第二章之二和三膜功能

1、细胞的生理功能细胞膜的跨膜物质转运功能(Membrane Transport)一个进行着新陈代谢的活细胞，不断有各种各样的物质通过细胞膜进出细胞：从形态看：离子、小物质、蛋白质等大以及团块状固形物、液滴；从性质看：各种供能物质、细胞新物质的原料、中间代谢产物和终产物、vitamin、O2、CO2，以及Na+、K+、Ca2+等。而细胞膜是由脂质双层的。Powered by random movement of molecules in a solution; Net movement is from regions of high concentrat on to low（从高浓度到低浓度）;D

2、oes not saturate as the concentrat on or gradient changes（不饱和）;Diffusion of different substances do not interfere w th eachother (no competit on)（无竞争）.Net flux (amount of movement) is proportional to the concentration difference and the permeabil ty of any barrier like a membrane（净扩散与浓度差和膜通透性成比例）. S

3、ubstances can cross membranes by diffusion if they can dissolve in the oily interior of the membrane(hydrophob c)Diffusion can occur through tight junctions or within bulk solutions.Diffusion of water down its concentration gradient is called一、单纯扩散（Simple Diffusion）概念:由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的现象。特点: 扩散速率高无饱

4、和不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”不需另外消耗能量扩散通量与浓度梯度和膜通透性呈正相关（膜对各种物质的通透性取决于其脂溶性、小和带电情况）。例如：O2、CO2、乙醚和乙醇等少数几种。大osmosis.（极性、过细胞膜）小、不带电荷。单纯扩散和水通道透中国药科大学：菡资料二、易化扩散(Facilitated Diffusion)概念: 一些非脂溶性或脂溶解度甚小的物质,在特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。分类:1. 经载体介导的易化扩散(via carrier)2. 经通道介导的易化扩散(-through ion channel)O2o O2iCO2i CO2o第二章

5、 细胞、基本组织及运动系统生理教研室药学医学基础实验教学示范中心dqlcpu中国药科大学：菡右旋葡萄糖载体（D-glucose carrier）或葡萄糖转运体（glucose transporter）：5 subtypes：GLUT1-5GLUT1：RBC、brain and kidney492个氨基酸，12个螺旋。其中1、2、3、5、7、8、11为双嗜性螺旋（amphipathic helice,含少量丝aa、苏aa、谷氨酰胺、天冬酰胺等）。它们可能共同可供葡萄糖转运的，或其中的亲水性残基的侧链与葡萄糖中的羟基形成氢键。Symport (cotransport) carriers bind

6、two dissimilar solutes (substrates) & transport them together across a membrane.UniportSymportAntiport AABABTransport of the two solutes is obligatorily coupled. A gradient of one substrate, usually an ion, may drive uphill (against the gradient) transport of a co-substrate.Examples: glucose-Na+

7、 symport, in plasma membranes of some epithelial cells bacterial lactose permease, a H+ symport carrier.Classes of carrier proteinsUniport (facilitated diffusion) carriers mediate transport of a single solute.An example is the GLUT1 glucose carrier.The ionophore valinomycin(缬氨霉素)is also a uniport ca

8、rrier.UniportSymportAntiport AA BAB特 点:需依靠特殊膜蛋白质的“帮助”顺浓度差转运，不需另外消耗能量化学选择性（chemical specificity 特殊膜蛋白质本身有结构特异性）饱和性（saturation,结合位点是有限的）竞争性抑制（competitive inhibition经同一特殊膜蛋白质转运）1.经载体介导的易化扩散： Glucose、 Amino acid特点：a. 跨膜转运速度快（108个离子，载体转运：103-105个离子）b. 离子选择性（ionic selectivity): 分为Na+channel、K+channel、Ca2+

9、channel等c. 门控特性（gating）：通道内的一个或两个“”样结构，着通道的开放和关闭。分为电压门控通道（voltage-gated ion channel） 化学门控通道(chemically-gated ion channel)机械门控通道(mechanically-gated ion channel)中国药科大学：菡Channels that are proteinsCellular channels usually consist of large protein complexes with multiple transmembrane a-helices.Control

10、of channel gating is a form of allosteric(变构) regulation. Conformational changes associated with channel opening may be regulated by:w Voltagew Binding of a ligand (a regulatory molecule)w Membrane stretch (e.g., via link to cytoskeleton)With voltage clamped at some value, current (ion flow through

11、the membrane) fluctuates.Each fluctuation, attributed to opening or closing of one channel, is the same magnitude.The current increment corresponds to current flow through a single channel (drawing - not actual data).ion flow through one channeltimeIon Channelsconformation changeclosedopenChannels c

12、ycle between open & closed conformations.When open, a channel provides a continuous pathway through the bilayer, allowing flux of many ions.2.经通道介导的易化扩散：Na+、K+、Ca2+等Antiport (exchange diffusion) carriers exchange one solute for another across a membrane.Usually antiporters exhibit "ping pon

13、g" kinetics.mitochondrial matrixATP 4-ADP 3-adenine nucleotide translocaseA substrate binds & is transported. Then another substrate binds & is transported in the other direction.Only exchange is catalyzed, not net transport.The carrier protein cannot undergo the conformational transiti

14、on in the absence of bound substrate.Example: Adenine nucleotide translocase (ADP/ATP exchanger) catalyzes 1:1 exchange of ADP for ATP across the inner mitochondrial membrane.电压门控Na+通道其开放和关闭受膜内外两侧电位差a、b1、b2三个亚a亚形成：共1820个氨基酸a. 形成4个氨基酸排列顺序相似的结构领域。b. 每个结构域：6个a跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5与S6之间的胞外环内向折叠选择性。内壁，并决定离子c.

