医学细胞生物学细胞膜与物质的跨膜转运赵崴

1、 细胞膜与物质的跨膜转运细胞膜与物质的跨膜转运 膜内外物质的运输膜内外物质的运输 小分子物质穿膜运输小分子物质穿膜运输 大分子物质膜泡运输大分子物质膜泡运输 被动运输被动运输 主动运输主动运输 胞吞作用胞吞作用 胞吐作用胞吐作用 小分子物质的穿膜运输小分子物质的穿膜运输 细胞膜是选择性半透膜细胞膜是选择性半透膜 图示人工脂双层对各种分子的相对通透性图示人工脂双层对各种分子的相对通透性 高浓度 低浓度 一、单纯扩散（一、单纯扩散（simple diffusion） 单纯扩散：不需要消耗能量单纯扩散：不需要消耗能量 不依靠专一膜蛋白分子不依靠专一膜蛋白分子 顺浓度梯度转运顺浓度梯度转运 适合单纯扩

2、散的物质：适合单纯扩散的物质： 脂溶性物质脂溶性物质( (非极性物质非极性物质): ): 苯苯. .乙醇乙醇. .氧氧. . 不带电荷小分子物质不带电荷小分子物质: : 水水. .尿素尿素. .二氧化碳二氧化碳 不适合单纯扩散的物质：不适合单纯扩散的物质： 带电荷物质，葡萄糖、氨基酸、核苷酸及许带电荷物质，葡萄糖、氨基酸、核苷酸及许 多代谢产物不能通过单纯扩散穿膜转运。多代谢产物不能通过单纯扩散穿膜转运。 膜转运蛋白膜转运蛋白 1.通道蛋白通道蛋白 在膜上形成亲水孔道介导离子转运 2.载体蛋白载体蛋白 通过构象改变进行物质转运 二、离子通道扩散二、离子通道扩散 以其亲水区构成亲水通道和离子通道

3、 有些通道蛋白处于持续开放状态： 例如：钾泄漏通道 多数通道为闸门通道 闸门门控通道的类型 1.电压闸门通道（voltage-gated channel） 2.配体闸门通道（ligand-gated channel） 3.机械门控通道(mechanical gated channel) 电压门控通道电压门控通道（voltage-gated channel） 通道蛋白在跨膜电位变化时开放 电压门控通道主要存在于可兴奋细胞 配体门控通道配体门控通道（ligand-gated channel） 是离子通道型受体 与胞外特定配体结合，构象改变，“闸门”打开，允许 某种离子快速跨膜转运 如图：乙酰胆碱受

4、体是典型的配体门控通道 通道蛋白通道蛋白 配体配体 高浓度 低浓度 特点：通道蛋白在与神经递质或其他信号分子结合时开放特点：通道蛋白在与神经递质或其他信号分子结合时开放 机械门控通道机械门控通道（mechanic-gated channel） 通道蛋白受压力作用，引起通道构象改变通道蛋白受压力作用，引起通道构象改变 而开启而开启“闸门闸门”，离子通过亲水通道进入，离子通过亲水通道进入 细胞，引起膜电位变化。细胞，引起膜电位变化。 如内耳毛细胞感受声音如内耳毛细胞感受声音 神经肌肉接头处离子通道的作用神经肌肉接头处离子通道的作用 神经-肌接头处的闸门通道 载体蛋白载体蛋白 高浓度 低浓度 三、易

5、化扩散三、易化扩散 易化扩散的特点：易化扩散的特点： 具有结构特异性；具有结构特异性； 饱和现象，存在最大转运速度；饱和现象，存在最大转运速度； 竞争性抑制、非竞争性抑制。竞争性抑制、非竞争性抑制。 简单扩散与易化扩散的动力学曲线 不不需要需要消耗消耗细胞代谢的细胞代谢的能量能量, ,而将物质而将物质从从浓浓 度度高高的一侧经细胞膜转运至浓度的一侧经细胞膜转运至浓度低低的一侧。的一侧。 单纯扩散单纯扩散 易化扩散易化扩散 离子通道扩散离子通道扩散 被动运输被动运输 哺乳动物细胞内外离子浓度比较哺乳动物细胞内外离子浓度比较 )成份成份细胞内浓度细胞内浓度(mmol/L细胞外浓度细胞外浓度(mmo

