lesson3-七年制

1、(Cell Membrane and Transmembrane Transport)第四章第四章细胞膜与物质穿膜运输细胞膜与物质穿膜运输概述概述 第一节第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的化学组成与生物学特性第二节第二节 小分子物质和离子的穿膜运输小分子物质和离子的穿膜运输第三节第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节第四节 细胞表面特化结构细胞表面特化结构第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病第四章第四章 细胞膜与物质穿膜运输细胞膜与物质穿膜运输穿膜运动穿膜运动小分子物质跨膜转运小分子物质跨膜转运水非极性简单扩散易化扩散主动运输协同转运离子泵被动运

2、输胞吐内吞气体载体蛋白通道蛋白大分子物质囊泡运输大分子物质囊泡运输受体介导的内吞吞噬吞饮被动运输（被动运输（passive transport）v 概念概念：是指物质：是指物质顺浓度梯度顺浓度梯度，由浓度高的一，由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散，侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散，不不消耗代谢能消耗代谢能的运输方式。的运输方式。 v 种类：种类： 简单扩散简单扩散 通道扩散通道扩散 载体扩散载体扩散 简单扩散（简单扩散（simple diffusion）又称被动扩散，）又称被动扩散，是小分子物是小分子物质穿膜运输的最简单的方式。不需要穿膜运输蛋白协助，质穿膜运输的最简单的方式

3、。不需要穿膜运输蛋白协助，由高浓度向低浓度运输，不需细胞提供能量，所需能量来由高浓度向低浓度运输，不需细胞提供能量，所需能量来自高浓度本身所含的势能。自高浓度本身所含的势能。 须满足两个条件须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差；：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差；二是溶质必须能透过膜。二是溶质必须能透过膜。 脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和和H2O等就是通过简单扩散方式等就是通过简单扩散方式 。一、简单扩散一、简单扩散细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为蛋白质称为膜

4、运输蛋白（膜运输蛋白（membrane transport protein）。）。 膜运输蛋白主要有两类：膜运输蛋白主要有两类： 载体蛋白（载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（通道蛋白（channel protein）二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输 载体蛋白载体蛋白与特定的溶质结合，改变构象使溶质穿与特定的溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜越细胞膜 通道蛋白通道蛋白形成水溶性通道，贯穿脂双层，当通道形成水溶性通道，贯穿脂双层，当通道开放时特定的溶质（一般是离子）可经过通道穿开放时特定的溶质（一般是离子）可经过通道穿越细胞膜。越细胞膜。（一）载体蛋

5、白介导的被动运输（一）载体蛋白介导的被动运输 一些非脂溶性（或亲水性）的物质一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡萄，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，但它们简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易，这种方式称为易化扩散（化扩散（facilitated diffusion）或帮助扩散）或帮助扩散 。载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图载体蛋白构象变化介导

6、的易化扩散示意图 葡萄糖的转运是通过载体蛋白自身构型的改变来葡萄糖的转运是通过载体蛋白自身构型的改变来实现的实现的（二）离子通道（二）离子通道离子通道的特点离子通道的特点 通道蛋白介导的是通道蛋白介导的是被动运输被动运输，通道是双向的。，通道是双向的。 离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。度的选择性。 转运速率高转运速率高 。 多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门闸门”控制控制 。2. 离子通道的类型离子通道的类型 （2）电压门控通道）电压门控通道（3）应力激活通道）应力激活通道（1）

7、配体门控通道）配体门控通道 配体门控通道（配体门控通道（ligand-gated channel）与细胞）与细胞外的特定配体（外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，）结合后，发生构象改变，结果将结果将“门门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。打开，允许某种离子快速穿膜扩散。（1）配体门控通道）配体门控通道乙酰胆碱受体模式图乙酰胆碱受体模式图 乙酰胆碱受体（乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配体门控通道。是典型的配体门控通道。（2）电压门控通道：）电压门控通道： 膜电位的改变膜电位的改变是控制电压门控通道（是控制电压门控通道（voltage