15、谷aa取代1422位的赖aa和1714位的丙aa，则通道选择性由Na+改变为Ca2+。d.S4中含有带正电荷的精aa和赖aa，此段对膜电位变化敏感voltage sensor压门控性Na+通道结构示意图电A：亚平面结构示意图；B：4个结构域在通道中位置N2型乙酰胆碱受体阳离子通道由化学物质其的开、闭的通道称为化学门控通道（ chemically-gated ion channel ）或配体门控通道（ligand-gated ion channel）。N2型Ach受体阳离子通道（N2-Ach receptor cation channel) :5个亚：a2、b、g、d呈梅花状排列；有4个跨膜螺旋

16、（M1-4）；（Ø=0.65nm）的内壁；每个亚5个M2每个M2 a螺旋的两端（ 电的谷氨酸和门冬氨酸；每个a的N端都有一个与Ach结合位点。内）有带负N -型Ach门控通道蛋白结构示意图A：5个亚B：5个亚C：各个亚及其螺旋；组成通道样结构； 在通道结构中的位置中国药科大学：菡资料水通道（water channel）A：丙氨基酸N：天冬氨基酸P：脯氨基酸已鉴定出10种水孔蛋白（aquaporin,AQP0-9）;每种的组织分布与功能不同：AQP1-RBC和肾小管； AQP2-集合管；AQP0-晶状体。AQP1:每个亚有6个跨膜螺旋（M1-6）。前半部：M1-3；后半部：M4-6。结

17、构相同， 反。在M2与M3间的胞内环和M5与M6间的胞外环上冬氨酸、脯氨酸和丙氨酸motif）。这两个基序是形成的NPA基序（NPA的关键结构。AQP1亚结构跨膜物质主动转运和转运原理示意图三、主动转运(Active Transport)概念:或离子逆浓度梯度或电位梯度的转运过程特点:需要消耗能量,能量由分解ATP来提供依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”是逆电-化学梯度进行的例如:Na+、K+、Ca2+、H+、I-、Cl-、葡萄糖、氨基酸。最重要且研究较充分的是Na+、K+ 的转运，依靠钠泵（ Na+、K+依赖式ATP酶）中国药科大学：菡资料当Na+i/K+o激活分解ATP产生能量2K+泵至细胞

18、内;3Na+泵至细胞外维持Na+o高、K+i高原先的不均匀分布状态20%-30%能量用于钠-钾泵的转运，是组织具有兴奋性的基础。通道转运与钠-钾泵转运模式图Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵。当 Na+i K+o时， 都 可 被 激活， ATP 分解 产 生 能量，将胞内的3 个Na+ 移至胞外和将胞外的 2 个K+移入胞内。（4）入胞和出胞出胞：指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。主要见于细胞的过程：如激素、神经递质消化液的。入胞: 指细胞外的大物质或团块进入细胞的过程。分 为：吞噬=转运物质为固体; 吞饮=转运物质为液体。中国药科大学：菡资料高尔基复合体囊泡向质膜内

19、侧移动囊泡膜与质膜的某点接触并融合融合处出现裂口物排出囊泡的膜成为细胞膜的组成部分膜性结构包被=囊泡粗面内质网蛋白性物细胞膜上的受体对物质的“辨认”发生特异性结合=复合物复合物向膜表面的“有被小窝”移动“有被小窝”处的膜凹陷凹陷膜与细胞膜断离=吞食泡吞食泡与胞内体的膜性结构相融合继发性主动转运（Secondary Active Transport） 间接利用ATP能量的主动转运过程。 见前面的转运载体。 如：Na+-葡萄糖同向转运体：小肠黏膜上皮细胞；Na+-Ca2+交换体：心肌细胞Active TransportS1Side 1ADP + PiS2ATPSide 2Active transp

20、ort enzymes couple net solute movement across a membrane to ATP hydrolysis.An active transport pump may be a uniporter or an antiporter.ATP-dependent ion pumps are grouped into classes, based on transport mechanism, genetic & structural homology.复习思考题4、细胞膜的脂质双层是( A )A. 细胞内容物和细胞环境间的屏障B. 细胞接受外界和其他

