物質跨膜運輸翟中和細胞生物學

1、關于物質的跨膜運輸翟中和細胞生物學第一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 膜轉運蛋白與物質的跨膜運輸一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白 細胞內外的離子差別分布主要由兩種機制作控制：1.取決于一套特殊的膜轉運蛋白的活性；2.取決于質膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征。組分細胞內濃度/（mmol . L-1）細胞外濃度/（mmol . L-1）陽離子Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+7 10-8 （pH7.2）4 10-8 （pH7.4）陰離子Cl-5-15110固定的陰離子高0典型哺乳類細胞內外離子濃度的比較第二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022

2、年6月一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白 載體蛋白 通道蛋白 通道蛋白與載體蛋白的異同第三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月、載體蛋白結構:多次跨膜的整合性膜蛋白機制:通過構象的改變介導與之結合的溶質分子的跨膜轉運特征:如同酶具有特異性結合位點,具有高度的選擇性一次只能與膜一側的一種溶質結合,經構象變化轉運溶質轉運過程具有類似于酶與底物作用的飽和動力學特征 與酶不同對轉運的溶質分子不作任何的共價修飾 載體蛋白-通透酶（permease）：既可被底物類似物競爭性地抑制，又可被某種抑制劑非競爭性抑制以及對pH有依賴性等。 第四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 載體蛋白的類型 介導被動運輸

3、 易化轉運蛋白:不與能量釋放體系相偶聯，主要介導協助擴散（易化擴散），物質跨膜運動可以在任一方向發(fā)生。介導主動運輸（激活轉運蛋白） ATP驅動泵蛋白:離子泵的主要成分,由ATP直接水解供能，單方向逆著濃度梯度運送離子。 協同轉運蛋白：利用儲存在一種溶質（離子）電化學梯度中的自由能來轉運另外一種溶質，單方向逆著濃度梯度運送離子。 光驅動泵蛋白:利用光能，單方向逆著濃度梯度轉運質子。第五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月、通道蛋白 通道蛋白的結構 通道蛋白的特征 通道蛋白的類型第六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月結 構 通道蛋白形成跨膜的離子選擇性通道。 對離子的選擇性依賴于通道的直

4、徑和形狀以及通道內襯帶電荷氨基酸的分布。 它所介導的被動運輸不需要與溶質分子結合，只有大小和電荷適宜的離子才能通過。 第七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月特 征具有極高的轉運速率 驅動帶電荷離子的跨膜轉運動力來自溶質的濃度梯度和跨膜電位差兩種力的合力跨膜的電化學梯度，運輸方向順電化學梯度進行。離子通道沒有飽和值 即使在很高的離子濃度下它們通過的離子量依然沒有最大值。是非連續(xù)性開放, 而是門控的，即離子通道的活性由通道開或關兩種構象調節(jié)。通道打開時，同時結合膜兩側的離子 .第八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月類 型 電壓門通道帶電荷的蛋白結構域會隨跨膜電位梯度的改變發(fā)生相應位移。

5、 配體門通道細胞內外的某些小分子配體與通道蛋白結合繼而引起通道蛋白構象的改變。 應力激活通道通道蛋白感應應力而改變構象，從而開啟通道形成離子流，產生信號。第九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月、通道蛋白與載體蛋白的異同主要不同在于它們以不同的方式辨別溶質，即決定運輸某些溶質而不運輸另外的溶質：1. 通道蛋白：根據溶質大小和電荷進行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，那么足夠小的和帶有適當電荷的分子或離子就能通過。2. 載體蛋白：只容許與載體蛋白上結合部位相適合的溶質分子通過，而且載體蛋白每次轉運都發(fā)生自身構象的改變。第十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月二、被動運輸與主動運輸 被動運輸（p

6、assive transport） 主動運輸（active transport）物質的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎之一 第十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月二、被動運輸與主動運輸概念 被動運輸：是指通過簡單擴散或協助擴散實現物質由高濃度向低濃度方向的跨膜轉運。 轉運的動力來自物質的濃度梯度，不需要細胞提供代謝能量。類型 簡單擴散（simple diffusion） 水孔蛋白（aquaporin,AQP) 協助擴散（facilitated diffusion） 第十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月(一) 簡單擴散 疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子進行跨膜轉運時，不

