生物膜的结构和功能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物膜结构与功效西北农林科技大学生命科学学院许晓东.10Mobile:[phone]E-mail:硕士硕士高级生物化学第1页l生物膜（biomembrane）包含质膜和细胞内膜，是极性脂与蛋白质组成片状超分子复合物，含有独特结构与功效，是细胞结构主要组成部分。生物膜与生命科学中许多基本理论问题以及一些亟待处理实际问题相关，如细胞起源、形态发生、细胞分裂、分化、细胞识别、免疫、物质运输、信息传递、代谢调控、能量转换、肿瘤发生以及药品和毒物作用等等。膜系统占细胞干重70-80%第2页第3页本章内容1.生物膜功效概述2.生物膜化学组成与性质3.生物膜结构4.物质跨膜运输5.生物膜在能量转换中功效第4页1 生物膜功效概述1.区隔化或房室化（compartmentalization）2.物质跨膜运输（transport）3.能量转换（energyconversion）4.细胞识别（cellrecognition）第5页1.区隔化或房室化（compartmentalization）内膜结构将细胞分隔成若干独立空间。在每一个膜包裹空间聚集着特定种类生物大分子，共同完成着某一项特定生命活动。如细胞核主要进行DNA复制和转录等；而线粒体主要进行呼吸作用，提供能量；溶酶体则负责将一些吸收或损伤大分子降解为能够利用小分子等等。第6页实际上，除了生物膜区隔化之外，细胞中还有其它机制使生理路径在空间上隔离开来。SpatialdistributionofRNApolymerase(RNAP)inEscherichia coli.(A)Underfastgrowth,distinctfociofGFP-labeledRNAPcanbeseen.(B)Uponrifampicintreatment,RNAPdistributionbecomesmorehomogenous.TrendsGenet.Jul;30(7):287-97第7页2.物质跨膜运输（transport）生物膜既要预防细胞与环境之间以及细胞内各房室之间物质自由混合，又要维持各区间物质有控制地交流。第8页3.能量转换（energyconversion）a.线粒体b.叶绿体c.“能势膜”第9页c.“能势膜”示例第10页4.细胞识别（cellrecognition）细胞经过其表面特殊受体与胞外信号物质分子或配体选择性地相互作用，触发细胞内一系列生理生化改变，最终造成细胞总体生物学效应对应改变，这么过程称为细胞识别。第11页Fig.2.Cell surface lectincarbohydrateinteractions.Lectins serve asmeans of attachment of differentkindsofcellaswellasvirusestoothercellsviathesurfacecarbohydrates of the latter.Insome cases,cell-surface lectinsbindparticularglycoproteins(e.g.,asialoglycoproteins),whereas inothercasesthecarbohydratesofcellsurfaceglycoproteinsorglycolipids serve as sites ofattachment for biologically activemolecules that themselves arelectins(e.g.carbohydrate-specificbacterial and plant toxins,orgalectins).Based on an originaldiagram from BioCarbAB(Lund,Sweden).Glycobiology()14(11):53R-62R.第12页2 生物膜化学组成与性质l全部生物膜都含有双亲性，即两侧亲水表面中间夹着疏水关键。生物膜全部组分有规则地排列以维持这种双亲结构。l生物膜三种基本组分是：脂类、蛋白质和糖（以糖脂或糖蛋白形式存在）。第13页2.1膜脂l组成生物膜脂类有磷脂(phospholipids)、糖脂(glycolipids)、类固醇(steroids)等。l其中磷脂为主要组分，分布广泛。磷脂主要是甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。第14页2.1.1磷脂（phospholipids,PL）l甘油磷脂（phosphoglycerides）：第15页l鞘氨醇磷脂（sphingophospholipids）：鞘氨醇sphingosine神经酰胺ceramide胆碱Choline鞘氨醇-1-磷酸是一个主要信号脂类分子。第16页磷脂酰胆碱鞘磷脂甘油磷脂和鞘磷脂脂肪链长度不一样，造成以鞘磷脂为主双层膜较厚，或鞘磷脂疏水长链深入膜脂双分子层两个半叶之间，从而显著地增强膜刚性和稳定性。天然膜中PC+Sph为常数，年轻组织中PC/Sph1，老化组织中PC/Sph1.第17页l磷脂中脂肪酰链：酯酰基含12-26个碳原子；包含0-5个双键；双键多为顺式构型。