细胞膜与物质的跨膜转运.ppt

1、1,Cell Membrane and Transmembrane Transport,医用生物学教研室 李延兰 Tel:3831928(O) 2010.03,第2章 细胞膜与物质运输,2,内容提要,小分子和离子的穿膜运输 （transmembrane transport） 大分子和颗粒物质的膜泡运输 (transport by vesicle formation) 细胞膜与疾病,3,细胞膜是细胞与外界环境之间的一种选择性通透屏障，具有保障细胞摄取营养物质、排出代谢产物、调节细胞内离子浓度、维持内环境稳定等与细胞代谢活动密切相关的基本功能。总的来看，和细胞膜有关的物质运输活动有两种形式：一是小

2、分子和离子的穿膜运输；另一种是大分子和颗粒物质的膜泡运输。物质主要经3种途径通过细胞膜：被动运输、主动运输、胞吞和胞吐作用。,4,一、小分子和离子的穿膜运输,质膜对溶质的通透性具有以下四个特点：脂溶性大的分子容易穿过质膜;分子越小越易穿膜;不带电荷的分子易穿过膜;绝大多数离子和亲水性分子的穿膜要依赖于专一的跨膜蛋白。,5,物质穿膜运输的基本类型分为被动运输和主动运输。,Cell Membrane Permeability,Steroid,Ion channels(open/close),Na+ Cl-,Cell Membrane Permeability,Steroid,Transporter

3、,Sucrose,Proteins,Ion channels (open/close),Na+ Cl-,Na+ Cl-,蔗糖,9,小分子和离子进出细胞要横穿细胞膜。,被动运输,简单扩散,离子通道扩散,易化扩散（载体）,协助扩散,（一）被动运输（passive transport）,不需要消耗细胞代谢的能量，而将物质,从浓度高的一侧经细胞膜转运至浓度,低的一侧，动力来自于浓度梯度形成的势能。,（帮助扩散）,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,简单扩散,简单扩散:,不需要消耗能量和不依靠专一膜蛋白,分子而使物质顺浓度梯度从膜的一侧,转运到另一侧的运输方式。,脂溶性物质(非极性物质): 苯.乙

4、醇.氧.氮,不带电荷小分子物质: 水.尿素.二氧化碳,适合简单扩散的物质:,不适合简单扩散的物质:,带电荷物质,Cell Membrane Permeability,Steroid,Na+ Cl-,Sucrose,简单扩散,通道蛋白（channel pr.）：形成贯穿,载体蛋白（ carrier pr. ）：与特定 溶质结合改变构 象使溶质穿越 细胞膜。,脂双层之间的通道。,转运蛋白 （跨膜蛋白）,16,绝大多数离子通过膜上通道蛋白的协助，实现顺浓度梯度的跨膜转运。离子通道是镶嵌在膜上的跨膜蛋白质，它由- 螺旋蛋白构成，称为通道蛋白（channel protein）。其中心具有亲水性通道，对离

5、子具有高度的亲和力，允许适当大小的离子顺浓度梯度瞬间大量地通过。,17,离子通道可迅速地开放和关闭，受通道闸门所控制，而闸门是由通道蛋白的带电分子或基团（如羟基或磷酸基）所构成。有的持续开放，有的间断开放。间断开放的通道包括三类即电位依赖性电压门控通道（闸门的开闭受膜电压控制；Na通道、Ca通道、K通道）；化学物质控制的配体门控通道（闸门开闭受化学物质即配体调节；乙酰胆碱通道等）和 机械门控通道。,18,通道蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,19,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,闸门通道扩散,闸门通道扩散:,物质顺浓度梯度经过闸门孔道扩散,到细胞膜的另一侧这样的转运过程,称闸门通道扩散。

