物質的跨膜運輸課件

1、物質的跨膜運輸?shù)谖逭碌谖逭?物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸(Transport Across Cell Membrane)物質的跨膜運輸膜轉運蛋白與物質的跨膜運輸膜轉運蛋白與物質的跨膜運輸離子泵和協(xié)同轉運離子泵和協(xié)同轉運胞吞作用與胞吐作用胞吞作用與胞吐作用本章內容提要物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸?shù)谝还?jié)第一節(jié) 跨膜蛋白與跨膜運輸跨膜蛋白與跨膜運輸物質的跨膜運輸被 動 運 輸被 動 運 輸( p a s s i v e transport）主動運輸主動運輸( a c t i v e transport）胞吞作用胞吞作用(endocytosis）與 胞 吐 作 用與 胞 吐 作 用（exocytosi

2、s）跨膜運輸方式：跨膜運輸方式：物質的跨膜運輸膜轉運蛋白（膜轉運蛋白（membrane transport protein）：）： 脂溶性分子、小的不帶電荷的脂溶性分子、小的不帶電荷的分子分子 選擇性通透屏障，幾乎所有小的有機分選擇性通透屏障，幾乎所有小的有機分子和帶電荷的無機離子都需要子和帶電荷的無機離子都需要脂雙層的脂雙層的不透性：不透性： 物質的跨膜運輸 通道蛋白（通道蛋白（channel proteins）：介導）：介導被動運輸；非特異被動運輸；非特異性，其選擇性在于性，其選擇性在于溶質足夠小和所帶溶質足夠小和所帶電荷合適；轉運速電荷合適；轉運速率極高，接近自由率極高，接近自由擴散的理

3、論值；無擴散的理論值；無飽和性；門控性飽和性；門控性載體蛋白（載體蛋白（carrier proteins）：通透酶）：通透酶（permease）；介）；介導被動運輸與主動導被動運輸與主動運輸；特異性，具運輸；特異性，具有酶的飽和動力學有酶的飽和動力學特征；構象變化特征；構象變化膜轉運蛋白膜轉運蛋白(membrane transport protein）：）：物質的跨膜運輸通道蛋白和載體蛋白通道蛋白和載體蛋白物質的跨膜運輸載體蛋白構象變化載體蛋白構象變化物質的跨膜運輸胱氨酸尿癥：腎細胞不能將胱氨酸胱氨酸尿癥：腎細胞不能將胱氨酸半胱氨酸轉運到血液，從而在腎半胱氨酸轉運到血液，從而在腎中形成胱氨酸結

4、石中形成胱氨酸結石 物質的跨膜運輸電壓門通道（電壓門通道（voltage-gated channel）配體門通道（配體門通道（ligand-gated channel）壓力激活通道（壓力激活通道（stress-activated channel）物質的跨膜運輸聽毛細胞聽毛細胞物質的跨膜運輸孔蛋白蛋白是存在于蛋白是存在于細菌細菌質膜的外膜、質膜的外膜、線粒體線粒體和葉綠體的外膜上的通道蛋白和葉綠體的外膜上的通道蛋白,它們允許較大的分子通過它們允許較大的分子通過,其中線粒體孔蛋白可通過的最大分子為其中線粒體孔蛋白可通過的最大分子為6000道爾頓道爾頓,而葉綠體的孔蛋白則可通過相對分子質量在而葉綠體

5、的孔蛋白則可通過相對分子質量在10,000到到13,000之間的物質?？椎鞍资悄ぶg的物質。孔蛋白是膜整合蛋白整合蛋白,它的膜脂結合區(qū)與其他的跨膜蛋白不同它的膜脂結合區(qū)與其他的跨膜蛋白不同,是是折疊。折疊。 物質的跨膜運輸水分子的跨膜通道水分子的跨膜通道水孔蛋白水孔蛋白(aquaporin,AQP)物質的跨膜運輸2003年，美國科學家彼得年，美國科學家彼得阿格雷和羅德里克阿格雷和羅德里克麥金農，分麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。爾化學獎。 物質的跨膜運輸水孔蛋白物質的跨膜運輸被 動 運 輸被 動 運 輸(

6、p a s s i v e transport）主動運輸主動運輸( a c t i v e transport）胞吞作用胞吞作用(endocytosis）與 胞 吐 作 用與 胞 吐 作 用（exocytosis）跨膜運輸方式：跨膜運輸方式：物質的跨膜運輸Click to add Title簡單擴散（簡單擴散（simple diffusion）協(xié)助擴散（協(xié)助擴散（facilitated diffusion）被動運輸（被動運輸（passive transport）通過簡單擴散或協(xié)助擴散實通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質由高濃度向低濃度方現(xiàn)物質由高濃度向低濃度方向的跨膜轉運，轉運的動力向的跨膜轉運，