第18页顺式构型不饱和脂肪酸造成分子覆盖面积增大第19页EuropeanJournalofPharmacologyVolume691,Issues13,15September,Pages18Fig.1.PhospholipidhydrolysisbyphospholipaseA2(PLA2)intolyso-phospholipids(Lyso-PL)andfreefattyacids(FFA).Xstandsfor:choline(phosphatidylcholine,PC);ethanolamine(phosphatidylethanolamine,PE);serine(phosphatidylserine,PS);inositol(phosphatidylinositol,PI),hydrogen(phosphatidicacid,PA).Lyso-PLisprecursorofplateletactivatingfactor(PAF).只有一条酯酰基烃链溶血磷脂（Lyso-PL）呈圆锥体，可能形成非脂双分子层构象，进而调整膜通透性和流动性。第20页SnakepresynapticneurotoxinswithphospholipaseA2activityblocknerveterminalsinanunknownway.Here,weproposethattheyenterthelumenofsynapticvesiclesfollowingendocytosisandhydrolysephospholipidsoftheinnerleafletofthemembrane.ThetransmembranepHgradientdrivesthetranslocationoffattyacidstothecytosolicmonolayer,leavinglysophospholipidsonthelumenallayer.Suchvesiclesarehighlyfusogenicandreleaseneurotransmitteruponfusionwiththepresynapticmembrane,butcannotberetrievedbecauseofthehighlocalconcentrationoffattyacidsandlysophospholipids,whichpreventsvesicleneckclosure.TrendsBiochemSci.Jun;25(6):266-70.PLA2第21页l磷脂电荷特征：极性头由带负电荷磷酸基与带电或不带电极性基团组成，决定整个磷脂电荷特征。磷酸基带负电，胆碱季铵盐带正电，使磷脂酰胆碱在生理pH下呈电中性。第22页生理状态下，磷脂在膜内外分布不均衡使膜内侧带有额外负电荷。第23页C激酶作用路径可见磷脂酰肌醇磷酸化产物在其中饰演主要角色磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二酰基甘油肌醇-1,4,5-三磷酸一些磷脂还含有主要生物学活性第24页2.1.2糖脂（glycolipids）l糖脂与磷脂有几乎完全相同结构形式，也是二酰甘油或N-酰基鞘氨醇衍生产物，所不一样是亲水部分是由一系列单糖残基组成。甘油糖脂二酰甘油糖基化产物中性糖鞘脂神经酰胺糖基化产物酸性糖鞘脂膜糖脂分类第25页甘油糖脂糖鞘脂第26页(A)MGDG(monogalactosyldiacylglycerol,单半乳糖二酰基甘油).(B)DGDG(digalactosyldiacylglycerol,双半乳糖二酰基甘油).(C)SQDG(sulfoquinovosyldiacylglycerol,6-磺基-D-异鼠李糖二酰基甘油).叶绿体被膜和类囊体膜中含量较高。BiochimieVolume90,Issue6,June,Pages947956甘油糖脂第27页中性糖鞘脂：半乳糖脑苷脂(galactocerebroside)脑苷脂是动植物细胞膜重主要鞘脂，普通定为于脂双层外叶第28页酸性糖鞘脂：神经节苷脂(gangliosides,GM)神经节苷脂是最复杂膜糖脂，约占神经细胞质膜总脂5-10%。一些神经节苷脂还是一些毒素蛋白（破伤风杆菌和霍乱弧菌外毒素）受体。第29页NatCommun.;4:2058.doi:10.1038/ncomms3058.肉毒杆菌毒素B与双受体结合结构第30页糖鞘脂决定了人血型第31页2.1.3类固醇（steroids）胆固醇(cholesterol)在动物细胞中占总脂可达50%谷固醇(sitosterol)麦角固醇(ergosterol)1918带短链环戊烷多氢菲组成扁平疏水部分第32页l类固醇是动植物细胞膜重要组分，对膜特征产生显著影响。一方面提高膜刚性和微粘度，其次它烃链固有运动型又能增加膜局部微区无序性，使膜流动性增加。l类固醇对膜这种双向调整和稳定作用使生物膜在较宽温度范围（30-40）内行使功能。第33页小结：小结：据预计生物膜中脂类最少有100种，在不一样类型细胞质膜和细胞内膜体系中，各种膜脂组成和含量各不相同。第34页2.1.4膜脂组织多态性第35页l液晶相凝胶相第36页温度改变使脂双层在凝胶态和液晶态之间转换第37页l六角形相立方体相第38页JCellBiol.Jun19,;173(6):839844.Identification of cubic membrane morphologies in TEM micrographs.TwoexamplesoftheDTCmethod,appliedtoTEMimagesofOSER(adoptedfromSnappetal.,).