第二章之二和三膜功能

1、細胞的生理功能細胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能(Membrane Transport)一個進行著新陳代謝的活細胞，不斷有各種各樣的物質(zhì)通過細胞膜進出細胞：從形態(tài)看：離子、小物質(zhì)、蛋白質(zhì)等大以及團塊狀固形物、液滴；從性質(zhì)看：各種供能物質(zhì)、細胞新物質(zhì)的原料、中間代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物、vitamin、O2、CO2，以及Na+、K+、Ca2+等。而細胞膜是由脂質(zhì)雙層的。Powered by random movement of molecules in a solution; Net movement is from regions of high concentrat on to low（從高濃度到低濃度）;D

2、oes not saturate as the concentrat on or gradient changes（不飽和）;Diffusion of different substances do not interfere w th eachother (no competit on)（無競爭）.Net flux (amount of movement) is proportional to the concentration difference and the permeabil ty of any barrier like a membrane（凈擴散與濃度差和膜通透性成比例）. S

3、ubstances can cross membranes by diffusion if they can dissolve in the oily interior of the membrane(hydrophob c)Diffusion can occur through tight junctions or within bulk solutions.Diffusion of water down its concentration gradient is called一、單純擴散（Simple Diffusion）概念:由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的現(xiàn)象。特點: 擴散速率高無飽

4、和不依靠特殊膜蛋白質(zhì)的“幫助”不需另外消耗能量擴散通量與濃度梯度和膜通透性呈正相關(guān)（膜對各種物質(zhì)的通透性取決于其脂溶性、小和帶電情況）。例如：O2、CO2、乙醚和乙醇等少數(shù)幾種。大osmosis.（極性、過細胞膜）小、不帶電荷。單純擴散和水通道透中國藥科大學：菡資料二、易化擴散(Facilitated Diffusion)概念: 一些非脂溶性或脂溶解度甚小的物質(zhì),在特殊膜蛋白質(zhì)的“幫助”下,由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程。分類:1. 經(jīng)載體介導的易化擴散(via carrier)2. 經(jīng)通道介導的易化擴散(-through ion channel)O2o O2iCO2i CO2o第二章

5、 細胞、基本組織及運動系統(tǒng)生理教研室藥學醫(yī)學基礎(chǔ)實驗教學示范中心dqlcpu中國藥科大學：菡右旋葡萄糖載體（D-glucose carrier）或葡萄糖轉(zhuǎn)運體（glucose transporter）：5 subtypes：GLUT1-5GLUT1：RBC、brain and kidney492個氨基酸，12個螺旋。其中1、2、3、5、7、8、11為雙嗜性螺旋（amphipathic helice,含少量絲aa、蘇aa、谷氨酰胺、天冬酰胺等）。它們可能共同可供葡萄糖轉(zhuǎn)運的，或其中的親水性殘基的側(cè)鏈與葡萄糖中的羥基形成氫鍵。Symport (cotransport) carriers bind

6、two dissimilar solutes (substrates) & transport them together across a membrane.UniportSymportAntiport AABABTransport of the two solutes is obligatorily coupled. A gradient of one substrate, usually an ion, may drive uphill (against the gradient) transport of a co-substrate.Examples: glucose-Na+

7、 symport, in plasma membranes of some epithelial cells bacterial lactose permease, a H+ symport carrier.Classes of carrier proteinsUniport (facilitated diffusion) carriers mediate transport of a single solute.An example is the GLUT1 glucose carrier.The ionophore valinomycin(纈氨霉素)is also a uniport ca

8、rrier.UniportSymportAntiport AA BAB特 點:需依靠特殊膜蛋白質(zhì)的“幫助”順濃度差轉(zhuǎn)運，不需另外消耗能量化學選擇性（chemical specificity 特殊膜蛋白質(zhì)本身有結(jié)構(gòu)特異性）飽和性（saturation,結(jié)合位點是有限的）競爭性抑制（competitive inhibition經(jīng)同一特殊膜蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運）1.經(jīng)載體介導的易化擴散： Glucose、 Amino acid特點：a. 跨膜轉(zhuǎn)運速度快（108個離子，載體轉(zhuǎn)運：103-105個離子）b. 離子選擇性（ionic selectivity): 分為Na+channel、K+channel、Ca2+