8、-gated channel）开放与关闭的直接因素。）开放与关闭的直接因素。 电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺 上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。钠通道和氯通道。 正常情况下，膜处于极化状态，电压闸门关闭；正常情况下，膜处于极化状态，电压闸门关闭；接受刺激后，膜去极化，电压闸门开放。接受刺激后，膜去极化，电压闸门开放。（3）应力激活通道：）应力激活通道： 应力激活通道（应力激活通道（stress-activated channel）是）是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通道使通道蛋

9、白感受应力而改变构象，开启通道使“门门”打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。变化，产生电信号。 如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。活通道。 2003年，美国科学家彼得年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克阿格雷和罗德里克麦麦金农，分别因对细胞膜离子通道结构和机理研究金农，分别因对细胞膜离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。而获诺贝尔化学奖。 Peter AgreRoderick MacKinnon 穿膜运动穿膜运动小分子物质跨膜转运小分子物质跨膜转运水非极性简单扩散易化扩散主动运输

10、协同转运离子泵被动运输胞吐内吞气体载体蛋白通道蛋白大分子物质囊泡运输大分子物质囊泡运输受体介导的内吞吞噬吞饮主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输运输概念概念：主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式，需要消耗能量。运方式，需要消耗能量。 类型类型：可分为可分为ATP驱动泵驱动泵（由（由ATP直接提供能量）直接提供能量）和和协同运输协同运输（ATP间接提供能量）两种类型。间接提供能量）两种类型。1. ATP驱动泵驱动泵 ATP驱动泵都是穿膜

11、蛋白，它们在膜的胞质驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为称之为“泵泵”。 钠钾泵（钠钾泵（Na+-K+ pump） 钠钾泵实质上就是钠钾泵实质上就是 Na+-K+ ATP酶，具有载酶，具有载体和酶的活性体和酶的活性。 大多数细胞：大多数细胞：Na+内内 Na+外外 1020倍倍 K+内内 K+外外 1020倍倍 Na+-K+泵由大小两个亚基组成：泵

12、由大小两个亚基组成： 大的大的亚基亚基：为跨膜的脂蛋白，具有为跨膜的脂蛋白，具有ATP酶酶活性。其活性。其胞质面胞质面有有3个高亲和个高亲和Na+和和1个个ATP结合结合部位，部位，膜外表面膜外表面有有2个高亲和个高亲和K+和和1个乌苯苷结个乌苯苷结合部位，通过反复磷酸化和去磷酸化进行活动。合部位，通过反复磷酸化和去磷酸化进行活动。 小的小的亚基亚基：为半嵌入的糖蛋白，作用不详为半嵌入的糖蛋白，作用不详。（1）细胞膜内侧：）细胞膜内侧： Na+与酶结合与酶结合 激活酶激活酶 ATP水解水解 酶磷酸化酶磷酸化 酶构象变化酶构象变化 Na+ 结合的部位结合的部位转向膜外侧转向膜外侧 释放释放 Na

13、+。（2）细胞膜外侧：）细胞膜外侧： 改变构象的酶蛋白与改变构象的酶蛋白与K+结合结合 酶去磷酶去磷酸化酸化 酶的构象又恢复原状酶的构象又恢复原状 将将K+ 在在膜内侧释放。膜内侧释放。每泵出每泵出3个个Na+只泵入只泵入2个个K+直接效果直接效果：维持了细胞内低钠高钾的特殊离：维持了细胞内低钠高钾的特殊离子浓度。子浓度。间接效应间接效应： 调节调节膜内外渗透压维持恒定的膜内外渗透压维持恒定的细胞容积。细胞容积。 保持膜电位。保持膜电位。 为物质吸收提供驱动力。如为物质吸收提供驱动力。如葡萄糖和某些氨基葡萄糖和某些氨基酸的伴随扩散酸的伴随扩散 为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度为蛋白质合

14、成及代谢活动提供必要的离子浓度Na-K泵的生物学意义泵的生物学意义2. 协同运输协同运输 协同运输（协同运输（co-transport）是一类）是一类由由Na+-K+泵（或泵（或H+泵）泵）与与载体蛋白载体蛋白协同作用，协同作用，间接消耗间接消耗ATP所完成的主动运输方式。所完成的主动运输方式。 根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（的离子（Na+或或H+）方向的关系，又可分为）方向的关系，又可分为共运共运输（输（symport）与与对向运输（对向运输（antiport）。（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。共运输是两种溶质分子以同一方

