蛋白13-n跨膜区域富含疏水性氨基
6、跨膜区域富含疏水性氨基酸，趋向形成酸，趋向形成螺旋和螺旋和折折叠。叠。n螺旋和螺旋和折叠中主链上肽折叠中主链上肽键形成蛋白分子内氢键。键形成蛋白分子内氢键。14-2、外周蛋白、外周蛋白n位于膜双层的表面。位于膜双层的表面。n水溶性蛋白。水溶性蛋白。n与膜结合力：离子键、氢键。与膜结合力：离子键、氢键。n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位点：磷脂极性头部和内嵌蛋白亲水结构域n与膜结合疏松：温度的改变、破坏静电或破坏氢键作与膜结合疏松：温度的改变、破坏静电或破坏氢键作用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变用（如加入螯合剂、尿素、碳酸盐或改变pH）可被释）可被释放出来。放出来。n
7、生理学功能：这些外周蛋白可作为膜结合酶的生理学功能：这些外周蛋白可作为膜结合酶的调节因调节因子子、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的、或作为连接膜内蛋白与胞间结构的中介物中介物。15-外周蛋白外周蛋白嵌入（膜内）蛋白嵌入（膜内）蛋白去污剂去污剂糖蛋白糖蛋白pH改变、螯合改变、螯合剂、尿素、碳剂、尿素、碳酸盐可除去外酸盐可除去外周蛋白周蛋白16-有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上有些外周膜蛋白共价泊锚在膜脂上n有些膜外周蛋白与膜脂有有些膜外周蛋白与膜脂有一个或多个共价结合位点，一个或多个共价结合位点，如长链脂肪酸、或磷脂酰如长链脂肪酸、或磷脂酰肌醇糖基化衍生物。连接肌醇糖基化衍生物。连接的脂提供了一个疏
8、水的锚的脂提供了一个疏水的锚以插入脂双分子层。以插入脂双分子层。磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇17-3、糖、糖n糖脂糖脂n甘油糖脂甘油糖脂n鞘糖脂鞘糖脂n糖蛋白糖蛋白n膜糖蛋白的糖多为氨基糖、乙酰氨基糖膜糖蛋白的糖多为氨基糖、乙酰氨基糖n糖基一般与蛋白天冬酰胺侧链上的酰胺糖基一般与蛋白天冬酰胺侧链上的酰胺N原子、原子、或者丝氨酸或者丝氨酸/苏氨酸侧链上的羟基苏氨酸侧链上的羟基O原子相连原子相连18-第二节 生物膜的分子结构一、生物膜中分子间作用力一、生物膜中分子间作用力n静电力静电力n疏水作用疏水作用n范德华力范德华力19-生物膜的一般特征生物膜的一般特征n纸片样结构，厚度纸片样结构，厚度5 8 nmn
9、含有脂类、蛋白质、糖类含有脂类、蛋白质、糖类n非共价组合体非共价组合体n不对称：膜内外表面所含成分不同不对称：膜内外表面所含成分不同n流动性：侧向扩散、跨层扩散流动性：侧向扩散、跨层扩散n电极性、膜电位电极性、膜电位20-二、膜组分的不对称分布二、膜组分的不对称分布1、膜脂的不对称分布、膜脂的不对称分布n膜脂组成因不同的界、不同的种、不同的组织、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。不同的细胞、不同的细胞器而不同。n膜脂在同一个膜内层和外层的分布不对称。膜脂在同一个膜内层和外层的分布不对称。21-2、膜蛋白的不对称分布、膜蛋白的不对称分布n不同来源膜的蛋白质
10、组成比其脂质组成的变化更大，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，即使有速度也非常定的取向，很少发生翻转的情况，即使有速度也非常慢。慢。n脊椎动物视网膜杆状细胞对于接受光为高度特化，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以上的膜蛋白是光吸收蛋白-视紫红质；特化较低视紫红质；特化较低的红细胞质膜约含的红细胞质膜约含20种显著的蛋白及十几种较少的蛋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，每一种蛋白运输一白，其中多数的
