第五章物質跨膜運輸

第五章物質跨膜運輸?shù)?頁，共101頁。第五章目的了解物質跨膜運輸?shù)母鱾€相關概念（被動運輸、主動運輸、膜泡運輸、膜轉運蛋白、載體、離子泵等）及其特點和機制要求熟練掌握物質跨膜運輸?shù)闹饕愋秃鸵c重點區(qū)分各類型物質跨膜運輸?shù)奶攸c難點理解物質跨膜運輸?shù)母黝愋驮诩毎砘钚誀顟B(tài)下的協(xié)同功能第2頁，共101頁。第二節(jié)離子泵和協(xié)同運輸一、離子泵二、協(xié)同運輸三、離子跨膜轉運與膜電位P115-117第3頁，共101頁。復習思考題細胞可以利用質膜兩側的離子濃度梯度來驅動物質的主動運輸,這種方式稱為________作用.Na+-K+泵的能量來源是____，植物細胞中協(xié)同運輸時能量的直接來源是____。母鼠抗體從血液通過上皮細胞進入母乳，再經(jīng)乳鼠的腸上皮細胞被攝入體內(nèi)，這種將內(nèi)吞作用與外排作用相結合的跨膜轉運方式稱為______運輸。存在于質膜上的質子泵稱為_________________型質子泵，存在于溶酶體膜和植物液泡膜上的質子泵稱為_______________型質子泵細胞對Ca2+的運輸有四種方式：____；____；____；____。鈣泵的主要作用是A、降低細胞質Ca2+的濃度;B、提高胞質中Ca2+濃度C、降低內(nèi)質網(wǎng)中Ca2+的濃度;D、降低線粒體中Ca2+濃度第4頁，共101頁。復習思考題植物細胞和細菌的協(xié)同運輸常利用哪一種離子的濃度梯度來驅動A.

H+B.Na+C.

K+D.Ca2+細胞膜在靜息情況下，對下列哪種離子通透性最大A.K+B.Na+C.Cl-D.Ca2+E.Mg2+動物小腸細胞對葡萄糖的吸收依靠A.

鈉離子梯度驅動的同向協(xié)同運輸（symport）B.

鈉離子梯度驅動的反向協(xié)同運輸（antiport）C.

鉀離子梯度驅動的同向協(xié)同運輸D.

鉀離子梯度驅動的反向協(xié)同運輸

第5頁，共101頁。第6頁，共101頁。第一節(jié)生物膜與物質的跨膜運輸一、脂雙層分子的透性與膜轉運蛋白二、被動運輸與主動運輸

第7頁，共101頁。一、脂雙層分子的透性與膜轉運蛋白膜脂的透性膜轉運蛋白：

載體蛋白（carrierproteins）——與特定的溶質分子結合（運輸?shù)娜苜|與載體有互補結合的結構域）；具通透酶（permease）性質:P102；介導被動運輸與主動運輸通道蛋白（channelproteins）——一般不與溶質分子結合。只有大小和電荷適宜的離子或顆粒才能通過，只介導被動運輸?shù)?頁，共101頁。通道蛋白（channelproteins）一類為非選擇性，例如：線粒體外膜上的孔蛋白；

一類具有離子選擇性，例如：離子通道三個特征：轉運速率高、沒有飽和值、受門控開關離子通道類型：電壓門通道（voltage-gatedchannel） 配體門通道（ligand-gatedchannel）

應力激活門通道（stress-activatedchannel）第9頁，共101頁。二、被動運輸指通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質由高濃度向低濃度方向的跨膜運輸。特點：運輸方向、跨膜動力、能量消耗、

膜轉運蛋白類型：簡單擴散（simplediffusion）

協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）第10頁，共101頁。協(xié)助擴散通道蛋白運輸離子通道運輸載體蛋白運輸水孔蛋白第11頁，共101頁。主動運輸（activetransport）指由載體蛋白介導的物質逆濃度梯度或電化學梯度由低的一側向高的一側進行轉運的方式?！裉攸c：運輸方向、能量消耗、膜轉運蛋白

