山東大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第五章

第五章細(xì)胞膜與物質(zhì)運(yùn)輸質(zhì)膜運(yùn)輸物質(zhì)的兩種方式膜泡運(yùn)輸：運(yùn)輸大分子和顆粒物質(zhì)穿膜運(yùn)輸：運(yùn)輸離子與小分子

本章重點(diǎn):膜泡運(yùn)輸：吞噬作用、受體介導(dǎo)內(nèi)吞作用

穿膜運(yùn)輸：被動(dòng)運(yùn)輸、主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谝还?jié)膜泡運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸過(guò)程中有膜性小泡包裹著大分子或顆粒物質(zhì)。

顆粒和大分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞稱(chēng)吞排作用(cytosis)一、內(nèi)吞作用endocytosis：2種方式二、外排作用exocytosis

一、內(nèi)吞作用(endocytosis)通過(guò)質(zhì)膜的變形運(yùn)動(dòng)將細(xì)胞外顆粒或大分子物質(zhì)包裹在囊泡內(nèi)運(yùn)輸入細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程。包括吞噬作用和胞飲作用。1.吞噬作用（phagocytosis）

細(xì)胞內(nèi)吞入較大的固體顆粒的過(guò)程。攝入顆粒物質(zhì)形成吞噬體（phagosome）過(guò)程：吸附+吞進(jìn)顆粒物質(zhì)吸附于細(xì)胞表面接觸區(qū)域細(xì)胞膜形成偽足顆粒物質(zhì)被包裹進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與溶酶體融合，吞噬物被分解

中性粒細(xì)胞吞噬細(xì)菌巨噬細(xì)胞正在吞噬衰老的紅細(xì)胞

吞噬作用只限于幾種特殊的細(xì)胞類(lèi)型單細(xì)胞真核生物如變形蟲(chóng)(Amoebae)等,通過(guò)吞噬作用從周?chē)h(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)。在高等動(dòng)物細(xì)胞中，吞噬作用是一種保護(hù)措施而非攝食的手段。如：巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，它們通過(guò)吞噬菌體，攝取和消滅感染的細(xì)菌、病毒以及損傷的細(xì)胞、衰老的紅細(xì)胞。2.胞飲作用（pinocytosis）細(xì)胞吞入大分子物質(zhì)或極微小顆粒物質(zhì)的運(yùn)輸方式攝入液態(tài)可溶大分子或極微小顆粒。進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)形成胞飲小泡（pinocyticvesicle）；小于150nm（1）受體介導(dǎo)內(nèi)吞(Receptor-mediatedendocytosis)：1、定義：質(zhì)膜上的受體參與的從胞外吸收專(zhuān)一性的大分子和顆粒物質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為受體介導(dǎo)的內(nèi)吞2、內(nèi)吞過(guò)程，參與此過(guò)程的兩種蛋白：成籠蛋白(Clathrin)和銜接蛋白(Adaptin)。衣被成籠蛋白(clathrin)形成三腿蛋白復(fù)合物，是衣被的基本結(jié)構(gòu)單位。由多個(gè)三腿蛋白復(fù)合物聚合形成五邊形或六邊形的籠狀結(jié)構(gòu)覆蓋于有被小窩或有被小泡的胞質(zhì)面，形成衣被。成籠蛋白衣被小泡（coatedvesicle）銜接蛋白通過(guò)識(shí)別不同的受體，并將受體連接至成籠蛋白，從而介導(dǎo)不同物質(zhì)的運(yùn)輸。縊斷蛋白有使小泡頸部收縮縊斷的作用銜接蛋白（adaptin）受體蛋白位于胞質(zhì)面的尾部有一個(gè)4個(gè)aa殘基構(gòu)成的折疊區(qū)域，為內(nèi)吞信號(hào)

縊斷蛋白（dynamin）衣被的作用捕獲膜上的受體及與受體特異性結(jié)合的被轉(zhuǎn)運(yùn)分子，將它們集中于衣被小窩。對(duì)衣被小窩的內(nèi)陷提供了牽動(dòng)質(zhì)膜的機(jī)械力，有助于衣被小窩凹陷。