11、蛋白为运输载体，每一种蛋白运输一种跨膜的溶质等。种跨膜的溶质等。22-3、糖的不对称分布、糖的不对称分布n细胞膜和细胞器膜中糖脂和糖蛋白的分布都是细胞膜和细胞器膜中糖脂和糖蛋白的分布都是不对称的。不对称的。23-三、生物膜的流动性三、生物膜的流动性1、膜脂的流动性、膜脂的流动性n虽然脂双层结构的本身是稳定的，但虽然脂双层结构的本身是稳定的，但单个的磷脂单个的磷脂和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由和固醇可在脂质平面内有很大的运动自由，它们，它们的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就可环绕的横向运动很快，几秒之内单个脂分子就可环绕红细胞的一周。红细胞的一周。n双分子的内部也是流动的，脂肪酸的碳氢链
12、可通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。过碳碳旋转而不断地运动。n另外一种运动就是跨双分子层运动，即另外一种运动就是跨双分子层运动，即flip-flop。24-温度引起侧温度引起侧链热运动链热运动脂双层平面脂双层平面的扩散的扩散跨膜扩散：跨膜扩散：“翻跟头翻跟头”25-n膜流动的程度依赖于脂的组成及温度，低温下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，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。运动增加，膜由晶态向液态转变
13、。n不饱和脂肪酸含量越高，流动性越强。在低温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。下，细菌细胞膜中不饱和脂肪酸含量升高。26-2、膜蛋白的运动性、膜蛋白的运动性n膜蛋白的侧向扩散膜蛋白的侧向扩散27-四、四、“流体镶嵌流体镶嵌”结构模型结构模型n骨架：脂质双分子层，主要是磷脂和固醇，非极性部分骨架：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；相对构成双分子层的核心，极性的头部朝外；n膜蛋白：内嵌蛋白跨越整个膜；外周蛋白伸出膜的一面膜蛋白：内嵌蛋白跨越整个膜；外周蛋白伸出膜的一面或另一面；或另一面；n不对称性：脂质和蛋
14、白质在脂双分子层中的分布不对称。不对称性：脂质和蛋白质在脂双分子层中的分布不对称。n流动性：膜蛋白在双分子层上可以自由扩散，但是不能流动性：膜蛋白在双分子层上可以自由扩散，但是不能翻转。翻转。28-29-第三节 被动运输和主动运输生物膜的主要功能：生物膜的主要功能：n能量转换能量转换n物质运输物质运输n信息识别与传递信息识别与传递30-n所有生物细胞都要所有生物细胞都要从环境获得原材料从环境获得原材料为其生物为其生物合成和能量消耗，同时还需合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物释放其代谢物到环到环境中去。境中去。n质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸
15、、无机离子等进入细胞。无机离子等进入细胞。n有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被们是被“泵泵”入细胞的，同样一些分子是被入细胞的，同样一些分子是被“泵泵”出细胞的。出细胞的。31-溶质通过透过性膜的移动溶质通过透过性膜的移动不带电不带电带电带电32-跨膜转运的类型跨膜转运的类型转运类型转运类型是否需要是否需要转运蛋白转运蛋白是否消是否消耗能量耗能量被动转运被动转运（passive transport）简单扩散简单扩散（simple diffusion）否否否否疏水性小分子（疏水性小分子（相似相相似相溶溶）、水分子）、水分子促进扩散促进扩散（fa
