小分子物質(zhì)的跨膜運輸-細(xì)胞生物學(xué)-2-09課件

第九章

小分子物質(zhì)的跨膜運輸

MembraneTransportofSmallMolecules膜的屏障作用鉀離子濃度：膜內(nèi)比膜外高10~20倍!膜的組成和結(jié)構(gòu)如果膜是單純的脂雙層……合成的脂雙層那么可以經(jīng)膜運輸?shù)闹皇呛苌賻追N物質(zhì),這些物質(zhì)的性質(zhì)是?脂溶性的物質(zhì)，如一些苯、甾類激素等一些氣體分子，如O2、N2、CO2等。不帶電荷的極性小分子，如乙醇、尿素等。能通透的不能通透的不帶電荷的極性分子，如葡萄糖、氨基酸等。離子。帶電荷的非極性分子。--疏水,--極性/不帶電一、單純擴散（simplediffusion）考慮到擴散速率的差異，實際上可以自由經(jīng)脂雙層擴散的物質(zhì)只有2類：1、疏水（脂溶性）小分子（脂溶性愈小，擴散愈慢）氧、苯2、不帶電的極性小分子（質(zhì)量愈大，擴散愈慢）乙醇、甘油葡萄糖、氨基酸、無機離子不能通過單純擴散完成跨膜運輸?shù)谝还?jié)跨膜運輸?shù)脑鞵rinciplesofmembranetransport物質(zhì)的電、化學(xué)跨膜梯度順濃度梯度、不耗能、無蛋白參與分布于各種膜上的運輸?shù)鞍爪谅菪婧思?xì)胞和細(xì)菌的跨膜蛋白主要是α螺旋結(jié)構(gòu)

疏水脂雙層β筒限于線粒體和葉綠體外膜的跨膜蛋白根據(jù)有無能量的偶聯(lián)，運輸可分為主動運輸和被動運輸2、被動運輸(passivetransport)不需能量＝易化擴散

所有通道蛋白和一部分載體蛋白

1、主動運輸(Activetransport)需消耗能量

載體蛋白

主動運輸和被動運輸原理（機制）：

載體蛋白經(jīng)歷了一次構(gòu)象變化，先后交替地把所運物質(zhì)與之結(jié)合的位點暴露于膜的兩側(cè)，從而完成運輸。一、載體介導(dǎo)運輸?shù)脑砗吞攸c第二節(jié)載體蛋白介導(dǎo)的運輸特點：1.與酶-底物反應(yīng)類似

特異性結(jié)合位點特征性結(jié)合常數(shù)2.運輸方式

單一運輸偶聯(lián)運輸

同向運輸反向運輸載體介導(dǎo)運輸?shù)姆绞絾我贿\輸同向運輸反向運輸偶聯(lián)運輸一些重要的載體蛋白及其轉(zhuǎn)運的物質(zhì)載體介導(dǎo)的被動運輸血糖濃度升高后脂肪細(xì)胞反應(yīng)葡萄糖的單一運輸?shù)鞍租c-鉀離子泵問題：為什么Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶細(xì)胞能量1/3~2/3耗費于此!胞漿胞外鈉-鉀離子泵作用機制作用機制鈉鉀ATP酶在未磷酸化前吸鈉排鉀，吸鈉后促進(jìn)磷酸化，磷酸化后吸鉀排鈉，吸鉀后促進(jìn)脫磷酸化。Na+-K+泵

作用的直接效應(yīng)建立和維持細(xì)胞外高鈉、細(xì)胞內(nèi)高鉀的特殊離子梯度Na+-K+泵

作用的間接效應(yīng)通過維持Na+梯度維持滲透壓平衡,調(diào)節(jié)細(xì)胞容積*

細(xì)胞外離子的數(shù)量2.參與形成內(nèi)負(fù)外正的膜電位*

3個Na+出、2個K+入

（什么是膜電位membranepotential）3.保證一些物質(zhì)的主動運輸所需能量*

問題：胞內(nèi)溶質(zhì)濃度高，如果不控制滲透壓平衡，水將進(jìn)入，結(jié)果造成細(xì)胞脹破解決方案把離子打出去細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓由大分子、小分子和離子構(gòu)成離子跨膜運輸?shù)淖饔茫杭?xì)胞滲透壓的維持Maintenanceofosmolarity箭毒殺人烏本苷是一種箭毒苷,是ATP酶抑制劑在催化亞基的胞外面有結(jié)合位點,

與K+競爭性結(jié)合至催化亞基。烏本苷的ATP酶抑制作用發(fā)生在依賴K+的去磷酸化步驟。用烏本苷處理,細(xì)胞很快腫脹破裂烏本苷back離子跨膜運輸?shù)淖饔茫耗る娢皇巧窠?jīng)沖動(電信號)播散的基礎(chǔ)backNa+驅(qū)動的同向運輸載體與

糖攝入Na+-drivensymporterandglucoseuptake胞質(zhì)側(cè)構(gòu)象A:結(jié)合位點向胞外側(cè)開放,葡萄糖和Na+結(jié)合于各自位點.Na+順其電化學(xué)梯度糖逆其電化學(xué)梯度構(gòu)象B:載體經(jīng)歷構(gòu)象變化,結(jié)合位點向胞質(zhì)側(cè)開放,葡萄糖和Na+離開各自位點,由此兩者被運入細(xì)胞.

