第二章之二和三膜功能

第二章細(xì)胞、基本組織及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)生理教研室藥學(xué)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心細(xì)胞的生理功能—細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(MembraneTransport)一個(gè)進(jìn)行著新陳代謝的活細(xì)胞，不斷有各種各樣的物質(zhì)通過細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞：從形態(tài)看：離子、小分子物質(zhì)、蛋白質(zhì)等大分子以及團(tuán)塊狀固形物、液滴；從性質(zhì)看：各種供能物質(zhì)、合成細(xì)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(xì)胞膜是由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的。一、單純擴(kuò)散（SimpleDiffusion）概念:由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)移動(dòng)的現(xiàn)象。特點(diǎn):①擴(kuò)散速率高②無飽和③不依靠特殊膜蛋白質(zhì)的“幫助”④不需另外消耗能量⑤擴(kuò)散通量與濃度梯度和膜通透性呈正相關(guān)（膜對(duì)各種物質(zhì)的通透性取決于其脂溶性、分子大小和帶電情況）。例如：O2、CO2、乙醚和乙醇等少數(shù)幾種。Poweredbyrandommovementofmoleculesinasolution;Netmovementisfromregionsofhighconcentrationtolow（從高濃度到低濃度）;Doesnotsaturateastheconcentrationorgradientchanges（不飽和）;Diffusionofdifferentsubstancesdonotinterferewitheachother(nocompetition)（無競爭）.Netflux(amountofmovement)isproportionaltotheconcentrationdifferenceandthepermeabilityofanybarrierlikeamembrane（凈擴(kuò)散與濃度差和膜通透性成比例）.Substancescancrossmembranesbydiffusioniftheycandissolveintheoilyinteriorofthemembrane(hydrophobic)Diffusioncanoccurthroughtightjunctionsorwithinbulksolutions.Diffusionofwaterdownitsconcentrationgradientiscalledosmosis.（極性分子、分子小、不帶電荷。單純擴(kuò)散和水通道透過細(xì)胞膜）[O2]o＞[O2]i[CO2]i＞[CO2]o二、易化擴(kuò)散(FacilitatedDiffusion)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(dòng)的過程。分類:

2.經(jīng)通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散(-throughionchannel)1.經(jīng)載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散(—viacarrier)1.經(jīng)載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散：

Glucose、Aminoacid

特點(diǎn):①需依靠特殊膜蛋白質(zhì)的“幫助”②順濃度差轉(zhuǎn)運(yùn)，不需另外消耗能量③化學(xué)選擇性（chemicalspecificity

∵特殊膜蛋白質(zhì)本身有結(jié)構(gòu)特異性）④飽和性（saturation,∵結(jié)合位點(diǎn)是有限的）⑤競爭性抑制（competitiveinhibition∵經(jīng)同一特殊膜蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)）

ClassesofcarrierproteinsUniport(facilitateddiffusion)carriersmediatetransportofasinglesolute.AnexampleistheGLUT1

glucosecarrier.Theionophorevalinomycin(纈氨霉素)isalsoauniportcarrier.右旋葡萄糖載體（D-glucosecarrier）或葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（glucosetransporter）：

5subtypes：GLUT1-5GLUT1：RBC、brainandkidney492個(gè)氨基酸，12個(gè)α螺旋。其中1、2、3、5、7、8、11為雙嗜性螺旋（amphipathichelice,含少量絲aa、蘇aa、谷氨酰胺、天冬酰胺等）。它們可能共同構(gòu)成可供葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的水相孔道，或其中的親水性殘基的側(cè)鏈與葡萄糖分子中的羥基形成氫鍵。Transportofthetwosolutesisobligatorilycoupled.Agradientofonesubstrate,usuallyanion,maydriveuphill(againstthegradient)transportofaco-substrate.Examples:glucose-Na+symport,inplasmamembranesofsomeepithelialcellsbacteriallactosepermease,aH+symportcarrier.Symport(cotransport)carriersbindtwodissimilarsolutes(substrates)&transportthemtogetheracrossamembrane.Asubstratebinds&istransported.Thenanothersubstratebinds&istransportedintheotherdirection.Onlyexchangeiscatalyzed,notnettransport.