15、向的穿膜运输。 小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图 钠钾泵维持的钠钾泵维持的Na梯度驱动葡萄糖的主动运输梯度驱动葡萄糖的主动运输（2）对向运输：）对向运输： 是由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子是由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向的穿膜运输过程。分别向膜的相反方向的穿膜运输过程。 跨膜运输概述概述 第一节第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的化学组成与生物学特性第二节第二节 小分子物质和离子的穿膜运输小分子物质和离子的穿膜运输第三节第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节第四节 细胞表面特化结构细胞表面特化结构

16、第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病第四章第四章 细胞膜与物质穿膜运输细胞膜与物质穿膜运输第三节第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的穿膜运输 大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运小泡运输（输（vesicular transport）。）。 一、胞吞是物质入胞作用方式一、胞吞是物质入胞作用方式 胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围

17、细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。的转运过程。 胞吞作用分为三种类型：胞吞作用分为三种类型： 吞噬作用吞噬作用 胞饮作用胞饮作用 受体介导的胞吞受体介导的胞吞（一）吞噬作用（一）吞噬作用（phagocytosis）是吞是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程噬细胞摄入颗粒物质的过程 如吞噬细菌和细胞碎片如吞噬细菌和细胞碎片过程过程：被吞噬的颗粒首先吸附在细胞表面被吞噬的颗粒首先吸附在细胞表面吸附吸附区域的细胞膜向内凹陷形成伪足区域的细胞膜向内凹陷形成伪足将颗粒包裹后摄将颗粒包裹后摄入细胞入细胞吞噬体吞噬体（phagosome）或或吞噬泡吞噬泡（p

18、hagocytic vesicle） 吞噬体吞噬体 + 初级溶酶体初级溶酶体 次级溶酶体次级溶酶体 物质被降解物质被降解未消化物质形成未消化物质形成残质残质体（体（residual body）。）。分布：分布：在在原生动物原生动物中，吞噬作用广泛存在，这是获取营中，吞噬作用广泛存在，这是获取营养物质的重要方式。养物质的重要方式。哺乳动物哺乳动物只有少数特化细胞具有这一功能，主要只有少数特化细胞具有这一功能，主要是消灭异物，在机体防卫系统中起重要作用，如是消灭异物，在机体防卫系统中起重要作用，如巨噬细胞、单核细胞等。巨噬细胞、单核细胞等。（二）胞饮作用（二）胞饮作用（pinocytosis）是细

19、胞吞是细胞吞入液体和可溶性物质的过程入液体和可溶性物质的过程 胞饮作用胞饮作用过程过程：细胞周围环境中某些液体物质达到一定细胞周围环境中某些液体物质达到一定浓度时，即引起细胞产生胞饮。这些物质靠静浓度时，即引起细胞产生胞饮。这些物质靠静电力或表面某些物质结合吸附在细胞表面电力或表面某些物质结合吸附在细胞表面通通过这部分质膜下微丝的收缩作用使质膜凹陷包过这部分质膜下微丝的收缩作用使质膜凹陷包围液体物质围液体物质与质膜分离，形成与质膜分离，形成胞饮体胞饮体(pinosome)或或胞饮小泡胞饮小泡(pinocytic vesicle)，进入进入细胞内部。细胞内部。 （三）受体介导的胞吞（三）受体介导

20、的胞吞(receptor-mediated endocytosis)提高摄取特定物质的效率提高摄取特定物质的效率 定义定义：是细胞通过受体的介导选择性高效摄取细：是细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子物质的过程。胞外特定大分子物质的过程。是特异性很强的内吞是特异性很强的内吞作用，这是作用，这是一种选择性的浓缩机制一种选择性的浓缩机制，能使细胞摄入，能使细胞摄入大量的特定配体，而不需要摄入大量的细胞外液。大量的特定配体，而不需要摄入大量的细胞外液。大分子大分子先与细胞膜上的先与细胞膜上的特异性受体特异性受体相识别并结合，相识别并结合，然后经过然后经过有被小窝有被小窝，形成，形成有被小