16、cilitated diffusion）是是否否通道蛋白：极性分子或通道蛋白：极性分子或离子，离子，顺电化学梯度顺电化学梯度主动转运主动转运（active transport）是是是是“泵泵”：极性分子或离：极性分子或离子，子，逆电化学梯度逆电化学梯度33-n被动转运总是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累。被动转运总是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累。n主动运输总是逆浓度梯度运输，引起主动运输总是逆浓度梯度运输，引起物质的积累物质的积累。n主动运输直接或间接地依赖于一些主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程放能过程，非热力学自，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、动发生，往往伴随
17、有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其水解或其他顺浓度梯度的运输。他顺浓度梯度的运输。n一级主动转运中，物质的积累直接与放能反应（如一级主动转运中，物质的积累直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接）相连接n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。顺浓度梯度运输。34-两种类型的主动转运两种类型的主动转运n一级主动转运：直接一级主动转运：直接消耗能量，如消耗能量，如ATP。n二级主动转运：转运二级主动转运：转运目标分子（目标分子（S）的能）的能量来源于另一种物质量来源于另一种物质（X）主动转运产生）主动转运产生的的电
18、化学梯度。电化学梯度。35-转运蛋白的类型转运蛋白的类型n单向转运蛋白单向转运蛋白n偶联转运蛋白偶联转运蛋白同向转运蛋白同向转运蛋白反向转运蛋白反向转运蛋白36-第四节 小分子物质的跨膜运输n葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白nHCO3- Cl-交换体交换体n转运转运ATP酶酶nNa+-葡萄糖同向转运蛋白葡萄糖同向转运蛋白37-一、葡萄糖转运蛋白一、葡萄糖转运蛋白n葡 萄 糖 是 重葡 萄 糖 是 重要能量物质要能量物质n葡 萄 糖 转 运葡 萄 糖 转 运速率曲线速率曲线转转 运运 速速 度度被转运分子的浓度被转运分子的浓度简单扩散简单扩散促进扩散促进扩散38-葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白n内嵌蛋
19、白内嵌蛋白n单向转运蛋白单向转运蛋白n葡萄糖的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量葡萄糖的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量39-葡萄糖转运蛋白构象的改变葡萄糖转运蛋白构象的改变1. D-Glc与与T1构象特异结合，构象特异结合，构象改变降低活化能构象改变降低活化能2. T1构象转变为构象转变为T2构象，影构象，影响响Glc跨膜通道跨膜通道3. Glc由由T2构象释放到胞质构象释放到胞质4. T2构象变回构象变回T1构象构象0. 结合葡萄糖之前为结合葡萄糖之前为T1构象构象40-葡萄糖转运蛋白具有底物专一性葡萄糖转运蛋白具有底物专一性n对对D-葡萄糖，葡萄糖，Kt=1.5 mMn对对L-葡萄糖，
20、葡萄糖，Kt=3 M41-二、二、 HCO3- Cl-交换体交换体n内嵌蛋白内嵌蛋白n偶联转运蛋白、反向转运蛋白偶联转运蛋白、反向转运蛋白nHCO3-的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量的转运从高浓度到低浓度，无需消耗能量42-1、呼吸组织产生的、呼吸组织产生的CO2由血浆进入红细胞由血浆进入红细胞2、在红细胞中、在红细胞中转化为转化为HCO3-3、HCO3-回到血浆回到血浆中被运输到肺组织中被运输到肺组织4、在肺中、在肺中HCO3-重回红细胞重回红细胞5、 HCO3-被被转化为转化为CO26、CO2被缓慢呼出被缓慢呼出n血液中血液中HCO3-比比CO2的溶解度大，这种变化增加的溶解度大，这种