(a)TheoriginalTEMmicrograph(Snappetal.,Fig.2c)matchesperfectlytothetheoreticalsuperimposedprojectionsofbalanced(2-parallelsurfaces)gyroidcubicmembranes,asdepictedinb.Asterisksindicateoneofthemulticontinuous,yetdistinct,subvolumesofcubicmembranearchitecture.Adoublediamondprojection(c)matchestheTEMmicrograph(d)adoptedfromFig.7bofSnappetal.,().Thearrowsinaanddindicatethecontinuityofonecubicmembranesubvolume(betweencloselyarrangedbilayers)andthecytoplasm(Cy).SignaturepatternsofthetheoreticalprojectionareindistinguishabletotheelectrondensitypatternoftheTEMmicrographs.Thesimulatedprojectionsaregeneratedfromsectionswithathicknessof1/4ofaunitcell,viewedalongthedirection36,30,17forgyroid(b)and28,16,5fordoublediamond-type(c).Theunitcellisthesmalleststructuralunitthatpossessesthesymmetryandpropertiesofcubicmembranes.Bars:(a)100nm;(d)160nm.第39页2.2膜蛋白l不一样生物膜中蛋白质种类和数量有很大差异（髓鞘膜25%，细胞质膜50%，线粒体内膜75%）。l生物膜功效主要由膜蛋白负担。膜蛋白和膜脂分子共同维持膜完整性、多样性和不对称性。膜蛋白功效不但取决于本身固有结构，生物膜组成特殊环境对膜蛋白形成并保持正确构象起着不可或缺作用。第40页l按照膜蛋白与脂双层结合方式，膜蛋白可分为：整合蛋白（1、2）外周蛋白（5、6）锚定蛋白（3、4）第41页2.2.1整合(integral)蛋白或内在(intrinsic)蛋白l主要靠疏水力与膜脂相结合。有部分嵌在脂双层中（占少数），有横跨全膜（一次或屡次，占多数）。l膜内在蛋白不易分离，只有用较猛烈条件（如去垢剂、有机溶剂和超声波等）才能把它们溶解下来。InsideOutside第42页一个经典一次穿膜蛋白黄色和绿色是疏水氨基酸每次跨膜螺旋由20-30个氨基酸残基组成3-4.5nm氨基酸序列疏水性分析其结果与穿膜区域吻合第43页其它跨膜结构-桶（孔蛋白）兼性-螺旋组成亲水通道第44页2.2.2外周(peripheral)蛋白或外在(extrinsic)蛋白l分布于膜脂双层（外层或内层）表面，经过静电力或非共价键与其它膜蛋白相互作用连接在膜上。l膜周围蛋白质比较易于分离，经过改变离子强度或加入金属螯合剂即可提取。红细胞中骨架膜蛋白第45页2.2.3脂锚定(lipid-anchored)蛋白l脂锚定蛋白(lipid-anchored)又称脂连接蛋白(lipid-linkedprotein)，经过共价健方式同脂分子结合。同脂结合有两种方式，一个是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一个方式是蛋白并不直接同脂结合，而是经过一个糖分子间接同脂结合。第46页l当前已知有4种常见脂锚定蛋白：棕榈酰结合蛋白豆蔻酰结合蛋白异戊烯基化蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白第47页l棕榈酰结合蛋白(palmitoylatedproteins)肽链C-末端附近Cys-SH残基与棕榈酰以硫酯键结合，极少数为肽链N-末端Gly残基氨基以酰胺键与棕榈酰结合。第48页IntracellularpalmitoylationdepalmitoylationcycleofH-RasandN-Ras.BothH-Ras(red)andN-Ras(purple)canbecomepalmitoylatedintheGolgiapparatusbyatransmembranePalmitoyl-Acyl-Transferase(PAT).PalmitoylatedH-RasandN-Rasthentraffictowardtheplasmamembraneusingvesiculartransport.PalmitoylatedH-RascantranslocatetolipidraftswhereaspalmitoylatedN-Rastypicallybecomesenrichedinlipidraftboundaries.TheactionofanAcylProteinThioesterase(APT)depalmitoylatesH-RasandN-RaswhichcantrafficinaretrogrademannertowardendomembranesandtheGolgiapparatuswheretheybecomerepalmitoylated(pleaseseetextfordetails).BiochimicaetBiophysicaActa(BBA)-BiomembranesVolume1808,Issue12,December,Pages29812994Ras:AllRasproteinfamilymembersbelongtoaclassofproteincalledsmallGTPase,andareinvolvedintransmittingsignalswithincells第49页l豆蔻酰结合蛋白(myristoylatedproteins)豆蔻酰结合于蛋白质N-末端，要求蛋白质N-末端必需有特定氨基酸序列(1Gly-5Ser/Thr)。豆蔻酰化不可逆。能够磷酸化，磷酸化是可逆。第50页第51页lMyristoylation plays a vital role in membrane targeting and signal transduction in plant responses to environmental stress.lIn signal transduction via G protein,palmitoylation of the subunit,prenylation of the subunit,and myristoylation is involved in tethering the G protein to the inner surface of the plasma membrane so that the G protein can interact with its receptor.Cell.Signal.Vol.8,No.6,pp.433-437,1996第52页l异戊烯基化蛋白(prenylatedproteins)蛋白质C-末端-CaaX（C：Cys，a：脂肪族氨基酸，X：Ser/Met/Gln）序列中Cys残基以硫醚键共价连接法尼基或牻牛儿牻牛儿基。之后，aaX被蛋白酶切除，新生成羟基被甲基化。第53页Post-translationalprenylationofeukaryoticproteins.ProteinsthatcontainaC-terminalCaaXmotifarerecognizedbyprenyltransferases(FTase,GGTasesIandGGTaseII).TheXresidueoftheCaaXmotifdeterminestheprenylgrouptobelinkedtotheconservedcysteineresidue:Ala,Ser,CysorGlnleadtofarnesylationbyFTase,whereasforLeuorVal,geranylgeranylislinkedtotheCaaXmotifbyGGTaseI.Moreover,whenXisThr,Ile,PheorMet,theproteinmaybemodifiedbybothGGTases.Afteradditionofaprenylgroupinthecytoplasm,theaaXtripeptideiscleavedintheERbyRCE1protease,whichisfollowedbyadditionofamethylgrouptotheprenylatedcysteinebytheenzymeIcmT.TheprenylatedproteinissubsequentlytargetedfromtheERtospecificmembranes.TrendsinMicrobiology,Volume19,Issue12,573-579,11October第54页CaaXproteinS-farnesylationandS-geranylgeranylation(top).RabproteindualS-geranylgeranylation(bottom).第55页G-蛋白中异戊烯基化Cell.Signal.Vol.8,No.6,pp.433-437,1996第56页第57页l糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-Pr）这类蛋白完全定位于细胞质膜外表面，它们C-末端氨基酸经过酰胺键与磷酸乙醇胺相连。第58页第59页第60页lPrionAttachedtoMembranebyGPIAnchorImageCourtesy:NatureReviewsMicrobiology4,765-777(October)PrionProtein第61页2.3膜糖l质膜含糖约占膜重2-10%，多为糖蛋白，少数为糖脂。