山東大學細胞生物學第五章

第五章細胞膜與物質(zhì)運輸質(zhì)膜運輸物質(zhì)的兩種方式膜泡運輸：運輸大分子和顆粒物質(zhì)穿膜運輸：運輸離子與小分子

本章重點:膜泡運輸：吞噬作用、受體介導內(nèi)吞作用

穿膜運輸：被動運輸、主動運輸?shù)谝还?jié)膜泡運輸膜泡運輸過程中有膜性小泡包裹著大分子或顆粒物質(zhì)。

顆粒和大分子物質(zhì)進出細胞稱吞排作用(cytosis)一、內(nèi)吞作用endocytosis：2種方式二、外排作用exocytosis

一、內(nèi)吞作用(endocytosis)通過質(zhì)膜的變形運動將細胞外顆?；虼蠓肿游镔|(zhì)包裹在囊泡內(nèi)運輸入細胞內(nèi)的過程。包括吞噬作用和胞飲作用。1.吞噬作用（phagocytosis）

細胞內(nèi)吞入較大的固體顆粒的過程。攝入顆粒物質(zhì)形成吞噬體（phagosome）過程：吸附+吞進顆粒物質(zhì)吸附于細胞表面接觸區(qū)域細胞膜形成偽足顆粒物質(zhì)被包裹進入細胞質(zhì)與溶酶體融合，吞噬物被分解

中性粒細胞吞噬細菌巨噬細胞正在吞噬衰老的紅細胞

吞噬作用只限于幾種特殊的細胞類型單細胞真核生物如變形蟲(Amoebae)等,通過吞噬作用從周圍環(huán)境中攝取營養(yǎng)。在高等動物細胞中，吞噬作用是一種保護措施而非攝食的手段。如：巨噬細胞和中性粒細胞，它們通過吞噬菌體，攝取和消滅感染的細菌、病毒以及損傷的細胞、衰老的紅細胞。2.胞飲作用（pinocytosis）細胞吞入大分子物質(zhì)或極微小顆粒物質(zhì)的運輸方式攝入液態(tài)可溶大分子或極微小顆粒。進入細胞內(nèi)的物質(zhì)形成胞飲小泡（pinocyticvesicle）；小于150nm（1）受體介導內(nèi)吞(Receptor-mediatedendocytosis)：1、定義：質(zhì)膜上的受體參與的從胞外吸收專一性的大分子和顆粒物質(zhì)的過程稱為受體介導的內(nèi)吞2、內(nèi)吞過程，參與此過程的兩種蛋白：成籠蛋白(Clathrin)和銜接蛋白(Adaptin)。衣被成籠蛋白(clathrin)形成三腿蛋白復合物，是衣被的基本結(jié)構(gòu)單位。由多個三腿蛋白復合物聚合形成五邊形或六邊形的籠狀結(jié)構(gòu)覆蓋于有被小窩或有被小泡的胞質(zhì)面，形成衣被。成籠蛋白衣被小泡（coatedvesicle）銜接蛋白通過識別不同的受體，并將受體連接至成籠蛋白，從而介導不同物質(zhì)的運輸。縊斷蛋白有使小泡頸部收縮縊斷的作用銜接蛋白（adaptin）受體蛋白位于胞質(zhì)面的尾部有一個4個aa殘基構(gòu)成的折疊區(qū)域，為內(nèi)吞信號

縊斷蛋白（dynamin）衣被的作用捕獲膜上的受體及與受體特異性結(jié)合的被轉(zhuǎn)運分子，將它們集中于衣被小窩。對衣被小窩的內(nèi)陷提供了牽動質(zhì)膜的機械力，有助于衣被小窩凹陷。

受體介導內(nèi)吞的基本過程①配體與膜受體結(jié)合,形成衣被小窩（coatedpit）;②衣被小窩向內(nèi)凹陷后同質(zhì)膜脫離形成衣被小泡（coatedvesicle）③衣被小泡的衣被脫去，形成無被小泡;④無被小泡與內(nèi)吞體融合受體介導內(nèi)吞作用已知有25種以上的大分子依賴受體介導內(nèi)吞作用。血液中低密度脂蛋白的攝取、細胞內(nèi)吞轉(zhuǎn)鐵蛋白向細胞提供鐵。生長激素胰島素表皮生長因子神經(jīng)生長因子白細胞介素低密度脂蛋白（LDL）的攝入LDL顆粒:外膜：磷脂、膽固醇單分子層核心：膽固醇酯（1500個）最外圍（配體）：載酯蛋白LDL顆粒通過載脂蛋白與細胞膜上的LDL受體結(jié)合。

