细胞生物学-物质的跨膜运输

关于细胞生物学-物质的跨膜运输第1页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

细胞膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除，以能调节细胞内离子浓度，使细胞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。防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它保证了细胞内环境的相对稳定，使各种生化反应能够有序运行。第2页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度这些离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。第3页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五细胞对营养物质的摄取细胞信号转导细胞渗透压的维持细胞能量转换中ATP的产生神经元的可兴奋性第4页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五一、被动运输（passivetransport）（一）简单扩散simplediffusion（二）协助扩散facilitateddiffusion二、主动运输（activetransport）ATP直接供能ATP间接提供能量光能驱动三、胞吞与胞吐作用第5页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五一、被动运输（passivetransport）特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；类型：简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）

是通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。第6页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五非电解质通过扩散跨过细胞质膜必须具备两个条件:第一，该物质在细胞外的浓度很高;第二，细胞质膜必须对这种物质具有通透性。膜对某种溶质具有透性，必须满足两个条件之一：(1)这种物质能够直接穿过脂双层，或(2)膜中有可允许该溶质通过的跨膜孔道。第7页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散。（一）简单扩散(diffusion)这种移动方式是单个分子的随机运动，无论开始的浓度有多高，扩散的结果是两边的浓度达到平衡。虽然这种移动不需要消耗能量，主要是依靠扩散物质自身的力量，但从热力学考虑，它利用的是自由能。如果改变膜两侧的条件，如加热或加压，就有可能改变物质的流动方向，其原因就是改变了自由能。所以，扩散是物质从自由能高的一侧向自由能低的一侧流动。第8页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五FIG.不同分子对人工脂双层膜的相对透性不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散（simplediffusion)

疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子以简单的扩散方式跨膜转运第9页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。1、脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。2、相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于0.5～1.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。3、物质的带电性:所有带电荷的分子(离子)，不管它多小，都不能自由扩散。是因为带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分子(离子)，不管它多小，都不能自由扩散。特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助。第10页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等在膜转运蛋白协助下顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运,不消耗ATP进入膜内的一种运输方式，也称促进扩散。（二）协助扩散第11页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五特点：①转运速率高；②存在最大转运速率；③有膜转运蛋白参与，有特异性。协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点∶第12页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五膜转运蛋白（Transportproteins）膜转运蛋白:是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。载体蛋白通道蛋白第13页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的跨膜运输。载体蛋白（carrierprotein）第14页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五特点:

特异性；多次跨膜；具通透酶（permease）性质；载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输

很多方面与酶催化反应相似载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输的膜蛋白。载体蛋白促进扩散时同样具有高度的特异性，其上有结合点，只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。而且，一个特定的载体只运输一种类型的化学物质，甚至一种分子或离子。载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。由载体蛋白进行的被动物质运输，不需要ATP提供能量。载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是:载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。第15页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五通道蛋白（channelprotein）

是横跨质膜的亲水性通道，其跨膜部分形成亲水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。又称为离子通道。第16页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道，因为这些通道蛋白几乎都与离子的转运有关，所以又称为离子通道。离子通道：一是具有离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。驱动带电荷的溶质跨膜转运的净驱动力来自两种力的合力，一种是溶质的浓度梯度，另一种是跨膜电位差，这种净驱动力构成溶质跨膜的电化学梯度（electrochemicalgradient），这种梯度决定溶质跨膜的被动运输的方向。第二个特征是离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。因此离子通道又区分为电压门通道（voltage-gatedchannel）、配体门通道（ligand-gatedchannel）和压力激活通道（stress-activatedchannel）。离子通道在神经元与肌细胞冲动传递过程中起重要作用。如含羞草的闭叶反应，草履虫的快速转向运动，内耳听觉的感应等都与离子通道有关。第17页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五与载体蛋白相比具有三个显著特征1、具有极高的转运速率和高度的具有离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。

3、离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。

2、离子通道没有饱和值。

第18页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道(gatedchannel)类型：电压门控(voltage-gatedchannel)配体门控通道(ligand-gatedchannel)压力激活通道(stress-activatedchannel)第19页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五第20页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五acetylcholinereceptor1配体门通道(ligandgatedchannel)第21页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五ThreeconformationoftheacetylcholinereceptorNa+K+失活Ach门通道具有具有三种状态：开启、关闭和失活。第22页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五第23页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