Thecarrierproteincannotundergotheconformationaltransitionintheabsenceofboundsubstrate.Example:Adeninenucleotidetranslocase(ADP/ATPexchanger)catalyzes1:1exchangeofADPforATPacrosstheinnermitochondrialmembrane.Antiport(exchangediffusion)carriersexchangeonesoluteforanotheracrossamembrane.Usuallyantiportersexhibit"pingpong"kinetics.2.經(jīng)通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散：Na+、K+、Ca2+等[K+]i＞[K+]o[Na+]o＞[Na+]i特點(diǎn)：a.跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速度快（108個(gè)離子，載體轉(zhuǎn)運(yùn)：103-105個(gè)離子）b.離子選擇性（ionicselectivity):分為Na+channel、K+channel、Ca2+channel等c.門控特性（gating）：通道內(nèi)的一個(gè)或兩個(gè)“閘門”樣結(jié)構(gòu)，控制著通道的開放和關(guān)閉。分為電壓門控通道（voltage-gatedionchannel）化學(xué)門控通道(chemically-gatedionchannel)

機(jī)械門控通道(mechanically-gatedionchannel)Channelscyclebetweenopen&closedconformations.Whenopen,

achannelprovidesa

continuouspathwaythroughthebilayer,allowingfluxofmanyions.IonChannelsWithvoltageclampedatsomevalue,current(ionflowthroughthemembrane)fluctuates.Eachfluctuation,attributedtoopeningorclosingofonechannel,isthesamemagnitude.Thecurrentincrementcorrespondstocurrentflowthroughasinglechannel(drawing-notactualdata).ChannelsthatareproteinsCellularchannelsusuallyconsistoflargeproteincomplexeswithmultipletransmembranea-helices.Controlofchannelgatingisaformofallosteric(變構(gòu))

regulation.Conformationalchangesassociatedwithchannelopeningmayberegulatedby:VoltageBindingofaligand(aregulatorymolecule)Membranestretch(e.g.,vialinktocytoskeleton)電壓門控Na+通道其開放和關(guān)閉受膜內(nèi)外兩側(cè)電位差控制、1、2三個(gè)亞單位亞單位形成孔道：共1820個(gè)氨基酸

a.形成4個(gè)氨基酸排列順序相似的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

b.每個(gè)結(jié)構(gòu)域：6個(gè)跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5與S6之間的胞外環(huán)內(nèi)向折疊構(gòu)成孔道內(nèi)壁，并決定離子選擇性。

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(duì)膜電位變化敏感—voltagesensor電壓門控性Na+通道分子結(jié)構(gòu)示意圖

A：α亞單位平面結(jié)構(gòu)示意圖；

B：4個(gè)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(xué)物質(zhì)控制其的開、閉的通道稱為化學(xué)門控通道（chemically-gatedionchannel

）或配體門控通道（ligand-gatedionchannel）。N2型Ach受體陽離子通道（N2-Achreceptorcationchannel):5個(gè)亞單位：2、、、呈梅花狀排列；每個(gè)亞單位有4個(gè)跨膜螺旋（M1-4）；

5個(gè)M2構(gòu)成孔道（?=0.65nm）的內(nèi)壁；每個(gè)M2螺旋的兩端（孔道內(nèi)外口）有帶負(fù)電的谷氨酸和門冬氨酸；每個(gè)的N端都有一個(gè)與Ach結(jié)合位點(diǎn)。

N-型Ach門控通道蛋白分子結(jié)構(gòu)示意圖A：5個(gè)亞單位及其α螺旋；

B：5個(gè)亞單位組成通道樣結(jié)構(gòu)；

C：各個(gè)亞單位在通道結(jié)構(gòu)中的位置水通道（waterchannel）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(gè)亞單位有6個(gè)跨膜螺旋（M1-6）。前半部：M1-3；后半部：M4-6。結(jié)構(gòu)相同，方向相反。在M2與M3間的胞內(nèi)環(huán)和M5與M6間的胞外環(huán)上都有天冬氨酸、脯氨酸和丙氨酸構(gòu)成的NPA基序（NPAmotif）。這兩個(gè)基序是形成孔道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。AQP1分子亞單位二級(jí)結(jié)構(gòu)A：丙氨基酸N：天冬氨基酸P：脯氨基酸跨膜物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)原理示意圖