●提供能量的三種基本類型：１.ATP驅動泵２.耦聯(lián)轉運蛋白３.光驅動泵

第12頁，共101頁。離子泵:細胞主動轉運離子的膜蛋白（載體蛋白）

P-型泵：由ATP直接提供能量，在泵周期中有一個亞基會發(fā)生磷酸化或去磷酸化，形成磷酸化中間體

鈉鉀泵的結構與機制；分布與作用:P110

鈣泵結構和Ca2+-ATP酶

工作原理P-型質子泵

V-型泵與Ｆ－型泵（H+-ATP合酶）：質子泵

ABC超家族蛋白（泵）

第13頁，共101頁。ATP間接提供能量的主動運輸—

協(xié)同運輸（cotransport）1.概念：協(xié)同運輸（cotransport）是指一種物質的運輸伴隨另一種物質的運輸。它是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。2.能量：鈉鉀泵或質子泵通過消耗ATP產(chǎn)生膜兩側的電化學濃度梯度，驅動協(xié)同運輸?shù)倪M行。動物細胞中常常利用膜兩側Na+濃度梯度來驅動，植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅動。3.類型：共運輸（同向協(xié)同symport）對運輸（反向協(xié)同antiport）第14頁，共101頁。物質的跨膜運輸和膜電位膜電位：細胞膜兩側各種帶電物質形成的電位差的總和。靜息電位（restingpotential）：細胞在靜息狀態(tài)下的膜電位。動作電位（activepotential）：細胞在刺激作用下的膜電位。極化：在靜息電位狀態(tài)下，質膜內(nèi)為負值，外為正值的現(xiàn)象。去極化：由于離子的跨膜運輸使膜的靜息電位減小或者消失。反極化：離子的跨膜運輸導致瞬間內(nèi)正外負的動作電位的現(xiàn)象。超極化：離子的跨膜運輸導致靜息電位超過原來的值。第15頁，共101頁。三、膜泡運輸—胞吞作用和胞吐作用

完成大分子和顆粒性物質的跨膜運輸，因質膜形成囊泡而得名，又稱批量運輸（bulktransport）。

●胞吞作用

●胞吐作用膜泡運輸:膜泡運輸?shù)?6頁，共101頁。（一）胞吞作用

概念：胞吞作用通過細胞膜內(nèi)陷形成囊泡（胞吞泡），將外界物質包裹并輸入細胞的過程。類型：胞飲作用（pinocytosis）

吞噬作用（phagocytosis）第17頁，共101頁。1.胞飲作用特點：胞吞物為液體和溶質；形成的胞吞泡?。ㄖ睆叫∮?50nm）；連續(xù)發(fā)生的過程；網(wǎng)格蛋白和結合素蛋白參與。a.胞吞泡的形成：配體和受體結合網(wǎng)格蛋白聚集有被小窩去被的囊泡和胞內(nèi)體融合有被小泡b.受體介導的內(nèi)吞作用：VB12、激素、抗體、病毒及LDL內(nèi)吞作用●

胞內(nèi)體（endosome）及其分選作用：返回、消化、轉胞吞作用第18頁，共101頁。2.吞噬作用特點：胞吞物為大分子和顆粒物質；形成的胞吞泡大（直徑大于250nm）；信號觸發(fā)過程；微絲和結合蛋白參與。作用：防御侵染和垃圾清除工。第19頁，共101頁。胞飲作用和吞噬作用的區(qū)別

主要有三點特征物質狀態(tài)、胞吞泡的大小轉運方式胞吞泡形成機制胞飲作用溶液小于150nm連續(xù)的過程網(wǎng)格蛋白和接合素蛋白吞噬作用大顆粒大于250nm受體介導的信微絲和結合蛋白號觸發(fā)過程第20頁，共101頁。