受體介導(dǎo)內(nèi)吞的基本過(guò)程①配體與膜受體結(jié)合,形成衣被小窩（coatedpit）;②衣被小窩向內(nèi)凹陷后同質(zhì)膜脫離形成衣被小泡（coatedvesicle）③衣被小泡的衣被脫去，形成無(wú)被小泡;④無(wú)被小泡與內(nèi)吞體融合受體介導(dǎo)內(nèi)吞作用已知有25種以上的大分子依賴(lài)受體介導(dǎo)內(nèi)吞作用。血液中低密度脂蛋白的攝取、細(xì)胞內(nèi)吞轉(zhuǎn)鐵蛋白向細(xì)胞提供鐵。生長(zhǎng)激素胰島素表皮生長(zhǎng)因子神經(jīng)生長(zhǎng)因子白細(xì)胞介素低密度脂蛋白（LDL）的攝入LDL顆粒:外膜：磷脂、膽固醇單分子層核心：膽固醇酯（1500個(gè)）最外圍（配體）：載酯蛋白LDL顆粒通過(guò)載脂蛋白與細(xì)胞膜上的LDL受體結(jié)合。

LDL受體：LDL受體是一次跨膜糖蛋白。LDL受體蛋白合成后被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)膜，在細(xì)胞質(zhì)膜集中并形成衣被小窩，當(dāng)血液中有LDL顆粒，可立即與LDL結(jié)合形成LDL-受體復(fù)合物。水解酶27

（2)陷窩蛋白介導(dǎo)的胞飲作用陷窩由質(zhì)膜脂筏區(qū)（質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域）內(nèi)陷形成，主要結(jié)構(gòu)蛋白是陷窩蛋白（caveolin）。陷窩最后也有長(zhǎng)頸被掐下來(lái)形成小泡，進(jìn)行穿胞運(yùn)輸。二、外排作用（exocytosis）與內(nèi)吞作用相反，細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)由膜包圍成小泡從細(xì)胞內(nèi)逐步移到質(zhì)膜下方，小泡膜與質(zhì)膜融合，把物質(zhì)排到細(xì)胞外的過(guò)程。

Exocytosisofsecretoryvesiclesofapancreaticcell穿胞運(yùn)輸（transcytosis）：物質(zhì)被細(xì)胞膜上受體結(jié)合后內(nèi)吞，在細(xì)胞內(nèi)未作任何處理只是經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞的另一側(cè)，通過(guò)胞吐作用釋放出去。第二節(jié)穿膜運(yùn)輸小分子、離子等物質(zhì)穿越質(zhì)膜的運(yùn)輸

一、物質(zhì)穿膜的特點(diǎn)與其性質(zhì)和大小有關(guān)：

⑴

脂溶性越強(qiáng)越易直接穿膜，如：甾類(lèi)激素、苯；

⑵小非極性分子能直接穿膜，如：O2、N2；脂溶性與分子大小比，前者影響更大。

⑶不帶電荷的小極性分子能直接穿膜如：H2O、乙醇(分子量46)、尿素(分子量60)、甘油(分子量92)⑷不帶電的大的極性分子和各種離子不能直接穿膜，需依賴(lài)膜上運(yùn)輸?shù)鞍住Ｈ纾浩咸烟?分子量180)、Na+

二、水和鉀離子的通道

1、水通道揭示了水快速穿膜的機(jī)制。1988年美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院PeterAgre發(fā)現(xiàn)，獲2003年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)

2、鉀離子通道50年前就知道細(xì)胞應(yīng)該有離子通道，它們必須有選擇性只讓一種離子通過(guò)，也必須有能力開(kāi)、關(guān)或只允許離子往一個(gè)方向流動(dòng)，但這個(gè)分子機(jī)器到底是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，長(zhǎng)久以來(lái)一直是個(gè)謎。1998年，美國(guó)洛克菲勒大學(xué)RoderickMacKinnon(麥金農(nóng))用X射線(xiàn)晶體成像技術(shù)拍攝到了鏈霉菌的鉀離子通道的立體結(jié)構(gòu)，了解了其對(duì)離子的選擇性和開(kāi)關(guān)機(jī)制。獲2003年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)

三、物質(zhì)穿膜運(yùn)輸?shù)念?lèi)型被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）順濃度梯度、不耗能主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）逆濃度梯度、耗能、需載體蛋白幫助。穿膜運(yùn)輸方式圖解（一）被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）類(lèi)型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simplediffusion）、協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）

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物質(zhì)對(duì)膜的通透性（Ｐ）由該分子的脂溶性和擴(kuò)散系數(shù)、濃度梯度所決定。

