小分子物質(zhì)的跨膜運輸-細胞生物學-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!膜的組成和結構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婧思毎图毦目缒さ鞍字饕铅谅菪Y構

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

特異性結合位點特征性結合常數(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運的物質(zhì)載體介導的被動運輸血糖濃度升高后脂肪細胞反應葡萄糖的單一運輸?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，吸鈉后促進磷酸化，磷酸化后吸鉀排鈉，吸鉀后促進脫磷酸化。Na+-K+泵

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

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

細胞外離子的數(shù)量2.參與形成內(nèi)負外正的膜電位*

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，水將進入，結果造成細胞脹破解決方案把離子打出去細胞內(nèi)外的滲透壓由大分子、小分子和離子構成離子跨膜運輸?shù)淖饔茫杭毎麧B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合位點,

與K+競爭性結合至催化亞基。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backNa+驅(qū)動的同向運輸載體與

糖攝入Na+-drivensymporterandglucoseuptake胞質(zhì)側構象A:結合位點向胞外側開放,葡萄糖和Na+結合于各自位點.Na+順其電化學梯度糖逆其電化學梯度構象B:載體經(jīng)歷構象變化,結合位點向胞質(zhì)側開放,葡萄糖和Na+離開各自位點,由此兩者被運入細胞.

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+泵結構左：Ca2+在非磷酸化狀態(tài)進入結合位點右：ATP水解導致P結構域磷酸化,進而導致A結構域位置變化，導致4號和6號螺旋重排，結果原有結合位點被破壞,使Ca2+面向另一側被釋放。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胞的吸收功能小腸上皮細胞底側面Na+-

K+泵的作用腸腔

上皮下組織間隙小腸上皮細胞底側面不依賴Na+的葡萄糖運輸載體載體介導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(細菌)第三節(jié)通道蛋白介導的運輸一、通道介導運輸?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：開關一、通道介導運輸?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-電信號轉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成胞內(nèi)高鉀，化學梯度驅(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？

細菌K+通道是第一個被結晶的通道蛋白入口：帶負電氨基酸集中分布，賦予通道對陽離子的選擇性K+通道蛋白結構

細菌K+通道是第一個被結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胞有特別重要的意義，是神經(jīng)沖動傳導和肌肉收縮的基礎。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-電信號轉換神經(jīng)細胞肌肉細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-電信號轉換乙酰膽堿受體:在神經(jīng)肌接頭處分布于肌細胞膜上研究最多,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,其三維結構了解。乙酰膽堿:

神經(jīng)遞質(zhì),位于神經(jīng)細胞內(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構乙酰膽堿受體結構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個乙酰膽堿結合位點當2分子乙酰膽堿結合上五聚體時,就引發(fā)其構象變化,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,構象恢復,通道將關閉。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)控而開放將細胞外的化學信號快速轉化為電信號。乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學-電信號轉換acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion三、神經(jīng)肌肉傳導中的通道激活12345三、神經(jīng)肌肉傳導中的通道激活

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-電信號轉換,完成興奮-收縮偶聯(lián)。三、神經(jīng)肌肉傳導中的通道激活

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

乙酰膽堿結合于肌細胞質(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,而敵敵畏導致痙攣一種箭毒能阻斷乙酰膽堿受體,使肌肉松弛,用于手術中。敵敵畏(有機磷農(nóng)藥)造成乙酰膽堿受體持續(xù)激活,

導致肌肉痙攣和昏迷。乙酰膽堿受體如何將化學信號轉變?yōu)殡娦盘?與乙酰膽堿結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=細胞外的化學信號轉化為電信號乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學-電信號轉換acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion電信號產(chǎn)生后肌肉如何反應?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胞。它們普遍存在于所有動物細胞質(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跨膜運輸。執(zhí)行跨膜運輸?shù)哪さ鞍捉凶髂み\輸?shù)鞍?，分成載體和通道兩類。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)順其電化學梯度跨越過膜。進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)逆其電化學梯度泵運過膜。只有載體蛋白能進行主動運輸。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)結合,然后自身構象改變將物質(zhì)在膜另一側釋放。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：

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

葡萄糖經(jīng)歷主動運輸,能量來自Na+梯度驅(qū)動力.載體介導運輸舉例（1）本章重點Na+-K+泵的作用機制是：1.Na+結合至催化亞基2.ATP水解成ADP,催化亞基被磷酸化3.催化亞基構象變化,Na+被運出細胞4.K+結合至催化亞基5.催化亞基去磷酸化6.催化亞基構象恢復,K+被運入細胞Na+-K+泵的作用是：每水解1分子ATP,泵出3個Na+,泵入2個K+載體介導運輸舉例（2）本章重點通道介導運輸舉例（1）K+通道對膜電位形成有重要作用。因K+化學梯度驅(qū)使其離開細胞，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)肌接頭處的化學信號快速轉換成電信號，作用機制是：與神經(jīng)細胞釋放的化學遞質(zhì)乙酰膽堿結合而活化，造成通道開放，陽離子(Na+)內(nèi)流，改變了肌肉細胞的膜電位，最終導致肌肉收縮通道介導運輸舉例（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)肌接頭將化學信號轉換成電信號？思考題第一部分思考題第二部分腸上皮細胞腸腔1、試解釋在小腸上皮細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铡?/p>

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細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铡?/p>

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細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铡?/p>

同向運輸偶聯(lián)載體/單一運輸載體/ATP驅(qū)動泵

腸上皮細胞腸腔2、試解釋在小腸上皮細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铡?/p>

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，當你吃完飯后,你的小腸上皮細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、鹽分和水吸收進來？（只考慮從腸腔運入小腸上皮細胞）。Na+-K+泵Na+-K+pump存在于幾乎所有動物細胞膜上,利用ATP水解供應能量,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+出細胞2個K+入細胞逆電化學梯度運輸!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+離子不停地進入細胞,怎樣把它們送回細胞外呢?四、運輸?shù)鞍壮壖易甯鞣N運輸ATP酶同屬于ABC運輸?shù)鞍壮壖易澹驗榻Y構中都含2個ATP結合匣（ATPBindingC