第三章 生物膜-物质运输.ppt

1,第三章跨生物膜的物质运输,细胞膜是细胞与外环境之间的一种选择性通透屏障，它即能保障细胞对基本营养物质的摄取，代谢废物的排泄和细胞内离子浓度的调节，又能维持相对稳定的内环境，因此物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。物质通过细胞膜的转运有三种途径：被动运输、主动运输、胞吞和胞吐作用,2,第一节小分子物质的跨膜运输,细胞内外各种化学物质是不均匀的，有一定浓度梯度。根据物质跨膜运输的方向和机制，可以将其分为：被动运输（顺着浓度梯度，不消耗能量）1穿过脂双层的简单扩散2易化扩散3通过蛋白质构成的水溶形通道的简单扩散主动运输(逆浓度梯度，消耗能量),3,一.溶质能力学扩散是物质由高浓度区域向低浓度区域运动的自发过程，它倾向于消除该物质在两区域的浓度差。扩散是熵增加驱动的放能过程。当物质分子跨膜扩散时，其自由能的改变是依赖膜两侧该物质分子的浓度梯度。,4,当非电解质溶质进入细胞时其自由能改变为：G=RTlnCi/Co=2.303RTlog10Ci/CoG=5.9J/mollog10Ci/CoCi/Co1.0，G0，热力学上有利于该溶质的内流。例:膜外侧是膜内侧浓度的10倍，G=-5.9J/mol维持10倍差的浓度梯度就意味着储存5.9J/mol的自由能。当溶质内流，其浓度梯度减少，G降低，直至平衡，G=0。,5,当带电荷的电解质跨膜内流时，自由能的变化就不仅依赖于膜两侧溶质的化学浓度梯度，而且还依赖于膜两侧带电荷状况的差别造成的膜两侧的电势梯度。两种跨膜梯度总称电化学梯度。,6,当电解质跨膜进入细胞，其自由能的变化为：G=RTlnCi/Co+ZFEm跨膜的化学浓度梯度和膜电位之间共同作用决定着电解质溶质跨膜扩散的方向和能力。,7,扩散:浓度梯度:,CoCi,8,9,就生物膜而言，溶质能否自发进行扩散还取决于生物膜对某一溶质是否可以通透以及通透能力的大小。所以决定生物膜对物质通透能力的因素为：驱动力来源：膜两侧电化学梯度差。生物膜对某一溶质的通透能力,10,二.经过脂双层的简单扩散,对于一些小的非极性疏水性气体分子，如O2、N2及小的不带电荷的极性分子，如CO2、H2O、乙醇、乙二醇、尿素等可以通过简单扩散的方式通过双层脂分子形成的膜，这些物质从膜高浓度侧扩散到低浓度一侧，是一种放能过程，不需要消耗代谢能量，自由能在扩散中降低，此过程符合Fick定律。,11,12,13,Fick第一定律：,D：扩散系数对于一维情况：,J通量：单位时间内通过单位膜面积的溶质的量,14,简单扩散的几个特征：没有饱和性没有特异性对抑制剂不敏感生物膜对溶质分子的简单扩散速率与人工膜一致,15,通透系数,膜厚度,膜,水油分配系数,16,三.易化（促进）扩散,极性分子，如葡萄糖的简单扩散通透系数很小，难以透过生物膜，而实际通透性很大，这需要膜上载体蛋白的协助，称为易化扩散促进扩散。载体是蛋白质成分，由于易化扩散很多方面很象酶促反应，因而载体也称为通透酶。和简单扩散一样，易化扩散也是顺着浓度梯度扩散。,17,易化扩散的过程：结合变构释放,18,19,易化扩散的特点：1饱和性2快于简单扩散3对底物的特异性4对抑制剂敏感竞争性抑制剂，Jmax不变，K变大非竞争性抑制剂，如蛋白变性剂，Jmax变小，K不变5能够被调节,进行易化扩散运输的小分子物质：极性小分子：单糖，氨基酸，碱基等,20,葡萄糖的跨膜运输和调控,所有的动物细胞均利用血液中葡萄糖作为主要能源，葡萄糖顺浓度梯度运输是典型的易化扩散。哺乳动物至少有五种不同形式的葡萄糖转运蛋白。红细胞：GLUT1小肠上皮细胞：GLUT2平滑肌、心肌和脂肪细胞：GLUT4,21,胰岛素的调节：胰岛素促进肌肉细胞和脂肪细胞摄取葡萄糖,22,四.