糖經(jīng)歷主動運輸,能量來自Na+梯度.腸腔

上皮下組織間隙偶聯(lián)載體離子跨膜運輸?shù)淖饔茫禾峁┲鲃舆\輸所需的能量名詞：P型運輸ATP酶PtransportATPase泵的兩種狀態(tài)分別以磷酸基團的存在與缺如為標(biāo)志,

這類離子泵叫作P型運輸ATP酶。(P指phosphorylation,磷酸化)包括Na+-K+泵Ca2+泵一部分H+泵Ca2+泵維持胞漿的低Ca2+濃度返回P型運輸ATP酶：Ca2+泵結(jié)構(gòu)左：Ca2+在非磷酸化狀態(tài)進(jìn)入結(jié)合位點右：ATP水解導(dǎo)致P結(jié)構(gòu)域磷酸化,進(jìn)而導(dǎo)致A結(jié)構(gòu)域位置變化，導(dǎo)致4號和6號螺旋重排，結(jié)果原有結(jié)合位點被破壞,使Ca2+面向另一側(cè)被釋放。二、偶聯(lián)載體coupledcarrierNa+驅(qū)動的同向運輸載體H+驅(qū)動的同向運輸載體(略)Na+驅(qū)動的反向運輸載體(略)載體蛋白的不對稱分布與上皮細(xì)胞的吸收功能小腸上皮細(xì)胞底側(cè)面Na+-

K+泵的作用腸腔

上皮下組織間隙小腸上皮細(xì)胞底側(cè)面不依賴Na+的葡萄糖運輸載體載體介導(dǎo)的主動運輸能量來源sourcesofenergy:

1.ATP驅(qū)動泵

ATP水解提供能量2.離子梯度驅(qū)動力

通過偶聯(lián)運輸使一種物質(zhì)的下坡帶動另一種物質(zhì)的上坡—偶聯(lián)載體3.光驅(qū)動泵

光提供能量(細(xì)菌)第三節(jié)通道蛋白介導(dǎo)的運輸一、通道介導(dǎo)運輸?shù)脑砗吞攸c原理（機制）：

通道蛋白形成貫穿膜層的充水孔道，讓所運物質(zhì)順其電化學(xué)梯度通過。所運物質(zhì)主要是離子（Na+、K+、Ca2+）。

與簡單充水孔道不同：離子選擇性：種類、大小2.門控性：開關(guān)一、通道介導(dǎo)運輸?shù)脑砗吞攸c特點：被動運輸速率很高，存在特異性。

受調(diào)控門控-

電壓、遞質(zhì)、cAMP/cGMP

gated--voltage-gated,transmitter-gated

二、幾種重要的通道蛋白水通道

K+通道與靜息電位

Na+通道與動作電位（略）

K+通道與動作電位（略）

Ca2+通道與動作電位（略）

乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換水孔蛋白血管加壓素1.K+通道與靜息電位靜息電位:-70mV,主要由鉀離子膜平衡電位構(gòu)成胞內(nèi)高鉀，化學(xué)梯度驅(qū)使其逸出胞內(nèi)多陰離子，電梯度吸引其駐留胞質(zhì)側(cè)K+通道與靜息電位提供K+自由跨膜的途徑，其平衡電位造成膜靜息電位（-70mV

）。使K+能被固有陰離子吸引于胞內(nèi)，然后在Na+-

K+泵作用下維持在胞內(nèi)的高濃度。存在于所有細(xì)胞膜上，不需要特異刺激就可打開，所以被叫作K+逸漏通道。K+channelandrestingpotential離子選擇性(種類、大小)

是如何形成的？

細(xì)菌K+通道是第一個被結(jié)晶的通道蛋白入口：帶負(fù)電氨基酸集中分布，賦予通道對陽離子的選擇性K+通道蛋白結(jié)構(gòu)

