細胞生物學-物質(zhì)跨膜運輸

1、關(guān)于細胞生物學-物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝粡?，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 細胞膜是細胞與細胞外環(huán)境之間一種選擇性通透屏障，它既能保障細胞對基本營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝產(chǎn)物或廢物的排除，以能調(diào)節(jié)細胞內(nèi)離子濃度，使細胞維持相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。因此，物質(zhì)的跨膜運輸對細胞的生存和生長至關(guān)重要。防止細胞外物質(zhì)自由進入細胞的屏障，它保證了細胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，使各種生化反應(yīng)能夠有序運行。第二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞靠主動運輸建立和維持各種離子在細胞內(nèi)的不同濃度這些離子的濃度差異對于細胞的生存和行使功能至關(guān)重要。第三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取細胞信號轉(zhuǎn)

2、導細胞滲透壓的維持細胞能量轉(zhuǎn)換中ATP的產(chǎn)生神經(jīng)元的可興奮性第四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、被動運輸（passive transport）（一）簡單擴散 simple diffusion（二）協(xié)助擴散 facilitated diffusion二、主動運輸（active transport）ATP直接供能ATP間接提供能量光能驅(qū)動三、胞吞與胞吐作用 第五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、被動運輸（passive transport）特點：運輸方向；跨膜動力；能量消耗；類型：簡單擴散（simple diffusion） 協(xié)助擴散（facilitated diffus

3、ion） 是通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運。第六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月非電解質(zhì)通過擴散跨過細胞質(zhì)膜必須具備兩個條件:第一，該物質(zhì)在細胞外的濃度很高;第二，細胞質(zhì)膜必須對這種物質(zhì)具有通透性。膜對某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個條件之一：(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過脂雙層，或(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過的跨膜孔道。 第七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 是指物質(zhì)沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程，通常把這種過程稱為簡單擴散。（一）簡單擴散(diffusion)這種移動方式是單個分子的隨機運動，無論開始的濃度有多高，擴散的

4、結(jié)果是兩邊的濃度達到平衡。雖然這種移動不需要消耗能量，主要是依靠擴散物質(zhì)自身的力量，但從熱力學考慮，它利用的是自由能。如果改變膜兩側(cè)的條件，如加熱或加壓，就有可能改變物質(zhì)的流動方向，其原因就是改變了自由能。所以，擴散是物質(zhì)從自由能高的一側(cè)向自由能低的一側(cè)流動。第八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月FIG.不同分子對人工脂雙層膜的相對透性 不需要細胞提供能量，也沒有膜蛋白的協(xié)助，因此稱為簡單擴散（simple diffusion) 疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子以簡單的擴散方式跨膜轉(zhuǎn)運第九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月簡單擴散的限制因素是物質(zhì)的脂溶性、分子大小和帶電性。

5、1、脂溶性:脂溶性越強，通過脂雙層膜的速率越快。2、相對分子質(zhì)量:相對分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴散。根據(jù)實驗結(jié)果，推測質(zhì)膜的通透性孔徑不會大于0.51.0nm，能夠擴散的最小分子是水分子。3、物質(zhì)的帶電性: 所有帶電荷的分子(離子)， 不管它多小， 都不能自由擴散。是因為帶電的物質(zhì)通常同水結(jié)合形成一個水合的外殼，這不僅增加了它們的分子體積，同時也大大降低了脂溶性。因此說，所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小， 都不能自由擴散。特點： 沿濃度梯度（或電化學梯度）擴散； 不需要提供能量； 沒有膜蛋白的協(xié)助。第十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 是各種極性分子和無機離子，如糖、氨

6、基酸、核苷酸以及細胞代謝物等在膜轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助下順其濃度梯度或電化學梯度減小方向的跨膜轉(zhuǎn)運 , 不消耗ATP進入膜內(nèi)的一種運輸方式，也稱促進擴散。（二）協(xié)助擴散第十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月特點：轉(zhuǎn)運速率高；存在最大轉(zhuǎn)運速率； 有膜轉(zhuǎn)運蛋白參與，有特異性。協(xié)助擴散同簡單擴散相比，具有以下一些特點第十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月膜轉(zhuǎn)運蛋白（Transport proteins）膜轉(zhuǎn)運蛋白:是指鑲嵌在膜上和物質(zhì)運輸有關(guān)的跨膜蛋白。載體蛋白通道蛋白第十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)

7、象改變介導溶質(zhì)的跨膜運輸。載體蛋白（carrier protein）第十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月特點: 特異性；多次跨膜；具通透酶（permease）性質(zhì)；載體蛋白既參與被動的物質(zhì)運輸，也參與主動的物質(zhì)運輸 很多方面與酶催化反應(yīng)相似載體蛋白需要同被運輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過自身的構(gòu)型變化或移動完成物質(zhì)運輸?shù)哪さ鞍?。載體蛋白促進擴散時同樣具有高度的特異性，其上有結(jié)合點，只能與某一種物質(zhì)進行暫時性、可逆的結(jié)合和分離。而且， 一個特定的載體只運輸一種類型的化學物質(zhì)， 甚至一種分子或離子。載體蛋白既參與被動的物質(zhì)運輸，也參與主動的物質(zhì)運輸。由載體蛋白進行的被動物質(zhì)運輸， 不需要

