第五章、物質(zhì)的跨膜運輸課件

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谖逭隆⑽镔|(zhì)的跨膜運輸

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸細胞質(zhì)膜不僅僅作為物質(zhì)出入細胞的障礙，還要具有控制分子和離子通過的能力。細胞質(zhì)膜必須具有選擇性地進行物質(zhì)跨膜運輸、調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外物質(zhì)和離子的平衡及滲透壓平衡的能力。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸膜運輸機制:被動運輸與主動運輸

有三個主要的差異:起始條件不同、運輸方式不同、產(chǎn)生的結(jié)果不同。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝还?jié)小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運一、小分子

離子：陰離子CL-

陽離子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+

非極性小分子：O2

極性小分子：CO2,乙醇，尿素，類固醇激素

其他：甘油，葡萄糖，氨基酸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸細胞膜是選擇性半透膜，對離子選擇性通透，產(chǎn)生了細胞內(nèi)外的電位差，用以傳導(dǎo)電信號。小分子物質(zhì)通過細胞膜的轉(zhuǎn)運主要有三種方式

簡單擴散（simplediffusion）

易化擴散（facilitateddiffusion）

主動運輸（activetransport）4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸㈠簡單擴散（simplediffusion）/被動擴散

影響因素：分子量越小脂溶性越強非極性比極性分子過脂雙層膜速率越快特點：①沿濃度梯度擴散高-低②不需要提供能量③不需要膜蛋白協(xié)助4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過脂雙層;膜對帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸二、易化擴散也稱促進擴散（facilitateddiffusion）。特點：①轉(zhuǎn)運速率高；②運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；④飽和性。載體：離子載體、通道蛋白。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸㈡膜轉(zhuǎn)運蛋白

——小分子跨膜轉(zhuǎn)運的載體或通道

載體蛋白(carrierprotein)通道蛋白(channelprotein)

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸載體蛋白（carrierprotein）載體蛋白（carrierprotein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子?？梢院吞囟ǖ娜苜|(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的主動和被動跨膜運輸。紅細胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸1.載體蛋白介導(dǎo)的被動轉(zhuǎn)運(易化擴散)⑴特點——類似于酶-底物反應(yīng)

①結(jié)合溶質(zhì)分子具有特異性

②結(jié)合溶質(zhì)分子具有飽和性達到飽和狀態(tài)時轉(zhuǎn)運速率最大(Vmax)

③每種載體對各自溶質(zhì)均有一結(jié)合常數(shù)(Km)

④結(jié)合可被競爭性或非競爭性抑制劑阻斷

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸⑵不同的運輸形式單向運輸（uniport）協(xié)同運輸（coupledtransport）

同向運輸（symport）

對向運輸（antiport）

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸通道蛋白及其功能通道蛋白（channelproteins）：存在于細胞膜上的一種跨膜蛋白質(zhì)，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(dǎo)的被動運輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸多數(shù)通道蛋白是多次跨膜的離子通道，具有兩個顯著的特征：①具有離子選擇性，而且轉(zhuǎn)動速率高，凈驅(qū)動力是溶質(zhì)跨膜的電化學(xué)梯度；②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)男盘枴?.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸機制在膜上特異性刺激控制下，閘門短暫地開放，隨即關(guān)閉。配體閘門通道：信號分子電壓閘門通道：跨膜電位變化有些通道長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道平時處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，稱為門通道（電位門通道、配體門通道、環(huán)核苷酸門通道、機械門通道）。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸1、配體門通道(ligandgatedchannel)特點：受體與細胞外的配體結(jié)合，引起通道構(gòu)象改變，“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿受體；和陰離子通道，如γ－氨基丁酸受體。Ach受體由4種亞單位（α2βγδ）組成。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸乙酰膽堿受體4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸2、電位門通道(voltagegatedchannel)結(jié)構(gòu)：四聚體，每個單體跨膜6次。Na+、K+、Ca2+電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，由同一個遠祖基因演化而來。特點：膜電位變化可引起構(gòu)象變化，“門”打開。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸鉀電位門通道