7、轉運的動力來自物質的濃度梯度，不需來自物質的濃度梯度，不需要細胞提供代謝能量。要細胞提供代謝能量。物質的跨膜運輸疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子進行跨膜轉疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子進行跨膜轉運時，不需要細胞提供能量，也無需膜轉運蛋白的協(xié)運時，不需要細胞提供能量，也無需膜轉運蛋白的協(xié)助。助。簡單擴散（簡單擴散（simple diffusion）物質的跨膜運輸飽和性飽和性 載體：離子載體載體：離子載體、通道蛋白、通道蛋白 轉運速率高轉運速率高 運輸速率同物質濃運輸速率同物質濃度成非線性關系度成非線性關系 特異性特異性 協(xié)助擴散（協(xié)助擴散（facilitated diffusion）物

8、質的跨膜運輸簡單擴散與協(xié)助擴散的比較簡單擴散與協(xié)助擴散的比較物質的跨膜運輸A. 人工脂雙層膜對不同分子的相對透性人工脂雙層膜對不同分子的相對透性; B. 不同分子通過人工脂雙層膜的滲透系數(shù)不同分子通過人工脂雙層膜的滲透系數(shù)（單位（單位cm/s）物質的跨膜運輸1、脂溶性越高通透性越大；、脂溶性越高通透性越大；2、小分子比大分子易透過；、小分子比大分子易透過；3、非極性分子比極性容易透過；、非極性分子比極性容易透過；4、極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層、極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;5、人工膜對帶電荷的物質，如離子是高度不通透的。、人工膜對帶電荷的物質，如離子是高度不通透的。人工膜對各

9、類物質的通透率人工膜對各類物質的通透率物質的跨膜運輸Text in here物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸對比對比比較三種物質運輸方式的異同：順濃度梯度順濃度梯度逆濃度梯度不需要需要需要不消耗不消耗需要消耗氧氣、水、二氧化碳等通過細胞膜葡萄糖通過紅細胞葡萄糖、氨基酸通過小腸上皮細胞膜；離子通過細胞膜等物質的跨膜運輸?shù)诙?jié)第二節(jié) 離子泵與協(xié)同運輸離子泵與協(xié)同運輸物質的跨膜運輸P-型離子泵型離子泵V-型質子泵型質子泵F型質子泵型質子泵ABC超家族（超家族（ABC superfamily）一、由一、由ATP直接提供能量的主動運輸、初級主動運輸（直接提供能量的主動運輸、初級主動運輸（primary ac

10、tive transport）、）、ATP泵（泵（ATP-drive pump）：物質的跨膜運輸四種類型的四種類型的ATP驅動泵驅動泵物質的跨膜運輸1. 1、動物細胞質膜上、動物細胞質膜上2、每消耗、每消耗1分子分子ATP，泵出，泵出3個個Na+泵進泵進2個個k+ 3、維持低、維持低Na+高高K+的細胞內環(huán)境，維持細胞正的細胞內環(huán)境，維持細胞正常的生命活動，維持細胞的靜息電位，維常的生命活動，維持細胞的靜息電位，維持細胞的滲透平衡，恒定細胞的體積持細胞的滲透平衡，恒定細胞的體積4、地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；、地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性；氰化物使

11、和少量膜脂有助提高于其活性；氰化物使ATP供應中斷而停止泵的工作供應中斷而停止泵的工作1.鈉鉀泵鈉鉀泵 (Na+-k+ pump, Na+-k+ ATPase)物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸工作模式（工作模式（B）示意圖）示意圖Na+-K+泵的結構（泵的結構（A）物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸4123所有真核細胞的質膜某些細胞器（如內質網(wǎng)、線粒體所有真核細胞的質膜某些細胞器（如內質網(wǎng)、線粒體）膜上，尤其是肌細胞肌質網(wǎng)膜上）膜上，尤其是肌細胞肌質網(wǎng)膜上將將Ca2+泵出細胞或泵入內質網(wǎng)腔，維持胞質內較低的泵出細胞或泵入內質網(wǎng)腔，維持胞質內較低的Ca2+濃度濃度每消耗每消耗1分子分子ATP，轉運，轉運2