三、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(ActiveTransport)概念:分子或離子逆濃度梯度或電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)過程特點(diǎn):①需要消耗能量,能量由分解ATP來提供②依靠特殊膜蛋白質(zhì)(泵)的“幫助”③是逆電-化學(xué)梯度進(jìn)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(yùn)，依靠鈉泵（Na+、K+依賴式ATP酶）Na+-K+泵又稱Na+-K+-ATPase，簡稱鈉泵。當(dāng)[Na+]i↑[K+]o↑時(shí)，都可被激活，ATP分解產(chǎn)生能量，將胞內(nèi)的3個(gè)Na+移至胞外和將胞外的2個(gè)K+移入胞內(nèi)。通道轉(zhuǎn)運(yùn)與鈉-鉀泵轉(zhuǎn)運(yùn)模式圖20%-30%能量用于鈉-鉀泵的轉(zhuǎn)運(yùn)，是組織具有興奮性的基礎(chǔ)。維持[Na+]o高、[K+]i高原先的不均勻分布狀態(tài)2K+泵至細(xì)胞內(nèi);3Na+泵至細(xì)胞外分解ATP產(chǎn)生能量當(dāng)[Na+]i↑/[K+]o↑激活A(yù)ctivetransportenzymescouplenetsolutemovementacrossamembranetoATPhydrolysis.Anactivetransportpumpmaybeauniporteroranantiporter.ATP-dependentionpumpsaregroupedintoclasses,basedontransportmechanism,genetic&structuralhomology.繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

（SecondaryActiveTransport）間接利用ATP能量的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程。見前面的轉(zhuǎn)運(yùn)載體。如：Na+-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運(yùn)體：小腸黏膜上皮細(xì)胞；

Na+-Ca2+交換體：心肌細(xì)胞（4）入胞和出胞

出胞：指細(xì)胞把成塊的內(nèi)容物由細(xì)胞內(nèi)排出的過程。主要見于細(xì)胞的分泌過程：如激素、神經(jīng)遞質(zhì)消化液的分泌。

指細(xì)胞外的大分子物質(zhì)或團(tuán)塊進(jìn)入細(xì)胞的過程。分為：吞噬=轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)為固體;

吞飲=轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)為液體。入胞:分泌物排出融合處出現(xiàn)裂口囊泡向質(zhì)膜內(nèi)側(cè)移動(dòng)膜性結(jié)構(gòu)包被=分泌囊泡高爾基復(fù)合體粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成蛋白性分泌物出胞：囊泡膜與質(zhì)膜的某點(diǎn)接觸并融合囊泡的膜成為細(xì)胞膜的組成部分細(xì)胞膜上的受體對(duì)物質(zhì)的“辨認(rèn)”發(fā)生特異性結(jié)合=復(fù)合物復(fù)合物向膜表面的“有被小窩”移動(dòng)“有被小窩”處的膜凹陷凹陷膜與細(xì)胞膜斷離=吞食泡吞食泡與胞內(nèi)體的膜性結(jié)構(gòu)相融合出胞入胞復(fù)習(xí)思考題1、簡述細(xì)胞膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有哪些方式？2、Na+-K+泵的作用意義？3、在一般生理情況下,每分解一分子ATP,鈉泵運(yùn)轉(zhuǎn)可使()A.2個(gè)鈉離子移出膜外

B.2個(gè)鉀離子移入膜內(nèi)

C.2個(gè)鈉離子移出膜外,同時(shí)有2個(gè)鉀離子移入膜內(nèi)

D.3個(gè)鈉離子移出膜外,同時(shí)有2個(gè)鉀離子移入膜內(nèi)

E.2個(gè)鈉離子移出膜外,同時(shí)有3個(gè)鉀離子移入膜內(nèi)D4、細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層是()A.細(xì)胞內(nèi)容物和細(xì)胞環(huán)境間的屏障

B.細(xì)胞接受外界和其他細(xì)胞影響的門戶

C.離子進(jìn)出細(xì)胞的通道

D.受體的主要成分

E.抗原物質(zhì)5、葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞膜是屬于()A.單純擴(kuò)散

B.主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

C.易化擴(kuò)散

D.入胞作用

E.吞飲AC細(xì)胞功能—細(xì)胞的跨膜信號(hào)傳遞功能

(SignalTransduction)細(xì)胞外信號(hào)分子：神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）