（红细胞质膜中，糖蛋白为93%，糖脂为7%）l组成生物膜寡糖单糖主要有9种：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、木糖、葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖胺和唾液酸。l生物膜上糖类几乎都定位于膜非胞浆面，在质膜外侧形成细胞外被或糖萼。第62页糖萼（glycocalyx）第63页lThegp120moleculewiththelocationofthevariableregionsmarkedinboxes(V1V5).Theglycosylationsitescontaininghighmannose-typeand/orhybrid-typeoligosaccharidestructuresareindicatedbythebranchedstructures,andglycosylationsitescontainingcomplex-typeoligosaccharidestructuresareindicatedbytheU-shapedbranches.Epitopesingp120thatinduceneutralizingantibodiesarehighlightedincolour.TheseincludethehighlyconformationalCD4-bindingdomain(keyepitopeshighlightedinyellow),theCD4-inducedepitope(green),anepitopecomposedofalpha1rightarrow2mannoseresidues(purple),theV2loop(orange)andtheV3loop(blue).ReproducedwithpermissionfromRef.63(1990)AmericanSocietyforBiochemistryandMolecularBiology.NatureReviewsImmunology4,199-210(March)gp120高度糖基化使HIV能逃避宿主免疫系统第64页3 生物膜结构l1895年Overton发觉脂肪物质轻易透过植物细胞膜，推测细胞膜由连续脂类物质组成。lE.Gorter&F.Grendel1925年用有机溶剂提取了人红细胞质膜脂类成份，将其铺展在水面，测出膜脂展开面积二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成。lJ.Danielli&H.Davson1935年发觉质膜表面张力比油水界面张力低得多，推测膜中含有蛋白质，并于1959年提出“三明治”式结构。lJ.D.Robertson1959年用超薄切片技术取得了清楚细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，1964年提出了单位膜（unitmembrane）模型。l1972年S.JonathanSinger和GarthL.Nicolson依据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术结果，提出了“流体镶嵌模型”。第65页3.1生物膜“流体镶嵌”模型l极性脂双分子层组成生物膜基本构架，膜蛋白镶嵌在其中。l生物膜是由极性脂和蛋白分子按二维排列流体，膜结构组分在其中能够移动并聚集组装。（流动性）l生物膜中蛋白质分布不对称，有镶嵌在脂双层表面，有则部分或全部嵌入脂双层内部，有则横跨整个膜。（不对称性）第66页第67页3.2生物膜结构主要特征l“流体镶嵌”模型即使得到比较广泛支持，一直不失为膜生物学关键原理，但仍存在许多不足l人们越来越关注与多样性细胞功效和状态相适应膜结构多样性、多形性和不对称性以及动态特征。第68页3.2.1膜不对称性l膜脂、膜蛋白膜脂、膜蛋白和糖糖在膜上均呈不对称分布，造成膜功效不对称性和方向性，即膜内外两层流动性不一样，使物质传递有一定方向，信号接收和传递也有一定方向。l膜脂不对称性：膜脂不对称性：脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜内外两侧分布磷脂含量百分比也不一样。第69页膜脂不对称性是由酶来维系第70页AnnexinV是一个分子量为3536kDaCa2+依赖性磷脂结合蛋白，与磷脂酰丝氨酸有高度亲和力。PI(碘化丙啶,PropidiumIodide)是一个可对DNA染色细胞核染色试剂。膜不对称性改变与细胞凋亡第71页流式细胞术第72页脂筏（脂筏（lipid raft）是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂微结构域。因为鞘磷脂含有较长饱和脂肪酸链，分子间作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体。脂筏就像一个蛋白质停泊平台，与膜信号转导、蛋白质分选都有亲密关系。膜脂不对称性还表现在膜表面含有胆固醇和鞘磷脂等形成微结构域脂筏。第73页Hierarchyofraft-basedheterogeneityincellmembranes.