12、個個Ca2 2. 鈣泵鈣泵(Ca2+ pump, Ca2+-ATPase）物質的跨膜運輸Ca2+-ATPase結構特點物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸鈣泵功能（1）紅血球的細胞內外Ca2+的濃度梯度很大，可以 認為這是由存在于膜上的Ca2+依賴性ATP酶所引起的Ca2+的主動排出； （2）肌漿網(wǎng)是靠膜上的Mg2+、 Ca2+ATP酶來進行Ca2+的主動運輸?shù)模?（3）線粒體膜依靠電子傳遞能，以1 1之比攝取Ca2+和磷酸； （4）小腸粘膜上皮細胞從食物中攝取Ca2+，此時維生素D是必需因子。所有這些都可稱作鈣泵。物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸其它其它P型離子泵型離子泵植物細胞、真菌（包括酵母）細菌細

13、胞質膜上植物細胞、真菌（包括酵母）細菌細胞質膜上物質的跨膜運輸1、存在于動物細胞胞內體、溶酶體膜、破骨細、存在于動物細胞胞內體、溶酶體膜、破骨細胞和某些腎小管細胞質膜以及植物、酵母胞和某些腎小管細胞質膜以及植物、酵母其他真菌細胞液泡膜上。其他真菌細胞液泡膜上。2、利用、利用ATP供能將細胞質基質中的質子逆濃度供能將細胞質基質中的質子逆濃度梯度泵入細胞器，以維持細胞質基質中性梯度泵入細胞器，以維持細胞質基質中性細胞器內的細胞器內的pH酸性。酸性。3. V型質子泵（型質子泵（V-class proton pump）、膜）、膜泡質子泵（泡質子泵（vacuolar proton pump）物質的跨膜運

14、輸V型質子泵（型質子泵（V-class proton pump）、）、膜泡質子泵（膜泡質子泵（vacuolar proton pump）物質的跨膜運輸1、細菌質膜、線粒體內膜、葉綠體類囊體膜、細菌質膜、線粒體內膜、葉綠體類囊體膜2、質子逆濃度梯度，將所釋放的能量與、質子逆濃度梯度，將所釋放的能量與ATP合合成耦聯(lián)起來成耦聯(lián)起來 4. F型質子泵型質子泵(F-class proton pump)、H+-ATP合成酶、合成酶、F1F0-ATPase物質的跨膜運輸F型質子泵型質子泵(F-class proton pump)、H+-ATP合成酶、合成酶、F1F0-ATPase物質的跨膜運輸1、只轉運質

15、子、只轉運質子2、在轉運質子的過程中泵蛋白不形成磷酸化的中間體、在轉運質子的過程中泵蛋白不形成磷酸化的中間體V型質子泵和型質子泵和F型質子泵與型質子泵與P型離子泵的區(qū)別型離子泵的區(qū)別物質的跨膜運輸廣泛存在于從細菌到人類各種生物體內；廣泛存在于從細菌到人類各種生物體內；細菌質膜上糖、氨基酸、磷脂肽的轉運蛋白；細菌質膜上糖、氨基酸、磷脂肽的轉運蛋白；哺乳動物細胞質膜上磷脂、親脂性藥物、膽固醇其他小分子的轉運蛋白；哺乳動物細胞質膜上磷脂、親脂性藥物、膽固醇其他小分子的轉運蛋白；在肝、腎、小腸的細胞膜上分布廣泛，將毒物廢物排出體內在肝、腎、小腸的細胞膜上分布廣泛，將毒物廢物排出體內5.ABC超家族（超

16、家族（ABC superfamily）(ATP binding cassette superfamily)物質的跨膜運輸由4個“核心”結構域組成的結構模式：2個跨膜結構域（T），形成跨膜轉運通道并決定每個ABC蛋白的底物特異性；2個胞質側ATP結合域（A）。 物質的跨膜運輸利用水解利用水解ATP的能量將各種藥物從細胞質內轉運到細胞外的能量將各種藥物從細胞質內轉運到細胞外 MDR是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細胞是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細胞ABC蛋白器，約蛋白器，約40%患患者的癌細胞內該基因過度表達。者的癌細胞內該基因過度表達。多藥抗性轉運蛋白（多藥抗性轉運蛋白（multidrug resistance p