7、需要細胞提供能量，也無需膜蛋白的協助，因此稱為簡單擴散。 不同小分子物質跨膜轉運的速率差異極大不同分子的通透系數有很大區(qū)別。人工脂雙層膜對不同分子的相對透性 不同分子通過人工脂雙層膜滲透系數第十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月決定通透性的因素 其通透性主要取決于分子的大小和分子的極性： 小分子比大分子容易穿膜 非極性分子比極性分子容易穿膜 帶電荷的離子跨膜需要更高的自由能無膜蛋白的人工脂雙層對帶電荷的離子是高度不透的。 第十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月為什么具有極性的水分子容易穿膜？ 可能是因為水分子非常小，可以通過由于膜質運動而產生的間隙的緣故。 但是，速度緩慢。水分

8、子快速跨膜運動是以何種方式實現的？ 水孔蛋白 第十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月(二) 水孔蛋白 水孔蛋白的發(fā)現 水孔蛋白的結構 水孔蛋白的選擇性 第十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月水孔蛋白的發(fā)現 長期以來, 普遍認為細胞內外的水分子是以簡單擴散的方式透過脂雙層膜。后來發(fā)現某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高, 很難以簡單擴散來解釋。 例如，將紅細胞移入低滲溶液后，很快吸水膨脹而溶血，而水生動物的卵母細胞在低滲溶液不膨脹。 因此，人們推測水的跨膜轉運除了簡單擴散外, 還存在某種特殊的機制, 并提出了水通道的概念。第十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 1988年

9、Agre在分離純化紅細胞膜上的Rh血型抗原時，發(fā)現了一個疏水性跨膜蛋白，稱為CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)。1991年得到CHIP28的cDNA序列，Agre將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，并于5分鐘內破裂，純化的CHIP28置入脂質體，也會得到同樣的結果。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制，而這是已知的抑制水通透的處理措施。這一發(fā)現揭示了細胞膜上確實存在水通道，Agre因此而與離子通道的研究者共享2003年的諾貝爾化學獎。 目前在人類細胞中已發(fā)現的此類蛋白至少有10種，

10、被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP） 第十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月水孔蛋白的結構水孔蛋白是由四個亞基組成的四聚體。每個亞基由6個跨膜螺旋組成，相對分子質量為28 000。每個水孔蛋白亞基單獨形成一個供水分子運動的中央孔。中央孔的直徑稍大于水分子的直徑，約0.28 nm，水孔長約為2 nm。 第十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月水孔蛋白的選擇性 水孔蛋白形成對水分子高度特異的親水通道，只容許水而不容許離子或其他小分子溶質通過。 源于通道內高度保守的氨基酸殘基側鏈與通過的水分子形成氫鍵。 源于非常狹窄的孔徑。 第二十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月(

11、三) 協助擴散概念： 各種極性分子和無機離子，如糖、氨基酸、核苷酸以及細胞代謝物等順其濃度梯度或電化學梯度減小方向的跨膜轉運。 該過程不需要細胞提供能量，這與簡單擴散相同，因此兩者都稱為被動運輸。 但在協助擴散中，物質跨膜轉運需要特異性的膜轉運蛋白“協助” ，從而使其轉運速率增加，轉運特異性增強。第二十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 絕大多數哺乳類細胞都是利用血糖作為細胞的主要能源，人類基因組編碼12種與糖轉運相關的載體蛋白GLUT1 GLUT12，構成葡萄糖載體（GLUT）蛋白家族。(三) 協助擴散 用紅細胞和肝細胞設計葡萄糖攝取實驗，發(fā)現由GLUT蛋白所介導的細胞對葡萄糖的攝取

12、表現酶動力學基本特征，與簡單擴散相比極大地提高了攝入速率。第二十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月特征：葡萄糖載體介導的協助擴散比簡單擴散轉運速率高。 膜轉運蛋白協助的結果與酶催反應相似,存在最大的轉運速率，因此可用達到最大轉運速率一半時的葡萄糖濃度作為其Km值，用以衡量某種物質的轉運速率。 膜轉運蛋白的數量有限。在一定限度內運輸速率同物質濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結合位點已達飽和。比較不同分子的Km值，可以發(fā)現不同載體蛋白對溶質的親和性不同。 實驗還發(fā)現，不同的載體蛋白具有的轉運特異性溶質的偏好性。 (三) 協助擴散第二十三張，PPT共五

13、十頁，創(chuàng)作于2022年6月、主動運輸定義：是由載體蛋白所介導的物質逆濃度梯度或電化學梯度由濃度低的一側向高濃度的一側進行跨膜轉運的方式。類型（根據能量來源）：ATP直接供能(ATP驅動泵)、ATP間接提供能量(耦聯轉運蛋白) 、光能驅動 Fig. 驅動主動運輸的三種類型第二十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月Fig. Na+-K+泵的結構與工作模式示意圖1. 由ATP直接提供能量的主動運輸鈉鉀泵ATP催化位點結構：（MW=120,000Da）+（MW=50,000Da）Na+-K+泵功能：維持細胞內低Na+高K+的離子環(huán)境存在：一切動物細胞的細胞膜上，植物細胞、真菌、細菌上沒有。第二十