21、细胞影响的门户C.离子进出细胞的通道D.受体的主要成分E.抗原物质1、简述细胞膜物质转运有哪些方式？2、Na+-K+泵的作用意义？3、在一般生理情况下,每分解一可使( D )A.2个钠离子移出膜外B.2个钾离子移入膜内ATP,钠泵运转5、葡萄糖进入红细胞膜是属于( C ) A.单纯扩散B.主动转运C.易化扩散D.入胞作用E.吞饮C.2个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内D.3个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内E.2个钠离子移出膜外,同时有3个钾离子移入膜内中国药科大学：菡资料细胞功能细胞的跨膜信号传递功能(Signal Transduction) 细胞外信号：神经递质（neuro

22、transmitter）激素（hormone）细胞因子（cytokine）等。其中：脂溶性水溶性：进入细胞作用于胞内受体：作用于细胞膜受体一、离子通道介导的跨膜信号传导(Signal Transduction mediated by ion channel)（一）化学门控通道：a2bgs（ a与Ach结合）（二）电压门控通道：神经、肌细胞。（三）机械门控通道：如内耳毛细胞。入胞出胞（一） Chemically-gated ion channelN2-Ach receptor cation channel) :（二） Voltage-gated ion channela. 4个氨基酸排列顺序相似

23、的结构领域。b. 每个结构域：6个a跨膜螺旋（S1-S5）。其中S5与S6之间的胞外环内向折叠并决定离子选择性。内壁，c.谷aa取代1422位的赖aa和1714 位的丙aa，则通道选择性由Na+改变为Ca2+。d.S4中含有带正电荷的精aa和赖aa，此段对膜电位变化敏感voltage sensor中国药科大学：菡资料(二)、 G蛋白耦联受体介导的信号传导(Signal Transduction Mediated by G Protein-linked Receptor)组成：1、 G蛋白耦联受体2、G蛋白3、效应蛋白（酶或通道）二、受体介导的跨膜信号传递(Signal Transduction

24、 mediated by receptor)(一)离子通道藕联受体介导的信号传递(二) G蛋白耦联受体介导的信号传递(三)酶藕联受体介导的信号传递Chemically-gated ion channel化学性胞外信号(ACh)ACh + 受体=复合体通道变构=离子通道开放Na+内流终板膜电位骨骼肌收缩 5个亚:a2、b、g、d梅花状排列； 每个亚有4个跨膜螺旋(M1-4)； 5个M2(Ø=0.65nm)的内壁； 每个M2 a螺旋的两端（） 有带负电的谷氨酸和门冬氨酸； 每个a的N端都有一个与Ach结合位点。G蛋白耦联受体a.最大的细胞表面受体（s uperfamily）： 300种以

25、上以被克隆；如肾上腺素能受体、 胆碱能受体、5-HT受体及多数肽类激素的受体。b.7 次跨膜受体（7-spanning receptor）；c. 识别配体、与配体结合部位不同：小大配体的结合部位在跨膜螺旋；配体的结合部位在受体N-端。d. 结合并激活G-蛋白的部位：在受体胞浆侧：胞内III环或I、II和7-a处。中国药科大学：菡资料G 蛋白: （G protein或（GTP-binding protein） 20种以上。 a、b、g三个亚 G蛋白未激活时，GDP与a结合 GTP与a结合有活性。 G蛋白可分为Gs (stimulatory G protein)和Gi (inhibitory G

26、protein)。人肾上腺素能b2受体结构模式图G蛋白耦联受体介导的信号传导的主要过程中国药科大学：菡资料第二信使（secondmessenger）：实验：肾上腺素与肝组织切片孵育，可增加糖原磷酸化酶活性，导致肝糖原分解；但加入磷酸化酶或磷酸化酶激酶中，不能增加酶活性。说明：epinephrine是先作用于细胞膜，在胞浆中生成一种小 物质（cAMP），然后才激活上述酶的。cAMP:IP3: inositol triphosphate DG: diacylglycerolcGMP: cyclic guanosine monophosphateCa2+:蛋白激酶（protein kinase）：可

27、被第二信使激活。 根据底物不同，分为：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：多酪氨酸蛋白激酶：少，下一个信号传导途径中 根据激活它们的第二信使不同，分为：依赖于cAMP的蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase,or protein kinase A, PKA)依赖于Ca2+的蛋白激酶（or protein kinase C, PKC）G-蛋白效应器（G-protein effector）1. 离子通道：直接或间接调控离子通道的活动。2. 酶：催化生成第二信使。包括腺苷酸环化酶（adenylate cyclase,AC） 磷脂酶C（phospholipase,PLC）依赖于cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase,PDE） 磷脂酶A2(phospholipase A2)G蛋白激活过程示意图几种主要的信号传导方式： cAMP-PKA途径：Gs，Gi IP3-Ca途径：Gq-PLC-PIP2-IP3-IP3受体- Ca2+ DG-PKC途径：DG激活PKC，后者使底物蛋白磷酸化 G蛋白-离子通道途径：KAch通道KCa2+通道中国药科大学：菡（三） 酶