激素（hormone）

細(xì)胞因子（cytokine）等。其中：脂溶性分子：進(jìn)入細(xì)胞作用于胞內(nèi)受體水溶性分子：作用于細(xì)胞膜受體一、離子通道介導(dǎo)的跨膜信號(hào)傳導(dǎo)(SignalTransductionmediatedbyionchannel)

（一）化學(xué)門控通道：2（與Ach結(jié)合）（二）電壓門控通道：神經(jīng)、肌細(xì)胞。（三）機(jī)械門控通道：如內(nèi)耳毛細(xì)胞。（一）

Chemically-gatedionchannel5個(gè)亞單位:2、、、梅花狀排列；每個(gè)亞單位有4個(gè)跨膜螺旋(M1-4)；5個(gè)M2構(gòu)成孔道(?=0.65nm)的內(nèi)壁；每個(gè)M2螺旋的兩端（孔道內(nèi)外口）有帶負(fù)電的谷氨酸和門冬氨酸；每個(gè)的N端都有一個(gè)與Ach結(jié)合位點(diǎn)。N2-Achreceptorcationchannel):化學(xué)性胞外信號(hào)(ACh)ACh+

受體=復(fù)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Chemically-gatedionchannel（二）

Voltage-gatedionchannela.4個(gè)氨基酸排列順序相似的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。b.每個(gè)結(jié)構(gòu)域：6個(gè)跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5與S6之間的胞外環(huán)內(nèi)向折疊構(gòu)成孔道內(nèi)壁，并決定離子選擇性。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(duì)膜電位變化敏感—voltagesensor二、受體介導(dǎo)的跨膜信號(hào)傳遞(SignalTransductionmediatedbyreceptor)(一)離子通道藕聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳遞(二)G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳遞(三)酶藕聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳遞(二)、G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)(SignalTransductionMediatedbyGProtein-linkedReceptor)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）G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)的主要過程G蛋白耦聯(lián)受體a.最大的細(xì)胞表面受體家族（superfamily）：300種以上以被克??；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-spanningreceptor）；c.識(shí)別配體、與配體結(jié)合部位不同：小分子配體的結(jié)合部位在跨膜螺旋；大分子配體的結(jié)合部位在受體分子N-端。d.結(jié)合并激活G-蛋白的部位：在受體分子胞漿側(cè)：胞內(nèi)III環(huán)或I、II和7-處。

人腎上腺素能2受體二級(jí)結(jié)構(gòu)模式圖G蛋白:

（Gprotein或（GTP-bindingprotein）

20種以上。、、三個(gè)亞單位構(gòu)成。

G蛋白未激活時(shí)，GDP與結(jié)合

GTP與結(jié)合有活性。

G蛋白可分為Gs(stimulatoryGprotein)

和Gi(inhibitoryGprotein)G蛋白激活過程示意圖G-蛋白效應(yīng)器（G-proteineffector）

1.離子通道：直接或間接調(diào)控離子通道的活動(dòng)。

2.酶：催化生成第二信使。包括腺苷酸環(huán)化酶（adenylatecyclase,AC）磷脂酶C（phospholipase,PLC）依賴于cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase,PDE）磷脂酶A2(phospholipaseA2)第二信使（secondmessenger）：實(shí)驗(yàn)：腎上腺素與肝組織切片孵育，可增加糖原磷酸化酶活性，導(dǎo)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(xì)胞膜，在胞漿中生成一種小分子物質(zhì)（cAMP），然后才激活上述酶的。cAMP:IP3:inositoltriphosphateDG:diacylglycerolcGMP:cyclicguanosinemonophosphateCa2+:蛋白激酶（proteinkinase）：可被第二信使激活。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(gè)信號(hào)傳導(dǎo)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-dependentproteinkinase,orproteinkinaseA,PKA)

依賴于Ca2+的蛋白激酶（orproteinkinaseC,PKC）幾種主要的信號(hào)傳導(dǎo)方式：cAMP-PKA途徑：Gs，GiIP3-Ca途徑：Gq-PLC-PIP2-IP3-IP3受體-Ca2+釋放DG-PKC途徑：DG激活PKC，后者使底物蛋白磷酸化