胞吐作用 ●組成型的外排途徑（constitutiveexocytosispathway） ●調節(jié)型外排途徑（regulatedexocytosispathway）●膜流第21頁，共101頁。組成型的外排途徑

所有真核細胞連續(xù)分泌過程用于質膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基質組分、營養(yǎng)或信號分子）去限定途徑（defaultpathway）：除某些有特殊標志的駐留蛋白和調節(jié)型分泌泡外，其余蛋白的轉運途徑：粗面內(nèi)質網(wǎng)→高爾基體→分泌泡→細胞表面第22頁，共101頁。調節(jié)型外排途徑（regulatedexocytosispathway）

特化的分泌細胞。儲存——刺激——釋放 例如胰腺β細胞分泌胰島素。產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分選機制，分選信號存在于蛋白本身，分選主要由高爾基體TGN上的受體類蛋白來決定

第23頁，共101頁。膜流●膜流：胞吞和胞吐作用及小泡運輸，使膜處于循環(huán)動態(tài)平衡狀態(tài)的過程。動態(tài)過程對質膜更新和維持細胞的生存與生長是必要的。

第24頁，共101頁。第25頁，共101頁。氣體分子苯小的脂溶性分子小的不帶電荷的極性分子水甘油（丙三醇）乙醇大的不帶電荷的極性分子氨基酸葡萄糖核苷酸帶電荷的離子人工合成脂質雙分子層(膜)

第26頁，共101頁。簡單擴散與協(xié)助擴散的比較

載體蛋白協(xié)助擴散比簡單擴散要快得多，并會表現(xiàn)最大轉運速率（vmax）KM:最大轉運速率一半時的某物質濃度。以數(shù)值可代表該載體轉運這種物質的能力大小。人的葡萄糖載體蛋白家族有12個成員GLUT1--12，其協(xié)助擴散速率各有不同P108第27頁，共101頁。膜轉運蛋白被動運輸主動運輸1簡單擴散2通道蛋白介導的3載體蛋白介導的轉運分子轉運蛋白載體蛋白能量濃度梯度第28頁，共101頁。載體蛋白P103表舉例動物細胞膜上的載體蛋白--通透酶特性：特異性結合位點；轉運的溶質專一；具酶的飽和動力學曲線；被抑制物（劑）競爭抑制；依賴一定的PH值；但不同的是載體蛋白對溶質分子不作任何共價修飾。載體蛋白介導的被動運輸2結合位點3轉運機制：構象1溶質分子濃度梯度：第29頁，共101頁。動物細胞膜上的離子通道舉例見P103第30頁，共101頁。聽覺毛狀細胞的機械敏感門通道作用原理第31頁，共101頁。第32頁，共101頁。菌紫質耦聯(lián)轉運ATP驅動的泵光驅動的泵第33頁，共101頁。天冬氨酸殘基第34頁，共101頁。第35頁，共101頁。在動物、植物細胞由載體蛋白介導的協(xié)同運輸異同點的比較第36頁，共101頁。第37頁，共101頁。第38頁，共101頁。細胞膜膜外蛋白膜內(nèi)蛋白胞飲物胞飲泡膜胞飲作用示意圖第39頁，共101頁。第40頁，共101頁。第41頁，共101頁。第42頁，共101頁。第43頁，共101頁。第44頁，共101頁。第45頁，共101頁。P123第46頁，共101頁。第47頁，共101頁。第48頁，共101頁。第49頁，共101頁。G蛋白偶聯(lián)受體GPLR：種類繁多，真核細胞普遍表達（7次跨膜）信號分子包括：感覺信號（光、嗅、激素、神經(jīng)遞質等）G蛋白偶聯(lián)受體（GPLR）的效應器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR激酶）、PDE、PI3K、離子通道等第50頁，共101頁。分子開關：指在細胞內(nèi)信號傳遞中起信號放大和終止作用的激活機制和失活機制，它們都是蛋白質分子。第51頁，共101頁。（A）細胞內(nèi)受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內(nèi)受體蛋白超家族成員P129第52頁，共101頁。第53頁，共101頁。第54頁，共101頁。乙酰膽堿N受體（260KD）外周型：5個亞基組成（2）調節(jié)主要為亞基變化通道開啟：Na+內(nèi)流，K+外流，膜去極化。第55頁，共101頁。第56頁，共101頁。第57頁，共101頁。亞基---被異戊酰化（isoprenylated）修飾連在膜上；亞基---被豆蔻酸化（myristoylated）修飾連在膜上。第58頁，共101頁。P140第59頁，共101頁。P144第60頁，共101頁。第61頁，共101頁。第62頁，共101頁。第63頁，共101頁。第64頁，共101頁。ConvergeonRas第65頁，共101頁。第66頁，共101頁。第67頁，共101頁。第68頁，共101頁。RTKGLRLigandLigandPLCRasACGPRafDAGIP3cAMPMAPKKMAPKTranscriptionFactorsPKCCa2+CaMKPKA