水分子不溶于脂,并具有极性,理应不能自由通过质膜,但实际却是很容易通过膜。水通道蛋白(aquaporin)

2003年诺贝尔化学奖：美国科学家PeterAgre

1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28KD的疏水性跨膜蛋白，纯化的CHIP28置入脂质体，使其迅速膨胀，这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道。（红细胞和蛙卵细胞）

第24页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五第25页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五二、主动运输（activetransport）概念：主动运输是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。类型（根据能量来源）：ATP直接供能、ATP间接提供能量、光能驱动

第26页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五ATP直接提供能量驱动的主动运输------钠钾泵构成：Na+/K+ATPase由两个大亚基(α亚基)和两个小亚基(β亚基)组成。α亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;在α亚基上有Na+和K+结合位点

实际上就是Na+-K+ATP酶，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P-type，与之相类似的还有钙泵和质子泵。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。第27页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五钠钾泵运输机制作用：维持细胞内一定的Na+/K+浓度；该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力；有助于建立膜电位。消耗1个ATP，输出3个Na+，输入2个K+第28页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五ATP直接提供能量驱动的主动运输Ca2+泵,Ca2+ATPase第29页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五

心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的Ca2+-ATP泵将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来,使肌质网Ca2+的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后,Ca2+释放出来,参与肌肉收缩的调节。肌质网(sarcoplasmicreticulum)

第30页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五功能：建立H+电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞种类（1）P型质子泵：结构与Na+-K+泵和Ca2+泵结构类似，在转运H＋的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。（2）V型质子泵：在转运H＋的过程中不磷酸化中间体，存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，其功能是维持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性。

（3）F-type：

H+-ATP酶:存在于线粒体膜、叶绿体类囊体膜上，多数细菌质膜上，以相反的方式发挥生理作用——H+顺浓度梯度运动，释放能量与合成ATP偶联起来：线粒体磷酸化叶绿体光合磷酸化质子泵第31页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五P型、V型和F型运输泵的结构第32页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五协同运输(cotransport)能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。概念:是一类由Na+－K+泵（或H+－泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。ATP间接提供能量的主动运输第33页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五1、同向协同（symport）物质运输方向与离子转移方向相同。2、反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。协同运输的方向：根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同antiport）。第34页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。小肠上皮细胞吸收葡萄糖：葡萄糖分子通过Na+驱动的共运输方式进入上皮细胞；再经载体介导的协助扩散方式进入血液；Na+-K+泵消耗ATP维持Na+的电化学梯度。第35页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五反向协同运输antiport第36页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五动物细胞和植物细胞主动运输的比较◆动物细胞质膜上有Na+-K+ATPase，并通过对Na+、K+的运输建立细胞的电化学梯度；◆植物(细菌、真菌)细胞质膜中没有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通过对H+的运输建立细胞的电化学梯度；◆在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。第37页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡又称膜泡运输或批量运输（bulktransport）。属于主动运输。根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）3.胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）第38页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。类型：

●胞饮作用（pinocytosis）（溶液）●吞噬作用（phagocytosis）（固体）胞吞作用：第39页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五吞噬作用特点：胞吞物为大分子和颗粒物质；形成的胞吞泡大（直径大于250nm）；信号触发过程；作用：防御侵染和垃圾清除工。第40页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五第41页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五批量内吞（Bulk-phaseendocytosis）doesnotrequiresurfacemembranerecognition.Itisthenonspecificuptakeofextracellularfluids.

细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。第42页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五第43页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五网格蛋白(clathrin)50～100nm五边形网格结构三腿蛋白网格蛋白第44页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五■接合素蛋白(adaptin)衔接蛋白与膜受体细胞质结构域中的信号序列相互作用第45页，共53页，2022年，5月20日，23点28分，星期五受体介导的胞吞作用：配体和受体结合网格蛋白聚集有被小窝去被的囊泡和胞内体融合有被小泡胞