9、channel等c. 門控特性（gating）：通道內(nèi)的一個或兩個“”樣結(jié)構(gòu)，著通道的開放和關(guān)閉。分為電壓門控通道（voltage-gated ion channel） 化學門控通道(chemically-gated ion channel)機械門控通道(mechanically-gated ion channel)中國藥科大學：菡Channels that are proteinsCellular channels usually consist of large protein complexes with multiple transmembrane a-helices.Control

10、of channel gating is a form of allosteric(變構(gòu)) regulation. Conformational changes associated with channel opening may be regulated by:w Voltagew Binding of a ligand (a regulatory molecule)w Membrane stretch (e.g., via link to cytoskeleton)With voltage clamped at some value, current (ion flow through

11、the membrane) fluctuates.Each fluctuation, attributed to opening or closing of one channel, is the same magnitude.The current increment corresponds to current flow through a single channel (drawing - not actual data).ion flow through one channeltimeIon Channelsconformation changeclosedopenChannels c

12、ycle between open & closed conformations.When open, a channel provides a continuous pathway through the bilayer, allowing flux of many ions.2.經(jīng)通道介導的易化擴散：Na+、K+、Ca2+等Antiport (exchange diffusion) carriers exchange one solute for another across a membrane.Usually antiporters exhibit "ping pon

13、g" kinetics.mitochondrial matrixATP 4-ADP 3-adenine nucleotide translocaseA substrate binds & is transported. Then another substrate binds & is transported in the other direction.Only exchange is catalyzed, not net transport.The carrier protein cannot undergo the conformational transiti

14、on in the absence of bound substrate.Example: Adenine nucleotide translocase (ADP/ATP exchanger) catalyzes 1:1 exchange of ADP for ATP across the inner mitochondrial membrane.電壓門控Na+通道其開放和關(guān)閉受膜內(nèi)外兩側(cè)電位差a、b1、b2三個亞a亞形成：共1820個氨基酸a. 形成4個氨基酸排列順序相似的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。b. 每個結(jié)構(gòu)域：6個a跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5與S6之間的胞外環(huán)內(nèi)向折疊選擇性。內(nèi)壁，并決定離子c.

15、谷aa取代1422位的賴aa和1714位的丙aa，則通道選擇性由Na+改變?yōu)镃a2+。d.S4中含有帶正電荷的精aa和賴aa，此段對膜電位變化敏感voltage sensor壓門控性Na+通道結(jié)構(gòu)示意圖電A：亞平面結(jié)構(gòu)示意圖；B：4個結(jié)構(gòu)域在通道中位置N2型乙酰膽堿受體陽離子通道由化學物質(zhì)其的開、閉的通道稱為化學門控通道（ chemically-gated ion channel ）或配體門控通道（ligand-gated ion channel）。N2型Ach受體陽離子通道（N2-Ach receptor cation channel) :5個亞：a2、b、g、d呈梅花狀排列；有4個跨膜螺旋

16、（M1-4）；（Ø=0.65nm）的內(nèi)壁；每個亞5個M2每個M2 a螺旋的兩端（ 電的谷氨酸和門冬氨酸；每個a的N端都有一個與Ach結(jié)合位點。內(nèi)）有帶負N -型Ach門控通道蛋白結(jié)構(gòu)示意圖A：5個亞B：5個亞C：各個亞及其螺旋；組成通道樣結(jié)構(gòu)； 在通道結(jié)構(gòu)中的位置中國藥科大學：菡資料水通道（water channel）A：丙氨基酸N：天冬氨基酸P：脯氨基酸已鑒定出10種水孔蛋白（aquaporin,AQP0-9）;每種的組織分布與功能不同：AQP1-RBC和腎小管； AQP2-集合管；AQP0-晶狀體。AQP1:每個亞有6個跨膜螺旋（M1-6）。前半部：M1-3；后半部：M4-6。結(jié)

17、構(gòu)相同， 反。在M2與M3間的胞內(nèi)環(huán)和M5與M6間的胞外環(huán)上冬氨酸、脯氨酸和丙氨酸motif）。這兩個基序是形成的NPA基序（NPA的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。AQP1亞結(jié)構(gòu)跨膜物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)運原理示意圖三、主動轉(zhuǎn)運(Active Transport)概念:或離子逆濃度梯度或電位梯度的轉(zhuǎn)運過程特點:需要消耗能量,能量由分解ATP來提供依靠特殊膜蛋白質(zhì)(泵)的“幫助”是逆電-化學梯度進行的例如:Na+、K+、Ca2+、H+、I-、Cl-、葡萄糖、氨基酸。最重要且研究較充分的是Na+、K+ 的轉(zhuǎn)運，依靠鈉泵（ Na+、K+依賴式ATP酶）中國藥科大學：菡資料當Na+i/K+o激活分解ATP產(chǎn)生能量2K+泵至細胞