离子的跨膜扩散-离子通道,脂双层构成生物膜的核心，由于其高疏水性，对于离子是不通透的，但是这些离子的跨膜运动和传导，对许多细胞生理功能起关键作用，如神经冲动、细胞分泌、肌肉收缩等。,23,至今，科学家已鉴定出各种离子通道，它们是由膜内在蛋白围成的具有被动转运功能的水溶性通道。多数离子通道是搞选择性的,一种离子通道只允许一种特定类型的离子自由扩散，这种蛋白质称为离子通道蛋白。特点：需载体蛋白帮助驱动力为电化学梯度无饱和现象非常快,24,离子通道的分类,按转运的离子分类：Na+通道,K+通道,Ca2+通道，Cl-通道，阳离子通道，阴通道,按门控机制来分类：电压门控通道配体门控通道机械门控通道,25,26,五.生物膜对水的通透性,半透膜:水分子能迅速透过生物膜，而极性的溶质分子几乎不透过生物膜，所以可把生物膜看作半透膜（溶剂可透膜而溶质不透膜）。渗透:水通过半透膜的现象叫作渗透。水从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧渗透，水的净流动直到膜两侧溶质浓度相等时才停止。,27,水的净流动是膜两侧溶液的渗透压存在差别引起的。渗透压：半透膜隔开的纯水和含有溶质溶液之间的压强差。膜两侧溶液渗透压不同时，水从低渗一侧向高渗一侧净流动。,28,VantHoff定律计算渗透压,=CRT,：渗透压，PaC:浓度，mol/LT：绝对温度,等渗溶液，高渗溶液，低渗溶液,0.15mol/LNaCl红细胞，不同细胞不同,29,J为水的通量，A为膜表面积，dV/dt细胞体积的膨胀速率K：渗透系数,水的渗透作用：,30,六.主动运输,生物膜两侧的环境往往维持着不对称性，从而建立一定浓度梯度，这对于细胞有其生理意义。被动运输过程都是顺着浓度梯度进行，其结果使这种不对称性的消除。故而需要一种逆浓度梯度的运输来将其平衡，从而不对称性得以维持。这种逆浓度梯度的运输就是主动运输。如同易化扩散，主动运输也需要蛋白质的参与;与易化扩散不同，主动运输需要消耗能量。,31,离子的不对称分布对细胞兴奋、肌肉收缩、物质跨膜运输、渗透压平衡、蛋白质合成等生理功能非常重要。,32,按能量来源分类：ATP驱动的主动运输,电子传递链驱动的主动运输（线粒体高能电子释放的能量）,协同输运（能量来源于另一种物质的浓度梯度）,33,1.ATP驱动的主动运输（ATP-drivenactivetransport）,此类主动运输都需要水解ATP来为物质的逆浓度梯度运输提供能量，推动此类运输的蛋白质本身都是ATPase，这些ATPase又被称为“泵”。,34,早期研究证明了这些泵的存在，用2.4二硝基苯酚抑制有氧代谢，ATP生成受阻，细胞内的离子浓度逐渐接近外环境中的离子浓度，最后细胞死亡。,35,每个细胞需要利用有效能量的一部分来维持Na+、K+、Ca2+跨细胞膜的浓度梯度，例如：神经和肾细胞用于运输离子的能量大于ATP产能的25%；人红细胞运输离子的能量大于ATP产能的50%；细胞还利用离子顺其跨膜浓度梯度输运时释放的能量，同时使另一种分子逆其跨膜浓度梯度运输。,36,ATP驱动的离子泵的分类：P类：运输离子，离子泵Na+-K+ATPaseNa泵,Ca2+-ATPaseCa泵（质膜和内质网）通过蛋白磷酸化，改变构象。F类和V类：运输H离子，不包括蛋白磷酸化的过程。ABC运输载体超家族：运输小分子和离子。,37,38,（a）P型泵两个亚基和两个亚基，运输离子过程，必须一个亚基被磷酸化及构型改变，耦联Na+、K+、Ca2+通过膜。,39,P类离子泵主要包括:质膜Na+/K+ATPase，质膜Ca2+ATPase和内质网Ca2+ATPase，存在于胃上皮等的酸分泌细胞的H+/K+ATPase.,40,P类离子泵的“P”字表示磷酸化，即在泵作用中，ATP水解，输运蛋白的磷酸化引起其构象变化，改变载体蛋白对被输运离子的亲和力，使离子被输运。