6、l/L) 10 710 (pH7.2) Na + K + Mg 2+ Ca 2+ H + Cl - 145 5 12 12 4 10 -5 515 140 0.5 -7 515110 -5 (pH7.2) 固定的阴离子固定的阴离子 高高 0 0 四、主动运输（四、主动运输（active transport） 主动运输：主动运输：载体蛋白介导载体蛋白介导 逆逆浓度梯度或电化学梯度转运浓度梯度或电化学梯度转运 主动运输主动运输 ATPATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输 （离子泵）（离子泵） 间接利用间接利用ATPATP的主动运输的主动运输 （协同运输）（协同运输） 1.1.离子泵具

7、有载体和酶的双重作用离子泵具有载体和酶的双重作用 2.2.离子泵具有专一性离子泵具有专一性 如钙泵，质子泵，钠钾泵如钙泵，质子泵，钠钾泵 （一）（一）ATPATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输 -离子泵离子泵 细胞质细胞质 Na+ Na+ K+ K+K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ 小小 亚亚 基基 大亚基大亚基 大亚基大亚基 ATPADP+Pi 钾浓度梯度30倍 钠浓度梯度13倍 小小 亚亚 基基 大亚基大亚基 大亚基大亚基 小小 亚亚

8、 基基 大亚基大亚基 大亚基大亚基 Pi 钠结合部位钠结合部位 钾结合部位钾结合部位 Na+ Na+ Na+Na+ K+ + Mg+ Pi Pi K+K+ K+ 大亚基大亚基 小小 亚亚 基基 大亚基大亚基 大亚基大亚基 小小 亚亚 基基 大亚基大亚基 大亚基大亚基 钠钾泵的生物学意义钠钾泵的生物学意义 维持了细胞内低钠高钾的特殊离子浓度维持了细胞内低钠高钾的特殊离子浓度 1.调节细胞容积，维持渗透压调节细胞容积，维持渗透压 2.膜电位的产生膜电位的产生 3.促进物质吸收促进物质吸收 钙泵钙泵 载体蛋白介导的物质运输中，许多主动运输不载体蛋白介导的物质运输中，许多主动运输不 是直接由是直接由A

9、TPATP提供能量，而是由储存在膜上离子梯度提供能量，而是由储存在膜上离子梯度 中的能量来驱动，这一能量来源与进行耦联运转的中的能量来驱动，这一能量来源与进行耦联运转的 蛋白质相联系来完成物质跨膜运输，即一种物质的蛋白质相联系来完成物质跨膜运输，即一种物质的 运输依赖于第二种物质的同时运输。运输依赖于第二种物质的同时运输。 （二）间接利用（二）间接利用ATPATP主动运输主动运输协同运输协同运输 (co-transport) 1 1、同向协同同向协同（symportsymport） 物质运输方向与离子转移方向相同物质运输方向与离子转移方向相同 如小肠细胞对葡萄糖吸收如小肠细胞对葡萄糖吸收 2

10、2、反向协同（、反向协同（antiportantiport） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反 如如NaNa+ +/H/H+ +反向协同运输调节细胞内的反向协同运输调节细胞内的PHPH值值 NaNa+ +驱动的驱动的ClCl- -HCO-HCO3 3- -交换交换 肠上皮细胞转运葡萄糖入血 主动运输的特点： 逆浓度逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量能量； 都有载体载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 通过水解ATPATP获得能量 ； 离子浓度梯度离子浓度梯度； 大分子物质的跨膜运输大分子物质的跨膜运输 Endocytosis and Ex