21、变化增加了由组织到肺的了由组织到肺的CO2运输的血容量运输的血容量43-nHCO3-Cl-交换体也被称为阴离子交换蛋白，交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加可增加HCO3-对红细胞膜的透过，这一系统也对红细胞膜的透过，这一系统也被称为协同运输系统。被称为协同运输系统。nCl-不存在时，不存在时，HCO3- 不被转运。不被转运。nHCO3-被排出红细胞的同时，被排出红细胞的同时，Cl-进入红细胞，进入红细胞，避免电荷改变。避免电荷改变。44-三、转运三、转运ATP酶酶1、P型型ATP酶（酶（Na+K+-ATP酶）酶）n哺乳动物：哺乳动物： 负责负责H+和和K+-的跨膜转运的跨膜转运n高等植物和霉
22、菌：高等植物和霉菌：H+泵出细胞，产生跨膜的泵出细胞，产生跨膜的pH梯度和电位差梯度和电位差n细菌：排出有毒重金属离子细菌：排出有毒重金属离子45-P型型ATP酶酶n内嵌蛋白内嵌蛋白n偶联转运蛋白、反向转运蛋白偶联转运蛋白、反向转运蛋白nNa+和和K+的转运从低浓度到高浓度，消耗能量的转运从低浓度到高浓度，消耗能量46-n动物细胞与环境相比：动物细胞与环境相比： Na+低，低，K+高高n转运过程中转运过程中Na+和和K+必须同时存在，必须同时存在，Mg2+是水解是水解ATP所必须的所必须的47-1、转运蛋白为构象、转运蛋白为构象I，结合细胞，结合细胞内的内的3个个Na+2、ATP水解为水解为A
23、DP，释放的能量，释放的能量使转运蛋白磷酸化，变为构象使转运蛋白磷酸化，变为构象II3、结合的、结合的3个个Na+被释放到细胞外被释放到细胞外4、转运蛋白结合细胞外的、转运蛋白结合细胞外的2个个K+5、转运蛋白去磷酸化，变回到构、转运蛋白去磷酸化，变回到构象象I6、结合的、结合的2个个K+被释放到细胞内被释放到细胞内P型型ATP酶酶转运蛋白构象的改变转运蛋白构象的改变48-三种转运三种转运ATP酶结构酶结构49-2、 V型型ATP酶酶n真核生物液泡膜中真核生物液泡膜中n真菌和高等植物：利用胞质真菌和高等植物：利用胞质ATP作为能量，将作为能量，将H+泵入细胞内的液泡内泵入细胞内的液泡内n 液泡
24、中液泡中pH = 36；细胞质中；细胞质中pH = 7.550-3、 F型型ATP酶酶nH+可逆可逆的跨膜转运。的跨膜转运。nH+顺电化学梯度转运时，顺电化学梯度转运时，ADP转化为转化为ATP， F型型ATP酶也称酶也称ATP合成酶。合成酶。nH+逆电化学梯度转运时，消耗逆电化学梯度转运时，消耗ATP。51-四、四、Na+-葡萄糖同向转运蛋白葡萄糖同向转运蛋白（1）葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白被动转运被动转运葡萄糖葡萄糖无需能量无需能量（2）Na+K+-ATP酶酶主动转运主动转运Na+和和K+消耗能量（消耗能量（ATP）（3）Na+-葡萄糖同向转运葡萄糖同向转运蛋白蛋白主动转运主动转运Na+
25、和葡萄糖和葡萄糖消耗能量（消耗能量（ Na+和跨和跨膜电势位）膜电势位）小肠上皮细胞小肠上皮细胞52-Na+和葡萄糖进入上皮细胞和葡萄糖进入上皮细胞所需能量来源于：所需能量来源于：n胞外胞外Na+浓度高于胞内；浓度高于胞内；n内负的跨膜电势位内负的跨膜电势位Na+和葡萄糖的转运：和葡萄糖的转运：n同向转运同向转运n主动转运主动转运53-n葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运蛋白n被动转运中性分子被动转运中性分子n单向转运单向转运nHCO3- Cl-交换体交换体n被动转运离子被动转运离子n偶联转运蛋白偶联转运蛋白n反向转运蛋白反向转运蛋白54-nP型型ATP酶酶n一级主动转运一级主动转运nNa+-葡萄糖同向葡萄糖同向转运蛋白转运蛋白n二级主动转运二级主动转运55-针对转运蛋白的抗生素针对转运蛋白的抗生素n离子载体：携带离子沿浓度梯度方向穿过质膜，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破坏二级主动转运和能量守恒反应n缬氨霉素，结合缬氨霉素，结合K+n莫能菌素，结合莫能菌素，结合Na+56-Summaryn生物膜的组成：膜脂、膜蛋白生物膜的组成：膜脂、膜蛋白n生物膜的结构生物膜的结构n生物膜的流动性生物膜的流动性n跨膜转运：被动转运（简单扩散、促进扩散）、跨膜转运：被动转运（简单扩散、促进扩散）、主动转运主动转运n主动转运所需能量来源主动转运所需能量来源57-