18、內(nèi);3Na+泵至細胞外維持Na+o高、K+i高原先的不均勻分布狀態(tài)20%-30%能量用于鈉-鉀泵的轉(zhuǎn)運，是組織具有興奮性的基礎(chǔ)。通道轉(zhuǎn)運與鈉-鉀泵轉(zhuǎn)運模式圖Na+-K+泵又稱Na+-K+-ATPase，簡稱鈉泵。當 Na+i K+o時， 都 可 被 激活， ATP 分解 產(chǎn) 生 能量，將胞內(nèi)的3 個Na+ 移至胞外和將胞外的 2 個K+移入胞內(nèi)。（4）入胞和出胞出胞：指細胞把成塊的內(nèi)容物由細胞內(nèi)排出的過程。主要見于細胞的過程：如激素、神經(jīng)遞質(zhì)消化液的。入胞: 指細胞外的大物質(zhì)或團塊進入細胞的過程。分 為：吞噬=轉(zhuǎn)運物質(zhì)為固體; 吞飲=轉(zhuǎn)運物質(zhì)為液體。中國藥科大學：菡資料高爾基復合體囊泡向質(zhì)膜內(nèi)

19、側(cè)移動囊泡膜與質(zhì)膜的某點接觸并融合融合處出現(xiàn)裂口物排出囊泡的膜成為細胞膜的組成部分膜性結(jié)構(gòu)包被=囊泡粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白性物細胞膜上的受體對物質(zhì)的“辨認”發(fā)生特異性結(jié)合=復合物復合物向膜表面的“有被小窩”移動“有被小窩”處的膜凹陷凹陷膜與細胞膜斷離=吞食泡吞食泡與胞內(nèi)體的膜性結(jié)構(gòu)相融合繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（Secondary Active Transport） 間接利用ATP能量的主動轉(zhuǎn)運過程。 見前面的轉(zhuǎn)運載體。 如：Na+-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體：小腸黏膜上皮細胞；Na+-Ca2+交換體：心肌細胞Active TransportS1Side 1ADP + PiS2ATPSide 2Active transp

20、ort enzymes couple net solute movement across a membrane to ATP hydrolysis.An active transport pump may be a uniporter or an antiporter.ATP-dependent ion pumps are grouped into classes, based on transport mechanism, genetic & structural homology.復習思考題4、細胞膜的脂質(zhì)雙層是( A )A. 細胞內(nèi)容物和細胞環(huán)境間的屏障B. 細胞接受外界和其他

21、細胞影響的門戶C.離子進出細胞的通道D.受體的主要成分E.抗原物質(zhì)1、簡述細胞膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運有哪些方式？2、Na+-K+泵的作用意義？3、在一般生理情況下,每分解一可使( D )A.2個鈉離子移出膜外B.2個鉀離子移入膜內(nèi)ATP,鈉泵運轉(zhuǎn)5、葡萄糖進入紅細胞膜是屬于( C ) A.單純擴散B.主動轉(zhuǎn)運C.易化擴散D.入胞作用E.吞飲C.2個鈉離子移出膜外,同時有2個鉀離子移入膜內(nèi)D.3個鈉離子移出膜外,同時有2個鉀離子移入膜內(nèi)E.2個鈉離子移出膜外,同時有3個鉀離子移入膜內(nèi)中國藥科大學：菡資料細胞功能細胞的跨膜信號傳遞功能(Signal Transduction) 細胞外信號：神經(jīng)遞質(zhì)（neuro

22、transmitter）激素（hormone）細胞因子（cytokine）等。其中：脂溶性水溶性：進入細胞作用于胞內(nèi)受體：作用于細胞膜受體一、離子通道介導的跨膜信號傳導(Signal Transduction mediated by ion channel)（一）化學門控通道：a2bgs（ a與Ach結(jié)合）（二）電壓門控通道：神經(jīng)、肌細胞。（三）機械門控通道：如內(nèi)耳毛細胞。入胞出胞（一） Chemically-gated ion channelN2-Ach receptor cation channel) :（二） Voltage-gated ion channela. 4個氨基酸排列順序相似