,41,Na+/K+ATPase:质膜上，4个亚基生理功能：建立离子浓度梯度,42,Na+/K+ATPase工作过程：,43,（b）F型、V型泵结构彼此相似，比P型泵更复杂。F型：在细菌的质膜和真核细胞的线粒体和叶绿体。利用H+的跨膜电化学梯度，促使质子从非胞浆面“顺坡”流向胞浆面，释放的自由能被利用合成ATP。相反，如果把F型质子泵组装到人工脂质体中，在外加ATP条件下，质子能够通过F型离子泵进行逆电化学梯度的跨膜运动。,44,V型泵：用于维持植物细胞液泡和动物细胞的溶酶体膜、破骨细胞等的浆膜上，利用ATP水解释放的能量，使质子逆电化学梯从胞浆泵入到细胞器的腔中，酸化这些腔，保持低pH值。,45,（c）ABC运输载体超家族：在从细菌到人的广泛搜寻中，发现100多种ABC超家族型输运蛋白质。共同特点：有ATP结合位点运输的物质有特异性，包括氨酸、糖、无机离子、多糖。这类蛋白与免疫系统有关，与细胞抗药性有关，因长期服药，有些ABC输运载体在细胞中大量表达，把这些药物泵出细胞，使细胞产生抗药性。,46,所有ABC蛋白具有一个共同结构：2个跨膜区，形成被转运分子的通道，每个区含六个跨膜的螺旋2个胞浆中的ATP结合区。,47,各种ATP驱动的泵都有一个或多个ATP结合点，总在膜的胞浆面，虽然这些蛋白被称为ATP酶，但只在运输离子或其它分子时，它们才使ATP水解成ADP和Pi。因为ATP水解与运输功能紧密耦联，磷酸键贮存的能量被充分利用，使离子或其它分子逆其电位或浓度梯度移动。这样就保持住细胞内、外Na+、K+、Ca+、H+的浓度梯度。,48,2.电子传递链驱动的主动运输,电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来的自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，这是线粒体氧化磷酸化偶联作用的关键环节。在线粒体内膜上，复合物I（NADH脱氢酶）、复合物III（细胞色素bc1）、复合物IV(细胞色素c氧化酶)作为质子泵将质子泵至膜间隙。,49,50,质子驱动力（proton-motiveforce）,电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来的自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，产生了线粒体内膜两侧的质子浓度梯度。线粒体内膜两侧的电化学势包括两方面：线粒体内膜两侧的质子浓度梯度，即pH梯度；和膜两侧电位梯度。其总的能势称为质子驱动力（p，单位为mV）。,51,52,电子传递反应、光照射、或ATP水解产生的能量以这种电化学梯度形式贮备。,53,3.协同输运(Cotransport),能量来自膜两侧的离子浓度梯度。一种离子顺浓度梯度输运，释放出来的自由能驱动另一种离子或分子逆浓度梯度输运。同向协同：物质运输方向与离子移动方向相同，如小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸。（Na+从细胞外进入细胞内，葡萄糖从细胞外进入细胞内）,54,逆向协同：物质运输方向与离子移动方向相反,如细胞Na+/H+交换以提高细胞内pH值（Na+从细胞外进入细胞内，H+从细胞内运出细胞）,55,56,例1.Na+/葡萄糖同向运输,662个氨基酸的蛋白质氨基和羧基末端在胞浆中14个跨膜螺旋C末端的5个螺旋形成葡萄糖的通路蛋白质的剩余部分可能是使结合Na+转运耦联所需的蛋白质在胞外侧有2个Na+离子和一个葡萄糖分子的结合位点，结合它们后蛋白质构像发生改变，Na+离子和一个葡萄糖同时释放到胞内，蛋白质恢复原状。,57,58,59,60,在肾小管上皮细胞有第二种Na+/葡萄糖同向运输蛋白，它是使一个Na+和一个葡萄糖分子同向运输的蛋白质，有很高的运输速率，但葡萄糖的浓度梯度不太大，细胞内比细胞外约高100倍，是该上皮细胞重吸收葡萄糖的功能。