(A)Fluctuatingnanoscaleassembliesofsterol-andsphingolipid-relatedbiasesinlateralcomposition.Thissphingolipid/sterolassemblagepotentialcanbe accessed and/or modulated by GPI-anchored proteins,certain TM proteins,acylatedcytosoliceffectors,andcorticalactin.Grayproteinsdonotpossessthechemicalorphysical specificity to associate with thismembrane connectivity and are considerednon-raft.GPL,glycerophospholipid;SM,sphingomyelin.(B)Nanoscaleheterogeneityis functionalized to larger levels by lipid-and/or protein-mediated activation events(e.g.,multivalent ligand binding,synapseformation,proteinoligomerization)thattriggerthecoalescenceofmembraneorderforminglipids with their accompanying selectivechemicalandphysicalspecificitiesforprotein.This level of lateral sorting can also bebuttressedbycorticalactin.(C)Themembranebasisforheterogeneityasrevealed by the activation of raft phasecoalescenceatequilibriuminplasma-membrane spheres.Separated from theinfluenceofcorticalactinandintheabsenceofmembranetraffic,multivalentclusteringofraftlipidscanamplifythefunctionalleveltoamicroscopic membrane phase.Membraneconstituentsarelaterallysortedaccordingtopreferencesformembraneorderandchemicalinteractions.Science1January:Vol.327no.5961pp.46-50第74页l膜蛋白不对称性：膜蛋白不对称性：膜蛋白不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都含有明确方向性和分布区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定分布区域。l糖不对称性：糖不对称性：不论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜外表面，这些成份可能是细胞表面受体，而且与细胞抗原性相关。第75页3.2.2生物膜流动性l流动性是生物膜最主要特征之一，包括膜脂流动性和膜蛋白流动性。l膜脂流动性：在生理条件下，质膜大多呈液晶相，当温度降低至变相温度（Tc）时，即从液晶相转变为凝胶相。单组分膜变相温度很狭窄，而由各种膜脂组成生物膜变相温度范围可宽达几十度。胆固醇对变相温度影响是双方面。第76页1.侧向扩散：同一平面上相邻脂分子交换位置。2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行快速旋转。3.摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行左右摆动。4.伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5.翻转运动：膜脂分子从脂双层一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）催化下完成。6.旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，造成异构化运动。第77页第78页l膜蛋白流动性：主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。膜保持适当流动性是表现正常功效必要条件，如物质跨膜运输、细胞识别、细胞免疫、细胞分化和信号转导等，均与膜流动性相关。第79页3.3膜蛋白三维结构l研究表明，各种生物基因组编码蛋白质约有25%是膜蛋白，而膜蛋白70-80%是整合蛋白l测定膜蛋白三维结构非常困难。至今只有少数膜整合蛋白得到了三维结构数据，比如嗜盐菌菌紫质（bacteriorhodopsin）。第80页嗜盐菌菌紫质三维结构示意图左：视紫质亚单位由248个氨基酸残基做成，7次跨膜右：膜上视紫质亚基是以三聚体形式存在第81页http:/blanco.biomol.uci.edu/mpstruc/第82页http:/blanco.biomol.uci.edu/mpstruc/MEMBRANEPROTEINSOFKNOWN3DSTRUCTURE第83页第84页第85页第86页3.4人工膜（artificiallipidmembrane）l人工膜含有生物膜基本结构特点和一些理化性质，是硕士物膜结构与功效关系基本模型。