17、rotein ） ：如：如MDR1 protein物質的跨膜運輸90%30%55%耦聯(lián)轉運蛋白（耦聯(lián)轉運蛋白（coupled transporter）、協(xié)同轉運蛋白）、協(xié)同轉運蛋白（cotransporter）同向轉運蛋白同向轉運蛋白(sympoter)反向轉運蛋白反向轉運蛋白(antiporter)二、由二、由ATP間接提供能量的主動運輸、次級主動運輸間接提供能量的主動運輸、次級主動運輸(secondary active transport) 、協(xié)同運輸（、協(xié)同運輸（cotransport）物質的跨膜運輸協(xié)同運輸（協(xié)同運輸（cotransport）由由Na+-K+泵（或泵（或H+-泵）與載體

18、蛋白協(xié)同作用，靠間接消泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗耗ATP所完成的主動運輸方式所完成的主動運輸方式 動物細胞動物細胞中常常利中常常利用膜兩側用膜兩側Na+濃度梯濃度梯度來驅動度來驅動。植物細胞和細菌植物細胞和細菌常利用常利用H+濃度濃度梯度來驅動。梯度來驅動。物質的跨膜運輸1. 同向協(xié)同（同向協(xié)同（symport）定義：定義： 物質運輸方向與離子轉移方向相同物質運輸方向與離子轉移方向相同 例：小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著例：小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。的進入。 某些細菌對乳糖的吸收伴隨著某些細菌對乳糖的吸收伴隨著H+的進入。的進入。2. 反向協(xié)同（反向協(xié)同（antiport

19、）：）：定義：物質運輸方向與離子轉移方向相反定義：物質運輸方向與離子轉移方向相反 例：例：Na+驅動的驅動的Cl-HCO3-交換，即交換，即Na+與與HCO3-的進入伴隨的進入伴隨 著著Cl-和和H+的外流，如存在于紅細胞膜上的帶的外流，如存在于紅細胞膜上的帶3蛋白；蛋白； 線粒體線粒體Na+驅動的驅動的Na+/H+反向轉運反向轉運H+以調節(jié)細胞內的以調節(jié)細胞內的pH物質的跨膜運輸Glucose is absorbed by symport物質的跨膜運輸Glucose is absorbed by symport物質的跨膜運輸三、離子跨膜轉運與膜電位三、離子跨膜轉運與膜電位 膜電位：膜電位：細

20、胞質膜兩側各種帶電物質形成的電位差。細胞質膜兩側各種帶電物質形成的電位差。 靜息電位：靜息電位：是指細胞未受刺激時，存在于細胞膜內外是指細胞未受刺激時，存在于細胞膜內外 兩側的外正內負的電位差。主要由質膜上相對穩(wěn)定的兩側的外正內負的電位差。主要由質膜上相對穩(wěn)定的離子跨膜運輸或離子流形成。離子跨膜運輸或離子流形成。 動作電位：動作電位：在刺激作用下產生的行使通訊功能的快速在刺激作用下產生的行使通訊功能的快速變化的膜電位。變化的膜電位。 極化：極化：靜息電位是細胞內外相對穩(wěn)定的電位差，質膜靜息電位是細胞內外相對穩(wěn)定的電位差，質膜內是負值，質膜外圍正值，這種現(xiàn)狀叫極化內是負值，質膜外圍正值，這種現(xiàn)狀

21、叫極化物質的跨膜運輸極化狀態(tài)概念極化：細胞膜兩側的電位差在某些情況下會發(fā)生變動，使細胞膜處于不同的電位狀態(tài)。細胞安靜時膜兩側內負外正的狀態(tài)稱為膜的超極化：當膜電位向膜內負值增大方向變化去極化：膜電位向膜內負值減小方向變化反極化：去極化近一步加劇，膜內電位變?yōu)檎?，而膜外電位變?yōu)樨撝祻蜆O化：細胞受到刺激后先發(fā)生去極化，再向膜內為負的靜息電位水平恢復物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸?shù)谌?jié)第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用胞吞作用與胞吐作用物質的跨膜運輸胞吞作用胞吞作用：通過細胞質膜內陷形成胞吞泡（：通過細胞質膜內陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），將外界物質裹進并輸入細胞的過程。），將外界物質

22、裹進并輸入細胞的過程。胞吐作用胞吐作用：將細胞內的分泌泡或其它某些膜泡中的物質：將細胞內的分泌泡或其它某些膜泡中的物質通過細胞質膜運出細胞的過程通過細胞質膜運出細胞的過程 胞吞作用（胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（）與胞吐作用（exocytosis：又稱膜泡運輸、批量運輸（又稱膜泡運輸、批量運輸（bulk transport）。屬于主）。屬于主動運輸。動運輸。物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸胞飲作用（胞飲作用（pinocytosis）：）：胞吞物若為溶液，形成胞吞物若為溶液，形成的囊泡較小，稱為胞飲的囊泡較小，稱為胞飲作用。胞飲作用形成的作用。胞飲作用形成的胞吞泡稱胞飲