細(xì)菌K+通道是第一個被結(jié)晶的通道蛋白中心濾器：羧基氧精確排布,接納無水K+,賦予通道對K+/Na+的選擇性離子通道對電興奮性細(xì)胞有特別重要的意義，是神經(jīng)沖動傳導(dǎo)和肌肉收縮的基礎(chǔ)。突觸膜上分布著離子通道突觸(synap)5.乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換神經(jīng)細(xì)胞肌肉細(xì)胞乙酰膽堿乙酰膽堿受體乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換乙酰膽堿受體:在神經(jīng)肌接頭處分布于肌細(xì)胞膜上研究最多,來源豐富—電魚肌肉在離子通道蛋白中,第一個被純化、鑒定出氨基酸序列、在人工脂雙層上重建、克隆基因,其三維結(jié)構(gòu)了解。乙酰膽堿:

神經(jīng)遞質(zhì),位于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)突觸小泡中神經(jīng)肌接頭:

運動神經(jīng)元與骨骼肌之間的特化突觸乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)5條肽鏈組成的糖蛋白五聚體每條肽鏈折疊成4個α螺旋穿越膜層其中2條是相同肽鏈,上面各有1個乙酰膽堿結(jié)合位點當(dāng)2分子乙酰膽堿結(jié)合上五聚體時,就引發(fā)其構(gòu)象變化,造成通道開放。神經(jīng)肌接頭處乙酰膽堿被釋放后將被降解。一旦乙酰膽堿與受體（即五聚體）解離,構(gòu)象恢復(fù),通道將關(guān)閉。乙酰膽堿受體:

遞質(zhì)門控的離子通道即：自身是通道蛋白,受乙酰膽堿專一調(diào)控而開放將細(xì)胞外的化學(xué)信號快速轉(zhuǎn)化為電信號。乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion三、神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)中的通道激活12345三、神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)中的通道激活

電壓門控Ca2+通道

遞質(zhì)門控Na+通道

電壓門控Na+通道電壓門控Ca2+通道？門控Ca2+通道數(shù)個毫秒中,至少5組門控離子通道依次激活,從而實現(xiàn)化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換,完成興奮-收縮偶聯(lián)。三、神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)中的通道激活

神經(jīng)沖動到達(dá)末梢，質(zhì)膜電壓門控Ca2+通道開放，啟動突觸小泡釋放乙酰膽堿。

乙酰膽堿結(jié)合于肌細(xì)胞質(zhì)膜上受體，其自身遞質(zhì)門控Na+通道開放。

Na+內(nèi)流改變肌細(xì)胞局部膜電位，電壓門控Na+通道開放。

整個膜電位改變，T管處電壓門控Ca2+通道開放。與T管相鄰的肌質(zhì)網(wǎng)膜上Ca2+通道開放。胞質(zhì)Ca2+濃度突然升高引發(fā)肌纖維收縮。箭毒用于外科手術(shù),而敵敵畏導(dǎo)致痙攣一種箭毒能阻斷乙酰膽堿受體,使肌肉松弛,用于手術(shù)中。敵敵畏(有機磷農(nóng)藥)造成乙酰膽堿受體持續(xù)激活,

導(dǎo)致肌肉痙攣和昏迷。乙酰膽堿受體如何將化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?與乙酰膽堿結(jié)合而活化通道開放陽離子(Na+)內(nèi)流局部膜電位差改變電信號=細(xì)胞外的化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號轉(zhuǎn)換acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion電信號產(chǎn)生后肌肉如何反應(yīng)?整個膜電位差改變胞質(zhì)Ca2+濃度升高肌纖維收縮

離子通道的作用不僅限于電興奮性細(xì)胞。它們普遍存在于所有動物細(xì)胞質(zhì)膜上，并且在植物和微生物上也有作用。本章重點疏水分子(如脂類)和少量不帶電極性小分子(如乙醇)可以單純擴散過通脂雙層,但是機體所需營養(yǎng)物質(zhì)小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和無機離子都由膜蛋白介導(dǎo)跨膜運輸。執(zhí)行跨膜運輸?shù)哪さ鞍捉凶髂み\輸?shù)鞍祝殖奢d體和通道兩類。它們在運輸機理、特點和對象上都不同。動畫基本概念（1）本章重點在跨膜運輸中,被動運輸指不需能量的運輸,等于易化擴散,即膜運輸?shù)鞍讕椭\物質(zhì)順其電化學(xué)梯度跨越過膜。進(jìn)行被動運輸是所有的通道蛋白和一部分載體蛋白。主動運輸指需消耗能量的運輸，即膜運輸?shù)鞍讓⑺\物質(zhì)逆其電化學(xué)梯度泵運過膜。只有載體蛋白能進(jìn)行主動運輸。它們偶聯(lián)的能量來源有3種：離子梯度驅(qū)動力、ATP驅(qū)動泵、光驅(qū)動泵。

