第五章物质跨膜运输

第五章物质跨膜运输第1页，共101页。第五章目的了解物质跨膜运输的各个相关概念（被动运输、主动运输、膜泡运输、膜转运蛋白、载体、离子泵等）及其特点和机制要求熟练掌握物质跨膜运输的主要类型和要点重点区分各类型物质跨膜运输的特点难点理解物质跨膜运输的各类型在细胞生理活性状态下的协同功能第2页，共101页。第二节离子泵和协同运输一、离子泵二、协同运输三、离子跨膜转运与膜电位P115-117第3页，共101页。复习思考题细胞可以利用质膜两侧的离子浓度梯度来驱动物质的主动运输,这种方式称为________作用.Na+-K+泵的能量来源是____，植物细胞中协同运输时能量的直接来源是____。母鼠抗体从血液通过上皮细胞进入母乳，再经乳鼠的肠上皮细胞被摄入体内，这种将内吞作用与外排作用相结合的跨膜转运方式称为______运输。存在于质膜上的质子泵称为_________________型质子泵，存在于溶酶体膜和植物液泡膜上的质子泵称为_______________型质子泵细胞对Ca2+的运输有四种方式：____；____；____；____。钙泵的主要作用是A、降低细胞质Ca2+的浓度;B、提高胞质中Ca2+浓度C、降低内质网中Ca2+的浓度;D、降低线粒体中Ca2+浓度第4页，共101页。复习思考题植物细胞和细菌的协同运输常利用哪一种离子的浓度梯度来驱动A.

H+B.Na+C.

K+D.Ca2+细胞膜在静息情况下，对下列哪种离子通透性最大A.K+B.Na+C.Cl-D.Ca2+E.Mg2+动物小肠细胞对葡萄糖的吸收依靠A.

钠离子梯度驱动的同向协同运输（symport）B.

钠离子梯度驱动的反向协同运输（antiport）C.

钾离子梯度驱动的同向协同运输D.

钾离子梯度驱动的反向协同运输

第5页，共101页。第6页，共101页。第一节生物膜与物质的跨膜运输一、脂双层分子的透性与膜转运蛋白二、被动运输与主动运输

第7页，共101页。一、脂双层分子的透性与膜转运蛋白膜脂的透性膜转运蛋白：

载体蛋白（carrierproteins）——与特定的溶质分子结合（运输的溶质与载体有互补结合的结构域）；具通透酶（permease）性质:P102；介导被动运输与主动运输通道蛋白（channelproteins）——一般不与溶质分子结合。只有大小和电荷适宜的离子或颗粒才能通过，只介导被动运输第8页，共101页。通道蛋白（channelproteins）一类为非选择性，例如：线粒体外膜上的孔蛋白；

一类具有离子选择性，例如：离子通道三个特征：转运速率高、没有饱和值、受门控开关离子通道类型：电压门通道（voltage-gatedchannel） 配体门通道（ligand-gatedchannel）

应力激活门通道（stress-activatedchannel）第9页，共101页。二、被动运输指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运输。特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、

膜转运蛋白类型：简单扩散（simplediffusion）

协助扩散（facilitateddiffusion）第10页，共101页。协助扩散通道蛋白运输离子通道运输载体蛋白运输水孔蛋白第11页，共101页。主动运输（activetransport）指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低的一侧向高的一侧进行转运的方式。●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白

●提供能量的三种基本类型：１.ATP驱动泵２.耦联转运蛋白３.光驱动泵

第12页，共101页。离子泵:细胞主动转运离子的膜蛋白（载体蛋白）

P-型泵：由ATP直接提供能量，在泵周期中有一个亚基会发生磷酸化或去磷酸化，形成磷酸化中间体

钠钾泵的结构与机制；分布与作用:P110

钙泵结构和Ca2+-ATP酶

工作原理P-型质子泵

V-型泵与Ｆ－型泵（H+-ATP合酶）：质子泵

ABC超家族蛋白（泵）

第13页，共101页。ATP间接提供能量的主动运输—

协同运输（cotransport）1.概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。2.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。3.类型：共运输（同向协同symport）对运输（反向协同antiport）第14页，共101页。物质的跨膜运输和膜电位膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位（restingpotential）：细胞在静息状态下的膜电位。动作电位（activepotential）：细胞在刺激作用下的膜电位。极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。第15页，共101页。三、膜泡运输—胞吞作用和胞吐作用

完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输（bulktransport）。

●胞吞作用

●胞吐作用膜泡运输:膜泡运输第16页，共101页。（一）胞吞作用

概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质包裹并输入细胞的过程。类型：胞饮作用（pinocytosis）