Ｐ＝ＫＤ/ｔ

其中Ｋ為該溶質(zhì)的脂水分配系數(shù)(partitioncofficient)，Ｄ為擴(kuò)散系數(shù)，ｔ為膜厚度。1、簡(jiǎn)單擴(kuò)散脂溶性與擴(kuò)散速率

離子載體（ionophore）帶電荷的離子不能穿過(guò)膜脂雙層區(qū)?？杀荒ど闲〉闹苄苑肿咏閷?dǎo)順濃度梯度穿越膜，這種小分子稱(chēng)離子載體?？蓜?dòng)離子載體(mobileioncarrier)

離子載體（ionophore）帶電荷的離子不能直接穿過(guò)膜脂雙層區(qū)。可被膜上小的脂溶性分子介導(dǎo)順濃度梯度穿越膜，這種小分子稱(chēng)離子載體。通道形成離子載體(channel-formingionophore)

2、協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）

在膜運(yùn)輸?shù)鞍椎膸椭拢贡贿\(yùn)送物質(zhì)順濃度梯度的不消耗能量跨越膜的運(yùn)輸方式，所有的通道蛋白和一部分載體蛋白采用這種運(yùn)輸方式。

膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：通道蛋白(channelproteins)：通道蛋白能形成貫穿膜脂雙分子層的充水的通道，使某些物質(zhì)通過(guò)而運(yùn)輸?shù)侥さ牧硪粋?cè)。通道蛋白只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸。

載體蛋白(carrierproteins)：能與特異性分子結(jié)合，通過(guò)構(gòu)象改變將物質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥さ牧硪粋?cè)。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸。通透酶(permease)

通道蛋白運(yùn)輸物質(zhì)的三個(gè)特性：1、快：是載體蛋白運(yùn)輸速率的1000倍。2、高度離子選擇性3、閘門(mén)控制

可控性：電壓門(mén)控離子通道選擇性由于鈉離子太小，而與氧原子形成的孔洞不能形成均衡的作用力，造成了鈉離子不能進(jìn)入選擇濾器。54閘門(mén)通道類(lèi)型

電壓門(mén)控通道:閘門(mén)的開(kāi)閉受膜電壓控制配體門(mén)控通道:閘門(mén)的開(kāi)閉受化學(xué)物質(zhì)(配體)調(diào)節(jié)機(jī)械門(mén)控通道：通道的打開(kāi)受力的作用。

55閘門(mén)通道如：電壓閘門(mén)通道（Voltage-gatedchannels）機(jī)械門(mén)控通道聽(tīng)覺(jué)毛狀細(xì)胞的離子通道就是一例。聲音的振動(dòng)打開(kāi)通道，允許離子進(jìn)入毛狀細(xì)胞，這樣建立起一種電信號(hào)，并且從毛狀細(xì)胞傳遞到聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，然后傳遞到腦。硬纖毛覆膜聽(tīng)毛細(xì)胞傾斜的例:神經(jīng)肌肉接頭處,反映幾種不同閘門(mén)通道的順次開(kāi)放與關(guān)閉乙酰膽堿與突觸后肌細(xì)胞膜上的乙酰膽堿受體結(jié)合，從而引起肌細(xì)胞膜上配體閘門(mén)通道開(kāi)放，Na+進(jìn)入肌細(xì)胞，使肌細(xì)胞膜去極化。肌細(xì)胞膜的去極化又使肌細(xì)胞膜上的電壓閘門(mén)Na+通道開(kāi)放，Na+涌入細(xì)胞，引起肌細(xì)胞膜的進(jìn)一步去極化。肌質(zhì)膜的廣泛去極化，引起肌漿網(wǎng)的電壓閘門(mén)Ca2+通道開(kāi)放，Ca2+大量涌入細(xì)胞質(zhì)，從而引起肌細(xì)胞收縮。60載體蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸機(jī)理：

載體蛋白可逆的構(gòu)象變化

載體蛋白介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散

葡萄糖載體蛋白介導(dǎo)易化擴(kuò)散62

（二）主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）

在膜運(yùn)輸?shù)鞍椎膸椭拢贡贿\(yùn)送物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度消耗能量跨越膜的運(yùn)輸方式，介導(dǎo)此運(yùn)輸方式的蛋白全為載體蛋白。