,61,例2Na+/Ca2+反向输运心肌细胞中Na+/Ca2+反向输运蛋白的功能是由Na+顺浓度梯度进入细胞时释放能量，驱动Ca2+逆浓度梯度运出细胞，降低心肌收缩力。运进3个Na+，运出一个Ca2+。细胞外Ca2+离子浓度比细胞内大10000倍。,62,临床上常用一些药物，例如地高辛，处理充血性心力衰竭。由于这些药物抑制Na+/K+ATPase运输Na+、K+的功能，细胞内Na+浓度增加，Na+跨膜浓度梯度降低，因而，Na+/Ca2+反向输运功能的效率降低，细胞内Ca2+增加，使心肌收缩力加强。,63,例3Cl-/HCO3-反向运输红细胞膜上有带三蛋白（内在蛋白），它将Cl-和HCO3-一对一反向运输，HCO3-顺浓度梯度，无静电荷移动，维持细胞膜运输的电中性。,64,65,第二节生物大分子的跨膜运输,细胞与环境之间，细胞器与胞浆之间广泛、频繁地进行着生物大分子的流通。一般而言，生物大分子不能通过上述的被动或主动运输过程进行跨膜转运，而需要通过特殊的内吞作用或胞吐作用来摄取或分泌生物大分子。有些细胞器上有一些特别的孔道容许一定大小的生物大分子通过。,66,67,胞吐作用：基本分泌途径调节分泌途径,68,69,基本分泌途径:囊泡没有特殊的靶向信号，许多蛋白质由内质网合成后，持续、成批的输送到高尔基体，然后形成包含这些蛋白质的囊泡，并经过胞浆连续稳定地输运到质膜，在释放分泌蛋白到胞外的同时，囊泡膜蛋白和膜脂补充到质膜上，所有真核细胞都具有基本分泌途径。,70,二.调节分泌途径这些分泌囊泡先转运和储存于细胞质膜附近，只有当特殊的刺激（激素或电脉冲）作用于细胞后，这些待排的囊泡迅速移至质膜，将相应的分泌蛋白排到细胞外。这类途径主要发生在合成某些特别的分泌蛋白的细胞中，如胰岛细胞分泌胰岛素和消化酶，神经细胞分泌神经递质。这类调节分泌囊泡一般由笼形蛋白包被。,71,内吞作用：吞噬作用（巨噬细胞吞噬细菌和抗原）胞饮作用受体介导的内吞作用,72,三.吞噬作用通过形成大的吞噬体来消化细菌和细胞碎片这样大的颗粒。大颗粒首先结合到吞噬细胞表面，这种结合往往借助于特异的细胞表面受体，一旦结合到受体，刺激细胞质膜卷席颗粒形成吞噬体进入细胞，然后吞噬体与溶酶体融合，所吞噬的颗粒被消化，可利用的分子被输运到胞浆，不能消化的物质留在溶酶体内，形成残余小体。,73,74,图,75,四.胞饮作用所有真核细胞都能进行胞饮，这是一种基本的持续发生的液相吞饮过程。当小面积质膜内陷形成吞饮泡时，少量细胞外液被包裹在小泡中而被摄入胞内。,76,77,五.受体介导的内吞作用大多数动物细胞能选择性的从胞外吞饮某些大分子，如某些激素、胆固醇、某些酶和毒素分子。这个过程是由细胞表面受体介导的。一旦大分子特异地结合到受体上，受体-大分子复合物聚集到笼形蛋白包被的有被小窝中，然后形成笼形蛋白胞被的吞噬泡，进入细胞内。,78,研究最清楚的受体介导的内吞作用是哺乳动物细胞摄取胆固醇的过程。,79,血液中的低密度脂蛋白（LDL）颗粒结合较多的胆固醇，（每个LDL颗粒约包含1500个胆固醇分子），当动物细胞需要摄取胆固醇参与膜的合成时，细胞就产生LDL受体并插入质膜。,80,一旦LDL脂蛋白与LDL受体结合，LDL-受体复合物聚集在有被小窝中，然后形成有被小囊进入细胞内。然后脱去胞被与胞内体融合，在胞内体酸性环境中，受体构象发生变化，LDL颗粒与其受体分离并分开包入不同的小囊中。,81,所形成的含有LDL的晚期胞内体与初级溶酶体融合，形成次级溶酶体，在高酸性的溶酶体中，LDL被水解释放出游离胆固醇分子，进入胞浆参与新膜的合成。而含有LDL受体的小囊泡运回质膜，LDL受体再循环使用。,82,细胞摄取胆固醇的过程,83,许多病毒颗粒也通过受体介导的内吞过程进入细胞。虽然细胞本身没有相应的病毒受体，但是，细胞膜上的某些受体误认了与其配体分子结构相似的病毒表面蛋白，从而使病毒有机会结合到细胞表面而被内吞进细胞内。