吞噬作用（phagocytosis）第17页，共101页。1.胞饮作用特点：胞吞物为液体和溶质；形成的胞吞泡小（直径小于150nm）；连续发生的过程；网格蛋白和结合素蛋白参与。a.胞吞泡的形成：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b.受体介导的内吞作用：VB12、激素、抗体、病毒及LDL内吞作用●

胞内体（endosome）及其分选作用：返回、消化、转胞吞作用第18页，共101页。2.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；微丝和结合蛋白参与。作用：防御侵染和垃圾清除工。第19页，共101页。胞饮作用和吞噬作用的区别

主要有三点特征物质状态、胞吞泡的大小转运方式胞吞泡形成机制胞饮作用溶液小于150nm连续的过程网格蛋白和接合素蛋白吞噬作用大颗粒大于250nm受体介导的信微丝和结合蛋白号触发过程第20页，共101页。

胞吐作用 ●组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway） ●调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）●膜流第21页，共101页。组成型的外排途径

所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）去限定途径（defaultpathway）：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面第22页，共101页。调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）

特化的分泌细胞。储存——刺激——释放 例如胰腺β细胞分泌胰岛素。产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定

第23页，共101页。膜流●膜流：胞吞和胞吐作用及小泡运输，使膜处于循环动态平衡状态的过程。动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的。

第24页，共101页。第25页，共101页。气体分子苯小的脂溶性分子小的不带电荷的极性分子水甘油（丙三醇）乙醇大的不带电荷的极性分子氨基酸葡萄糖核苷酸带电荷的离子人工合成脂质双分子层(膜)

第26页，共101页。简单扩散与协助扩散的比较

载体蛋白协助扩散比简单扩散要快得多，并会表现最大转运速率（vmax）KM:最大转运速率一半时的某物质浓度。以数值可代表该载体转运这种物质的能力大小。人的葡萄糖载体蛋白家族有12个成员GLUT1--12，其协助扩散速率各有不同P108第27页，共101页。膜转运蛋白被动运输主动运输1简单扩散2通道蛋白介导的3载体蛋白介导的转运分子转运蛋白载体蛋白能量浓度梯度第28页，共101页。载体蛋白P103表举例动物细胞膜上的载体蛋白--通透酶特性：特异性结合位点；转运的溶质专一；具酶的饱和动力学曲线；被抑制物（剂）竞争抑制；依赖一定的PH值；但不同的是载体蛋白对溶质分子不作任何共价修饰。载体蛋白介导的被动运输2结合位点3转运机制：构象1溶质分子浓度梯度：第29页，共101页。动物细胞膜上的离子通道举例见P103第30页，共101页。听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理第31页，共101页。第32页，共101页。菌紫质耦联转运ATP驱动的泵光驱动的泵第33页，共101页。天冬氨酸残基第34页，共101页。第35页，共101页。在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输异同点的比较第36页，共101页。第37页，共101页。第38页，共101页。细胞膜膜外蛋白膜内蛋白胞饮物胞饮泡膜胞饮作用示意图第39页，共101页。第40页，共101页。第41页，共101页。第42页，共101页。第43页，共101页。第44页，共101页。第45页，共101页。P123第46页，共101页。第47页，共101页。第48页，共101页。第49页，共101页。G蛋白偶联受体GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜）信号分子包括：感觉信号（光、嗅、激素、神经递质等）G蛋白偶联受体（GPLR）的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR激酶）、PDE、PI3K、离子通道等第50页，共101页。分子开关：指在细胞内信号传递中起信号放大和终止作用的激活机制和失活机制，它们都是蛋白质分子。第51页，共101页。（A）细胞内受体蛋白作用模型;（B）几种胞内受体蛋白超家族成员P129第52页，共101页。第53页，共101页。第54页，共101页。乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2）调节主要为亚基变化通道开启：Na+内流，K+外流，膜去极化。第55页，共101页。第56页，共101页。第57页，共101页。亚基---被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上；亚基---被豆蔻酸化（myristoylated）修饰连在膜上。第58页，共101页。P140第59页，共101页。P144第60页，共101页。第61页，共101页。第62页，共101页。第63页，共101页。第64页，共101页。ConvergeonRas第65页，共101页。第66页，共101页。第67页，共101页。第68页，共101页。RTKGLRLigandLigandPLCRasACGPRafDAGIP3cAMPMAPKKMAPKTranscriptionFactorsPKCCa2+CaMKPKA

PM第69页，共101页。SignalstransmittedfromtheEGFreceptorcandivergealongseveraldistinctpathways.Anexampleofcrosstalkbetweentwomajorsignalingpathways第70页，共101页。高浓度低浓度电化学梯度适合简单扩散的物质:不带电荷小分子物质:水.尿素.二氧化碳脂溶性物质(非极性物质):苯.乙醇.氧.氨不适合简单扩散的物质:带电荷物质第71页，共101页。通道蛋白：形成贯穿脂双层之间的通道。高浓度电化学梯度低浓度通道蛋白第72页，共101页。LDL颗粒有被小窝有被小泡无被小泡胞内体受体与大分子颗粒分开胞内体部分