14、五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 由ATP直接提供能量的主動運輸鈣泵和質子泵結構：與Na+-K+泵的亞基同源 MW=100,000Da， 每一泵單位中有10個跨膜螺旋，其中3個螺 旋與跨越脂雙層的中央通道相連。Ca2+泵功能：在肌質網內儲存Ca2+調節(jié)肌細胞的收縮與舒張工作原理：Ca2+泵：是由1000個氨基酸殘基組成的多肽構成的跨膜蛋白。 Ca2+泵工作與ATP的水解相偶聯，每消耗一個ATP分子轉運出兩個Ca2+。鈣泵主要存在于細胞膜和內質網膜上，它將Ca2+輸出細胞或泵入內質網腔中儲存起來，以維持細胞內低濃度的游離Ca2+。在Ca2+處于非磷酸化狀態(tài)時，2個通道螺旋中斷形成胞

15、質側結合2個Ca2+的空穴，ATP在胞質側與其結合位點結合，伴隨ATP水解使相鄰結構域天冬氨酸殘基磷酸化，從而導致跨膜螺旋重排。跨膜螺旋的重排破壞Ca2+結合位點并釋放Ca2+進入膜的另一側。第二十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月質子泵功能：建立H+電化學梯度，驅動轉運溶質進入細胞種類（1）P型質子泵：結構與Na+-K+泵和Ca2+泵結構類似，在轉運H的過程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核細胞的細胞膜上。（2）V型質子泵：存在于動物細胞溶酶體膜和植物細胞液泡膜上，轉運H+過程中不形成磷酸化的中間體，稱v型質子泵，其功能是從細胞質基質中泵出H+進入細胞器，有助于保持細胞質基質中性pH

16、和細胞器內的酸性pH。 （3）H+ - ATP酶:存在于線粒體膜、植物類囊體膜和多數細菌質膜上，以相反的方式發(fā)揮生理作用H+順濃度梯度運動，將所釋放能量與ATP合成偶聯起來：線粒體氧化磷酸化葉綠體光合磷酸化第二十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.耦聯轉運蛋白 耦聯轉運蛋白介導各種離子和分子的跨膜運動。這類轉運蛋白包括2種基本類型：同向轉運蛋白和反向轉運蛋白。由于這兩類轉運蛋白能同時轉運兩種不同的溶質，所以又稱為協同轉運蛋白。 和ATP驅動泵直接利用水解ATP提供的能量不同，協同轉運蛋白同時轉運兩種不同溶質，所利用的能量儲存在其中一種溶質的電化學梯度中，在動物細胞的質膜上，Na+是常

17、用的協同轉運離子，它的電化學梯度為另一種分子的主動運輸提供驅動力。3.光驅動泵 光驅動泵主要在細菌細胞中發(fā)現，對溶質的主動運輸與光能的輸入相耦聯。第二十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 協同轉運概念 由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協同作用，靠 間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。類型與機制 根據物質運輸方向與離子順電化學梯度的轉移方向的關系，協同轉運又可分為： 同向轉運:物質運輸方向與離子轉移方向相同（圖示） 反向轉運:物質跨膜轉運的方向與離子轉移的方向相反 如：動物細胞常通過Na+驅動的Na+/H+反向轉運的方式來轉運H+以調節(jié)細胞內的pH。 第二十九張，PPT共五十頁，

18、創(chuàng)作于2022年6月同向轉運 反向轉運第三十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 離子跨膜轉運與膜電位膜電位：細胞膜兩側各種帶電物質形成的電位差的總和。靜息電位：細胞在靜息狀態(tài)下的膜電位。動作電位：在刺激作用下產生行使通訊功能的快速變化的膜 電位。 極化：靜息電位是細胞膜內外相對穩(wěn)定的電位差，質膜內為負值，質膜外為正值，這種現象又稱極化。 第三十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月靜息電位的產生 靜息電位主要是由質膜上相對穩(wěn)定的離子跨膜運輸或離子流形成的。過程： Na+K+泵的工作使細胞內外的Na+和K+濃度遠離平衡態(tài)分布，胞內高濃度的K+是細胞內有機分子所帶負電荷的主要平衡者。處于