8、ATP提供能量。載體蛋白對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程具有類似于酶與底物作用的動力學曲線、可被類似物競爭性抑制、具有競爭性抑制等酶的特性。但與酶不同的是: 載體蛋白不對轉(zhuǎn)運分子作任何共價修飾。第十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月通道蛋白（channel protein） 是橫跨質(zhì)膜的親水性通道，其跨膜部分形成親水性的通道，當這些孔道開放時允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通過，通道蛋白所介導的被動運輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合。又稱為離子通道。第十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月絕大多數(shù)的通道蛋白形成有選擇性開關(guān)的多次跨膜通道，因為這些通道蛋白幾乎都與離子的轉(zhuǎn)運有關(guān)，所以又稱為離子通道。離子

9、通道：一是具有離子選擇性，離子通道對被轉(zhuǎn)運離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運速率高，可達106個離子/s，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1 000倍以上。驅(qū)動帶電荷的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的凈驅(qū)動力來自兩種力的合力，一種是溶質(zhì)的濃度梯度，另一種是跨膜電位差，這種凈驅(qū)動力構(gòu)成溶質(zhì)跨膜的電化學梯度（electrochemical gradient），這種梯度決定溶質(zhì)跨膜的被動運輸?shù)姆较颉５诙€特征是離子通道是門控的，即離子通道的活性由通道開或關(guān)兩種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，并通過通道開關(guān)應(yīng)答于適當?shù)男盘?。多?shù)情況下離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化、化學信號或壓力刺激后，才開啟形成跨膜的離子通道。 因

10、此離子通道又區(qū)分為電壓門通道（voltage-gated channel）、配體門通道（ligand-gated channel）和壓力激活通道（stress-activated channel）。離子通道在神經(jīng)元與肌細胞沖動傳遞過程中起重要作用。如含羞草的閉葉反應(yīng)，草履蟲的快速轉(zhuǎn)向運動，內(nèi)耳聽覺的感應(yīng)等都與離子通道有關(guān)。第十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月與載體蛋白相比具有三個顯著特征1、具有極高的轉(zhuǎn)運速率和高度的具有離子選擇性，離子通道對被轉(zhuǎn)運離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運速率高，可達106個離子/s，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1 000倍以上。 3、

11、 離子通道是門控的，即離子通道的活性由通道開或關(guān)兩種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，并通過通道開關(guān)應(yīng)答于適當?shù)男盘?。多?shù)情況下離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化、化學信號或壓力刺激后，才開啟形成跨膜的離子通道。 2、 離子通道沒有飽和值。 第十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月現(xiàn)已鑒定過的離子通道蛋白在膜中都有開和關(guān)兩種構(gòu)型相當于門，所以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gated channel)類型：電壓門控(voltage-gated channel)配體門控通道(ligand-gated channel)壓力激活通道(stress-activated channel)第十九張，PPT共五十三頁

12、，創(chuàng)作于2022年6月第二十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月acetylcholine receptor1配體門通道(ligand gated channel)第二十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Three conformation of the acetylcholine receptorNa+K+失活A(yù)ch 門通道具有具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。第二十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 水分子不溶于脂, 并具有極性,理應(yīng)不能自由通過質(zhì)膜, 但實際卻是很容易通過膜。水通道蛋白(aquaporin) 200

13、3年諾貝爾化學獎：美國科學家 Peter Agre 1988 年Agre 在分離純化紅細胞膜上的Rh 血型抗原時，發(fā)現(xiàn)了一個28 KD 的疏水性跨膜蛋白，純化的CHIP28置入脂質(zhì)體，使其迅速膨脹，這一發(fā)現(xiàn)揭示了細胞膜上確實存在水通道。（紅細胞和蛙卵細胞） 第二十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、主動運輸（active transport）概念：主動運輸是指由載體蛋白介導的物質(zhì)逆濃度梯度（或化學梯度）的由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)的跨膜運輸方式。類型（根據(jù)能量來源）：ATP直接供能、ATP間接提供能量、光能驅(qū)動 第二十六張，PPT

14、共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月ATP直接提供能量驅(qū)動的主動運輸-鈉鉀泵構(gòu)成：Na+ /K+ ATPase由兩個大亞基(亞基)和兩個小亞基(亞基)組成。亞基是跨膜蛋白，在膜的內(nèi)側(cè)有ATP結(jié)合位點;在亞基上有Na+和K+結(jié)合位點 實際上就是Na+-K+ATP 酶，一般認為是由2 個大亞基、2 個小亞基組成的4 聚體。鈉鉀泵的一個特性是他對離子的轉(zhuǎn)運循環(huán)依賴自磷酸化過程，ATP 上的一個磷酸基團轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導致構(gòu)象的變化。通過自磷酸化來轉(zhuǎn)運離子的離子泵就叫做P-type，與之相類似的還有鈣泵和質(zhì)子泵。它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個蛋白質(zhì)家族。第二十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作