PM第69頁，共101頁。SignalstransmittedfromtheEGFreceptorcandivergealongseveraldistinctpathways.Anexampleofcrosstalkbetweentwomajorsignalingpathways第70頁，共101頁。高濃度低濃度電化學梯度適合簡單擴散的物質:不帶電荷小分子物質:水.尿素.二氧化碳脂溶性物質(非極性物質):苯.乙醇.氧.氨不適合簡單擴散的物質:帶電荷物質第71頁，共101頁。通道蛋白：形成貫穿脂雙層之間的通道。高濃度電化學梯度低濃度通道蛋白第72頁，共101頁。LDL顆粒有被小窩有被小泡無被小泡胞內(nèi)體受體與大分子顆粒分開胞內(nèi)體部分

融合去被內(nèi)吞胞內(nèi)體部分受體再循環(huán)初級溶酶體吞噬溶酶體融合LDL受體第73頁，共101頁。胞內(nèi)體膜上有ATP驅動的質子泵，將H+泵進胞內(nèi)體腔中，使腔內(nèi)PH降低，引起LDL與受體分離。包內(nèi)體以出芽的方式形成運載受體的小泡，返回細胞膜，重復使用。含LDL的包內(nèi)體與溶酶體融合，LDL被水解，釋放出膽固醇和脂肪酸供細胞利用。低密度脂蛋白（low-densitylipoproteins,LDL):是膽固醇在肝細胞合成后與磷脂和蛋白質形成的復合物,進入血液，通過與細胞表面的LDL受體結合形成受體-LDL復合物，通過網(wǎng)絡蛋白有被小泡的內(nèi)化作用進入細胞，經(jīng)脫被與胞內(nèi)體融合。第74頁，共101頁。胞內(nèi)體的分選胞內(nèi)體是動物細胞內(nèi)由膜包圍的細胞器，其作用是傳輸由胞吞作用攝入的物質進到溶酶體中被降解。胞內(nèi)體膜上有ATP驅動的質子泵，將氫離子泵進胞內(nèi)體腔中，使腔內(nèi)的pH降低（pH5～6），從而引起胞吞物與受體分離。胞內(nèi)體以出芽的方式形成運載受體的小囊泡，返回細胞質膜，受體重復使用。胞內(nèi)體被認為是膜泡運輸?shù)闹饕诌x站之一。不同類型受體的胞內(nèi)體的分選途徑：（1）返回原來的質膜結構域，重新發(fā)揮受體的作用；（2）進入溶酶體中被消化掉，稱為受體下行調節(jié)；（3）被運至質膜的不同結構域，稱為轉胞吞作用。第75頁，共101頁。通過網(wǎng)絡蛋白有被小泡介導的選擇性運輸示意圖（網(wǎng)絡蛋白：輕鏈和重鏈組成包被的結構單位）（接合素蛋白）