LDL受體：LDL受體是一次跨膜糖蛋白。LDL受體蛋白合成后被運輸?shù)郊毎|(zhì)膜，在細胞質(zhì)膜集中并形成衣被小窩，當血液中有LDL顆粒，可立即與LDL結(jié)合形成LDL-受體復合物。水解酶27

（2)陷窩蛋白介導的胞飲作用陷窩由質(zhì)膜脂筏區(qū)（質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域）內(nèi)陷形成，主要結(jié)構(gòu)蛋白是陷窩蛋白（caveolin）。陷窩最后也有長頸被掐下來形成小泡，進行穿胞運輸。二、外排作用（exocytosis）與內(nèi)吞作用相反，細胞內(nèi)某些物質(zhì)由膜包圍成小泡從細胞內(nèi)逐步移到質(zhì)膜下方，小泡膜與質(zhì)膜融合，把物質(zhì)排到細胞外的過程。

Exocytosisofsecretoryvesiclesofapancreaticcell穿胞運輸（transcytosis）：物質(zhì)被細胞膜上受體結(jié)合后內(nèi)吞，在細胞內(nèi)未作任何處理只是經(jīng)細胞轉(zhuǎn)運到細胞的另一側(cè)，通過胞吐作用釋放出去。第二節(jié)穿膜運輸小分子、離子等物質(zhì)穿越質(zhì)膜的運輸

一、物質(zhì)穿膜的特點與其性質(zhì)和大小有關(guān)：

⑴

脂溶性越強越易直接穿膜，如：甾類激素、苯；

⑵小非極性分子能直接穿膜，如：O2、N2；脂溶性與分子大小比，前者影響更大。

⑶不帶電荷的小極性分子能直接穿膜如：H2O、乙醇(分子量46)、尿素(分子量60)、甘油(分子量92)⑷不帶電的大的極性分子和各種離子不能直接穿膜，需依賴膜上運輸?shù)鞍?。如：葡萄?分子量180)、Na+

二、水和鉀離子的通道

1、水通道揭示了水快速穿膜的機制。1988年美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院PeterAgre發(fā)現(xiàn)，獲2003年Nobel化學獎

2、鉀離子通道50年前就知道細胞應(yīng)該有離子通道，它們必須有選擇性只讓一種離子通過，也必須有能力開、關(guān)或只允許離子往一個方向流動，但這個分子機器到底是如何運轉(zhuǎn)的，長久以來一直是個謎。1998年，美國洛克菲勒大學RoderickMacKinnon(麥金農(nóng))用X射線晶體成像技術(shù)拍攝到了鏈霉菌的鉀離子通道的立體結(jié)構(gòu)，了解了其對離子的選擇性和開關(guān)機制。獲2003年Nobel化學獎

三、物質(zhì)穿膜運輸?shù)念愋捅粍舆\輸（passivetransport）順濃度梯度、不耗能主動運輸（activetransport）逆濃度梯度、耗能、需載體蛋白幫助。穿膜運輸方式圖解（一）被動運輸（passivetransport）類型：簡單擴散（simplediffusion）、協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）

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物質(zhì)對膜的通透性（Ｐ）由該分子的脂溶性和擴散系數(shù)、濃度梯度所決定。

Ｐ＝ＫＤ/ｔ

其中Ｋ為該溶質(zhì)的脂水分配系數(shù)(partitioncofficient)，Ｄ為擴散系數(shù)，ｔ為膜厚度。1、簡單擴散脂溶性與擴散速率

離子載體（ionophore）帶電荷的離子不能穿過膜脂雙層區(qū)?？杀荒ど闲〉闹苄苑肿咏閷ы槤舛忍荻却┰侥ぃ@種小分子稱離子載體?？蓜与x子載體(mobileioncarrier)

離子載體（ionophore）帶電荷的離子不能直接穿過膜脂雙層區(qū)。可被膜上小的脂溶性分子介導順濃度梯度穿越膜，這種小分子稱離子載體。通道形成離子載體(channel-formingionophore)