23、泡（）胞吞泡稱胞飲泡（）吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis）：胞）：胞吞物若為大的顆粒吞物若為大的顆粒性物質（如微生物性物質（如微生物細胞碎片），形細胞碎片），形成的囊泡較大，稱成的囊泡較大，稱為吞噬作用。吞噬為吞噬作用。吞噬作用形成的胞吞泡作用形成的胞吞泡稱吞噬泡（）稱吞噬泡（）胞吞作用胞吞作用胞吞泡胞吞泡胞飲泡胞飲泡吞噬泡吞噬泡物質的跨膜運輸物質的跨膜運輸胞飲作用吞噬作用的區(qū)別胞飲作用吞噬作用的區(qū)別物質的跨膜運輸網(wǎng)格蛋白有被小窩（網(wǎng)格蛋白有被小窩（clathrin coated pit）網(wǎng)格蛋白有）網(wǎng)格蛋白有被小泡（被小泡（clathrin coated vesicle）的三種成

24、分）的三種成分網(wǎng)格蛋白（網(wǎng)格蛋白（clathrin）：）：3個個 二聚體形成的三角蛋白復合體（二聚體形成的三角蛋白復合體（triskelion）Dynamin:一種小分子一種小分子GTP結合蛋白結合蛋白接合素蛋白接合素蛋白(adaptin)：物質的跨膜運輸Structure of a clathrin coated vesicle物質的跨膜運輸Model for the formation of a clathrin-coated pit and the selective incorporation of integral membrane proteins into clathrin-co

25、ated vesicles物質的跨膜運輸通過籠形蛋白包被小泡介導的選通過籠形蛋白包被小泡介導的選擇性運輸擇性運輸 物質的跨膜運輸網(wǎng)格蛋白有被小窩（網(wǎng)格蛋白有被小窩（clathrin coated pit）網(wǎng)格蛋白有）網(wǎng)格蛋白有被小泡（被小泡（clathrin coated vesicle）物質的跨膜運輸網(wǎng)格蛋白有被小窩（網(wǎng)格蛋白有被小窩（clathrin coated pit）網(wǎng)格蛋白有被小泡（網(wǎng)格蛋白有被小泡（clathrin coated vesicle）物質的跨膜運輸吞噬作用吞噬作用物質的跨膜運輸受體介導的胞吞作用（受體介導的胞吞作用（receptor mediated endocyto

26、sis）:選擇選擇性濃縮機制（性濃縮機制（selective concentrating mechanism）非特異型的胞吞作用非特異型的胞吞作用胞吞作用：根據(jù)胞吞的物質是否具有專一性胞吞作用：根據(jù)胞吞的物質是否具有專一性物質的跨膜運輸動物細胞內由膜包圍的細胞器，其作用是運輸動物細胞內由膜包圍的細胞器，其作用是運輸由胞吞作用新攝入的物質到溶酶體被降解。由胞吞作用新攝入的物質到溶酶體被降解。胞內體（胞內體（endosome）：）：物質的跨膜運輸3、轉胞吞作用（transcytosis）：受體被運至質膜的不同結構域，如具極性的上皮細胞1、大部分受體返回原來的質膜結構域2、 受體下行調節(jié)（recep

27、tor down-regulation）:有些受體不能再循環(huán)，進入溶酶體被消化：表皮生長因子（EGF）結合的細胞表面受體，大部分在溶酶體被降解，導致細胞表面EGF受體濃度降低。胞內體是膜泡運輸?shù)闹饕诌x站之一不同類型的受體具有不同的胞內體分選途徑物質的跨膜運輸胞吞作用的意義 營養(yǎng)物的內化 信號轉導 質膜更新 物質的跨膜運輸LDL的受體介導的胞吞作用釋放膽固醇和脂肪酸物質的跨膜運輸LDL通過受體介導的內吞作用進通過受體介導的內吞作用進入細胞入細胞物質的跨膜運輸示受體回到原質膜轉胞吞作用不同類型的受體具有不同的胞內體分選途徑物質的跨膜運輸轉胞吞作用（transcytosis）母鼠抗體從血液轉運到奶汁 物質的跨膜運輸胞吐作用胞吐作用組成型的外排途徑（組成型的外排途徑（constituti