,84,第三节跨膜运输的医学生物学意义一.有几种严重的遗传疾病与编码离子通道蛋白的基因突变有关，影响离子跨过肌肉和神经细胞质膜的运动。例如:细胞囊性纤维化是最常见的离子通道遗传病，是上皮细胞离子通道缺陷的结果。,85,L型钙通道蛋白的相关基因CACNLIA3发生突变，通道的失活功能异常，引起骨骼肌兴奋-收缩偶联减弱，产生肌肉收缩无力而麻痹。有些维持跨膜离子浓度的离子泵或运输蛋白质先天异常，对Na、K、Ca离子通透异常，出现先天性球形红细胞，造成溶血性贫血。,86,许多生物合成细胞毒性物质，破坏膜结构在膜上形成亲水性通路，使离子能自由出入。例如：病源性葡萄球菌产生水溶性蛋白质毒素，它接触脂质时凝聚成疏水性的环六面体，可在膜内形成宽为2nm的亲水性孔。河豚毒素阻断钠通道，因此阻断了神经纤维上的动作电位传导功能。,87,硝苯地平抑制钙内流，松弛血管平滑肌，扩张周围小动脉，使血压降低。对物质跨膜运输机制的研究有助于对生命活动本质的认识，对疾病进行诊断和治疗。,88,第四节细胞的自稳作用,生物的自稳作用是生命的最主要特征之一，肌体整体的自稳作用是:细胞自稳作用细胞间组织系统的自稳作用两个自稳作用的相互作用与协调来达到的,89,细胞自稳作用意义:各个细胞本身具有调节细胞内环境的能力和作用,以有利于实施其生理功能和对应细胞外环境的变化.,90,细胞自稳作用是各种输运机制以及输运机制相连的细胞浆内的各种反应的整合，因此，比个别输运机制要复杂得多。,91,一.体积调节：当淋巴细胞从等渗溶液转到低渗溶液时，细胞发生的原初反应是水进入细胞，细胞体积迅速膨胀，以达到渗透压平衡，然而，细胞会随之进行体积减小的调节，大约10分钟后，细胞体积逐渐恢复到接近原来的大小。,92,如果这时把细胞又转到等渗溶液中，细胞与前面相反的原初反应，水从细胞排出，细胞体积迅速缩小，恢复渗透压平衡，随之细胞则进行大约10分钟的体积增大的调节，使之恢复到接近原先等渗状态时的体积。,93,许多细胞都能够响应外环境的变化，首先迅速发生原初反应，导致体积变化，然后再发生调节反应，使细胞体积恢复到原来的大小但是，发生的调节反应要比原初反应慢得多。,94,调节反应是通过溶质浓度的改变和随之发生的水的渗透输运的结果。存在若干不同的途径，以改变细胞内溶质的浓度并导致细胞体积的变化，如通过细胞内的化学合成和降解细胞内的溶质或通过改变跨膜输运的某些环节调整胞内溶质浓度。,95,当然，不同细胞采用了不同的调节途径来调节细胞的体积。不管哪种调节机制，细胞都必须能够感受到细胞体积的变化，或者说存在体积变化感受器。许多种类的细胞存在特殊的张力门控通道。当细胞体积变化时，细胞质膜发生变化，膜上张力门控通道被打开，离子经过通道流动，调节胞内离子浓度。这种通道对阳离子是通透的，但没有很高的选择性。另外还存在一些对张力敏感的离子泵。还要指出的是细胞体积的改变，必然引起胞内所有离子浓度的改变，因此，某些离子浓度的改变会同时作用于其它调控机制，诱导某些补偿或调控反应。,96,二.细胞内PH的调节真核细胞胞浆pH受到严格地控制，通常7.0-7.4为适宜，某些病变细胞pH会发生变化。另一方面，某些细胞（如酸分泌细胞）或细胞器（如溶酶体）需要特殊的pH条件。pH调节是保证细胞内环境自稳的主要方面。,97,细胞内PH主要是通过多种膜离子转运系统细胞内缓冲系统来维持的。,98,细胞内存在着几对主要的具有缓冲作用的物质，即HCO/HCO、HPO/HPO以及某些蛋白分子。参与PH调节的离子转运系统有：Na/H反向转运载体Cl/HCO反向转运载体Na依赖的Cl/HCO反向转运载体H-ATPAase,99,（1）Na/H反向转运载体广泛分布于各类动物细胞。在生理条件下，Na/H反向转运是依赖于向内的Na+梯度，把H+转运到细胞外。许多实验证明，Na/H反向转运是可逆的，即依赖于