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸3、環(huán)核苷酸門通道分布于化學(xué)和光感受器中。如氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道，引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4、機械門通道感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。目前比較明確的有兩類機械門通道，一類對牽拉敏感，為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主，幾乎存在于所有的細胞膜。另一類對剪切力敏感，僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細胞和心肌細胞。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸5、水通道長期以來,普遍認為細胞內(nèi)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(xiàn)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。1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28（28KD）。目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ溃x子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸三.載體蛋白介導(dǎo)的主動運輸主動運輸（activetransport）是指由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度（或化學(xué)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。

主動運輸?shù)奶攸c是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；②需要能量（由ATP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯(lián)（協(xié)同運輸）；③都有載體蛋白。

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸

能量來源

ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量協(xié)同運輸中的離子梯度動力

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸⑴Na+-k+泵ATP直接供能對向運輸將Na+逆電化學(xué)梯度運出細胞將k+逆電化學(xué)梯度運入細胞其動力是自身ATP水解供能—Na+-k+-ATP酶4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體。Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。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。存在：一切動物細胞的細胞膜上，植物細胞、真菌、細菌上沒有。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進兩個K+。Na+-K+泵作用是：①維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；②維持低Na+高K+的細胞內(nèi)環(huán)境，維持細胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸鈉鉀泵機制4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸（2）鈣泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能

通常細胞內(nèi)鈣離子濃度（10-7M）顯著低于細胞外鈣離子濃度（10-3M），這種濃度差由鈣泵維持。位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。例：肌質(zhì)網(wǎng)（sarcoplasmicreticulum）上的鈣離子泵，肌細胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進入細胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸功能：在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲存Ca2+調(diào)節(jié)肌細胞的收縮與舒張肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵，肌細胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進入細胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸（3）質(zhì)子泵（H＋泵）ATP直接供能

存在位置：溶酶體膜上作用方式：從胞質(zhì)中主動將H＋輸入溶酶體4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸植物細胞、真菌（包括酵母）和細菌細胞其質(zhì)膜上沒有Na+

—K+泵，而是具有H+泵，將H+泵出細胞，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度，利用H+電化學(xué)梯度來驅(qū)動主動轉(zhuǎn)動溶質(zhì)進入細胞。分為三種：1、P-type：如植物細胞膜上的H+泵、動物胃表皮細胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各類小泡膜上，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。3、F-type：利用質(zhì)子動力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸四種ATP驅(qū)動的離子泵4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸四、ABC轉(zhuǎn)運器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette）。一種ABC轉(zhuǎn)運器只轉(zhuǎn)運一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸ABC轉(zhuǎn)運器與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細胞ABC轉(zhuǎn)運器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細胞內(nèi)該基因過度表達。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸五、協(xié)同運輸cotransport靠間接提供能量完成主動運輸。所需能量來自膜兩側(cè)離子的濃度梯度。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。共運輸（symport）：物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。對向運輸（antiport）：物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相反4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸共運輸對向運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸主動運輸與被動運輸?shù)谋容^1、運輸方向2、跨膜動力3、能量消耗4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸?shù)诙?jié)大分子物質(zhì)的囊泡轉(zhuǎn)運——胞吞和胞吐

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸囊泡以出芽方式從細胞的一種內(nèi)膜細胞器脫離后又與另一內(nèi)膜細胞器發(fā)生融合，這一轉(zhuǎn)運過程稱為囊泡轉(zhuǎn)運。根據(jù)物質(zhì)的運輸方向：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）共同特點：雙向、特異、有序、化學(xué)修飾4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸㈠胞吞作用的兩種形式：胞吞作用消耗能量,屬于細胞膜的主動運輸吞噬（phagocytosis）由專門的吞噬細胞完成,大的顆粒,直徑>250nm，最終到達溶酶體被降解。吞飲（pinocytosis）攝入液體和小溶質(zhì)分子進行消化，直徑<150nm。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸吞噬過程吞飲過程4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸★受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用