11、ocytosis 胞吐作用胞吐作用 吞噬作用吞噬作用 吞噬体吞噬体phagosome 胞饮作用胞饮作用 吞饮体吞饮体pinosome 一、胞吞作用（endocytosis） 又称入胞作用或内吞作用，是通过质膜的变 形运动将细胞外物质转运入细胞内的过程。 分为三类 1.吞噬作用 2.吞饮作用 3.受体介导的内吞作用 摄入直径大于摄入直径大于11的颗粒物质的颗粒物质 如细菌、细胞碎片等。如细菌、细胞碎片等。 形成的小囊泡称吞噬体。形成的小囊泡称吞噬体。 (一一)、吞噬作用、吞噬作用 (phagocytosis) 是细胞摄入溶质或液体的过程。是细胞摄入溶质或液体的过程。 形成的小囊泡称胞饮体。形成的

12、小囊泡称胞饮体。 (二二)、胞饮作用、胞饮作用 (pinocytosis) （三）受体介导的内吞作用（三）受体介导的内吞作用 （receptorreceptormediated endocytosismediated endocytosis） n与受体结合与受体结合 n特异、高效的摄取细胞外大分子的方式特异、高效的摄取细胞外大分子的方式 nLDLLDL、转铁蛋白、转铁蛋白、VB12VB12、铁离子的摄取、铁离子的摄取 2.受体介导的LDL内吞作用 低密度脂蛋白颗粒的分子结构：低密度脂蛋白颗粒的分子结构：中心含有大约1500个酯化的胆固醇分 子，其外包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分

13、子，载脂蛋白 LDL受体：具有839个氨基酸残基 的单次跨膜糖蛋白。 LDL受体介导的内吞过程： 低密度脂蛋白颗粒 细胞质 LDL颗粒颗粒 LDL受体受体 有被小窝有被小窝 有被小泡有被小泡 无被小泡无被小泡 胞内体胞内体 受体与大分子颗粒分开受体与大分子颗粒分开 胞内体部分胞内体部分 胞内体部分胞内体部分 初级溶酶体初级溶酶体 吞吞 噬噬 溶溶 酶酶 体体 受体再循环受体再循环 LDL受体介导的内吞过受体介导的内吞过 程程 图中所示是培养的成纤图中所示是培养的成纤 维细胞质膜对维细胞质膜对LDL的内的内 吞作用。吞作用。 LDL颗粒与含铁的转铁蛋 白共价相连， 电子显微 镜下所见的黑点是小分

14、 子的铁。（a）LDL与细 胞表面的受体结合并形 成有网格蛋白包被的小 窝；（b） 含有LDL的被 膜小窝向下凹陷逐渐形 成被膜小泡；（c） 含有 转铁蛋白标记的LDL被膜 小泡；（d）含有转铁蛋 白标记的LDL颗粒的无被 小泡。 二、胞吐作用（二、胞吐作用（exocytosis） 某些代谢废物及细胞分泌物被质膜包裹形成的小某些代谢废物及细胞分泌物被质膜包裹形成的小 囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物 质排出细胞之外。质排出细胞之外。 结构性分泌结构性分泌 调节性分泌调节性分泌 有被小泡的被是什么？有被小泡的被是什么？ 囊泡为什么会从质膜上

15、脱落下来？囊泡为什么会从质膜上脱落下来？ 分泌小泡为什么会与靶膜特异性融合呢？分泌小泡为什么会与靶膜特异性融合呢？ 三、分子基础三、分子基础 ( (一一) ) 衣被类型衣被类型 1.1. 网格蛋白（网格蛋白（clathrin） 2.2. COPICOPI 3.3. COPIICOPII 主要作用：主要作用： 1.1.选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡 2.2.如同模具一样决定运输小泡的外部特征。如同模具一样决定运输小泡的外部特征。 网格蛋白衣被小泡 相关运输途径：质膜内体，高尔基体内 体，高尔基体溶酶体。 结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一