融合去被内吞胞内体部分受体再循环初级溶酶体吞噬溶酶体融合LDL受体第73页，共101页。胞内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵进胞内体腔中，使腔内PH降低，引起LDL与受体分离。包内体以出芽的方式形成运载受体的小泡，返回细胞膜，重复使用。含LDL的包内体与溶酶体融合，LDL被水解，释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。低密度脂蛋白（low-densitylipoproteins,LDL):是胆固醇在肝细胞合成后与磷脂和蛋白质形成的复合物,进入血液，通过与细胞表面的LDL受体结合形成受体-LDL复合物，通过网络蛋白有被小泡的内化作用进入细胞，经脱被与胞内体融合。第74页，共101页。胞内体的分选胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质进到溶酶体中被降解。胞内体膜上有ATP驱动的质子泵，将氢离子泵进胞内体腔中，使腔内的pH降低（pH5～6），从而引起胞吞物与受体分离。胞内体以出芽的方式形成运载受体的小囊泡，返回细胞质膜，受体重复使用。胞内体被认为是膜泡运输的主要分选站之一。不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为转胞吞作用。第75页，共101页。通过网络蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图（网络蛋白：轻链和重链组成包被的结构单位）（接合素蛋白）

（转运分子-配体）（转运分子受体）（膜泡形成）配体（Ligand）是通常本身具有其特别的生物活性，并且能和接受体(receptor)结合，呈现特异性的生物活性分子。第76页，共101页。四类TransportATPase(pump)ATP驱动泵转运离子、单糖、氨基酸、磷脂、胆固醇等小分子泵第77页，共101页。质子泵可分为三种:第78页，共101页。ABC超家族蛋白（泵）第79页，共101页。哺乳动物多药抗性蛋白1第80页，共101页。F-typeATPases第81页，共101页。Ca2+-ATP酶作用机理

第82页，共101页。◆Ca2+pump,Ca2+ATPase●TheCa2+-ATPasepresentinboththeplasmamembraneandthemembranesoftheendoplasmicreticulum.钙泵的主要存在细胞质膜和内质网（钙库）膜上；钙泵的主要作用：降低细胞质中的钙离子浓度。●Ca2+泵的工作原理类似于Na+-K+泵:在细胞质面有同Ca2+结合的位点，一次可以结合两个Ca2+，Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随着ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合Ca2+的转到细胞外侧被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。第83页，共101页。StructureofCa2+ATPase第84页，共101页。膜受体的结构特点配体结合区域：受体蛋白向着细胞外部分，多为糖蛋白，可识别不同的配体，狭义受体指此部位。：受体蛋白向着细胞质部分，一般具有酶的活性，配体与受体结合前，它是无活性的，只有受体与配体结合后才被激活，引起一系列变化，产生相应的生物效应。效应区域膜受体类型单体型：由一个镶嵌蛋白分子构成。复合型：由两个或多个镶嵌蛋白聚合一起形成。第85页，共101页。第一信使（第一信号）：指细胞外的信号分子，与膜受体结合的配体不直接参与细胞的物质和能量代谢，而作为一种信使起传递信息的作用。第二信使（第二信号）：第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子，可改变靶细胞中已存在的酶或非酶蛋白的活性，引起细胞对外界信号的反应。第二信使学说——1965—Sutherland1971年获诺贝尔奖cAMPcGMP

二酰基甘油（DG)三磷酸肌醇(IP3)

Ca2+（第三信使）

第二信使分子第86页，共101页。级联反应细胞表面受体从接受信号到最终的综合性应答包括信号转导过程和信号放大。信号进行的逐级传递放大称级联反应或信号级联放大。组成级联反应的各个成员称一个级联：由磷酸化酶和去磷酸化酶组成。级联反应作用：信号放大，信号转移，信号转化等。P146图第87页，共101页。第88页，共101页。GPLR的C端富含Ser和Thr—磷酸化位点---受体磷酸化失敏机制第89页，共101页。G蛋白偶联受体GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜）信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等；激素、神经递质等）G蛋白偶联受体（GPLR）的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR激酶）、PDE、PI3K、离子通道等第90页，共101页。G蛋白又叫鸟苷酸结合调节蛋白。是一类GTP结合蛋白家族。G蛋白有单体G蛋白（一条多肽链）、多亚基G蛋白。G蛋白参与细胞通讯、核糖体与内质网结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成。与G蛋白偶联受体连接的G蛋白是由α、β、γ3个不同的亚基组成的异源三聚体GTP结合调节蛋白。当Gα亚基结合GTP活化