6、,配体,20,通道扩散,21,电 压 闸 门 通 道1,22,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,配体,23,神经末梢膜上的电压闸 门Ca2+通道,肌肉细胞膜上的配体闸门通道,肌肉细胞膜上的电压闸门Na+通道,肌浆网上的钙离子通道,神经肌肉连接系统：在神经肌肉接头处，沿神经传来的冲动刺激肌肉收缩，整个反应在不到一秒内完成，这样一个看来似乎很简单的反应至少包括4个不同部位的离子通道闸门按一定的顺序开放和关闭。,神经肌肉接头处的闸门通道,24,当冲动到达神经末梢，去极化发生，膜电位降低，引起神经末梢膜上的电压闸门通道开放，Ca2+急速进入神经末梢，刺激分泌神经递质乙酰胆碱；释放的乙酰胆碱与肌肉细

7、胞膜上的配体闸门通道上的特异部位（受体）结合，闸门瞬间开放，Na+大量涌入细胞，引起局部膜去极化，膜电位改变；,25,肌肉细胞膜的去极化，又使其膜上的电压闸门Na+通道依次开放， Na+更多地进入， 进一步促进膜的去极化扩展到整个肌膜；肌肉细胞膜去极化又引起肌肉细胞内肌浆网上的钙离子通道开放，钙离子从肌浆网内流入细胞质，细胞质内钙离子浓度急剧升高，肌原纤维收缩。,26,闸门通道,易化扩散,高浓度,低浓度,电化学梯度,脂双分子层,载体蛋白,易化扩散:,凡借助于载体蛋白的帮助不消耗能量将,物质顺浓度梯度进行转运，这种方式称易化或帮助扩散。,注意,易化扩散可运输一些亲水性物质和无机离子等。,:,载体

8、蛋白4,高浓度,低浓度,电化学梯度,30,借助于镶嵌在细胞膜上专一性很强的载体蛋白，,通过消耗代谢能量，将物质从低浓度处向高浓度处的运输方式。,主动运输的机制：,钠,钾,泵,实质：泵为 Na-K ATP 酶具有载体和酶的双重作用。,+,+,泵,小亚基:为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白,其作用机制不详。,大亚基：为贯穿膜全层的脂蛋白,是该酶的催化部位。,（二）主动运输（active transport）,31,大亚基,小亚基,ATP,ADP+Pi,细胞质,钾浓度梯度30倍,钠浓度梯度13倍,钾离子,钠离子,乌本苷,钾与乌本苷结合部位,钠结合部位,32,细胞质,钾浓度梯度30倍,钠浓度梯度13倍,Na+,

9、K+,Na+,Na+,Na+,Pi,Na+,K+,K+,钠结合部位,K+,Pi,钾结合部位,Mg+,33,钠钾泵, Na+结合到膜上；酶磷酸化；酶构象变化, Na+释放到细胞外;K+结合到细胞表面;酶去磷酸化; K+释放到细胞内,酶构象恢复原始状态,34,钠钾泵,35,钠钾泵动画,36,37,钙泵 ：细胞内外的Ca2+梯度部分是由膜上的Ca2+泵维持的。在红细胞存在于细胞膜上，而在肌细胞主要存在于肌浆网膜上。一些Ca2+泵是Ca2+ -ATP酶，它能将Ca2+泵出细胞质或泵入某些细胞器。另一些钙泵是一种对向运输器，由Na+电化学梯度驱动。肌浆网上的Ca2+泵是一种膜结合ATP酶（约1000个氨

10、基酸）每水解一个ATP分子可转运2个Ca2+进入肌浆网。,38,有些主动运输系统是由离子梯度中贮存的能量驱动的，它们逆浓度梯度进入细胞的的动力不是直接来自水解ATP，而是借助另一物质的浓度梯度或电化学梯度为动力进行的，又称继发性主动运输。所有这些都是协同运输，有的是同向运输，另一些则是对向运输。如钠钾泵间接驱动葡萄糖入胞。,小肠上皮细胞就是利用这种机制来从肠腔吸收葡萄糖，果糖、甘露糖、半乳糖、氨基酸等养料，再经易化扩散转运至血浆。,39,离子电化学梯度驱动的主动运输,40,由膜上的钠泵和同向运输的特异载体蛋白共同完成。 钠泵把钠泵出细胞外，形成细胞内外的钠离子浓度梯度差，特异载体蛋白上具有钠离

