《细胞生物学》教学课件：05 物质跨膜运输

1、第五章 物质的跨膜运输,第一节 生物膜与物质的跨膜转运 第二节 离子泵和协同运输 第三节胞吞作用与胞吐作用,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,实验题,例题： 整合在膜上的酶不仅依赖膜脂作为支持物，而且需要他们协助才能发挥酶活性功能。设计一实验，验证膜流动性对Na+/K+ATPase催化速度的影响。,分析与设计方案,1膜脂不同成分与膜流动性（提供不同磷脂脂肪酸成分的组合

2、膜脂） 2膜上的酶Na+/K+ATPase的提供（去污剂分离纯化获得） 3不同膜脂组成成分建成的脂质体与Na+/K+ATPase重建实验体系， 4膜流动性测定可借鉴本教材案例方法 5测定多种试验体系的Na+/K+ATPase活性（在相同条件下提供酶运输的必须条件，并检测结果），以验证膜脂影响该酶的催化速度 注：把学过的知识连接起来，并以科学的思维设计之,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,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

3、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C a2+的浓度; B、提高胞质中C a2+浓度 C、降低内质网中C a2+ 的浓度;D、降低线粒体中C a2+浓度,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+

4、 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,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（carrier proteins）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

5、（channel proteins）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,通道蛋白（channel proteins）,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-gated channel） 配体门通道（ligand-gated channel） 应力激活门通道（stress-activated channel）,二、被动运输,概念：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、

6、能量消耗、 膜转运蛋白 类型：简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion）,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,主动运输（active transport）,概念：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。 （满足细胞生理需要的主动转运物质方式） 特点：运输方向、能量消耗、膜载体蛋白 提供能量的三种基本类型 ： .ATP(能)驱动泵 .耦联转运(物的势能)驱动载体蛋白 .光(能)驱动泵,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

7、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-型泵与型泵（ H+-ATP合酶）：质子泵 ABC超家族蛋白（泵）,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：来源于钠钾泵或质子泵消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输所进行。 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

8、运输（同向转运 symport） 对运输（反向转运 antiport）,同向转运,同向转运指转运物质的方向与耦连的离子转移方向相同。 例：小肠上皮细胞吸收葡萄糖的转运可以利用胞外高浓度Na+协同共运输完成。P114图。,反向转运,反向转运指转运物质的方向与耦连的离子转移方向相反（对）。 例动物细胞利用胞外Na+驱动Na+/H+ 反向运输H+,是细胞内pH升高到7.4，适应细胞分裂环境等。,图总结膜转运蛋白： 离子通道离子泵 协助扩散偶联运输（包括同向、反向）,偶联反向转运,偶联同向转运,协助运输,离子通道,ATP泵,单向转运,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

9、总和。 静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。 动作电位（active potential）：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。 细胞随离子通道、离子泵的开启与关闭引发膜电位发生变化，在神经，肌肉细胞中引起兴奋传递具有重要的生物学意义。,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（bulk t

10、ransport）。 胞吞作用 胞吐作用,膜泡运输:,膜泡运输,（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）,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。,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,a.非特异性胞吞作用,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

11、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。,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,胞吐作用, 组成型的外排途径 （constitutive exocytosis pathway） 调节型外排途径 （regulated exocytosis pathway） 膜流,组成型的外排途径,所有真核细胞都发生 是连续分泌的过程 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基

12、质组分、营养或信号分子） 组成型胞吐又称去限定途径（ default pathway ）：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,调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）,特化的分泌细胞发生。 分泌泡：储存刺激释放 例如胰腺细胞分泌胰岛素。 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,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。,气体分子苯,

13、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),正负离子,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,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,通道蛋白,载体蛋白,能量,浓度梯度,载体蛋白 P103表举例,动物细胞膜上的载体蛋

14、白-通透酶 特性：1 特异性结合位点；2 转运的溶质专一；3 具酶的饱和动力学曲线；4 被抑制物（剂）竞争抑制；5 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：,动物细胞膜上的离子通道举例见 P103,配体门,配体门,电压门,应力门,听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理,菌紫质,耦联转运载体,ATP驱动的泵,光驱动的泵,天冬氨酸残基,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,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,P123,G蛋白偶联受体GPLR：种类繁多

15、，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,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。,（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,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。,亚基-被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上； 亚基-被豆蔻酸化（myristoyl

16、ated）修饰连在膜上。,P140,P144,Converge on Ras,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca2+,CaMK,PKA,PM,Signals transmitted from the EGF receptor can diverge along several distinct pathways.,An example of crosstalk between two major signaling pathways,高浓度,低浓

17、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,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,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,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，L

18、DL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-density lipoproteins,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。,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（pH56），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

19、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。,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。,四类Transport ATPase ( pump),四类ATP驱动泵,转运离子、单糖、氨基酸、磷脂、胆固醇等分子泵,质

20、子泵可分为三种:,ABC超家族蛋白（泵）,哺乳动物多药抗性蛋白1,肿瘤细胞过量表达它，这类转运泵把治病药物泵出细胞，以致抵抗药物治疗，难于治疗表达MDR膜蛋白衍生来的肿瘤细胞。,F-type ATPases,Ca2+-ATP酶作用机理,Ca2+ pump, Ca2+ ATPase 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Ca

21、2+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。,Structure of Ca2+ ATPase,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。

22、,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1965Sutherland1971年获诺贝尔奖,cAMP,cGMP,二酰基甘油（DG),三磷酸肌醇(IP3),第二信使分子,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,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,G

23、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,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、3个不同的亚基组成的异源三聚体GTP结合调节蛋白。当G亚基结合GTP活化；当G亚基结合GDP时失活。 G亚基上有鸟苷酸结合位点、GTPase活

24、性结构域、ADP核糖化位点。,受体酪氨酸激酶特点,多为单次跨膜的蛋白质分子 与配体结合时二分子受体形成二聚体自身磷酸化相互激活胞内端 受体酪氨酸激酶胞内端有：活性区域（催化作用）和结合区域（连接其他蛋白） 结合区域：SH2、SH3。在Src蛋白发现它除有酪氨酸激酶活性区域外还有两个与其它蛋白作用的结合区域，研究发现胞内一些蛋白也有这两种结构的结合区域，依据它们的序列同源性分别称为SH2、SH3结构区域。 结合区域作用：识别特异性、使活化的酶与底物更接 近催化区而被活化。,(a) 由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道。,水孔蛋白AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28kDa，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道,AQP1水通道蛋白 水孔蛋白的跨膜结构域,简单扩散,溶质的脂溶性