21、泡有被小泡进入细胞。进入细胞。 过程过程：有些有些大分子大分子在细胞外液中的浓度很低，进在细胞外液中的浓度很低，进入细胞须先与膜上入细胞须先与膜上特异性受体特异性受体识别并结合，然后通识别并结合，然后通过细胞膜的内陷形成囊泡，囊泡脱离质膜而进入细过细胞膜的内陷形成囊泡，囊泡脱离质膜而进入细胞。胞。 LDL、运铁蛋白、激素、生长因子、胰岛素等都、运铁蛋白、激素、生长因子、胰岛素等都通过通过RME转运。转运。 1、有被小窝和有被小泡的形成 受体集中在质膜的特定区域称为受体集中在质膜的特定区域称为有被小窝有被小窝，有，有被小窝具有选择受体的功能，该处集中的受体被小窝具有选择受体的功能，该处集中的受体

22、浓度是质膜其它部分的浓度是质膜其它部分的10-20倍倍。1、有被小窝和有被小泡的形成 电镜下，有被小窝处质膜向内凹陷，直径约电镜下，有被小窝处质膜向内凹陷，直径约50-100nm，凹陷处质膜内表面覆盖着一层毛凹陷处质膜内表面覆盖着一层毛刺状电子致密物，其中包括刺状电子致密物，其中包括网格蛋白和衔接蛋网格蛋白和衔接蛋白。白。Deep-etch view of a typical clathrin lattice细胞外溶质（配体）同有被小窝（细胞外溶质（配体）同有被小窝（coated pit） 处处的受体结合，形成配体的受体结合，形成配体-受体复合物，受体复合物，。网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，

23、有被小窝进网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，有被小窝进一步内陷与质膜断离后形成一步内陷与质膜断离后形成有被小泡（有被小泡（coated vesicle）进入细胞进入细胞 。有被小泡寿命更短，在形成之后几秒钟之内，即有被小泡寿命更短，在形成之后几秒钟之内，即失去其包被，而与细胞内其它囊泡融合，最后将失去其包被，而与细胞内其它囊泡融合，最后将其内容物转运至溶酶体内。其内容物转运至溶酶体内。 过程过程：衣被的结构衣被的结构：（1）网格蛋白（）网格蛋白（clathrin）：）：笼蛋白，笼蛋白，三腿蛋白复合体三腿蛋白复合体 （triskelion）。由由36个三腿蛋白复合体构成许多五角形或个三腿蛋白复合体

24、构成许多五角形或六角形组成的篮网，覆于有被小泡或有被小窝的胞质面。六角形组成的篮网，覆于有被小泡或有被小窝的胞质面。 衣被的结构衣被的结构：（2）衔接蛋白（衔接蛋白（adaptin）：它是它是多亚基的复合物，能识别特异的跨多亚基的复合物，能识别特异的跨膜蛋白受体，并将其连接至三腿蛋膜蛋白受体，并将其连接至三腿蛋白复合体上，起选择性介导作用。白复合体上，起选择性介导作用。跨膜受体蛋白胞质面肽链尾部，常跨膜受体蛋白胞质面肽链尾部，常在一个由四个氨基酸残基构成的区在一个由四个氨基酸残基构成的区域内高度转折，形成一个内吞信号，域内高度转折，形成一个内吞信号，由衔接蛋白识别它。由衔接蛋白识别它。 当笼形

25、蛋白衣被小泡形成时，当笼形蛋白衣被小泡形成时，发动蛋白发动蛋白（dynamin）聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡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（小于柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导），从而导致膜融合，掐断衣被小泡。致膜融合，掐断衣被小泡。 2、无被小泡形成并与内体融合 有被小泡脱去包被变成无被小泡，网格蛋白返有被小泡脱去包被变成无被小泡，网格蛋白返回质膜下方，重新参与形成新的衣被小泡。回质膜下方，重新参与形成新的衣被小泡。 无被小泡和早期内体融合，内体的低无被小泡和早期内体融合，内体的低pH值改值改变了受体和配体的亲和状态，释放配体。变了受体和配体的亲和状态，释放配体。 内体以出芽的方式形成运载受体的小囊泡，返内体以出芽的方式形成运载受体的小囊泡，返回质膜，受体重新利用。回质膜，受体重新利用。 含有配体的内体将与溶酶体融合。含有配体的内体将与溶酶体融合。Low density lipoprotein (LDL)LDL受体介导