11、子和葡萄糖（或氨基酸）2个结合位点。,肠上皮细胞的转运蛋白不对称分布造成 葡萄糖从肠腔到血液的跨细胞膜运输,单运输（uniport）：一些载体蛋白将一种溶质从膜的一侧运到另一侧。 协同运输：在转运一种溶质分子时，同时或随后伴随转运另一种溶质分子。若伴随转运的溶质转运方向相同，称同向运输（symport），转运方向相反称为对向运输（antiport）。,对向运输,同向运输,43,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,吞噬体,吞饮体,44,真核细胞具有较完善的内膜系统，胞外大分子物质通过胞吞作用进入细胞内先储存于膜性囊泡内，然后再将其送至溶酶体，进行消化分解，这个运输过程通过囊泡完成。同样细胞内合成的蛋白

12、质及颗粒物质进入内质网，然后到达高尔基体，再从高尔基体转运至其他部位也都离不开囊泡。囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，此转运过程称为膜泡运输（ transportby vesicle formation）,二、膜泡运输,45,膜泡运输,胞吞作用 (endocytosis),胞吐作用 (exocytosis),胞饮作用（pinocytosis）,吞噬作用(phagocytosis),受体介导的胞吞作用(recepter mediated endocytosis ),膜泡运输:,大分子及颗粒物质并不直接穿过细,胞膜,而是通过一系列膜囊泡形成和,融合来完成的转运过

13、程，该运输方式消耗能量，属主动运输的范畴。,胞吞作用和胞吐作用,46,（一）胞吞作用(endocytosis),是细胞将胞外的大分子或颗粒物质转运到细胞内的方式。当被转运的大分子或颗粒物质靠近细胞膜并结合于细胞表面后，膜逐渐内陷将其包围，形成吞噬（饮）小泡进入细胞内。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同，分为：,47,2.胞饮作用（pinocytosis）：细胞对液体物质或细微颗粒物质的摄入和消化过程。,1.吞噬作用(phagocytosis): 细胞对微生物、衰老死亡细胞及细胞碎片等大颗粒物质的转运入胞过程。,3.受体介导的胞吞作用(recepter mediated endocytosi

14、s ) 需要膜受体参与的吞噬或吞饮作用，是某些大分子物质或颗粒性物质进入细胞的特殊方式，具有较强的特异性。,48,Endocytosis,49,LDL受体介导的内吞作用,具高度的特异性,可大大提高内吞效率,(recepter mediated endocytosis) 需要膜受体参与的吞噬或吞饮作用，是某些大分子物质或颗粒性物质进入细胞的特殊方式，具有较强的特异性。,受体介导入胞,52,网格蛋白包被囊泡(clathrin-coated vesicle)是最早发现的衣被小泡。笼形(网格, clathrin)蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状(triskelion)。许多

15、笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形网孔的笼子。,由网格蛋白包被的囊泡,53,53,笼形蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白(adaptin)，介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。已发现4种不同类型的衔接蛋白，可结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。,54,54,54,当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白动力素(dynamin)聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能拉近(1.5nm)，从而导致膜融合，掐断(pinch off)衣被小泡。,55,网格蛋白的结构 (a) 网格蛋白的三腿复合物;(b)网格蛋白包被亚基;(c)披网格蛋白小泡。,56,内吞,去被,胞内体,融合