16、个 具有3个曲臂的形状。许多网格蛋白的曲臂 部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼 子。 A 三腿复合物 B 包被亚基 C网格蛋白小泡 Clathrin coated vesicles 网格衣被小泡的形态 衔接蛋白衔接蛋白(adaptin)(adaptin)：也称接合素，介于网格蛋白与：也称接合素，介于网格蛋白与 配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4 4 种，分别结合不同类型的配体受体复合物，形成不种，分别结合不同类型的配体受体复合物，形成不 同性质的转运小泡。同性质的转运小泡。 目前目前APAP1 1、APAP2 2、APAP3 3性质已

17、经明性质已经明 确。确。 接合素捕获转运分子，并与网格蛋白一起组成转运接合素捕获转运分子，并与网格蛋白一起组成转运 系统，定向转运生物大分子。系统，定向转运生物大分子。 有被小窝与有被小泡的形成有被小窝与有被小泡的形成 动力素(dynamin)：当网格蛋白衣被小泡形成时，可 溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小 泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致 膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。 简单扩散易化扩散 被动运输主动运输 小分子物质的跨膜运输 吞噬胞饮 胞吞作用 结构途径调节途径 胞吐作用 大分子物质的跨膜运输 物质的跨膜运输 离子通道扩散离子通道扩散 细

18、胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病 一、载体蛋白异常与疾病 二、离子通道缺陷与疾病 三、膜受体异常与疾病 四、癌细胞的细胞膜特性改变 膜受体异常与疾病 1.1.家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症（familial hypercholesterolemia） 编码LDL受体的基因突变引起常染色体显性遗传病 LDL受体异常主要包括：受体缺乏和受体结构异常 由于细胞不能摄取LDL颗粒，引起血液中胆固醇浓 度升高并在血液中沉积，患者会过早地发生动脉 粥样硬化和冠心病。 细胞膜上LDL受体缺陷示意图 2、重症肌无力症 也是一种受体异常的疾病，不缺乏N型乙酰胆碱 受体（N-Ach），产生了抗N-Ach的抗体

19、。 抗N-Ach受体的抗体阻断受体可能的效应机制： 阻断受体-配体的结合，封闭配体作用 引起细胞内吞受体，导致受体数目减少 激活补体，导致受体从膜上脱落 癌细胞的细胞膜特性改变 肿瘤细胞膜表面特性发生改变 当细胞癌变后，质膜发生很多功能上的变化 ： 1 1、细胞膜通透性增强、细胞膜通透性增强 物质转运速度大，促使肿瘤细胞快速生长 肿瘤细胞水解酶及代谢产物向外“渗漏”，破坏正常组织，有助于 肿瘤细胞侵袭。 2 2、接触抑制丧失、接触抑制丧失 肿瘤细胞不断分裂，造成恶性增殖。 3 3、 细胞膜粘着力降低细胞膜粘着力降低 癌细胞容易从原发部位脱落、转移。 4 4、与植物凝集素起凝集反应、与植物凝集素起凝集反应 肿瘤细胞表面的糖受体在分布上与正常细胞不同，能快速移动集中，如： 与conA高度结合，发生凝集。 5 5、抗原性的改变、抗原性的改变 某些肿瘤细胞表面出现新特异性抗原 ，如：肠癌病人血清中出现癌胚 抗原；O型血胃癌患者细胞膜表面可出现A型或B型抗原。 肿瘤细胞膜组分发生改变 膜组分发生改变与肿瘤的生长、转移和免疫有密切 关系 1、膜糖蛋白的改变 正常细胞表面所具有的某些蛋白质，在肿瘤细胞膜中显著减少甚至缺 失或明显增加，如：纤粘连蛋白缺失失去正常粘连作用；唾液酸 增加降低免疫原性 肿瘤细胞还可以合成新的糖蛋白。 2糖脂的改变