15、于2022年6月鈉鉀泵運輸機制作用：維持細胞內(nèi)一定的Na+/K+濃度；該濃度梯度為葡萄糖協(xié)同運輸提供驅(qū)動力；有助于建立膜電位。消耗1個ATP，輸出3個Na+，輸入2個K+第二十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月ATP直接提供能量驅(qū)動的主動運輸Ca2+泵, Ca2+ ATPase第二十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月心肌和骨骼肌細胞中的一種特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),其功能是參與肌肉收縮活動。肌質(zhì)網(wǎng)膜上的Ca2+ -ATP泵將細胞基質(zhì)中的Ca2+ 泵入肌質(zhì)網(wǎng)中儲存起來, 使肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+ 的濃度比胞質(zhì)溶膠高出幾千倍。受到神經(jīng)沖動刺激后, Ca2+ 釋放出來,參與肌肉收縮的調(diào)節(jié)。 肌質(zhì)網(wǎng)(

16、sarcoplasmic reticulum) 第三十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月功能：建立H+電化學梯度，驅(qū)動轉(zhuǎn)運溶質(zhì)進入細胞種類（1）P型質(zhì)子泵：結(jié)構(gòu)與Na+-K+泵和Ca2+泵結(jié)構(gòu)類似，在轉(zhuǎn)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(zhì)子泵：在轉(zhuǎn)運H的過程中不磷酸化中間體，存在于動物細胞溶酶體膜和植物細胞液泡膜上，其功能是維持細胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細胞器內(nèi)的酸性。 （3）F-type： H+ - ATP酶:存在于線粒體膜、葉綠體類囊體膜上，多數(shù)細菌質(zhì)膜上，以相反的方式發(fā)揮生理作用H+順濃度梯度運動，釋放能量與合成ATP偶聯(lián)起來：線粒體磷酸化葉綠體光合

17、磷酸化質(zhì)子泵第三十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月P型、V型和F型運輸泵的結(jié)構(gòu)第三十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月協(xié)同運輸(cotransport)能量：鈉鉀泵或質(zhì)子泵通過消耗ATP產(chǎn)生膜兩側(cè)的電化學濃 度梯度，驅(qū)動協(xié)同運輸?shù)倪M行。 動物細胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動， 植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。概念:是一類由Na+K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。 ATP間接提供能量的主動運輸?shù)谌龔垼琍PT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。2、反向協(xié)同（

18、antiport）物質(zhì)跨膜運動的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反。協(xié)同運輸?shù)姆较颍焊鶕?jù)物質(zhì)運輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同antiport）。第三十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入。小腸上皮細胞吸收葡萄糖：葡萄糖分子通過Na+驅(qū)動的共運輸方式進入上皮細胞；再經(jīng)載體介導的協(xié)助擴散方式進入血液；Na+-K+泵消耗ATP維持Na+的電化學梯度。第三十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月反向協(xié)同運輸 antiport第三十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于

19、2022年6月動物細胞和植物細胞主動運輸?shù)谋容^動物細胞質(zhì)膜上有Na+-K+ ATPase，并通過對Na+、K+ 的運輸建立細胞的電化學梯度； 植物(細菌、真菌)細胞質(zhì)膜中沒有Na+-K+ ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對H+的運輸建立細胞的電化學梯度；在動物細胞溶酶體膜和植物細胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細胞器的酸性。第三十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月完成大分子和顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸，因質(zhì)膜形成囊泡又稱膜泡運輸或批量運輸（bulk transport）。屬于主動運輸。根據(jù)物質(zhì)的運輸方向分為：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（

20、exocytosis）3. 胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）第三十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月概念：胞吞作用通過細胞膜內(nèi)陷形成囊泡（胞吞泡），將外界物質(zhì)裹進并輸入細胞的過程。類型： 胞飲作用（pinocytosis）（溶液）吞噬作用（phagocytosis）（固體）胞吞作用：第三十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月吞噬作用特點：胞吞物為大分子和顆粒物質(zhì)； 形成的胞吞泡大（直徑大于250nm）； 信號觸發(fā)過程；作用：防御侵染和垃圾清除工。第四十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6

21、月批量內(nèi)吞（Bulk-phase endocytosis）does not require surface membrane recognition.It is the nonspecific uptake of extracellular fluids. 細胞表面的內(nèi)陷（caveolae）是發(fā)生非特異性內(nèi)吞的部位。第四十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月網(wǎng)格蛋白(clathrin)50100nm五邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)三腿蛋白網(wǎng)格蛋白第四十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月接合素蛋白(adaptin)銜接蛋白與膜受體細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中的信號序列相互作用第四十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月受體介導的胞吞作用：配體和受體結(jié)合網(wǎng)格蛋白聚集有被小窩去被的囊泡和胞內(nèi)體融合有