16、,受体再循环,初级溶酶体,融合,57,受体介导的内吞作用的生物学意义 1. 胎儿摄取抗体的过程 2. 机体清除有害物质的过程 3. 特异摄取胆固醇过程,58,受体介导的胞吞作用过程：,在进行胞吞作用时，大分子或颗粒结合于互补的细胞表面受体，受体聚集于有被小窝内，在胞吞小泡内形成受体大分子复合物进入细胞。脱去网格蛋白被膜，并与其它囊泡融合成内体（endosome），受体分离随转移囊泡返回细胞膜（受体循环），被吞入颗粒被溶酶体酶降解。,59,LDL颗粒,LDL受体,有被小窝,有被小泡,内吞,去被,无被小泡,胞内体,融合,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,受体再循环,胞内体部分,初级溶酶体,融合,吞

17、 噬 溶 酶 体,60,（二）胞吐作用(exocytosis):也称出胞作用,是一种与胞吞运送物质相反的过程，是细胞将胞内的大分子或颗粒物质转运到细胞外的方式。基本过程是：要输出的物质先由膜包被形成小泡，小泡再移至质膜并与质膜融合形成一裂口将内容物排出胞外。,61,根据胞吐作用方式的不同将胞吐作用分为结构性分泌和调节性分泌。,结构性分泌（constitutive pathway of secretion）指由真核细胞高尔基体分泌的囊泡向细胞膜流动并与之融合，然后释放内容物（分泌性蛋白）的这一稳定过程。,调节性分泌（regulated pathway of secretion ）特化的分泌细胞产

18、生的分泌物储存在分泌泡内，当细胞受到外界信号刺激时，分泌泡与细胞膜融合并释放内容物，如胰岛素的分泌过程。,62,分泌蛋白的两种途径,63,细胞内外物质转运,穿膜 运输,膜泡 运输,被动运输,主动运输 （active transport）,出胞作用,入胞作用,吞噬作用,胞饮作用,受体介导入胞作用,简单扩散,帮助扩散,Na+-K+泵,Ca2 +泵,离子梯度驱动 的主动运输,同向运输,对向运输,载体蛋白介导,通道蛋白介导,单运输,协同运输,持续开放,瞬时开放,同向运输,对向运输,配体门控通道,电压门控通道,机械门控通道,64,细胞膜是细胞与环境间的屏障，是维持细胞内环境稳定、调节细胞正常生命活动的重

19、要结构基础。 它在细胞内外物质运输、细胞间识别、细胞免疫、信息传递和代谢调节等各种生命代谢活动中都起着重要作用，因此，膜结构的任何成分改变和功能异常，都将导致细胞发生一定的病理变化，乃至机体的功能紊乱。,65,膜转运病与膜受体病,由细胞膜上主动转运系统的载体蛋白缺损和功能异常所引起的疾病，称膜转运病(transport disease)。,由细胞膜上受体蛋白缺陷，包括受体数量增减和结构上的缺陷以及特异性、结合力的异常改变等所引起的疾病，称受体病(receptor disease)。,66,一、膜转运系统异常与疾病,目前已知的转运病有10多种，主要是肠管和肾小管。 例如，胱氨酸尿症是由于患者肾近

20、曲小管和肠管上皮细胞不能转运胱、赖、精和鸟氨酸所引起。由于胱氨酸溶解度极低，易产生胱氨酸结石。因此，本病主要表现是尿路结石、肾绞痛、氨基酸尿及尿路感染。,67,因编码LDL受体的基因突变，使细胞表面LDL受体减少或缺失，使胆固醇在细胞和血浆内累积，引起脂质代谢紊乱和动脉粥样硬化等。 正常情况下细胞中胆固醇的来源有两条途径：一是来自细胞内胆固醇的生物合成；二是通过细胞表面LDL受体摄取血浆中的胆固醇。在正常代谢中LDL同细胞膜上的LDL受体结合，通过内吞进入细胞，被溶酶体酸性水解酶水解，释放出游离胆固醇。,家族性高胆固醇血症(familial hypercholesterolaemia, FH),二、受体异常与疾病,68,细胞膜上的LDL受体对于调节血中胆固醇量有很大关系。LDL受体能抑制细胞