——受體-配體結(jié)合而引發(fā)的吞飲作用⑴特點①所攝入的大分子在質(zhì)膜上有特異受體②內(nèi)吞由大分子配體與其受體的識別、結(jié)合而激發(fā)③受體配體復(fù)合物聚集于質(zhì)膜的有被小窩內(nèi)，由有被小泡送至內(nèi)體。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸胞吞泡的形成：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)體融合有被小泡胞內(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(zhì)到溶酶體中被降解。受體介導(dǎo)的胞吞作用溶酶體4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸受體介導(dǎo)的胞吞作用網(wǎng)格蛋白衣被小泡是最早發(fā)現(xiàn)的衣被小泡，介導(dǎo)高爾基體到內(nèi)體、溶酶體、植物液泡的運輸，以及質(zhì)膜到內(nèi)膜區(qū)隔的膜泡運輸。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸大分子物質(zhì)運輸中的三種有被小泡網(wǎng)格蛋白（clathrin）

冷凍蝕刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)，有被小凹和小泡上的外被呈網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)，由幾種蛋白組成，其中一種就是網(wǎng)格蛋白。網(wǎng)格蛋白在進化上高度保守。網(wǎng)格蛋白位于轉(zhuǎn)運小泡的表面，大大提高了小泡的表面張力。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸（2）COPI衣被小泡負責(zé)回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。起初發(fā)現(xiàn)于高爾基體碎片，在含有ATP的溶液中溫育時，能形成非籠形蛋白包被的小泡。（3）COPII主要介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。最早發(fā)現(xiàn)于酵母ER在ATP存在的細胞質(zhì)液中溫育時，ER膜上能形成類似于COPI的衣被小泡。

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸不同類型受體的胞內(nèi)體的分選途徑：（1）返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)；（3）被運至質(zhì)膜的不同結(jié)構(gòu)域，稱為跨細胞的轉(zhuǎn)運。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸㈡胞吐作用1.胞吐作用的途徑⑴結(jié)構(gòu)性途徑(constitutivepathwayofsecretion)

分泌蛋白合成后立即包裝入高爾基復(fù)合體的分泌囊泡中，然后被迅速帶到細胞膜處排出。⑵調(diào)節(jié)性途徑(regulatedpathwayofsecretion)

細胞分泌的蛋白，儲存于特定的分泌囊泡中，只有當接受細胞外信號（如激素）時，分泌囊泡才移至細胞膜處，與其融合將分泌物排出。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸2.結(jié)構(gòu)性分泌途徑幾乎存在于所有細胞中調(diào)節(jié)性途徑主要存在于特化的分泌細胞中3.胞吐作用消耗能量,屬于細胞膜的主動運輸4.功能補充質(zhì)膜更新所需的物質(zhì)分泌各種分子4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸胞吐作用4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸Fig.細胞組成型和調(diào)節(jié)型胞吐作用4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸無論是胞吞作用或是胞吐作用。都是通過膜泡運輸?shù)姆绞竭M入的，這種動態(tài)過程對質(zhì)膜更新和維持細胞的生存與生長是必要的。胞吞作用和胞吐作用都涉及到膜的融合，現(xiàn)在已鑒定有膜融合蛋白參與催化，以克服質(zhì)膜融合過程中的能量障礙。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸

第三節(jié)、細胞膜異常與疾病膜受體或離子通道蛋白質(zhì)異常，遺傳性疾病：細胞膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)異常如腎性糖尿?。篘a+驅(qū)動的葡萄糖載體蛋白缺失或功能降低，曲小管對葡萄糖分子重吸收有障礙。原發(fā)性高血壓：鈉鉀泵活性異常

4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸細胞膜受體異常1、遺傳性與原發(fā)性受體：基因突變導(dǎo)致受體缺乏或結(jié)構(gòu)功能異常引起疾病。如家族性高膽固醇血癥：細胞膜上LDL受體先天缺失或減少；受體與LDL結(jié)合部位異常所致，動脈粥樣硬化，引起冠心病。4.細胞膜的分子生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運輸正常與異