19、靜息狀態(tài)的動物細胞，質膜上許多非門控的K+滲漏通道通常是開放的，而其他離子通道卻很少開放。所以靜息膜允許K+通過開放的滲漏通道順電化學梯度流向胞外。隨著正電荷轉移到胞外而留下胞內非平衡負電荷，結果是膜外陽離子過量和膜內陰離子過量，從而產生外正內負的靜息膜電位。第三十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月動作電位的產生 當細胞接受刺激信號(電信號或化學信號)超過一定閾值時，電壓門Na+通道將介導細胞產生動作電位。 過程：細胞接受閾值刺激，Na+通道打開，引起Na+通透性大大增加，瞬間大量Na+流人細胞內，致使靜息膜電位減小乃至消失，即為質膜的除極化過程。當細胞內Na+進一步增加達到Na+平衡

20、電位，形成瞬間的內正外負的動作電位，稱質膜的反極化，動作電位隨即達到最大值。只有達到一定的刺激閾，動作電位才會出現。在Na+大量進入細胞時，K+通透性也逐漸增加，隨著動作電位出現，Na+通道從失活到關閉，電壓門K+通道完全打開，K+流出細胞從而使質膜再度極化，以至于超過原來的靜息電位，此時稱超極化。超極化時膜電位使K+通道關閉，膜電位又恢復至靜息狀態(tài)。第三十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié)、胞吞作用與胞吐作用作用：完成大分子與顆粒性物質的跨膜運輸，又稱膜泡運輸或批量運輸（bulk transport）。屬于主動運輸。過程 胞吞作用:將細胞外營養(yǎng)物質等攝取到細胞內，以維持細胞正常

21、的代謝活動。 胞吐作用：將細胞內合成的功能分子（蛋白質和脂質等）和代謝廢物送到細胞外。第三十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）胞吞作用胞飲作用吞噬作用胞吞作用液體物質胞飲泡固體物質吞噬泡胞吞泡胞吞作用的類型胞吞作用：是通過細胞質膜內陷形成囊泡，稱胞吞泡，將 外界物質裹進并輸入細胞的過程。第三十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）胞吞作用2.胞飲作用與吞噬作用主要有三點區(qū)別第三十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）胞吞作用3.受體介導的胞吞作用 根據包吞的物質是否有專一性，可將胞吞作用分為受體介導的包吞作用和非特異性的包吞作用。 受體介導的包吞作用是大多數動

22、物細胞通過網格蛋白有被小泡從胞外基質攝取特定大分子的有效途徑。第三十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）胞吞作用3.受體介導的胞吞作用 胞內體（endosome）及其分選作用 在受體介導的胞吞作用過程中，不同類型的受體具有不同的胞內體分選途徑：大部分受體返回它們原來的質膜結構域。有些受體不能再循環(huán)而是進入溶酶體被消化。有些受體被運至質膜不同的結構域，該過程成為轉胞吞作用。第三十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）胞吐作用 組成型胞吐途徑（constitutive exocytosis pathway）所有真核細胞途徑：高爾基體反面網管區(qū)（TGN） 分泌囊泡向質膜流動并與

23、之融合 連續(xù)分泌過程 用于質膜更新（質膜外周蛋白、胞外基質組分、營養(yǎng)或信號分子）第三十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）胞吐作用調節(jié)型胞吐途徑（regulated exocytosis pathway） 特化的分泌細胞 途徑： 分泌細胞產生分泌物儲存在分泌泡內 胞外信號刺激分泌泡與質膜融合內含 物釋放。第四十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月本章小結膜轉運蛋白與物質的跨膜運輸一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白載體蛋白、通道蛋白、通道蛋白與載體蛋白的異同二、被動運輸與主動運輸被動運輸：簡單擴散、水孔蛋白、協助擴散主動運輸：鈉鉀泵、鈣泵和質子泵、協同轉運（同向轉運、反向轉 運）、離子跨膜轉運與膜電位（靜息電位、動作電位）第四十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月本章小結胞吞作用與胞吐作用一、胞吞作用1. 胞吞作用的類型：胞飲作用、吞噬作用2.胞飲作用與吞噬作用主要有三點區(qū)別 胞吞泡的大小、轉運方式、胞吞泡形成機制3.受體介導的胞吞作用二、胞吐作用組成型胞吐途徑調節(jié)型胞吐途徑第四十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月載體蛋白通過構象改變介導溶質被動運輸的模型第四十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月同向轉運Fig. 小腸上皮細胞吸收葡萄糖示意圖：葡萄糖分子通過Na+驅動