23、的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。b. 每個結(jié)構(gòu)域：6個a跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5與S6之間的胞外環(huán)內(nèi)向折疊并決定離子選擇性。內(nèi)壁，c.谷aa取代1422位的賴aa和1714 位的丙aa，則通道選擇性由Na+改變?yōu)镃a2+。d.S4中含有帶正電荷的精aa和賴aa，此段對膜電位變化敏感voltage sensor中國藥科大學：菡資料(二)、 G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號傳導(Signal Transduction Mediated by G Protein-linked Receptor)組成：1、 G蛋白耦聯(lián)受體2、G蛋白3、效應(yīng)蛋白（酶或通道）二、受體介導的跨膜信號傳遞(Signal Transduction

24、 mediated by receptor)(一)離子通道藕聯(lián)受體介導的信號傳遞(二) G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號傳遞(三)酶藕聯(lián)受體介導的信號傳遞Chemically-gated ion channel化學性胞外信號(ACh)ACh + 受體=復合體通道變構(gòu)=離子通道開放Na+內(nèi)流終板膜電位骨骼肌收縮 5個亞:a2、b、g、d梅花狀排列； 每個亞有4個跨膜螺旋(M1-4)； 5個M2(Ø=0.65nm)的內(nèi)壁； 每個M2 a螺旋的兩端（） 有帶負電的谷氨酸和門冬氨酸； 每個a的N端都有一個與Ach結(jié)合位點。G蛋白耦聯(lián)受體a.最大的細胞表面受體（s uperfamily）： 300種以

25、上以被克??；如腎上腺素能受體、 膽堿能受體、5-HT受體及多數(shù)肽類激素的受體。b.7 次跨膜受體（7-spanning receptor）；c. 識別配體、與配體結(jié)合部位不同：小大配體的結(jié)合部位在跨膜螺旋；配體的結(jié)合部位在受體N-端。d. 結(jié)合并激活G-蛋白的部位：在受體胞漿側(cè)：胞內(nèi)III環(huán)或I、II和7-a處。中國藥科大學：菡資料G 蛋白: （G protein或（GTP-binding protein） 20種以上。 a、b、g三個亞 G蛋白未激活時，GDP與a結(jié)合 GTP與a結(jié)合有活性。 G蛋白可分為Gs (stimulatory G protein)和Gi (inhibitory G

26、protein)。人腎上腺素能b2受體結(jié)構(gòu)模式圖G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號傳導的主要過程中國藥科大學：菡資料第二信使（secondmessenger）：實驗：腎上腺素與肝組織切片孵育，可增加糖原磷酸化酶活性，導致肝糖原分解；但加入磷酸化酶或磷酸化酶激酶中，不能增加酶活性。說明：epinephrine是先作用于細胞膜，在胞漿中生成一種小 物質(zhì)（cAMP），然后才激活上述酶的。cAMP:IP3: inositol triphosphate DG: diacylglycerolcGMP: cyclic guanosine monophosphateCa2+:蛋白激酶（protein kinase）：可

27、被第二信使激活。 根據(jù)底物不同，分為：絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶：多酪氨酸蛋白激酶：少，下一個信號傳導途徑中 根據(jù)激活它們的第二信使不同，分為：依賴于cAMP的蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase,or protein kinase A, PKA)依賴于Ca2+的蛋白激酶（or protein kinase C, PKC）G-蛋白效應(yīng)器（G-protein effector）1. 離子通道：直接或間接調(diào)控離子通道的活動。2. 酶：催化生成第二信使。包括腺苷酸環(huán)化酶（adenylate cyclase,AC） 磷脂酶C（phospholipase,PLC）依賴于cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase,PDE） 磷脂酶A2(phospholipase A2)G蛋白激活過程示意圖幾種主要的信號傳導方式： cAMP-PKA途徑：Gs，Gi IP3-Ca途徑：Gq-PLC-PIP2-IP3-IP3受體- Ca2+ DG-PKC途徑：DG激活PKC，后者使底物蛋白磷酸化 G蛋白-離子通道途徑：KAch通道KCa2+通道中國藥科大學：菡（三） 酶