基本概念（2）載體蛋白通道蛋白

carrierchannel各種離子離子、氨基酸、單糖、核苷酸等與所運物質(zhì)結(jié)合,然后自身構(gòu)象改變將物質(zhì)在膜另一側(cè)釋放。形成跨膜的充水通道讓所運物質(zhì)通過。運輸原理運輸特點所運物質(zhì)主動或被動運輸，與所運物質(zhì)互相作用較強，運輸速度較慢被動運輸，與所運物質(zhì)互相作用較弱，運輸速度較快186頁,表8-5本章重點

Na+驅(qū)動的同向運輸載體運輸葡萄糖的機理是：

載體蛋白的結(jié)合位點先向胞外側(cè)開放，葡萄糖和Na+結(jié)合于各自位點。然后載體經(jīng)歷了構(gòu)象變化，結(jié)合位點向胞質(zhì)側(cè)開放，葡萄糖和Na+離開各自位點，由此兩者被運入細(xì)胞.

葡萄糖經(jīng)歷主動運輸,能量來自Na+梯度驅(qū)動力.載體介導(dǎo)運輸舉例（1）本章重點Na+-K+泵的作用機制是：1.Na+結(jié)合至催化亞基2.ATP水解成ADP,催化亞基被磷酸化3.催化亞基構(gòu)象變化,Na+被運出細(xì)胞4.K+結(jié)合至催化亞基5.催化亞基去磷酸化6.催化亞基構(gòu)象恢復(fù),K+被運入細(xì)胞Na+-K+泵的作用是：每水解1分子ATP,泵出3個Na+,泵入2個K+載體介導(dǎo)運輸舉例（2）本章重點通道介導(dǎo)運輸舉例（1）K+通道對膜電位形成有重要作用。因K+化學(xué)梯度驅(qū)使其離開細(xì)胞，而其電梯度吸引其留在胞內(nèi)，

K+通道提供K+自由跨膜的途徑，其平衡電位造成膜靜息電位。K+通道存在于所有細(xì)胞膜上，不需要特異刺激就可打開，所以被叫作K+逸漏通道。本章重點乙酰膽堿受體是一種遞質(zhì)門控的離子通道，能將神經(jīng)肌接頭處的化學(xué)信號快速轉(zhuǎn)換成電信號，作用機制是：與神經(jīng)細(xì)胞釋放的化學(xué)遞質(zhì)乙酰膽堿結(jié)合而活化，造成通道開放，陽離子(Na+)內(nèi)流，改變了肌肉細(xì)胞的膜電位，最終導(dǎo)致肌肉收縮通道介導(dǎo)運輸舉例（2）1.解釋下列名詞:膜運輸?shù)鞍纵d體蛋白通道蛋白主動運輸被動運輸離子梯度驅(qū)動力ATP驅(qū)動泵偶聯(lián)載體同向運輸反向運輸P型運輸ATP酶2.為什么乙酰膽堿受體能在神經(jīng)肌接頭將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號？思考題第一部分思考題第二部分腸上皮細(xì)胞腸腔1、試解釋在小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的過程中，三種膜運輸?shù)鞍兹绾瓮瓿筛髯匀蝿?wù)。

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細(xì)胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的過程中，三種膜運輸?shù)鞍兹绾瓮瓿筛髯匀蝿?wù)。

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細(xì)胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的過程中，三種膜運輸?shù)鞍兹绾瓮瓿筛髯匀蝿?wù)。

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細(xì)胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的過程中，三種膜運輸?shù)鞍兹绾瓮瓿筛髯匀蝿?wù)。

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

2、想象一下，當(dāng)你吃完飯后,你的小腸上皮細(xì)胞如何運用小分子物質(zhì)跨膜運輸原理,分別將食物中的營養(yǎng)物質(zhì)葡萄糖、氨基酸、核苷酸、脂肪、鹽分和水吸收進(jìn)來？（只考慮從腸腔運入小腸上皮細(xì)胞）。Na+-K+泵Na+-K+pump存在于幾乎所有動物細(xì)胞膜上,利用ATP水解供應(yīng)能量,建立和維持Na+梯度。又稱Na+-K+ATP酶(Na+-K+ATPase)Na+我是大力士K+泵Na+-K+泵組成和作用Compositionandeffect3個Na+出細(xì)胞2個K+入細(xì)胞逆電化學(xué)梯度運輸!單一運輸同向運輸反向運輸偶聯(lián)運輸許多載體蛋白依賴Na+離子梯度驅(qū)動力完成主動運輸,那么Na+離子梯度又是如何建立起來并得到維持的呢?Na+離子不停地進(jìn)入細(xì)胞,怎樣把它們送回細(xì)胞外呢?四、運輸?shù)鞍壮壖易甯鞣N運輸ATP酶同屬于ABC運輸?shù)鞍壮壖易?，因為結(jié)構(gòu)中都含2個ATP結(jié)合匣（ATPBindingC