（轉運分子-配體）（轉運分子受體）（膜泡形成）配體（Ligand）是通常本身具有其特別的生物活性，并且能和接受體(receptor)結合，呈現(xiàn)特異性的生物活性分子。第76頁，共101頁。四類TransportATPase(pump)ATP驅動泵轉運離子、單糖、氨基酸、磷脂、膽固醇等小分子泵第77頁，共101頁。質子泵可分為三種:第78頁，共101頁。ABC超家族蛋白（泵）第79頁，共101頁。哺乳動物多藥抗性蛋白1第80頁，共101頁。F-typeATPases第81頁，共101頁。Ca2+-ATP酶作用機理

第82頁，共101頁。◆Ca2+pump,Ca2+ATPase●TheCa2+-ATPasepresentinboththeplasmamembraneandthemembranesoftheendoplasmicreticulum.鈣泵的主要存在細胞質膜和內(nèi)質網(wǎng)（鈣庫）膜上；鈣泵的主要作用：降低細胞質中的鈣離子濃度?！馛a2+泵的工作原理類似于Na+-K+泵:在細胞質面有同Ca2+結合的位點，一次可以結合兩個Ca2+，Ca2+結合后使酶激活，并結合上一分子ATP，伴隨著ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵構型發(fā)生改變，結合Ca2+的轉到細胞外側被釋放，此時酶發(fā)生去磷酸化，構型恢復到原始的靜息狀態(tài)。第83頁，共101頁。StructureofCa2+ATPase第84頁，共101頁。膜受體的結構特點配體結合區(qū)域：受體蛋白向著細胞外部分，多為糖蛋白，可識別不同的配體，狹義受體指此部位。：受體蛋白向著細胞質部分，一般具有酶的活性，配體與受體結合前，它是無活性的，只有受體與配體結合后才被激活，引起一系列變化，產(chǎn)生相應的生物效應。效應區(qū)域膜受體類型單體型：由一個鑲嵌蛋白分子構成。復合型：由兩個或多個鑲嵌蛋白聚合一起形成。第85頁，共101頁。第一信使（第一信號）：指細胞外的信號分子，與膜受體結合的配體不直接參與細胞的物質和能量代謝，而作為一種信使起傳遞信息的作用。第二信使（第二信號）：第一信使與受體作用后在胞內(nèi)最早產(chǎn)生的信號分子，可改變靶細胞中已存在的酶或非酶蛋白的活性，引起細胞對外界信號的反應。第二信使學說——1965—Sutherland1971年獲諾貝爾獎cAMPcGMP

二?；视停―G)三磷酸肌醇(IP3)

Ca2+（第三信使）

第二信使分子第86頁，共101頁。級聯(lián)反應細胞表面受體從接受信號到最終的綜合性應答包括信號轉導過程和信號放大。信號進行的逐級傳遞放大稱級聯(lián)反應或信號級聯(lián)放大。組成級聯(lián)反應的各個成員稱一個級聯(lián)：由磷酸化酶和去磷酸化酶組成。級聯(lián)反應作用：信號放大，信號轉移，信號轉化等。P146圖第87頁，共101頁。第88頁，共101頁。GPLR的C端富含Ser和Thr—磷酸化位點---受體磷酸化失敏機制第89頁，共101頁。G蛋白偶聯(lián)受體GPLR：種類繁多，真核細胞普遍表達（7次跨膜）信號分子包括：感覺信號（光、嗅、聲等；激素、神經(jīng)遞質等）G蛋白偶聯(lián)受體（GPLR）的效應器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR激酶）、PDE、PI3K、離子通道等第90頁，共101頁。G蛋白又叫鳥苷酸結合調節(jié)蛋白。是一類GTP結合蛋白家族。G蛋白有單體G蛋白（一條多肽鏈）、多亞基G蛋白。G蛋白參與細胞通訊、核糖體與內(nèi)質網(wǎng)結合、小泡運輸、微管組裝、蛋白質合成。與G蛋白偶聯(lián)受體連接的G蛋白是由α、β、γ3個不同的亞基組成的異源三聚體GTP結合調節(jié)蛋白。當Gα亞基結合GTP活化