主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）類(lèi)型

1、由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸

鈉鉀泵

鈣泵（Ca2+-ATP酶）

質(zhì)子泵

2、間接消耗ATP的主動(dòng)運(yùn)輸

協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）

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幾種常見(jiàn)的主動(dòng)運(yùn)輸泵

Na+-K+泵大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜Ca2+泵(Ca2+ATPase)真核細(xì)胞的質(zhì)膜H+泵(H+ATPase)植物、真菌和某些細(xì)菌的質(zhì)膜，動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜植物細(xì)胞的液泡膜1、由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸

Na+-K+泵（Na+-K+pump）：動(dòng)物細(xì)胞膜上穿膜運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白，又稱(chēng)Na+-K+ATP酶，能水解ATP，通過(guò)自身構(gòu)象變化將Na+泵出細(xì)胞，將K+泵入細(xì)胞。鈉鉀泵結(jié)構(gòu)Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）

結(jié)構(gòu)：由大、小兩個(gè)亞基組成大亞基為一多次穿膜跨膜蛋白大亞基的胞質(zhì)胞質(zhì)側(cè)有一個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)和三個(gè)Na+結(jié)合位點(diǎn)在膜的外側(cè)面大亞基上有2個(gè)K+結(jié)合位點(diǎn)和1個(gè)烏本苷（能抑制ATP酶）結(jié)合位點(diǎn)小亞基為一糖蛋白，其作用仍不清楚

鈉鉀泵主動(dòng)運(yùn)輸70Na＋－K＋泵運(yùn)輸Na＋、K＋的意義調(diào)節(jié)胞內(nèi)外滲透壓平衡。物質(zhì)運(yùn)輸：主動(dòng)運(yùn)輸產(chǎn)生的Na＋濃度差是某些物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸運(yùn)輸?shù)碾娀瘜W(xué)勢(shì)能保障。維持細(xì)胞代謝必須：胞內(nèi)高濃度的K＋為蛋白質(zhì)合成及糖酵解所需的酶活動(dòng)提供了重要條件。產(chǎn)生膜電位。

72（2）Ca2+-ATP酶（Ca2+泵）：

在紅細(xì)胞主要存在于細(xì)胞膜上。在肌細(xì)胞主要存在于肌漿網(wǎng)膜上，約占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白的90％。Ca2+-泵的工作原理類(lèi)似于Na+-K+泵:在細(xì)胞質(zhì)面結(jié)合兩個(gè)Ca2+，Ca2+結(jié)合后使酶激活，并結(jié)合上一分子ATP，伴隨著ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵構(gòu)型發(fā)生改變，結(jié)合的Ca2+轉(zhuǎn)到細(xì)胞外側(cè)被釋放，此時(shí)酶發(fā)生去磷酸化，構(gòu)型恢復(fù)到原始的靜息狀態(tài)。Ca2+-ATP酶作用機(jī)理74Ca2+泵運(yùn)輸Ca2+的意義細(xì)胞內(nèi)含有極低濃度的Ca2+，胞外Ca2+濃度高很多；Ca2+的順濃度梯度入胞對(duì)跨膜信息傳遞有重要的意義。細(xì)胞內(nèi)外的Ca2+濃度梯度部分是靠Ca2+-泵維持的；部分靠Na＋－Ca2＋協(xié)同運(yùn)輸維持完成。

2、間接消耗ATP的主動(dòng)運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸（co-transport）一種物質(zhì)的逆濃度梯度穿膜運(yùn)輸依賴(lài)于另一種物質(zhì)的順濃度梯度的穿膜運(yùn)輸，二者協(xié)同進(jìn)行，是一種間接消耗ATP的主動(dòng)運(yùn)輸方式。物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同為同向共運(yùn)輸(symport)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相反為反向共運(yùn)輸(antiport)1）同向共運(yùn)輸(symport)小腸上皮細(xì)胞中G－Na+共運(yùn)輸過(guò)程在小腸上皮細(xì)胞的頂面，Na+順濃度梯度入胞（通過(guò)G－Na+同向協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白），Na+入胞同時(shí)，G伴隨入胞小腸上皮細(xì)胞基底面有Na＋－K＋泵，將由頂面入胞的Na＋又逆濃度梯度泵出細(xì)胞，這樣使Na+梯度得以維持；G得以不斷從小腸腔吸收到小腸上皮細(xì)