l最能代表生物膜结构特征人工膜是单分子层膜、双分子层膜和脂质体。l平面双分子膜第87页l脂质体（liposomes）第88页Liposomes are often distinguished according to their number of lamellae and size.Smallunilamellarvesicles(SUV),largeunilamellarvesicles(LUV)andlargemultilamellarvesicles(MLV)ormultivesicularvesicles(MVV)aredifferentiated.SUVsshowadiameterof20toapproximately100nm.LUVs,MLVs,andMVVsrangeinsizefromafewhundrednanometerstoseveralmicrons.Thethicknessofthemembrane(phospholipidbilayer)measuresapproximately5to6nm.http:/ 物质跨膜运输l细胞或细胞器需要经常与外界进行物质交换以维持其正常功效。l细胞或细胞器经过生物膜，从膜外选择性地吸收所需要养料，同时也要排出不需要物质。l在各种物质跨膜转运过程中，细胞膜起着主要调控作用。第92页真核细胞物质跨膜运输第93页4.1小分子物质跨膜运输l跨膜运输小分子物质包含代谢物、辅因子、金属离子、气体分子和药品等，按照物质运输时自由能改变情况，基本上能够划分为被动运输和主动运输两大类。第94页4.1.1被动运输（passivetransport）l物质从高浓度一侧经过膜运输到低浓度一侧，即顺浓度梯度方向跨膜运输过程称被动运输。在该过程中G0。l简单扩散（simplediffusion）即物质经由亲水通道或膜脂流动造成在分子间瞬时出现微孔，从高浓度一侧自由扩散到低浓度一侧。简单扩散示意图第95页l促进扩散（facilitateddiffusion）糖、氨基酸、核苷酸、羧酸等代谢物和金属离子，能以比简单扩散快得多速率顺着浓度梯度跨膜运输，这是因为膜上有帮助其经过特异运输蛋白，所以成为促进扩散。l参加促进扩散有门通道和载体蛋白。第96页两种控制类型门通道（gatedchannels）第97页与通道不一样，载体蛋白（carrierproteins）并未在膜上形成跨膜通道。载体蛋白能特异地与某种物质暂时性可逆结合，经过引发构象改变，把物质从浓度高一侧运到膜另一侧。线粒体内膜ATP/ADP交换第98页离子载体（ionophores）是一类可溶于脂双层小分子疏水物质，它们经过增加脂双层对离子透性以被动运输方式运输离子。分为移动性离子载体和形成通道离子载体。缬氨霉素Valinomycin短杆菌肽Gramicidin第99页短杆菌肽A运输示意图第100页4.1.2主动运输（activetransport）l细胞经常逆着浓度梯度选择性地吸收或排出一些物质，同时伴随能量消耗，称为主动运输。l特点：1.需要供给能量；2.专一性；3.运输速率可到达“饱和”状态；4.方向性；5.选择性抑制。l主动运输可再划分为初级主动运输、次级主动运输和基团转移。第101页l初级主动运输（primaryactivetransport）系统直接经过ATP等高等化合物提供能量，推进离子和一些代谢物运输。Na-K泵工作原理第102页l次级主动运输（secondaryactivetransport）系统并不直接经过水解ATP提供能量来推进，而是依赖于以离子梯度形式贮存能量。第103页l有些细菌摄入糖时需进行磷酸化反应，以糖-磷酸形式进入细胞，称为基团转移（grouptranslocation）。第104页第105页4.2大分子物质跨膜运输l以蛋白质为例，蛋白质跨膜运输有三种不一样基本路径：1.孔门运输（gatedtransport）；2.跨膜转位（transmembranetranslocation）；3.泡囊运输（vesicletraffic）。第106页翻译转运同时机制翻译后转运机制第107页4.2.1新生肽链经由内质网膜转位l粗糙型内质网上核糖体合成蛋白质可分为两类：一类是跨膜蛋白，一类是可溶蛋白。l这类蛋白质新生肽链N-端有引导其跨越内质网膜信号肽粗糙型内质网分泌蛋白分泌蛋白分泌蛋白分泌蛋白驻留蛋白驻留蛋白驻留蛋白驻留蛋白可溶性蛋白可溶性蛋白可溶性蛋白可溶性蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白屡次跨膜蛋白屡次跨膜蛋白屡次跨膜蛋白屡次跨膜蛋白第108页l信号肽特点：1015个疏水氨基酸；N端有带正电荷氨基酸；C端靠近切割点处有数个极性氨基酸；离切割点最近氨基酸往往带有很短侧链（Ala,Gly）。第109页不一样氨基酸序列作为分选信号决定蛋白质运输方向第110页新生蛋白质经过同时转运路径进入内质网内腔主要过程第111页第112页内部开始转运肽带电状态决定了穿膜蛋白方向第113页几个不一样穿膜实例第114页4.2.2蛋白质跨膜转位进入线粒