2、協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）

在膜運輸?shù)鞍椎膸椭?，使被運送物質(zhì)順濃度梯度的不消耗能量跨越膜的運輸方式，所有的通道蛋白和一部分載體蛋白采用這種運輸方式。

膜轉(zhuǎn)運蛋白：通道蛋白(channelproteins)：通道蛋白能形成貫穿膜脂雙分子層的充水的通道，使某些物質(zhì)通過而運輸?shù)侥さ牧硪粋?cè)。通道蛋白只介導被動運輸。

載體蛋白(carrierproteins)：能與特異性分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變將物質(zhì)運輸?shù)侥さ牧硪粋?cè)。介導被動運輸和主動運輸。通透酶(permease)

通道蛋白運輸物質(zhì)的三個特性：1、快：是載體蛋白運輸速率的1000倍。2、高度離子選擇性3、閘門控制

可控性：電壓門控離子通道選擇性由于鈉離子太小，而與氧原子形成的孔洞不能形成均衡的作用力，造成了鈉離子不能進入選擇濾器。54閘門通道類型

電壓門控通道:閘門的開閉受膜電壓控制配體門控通道:閘門的開閉受化學物質(zhì)(配體)調(diào)節(jié)機械門控通道：通道的打開受力的作用。

55閘門通道如：電壓閘門通道（Voltage-gatedchannels）機械門控通道聽覺毛狀細胞的離子通道就是一例。聲音的振動打開通道，允許離子進入毛狀細胞，這樣建立起一種電信號，并且從毛狀細胞傳遞到聽覺神經(jīng)，然后傳遞到腦。硬纖毛覆膜聽毛細胞傾斜的例:神經(jīng)肌肉接頭處,反映幾種不同閘門通道的順次開放與關(guān)閉乙酰膽堿與突觸后肌細胞膜上的乙酰膽堿受體結(jié)合，從而引起肌細胞膜上配體閘門通道開放，Na+進入肌細胞，使肌細胞膜去極化。肌細胞膜的去極化又使肌細胞膜上的電壓閘門Na+通道開放，Na+涌入細胞，引起肌細胞膜的進一步去極化。肌質(zhì)膜的廣泛去極化，引起肌漿網(wǎng)的電壓閘門Ca2+通道開放，Ca2+大量涌入細胞質(zhì)，從而引起肌細胞收縮。60載體蛋白介導運輸機理：

載體蛋白可逆的構(gòu)象變化

載體蛋白介導的協(xié)助擴散

葡萄糖載體蛋白介導易化擴散62

（二）主動運輸（activetransport）

在膜運輸?shù)鞍椎膸椭?，使被運送物質(zhì)逆濃度梯度或電化學梯度消耗能量跨越膜的運輸方式，介導此運輸方式的蛋白全為載體蛋白。

主動運輸（activetransport）類型

1、由ATP直接提供能量的主動運輸

鈉鉀泵

鈣泵（Ca2+-ATP酶）

質(zhì)子泵

2、間接消耗ATP的主動運輸

協(xié)同運輸（cotransport）

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幾種常見的主動運輸泵

Na+-K+泵大多數(shù)動物細胞的質(zhì)膜Ca2+泵(Ca2+ATPase)真核細胞的質(zhì)膜H+泵(H+ATPase)植物、真菌和某些細菌的質(zhì)膜，動物細胞溶酶體膜植物細胞的液泡膜1、由ATP直接提供能量的主動運輸

Na+-K+泵（Na+-K+pump）：動物細胞膜上穿膜運輸?shù)妮d體蛋白，又稱Na+-K+ATP酶，能水解ATP，通過自身構(gòu)象變化將Na+泵出細胞，將K+泵入細胞。鈉鉀泵結(jié)構(gòu)Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）

結(jié)構(gòu)：由大、小兩個亞基組成大亞基為一多次穿膜跨膜蛋白大亞基的胞質(zhì)胞質(zhì)側(cè)有一個ATP結(jié)合位點和三個Na+結(jié)合位點在膜的外側(cè)面大亞基上有2個K+結(jié)合位點和1個烏本苷（能抑制ATP酶）結(jié)合位點小亞基為一糖蛋白，其作用仍不清楚

鈉鉀泵主動運輸70Na＋－K＋泵運輸Na＋、K＋的意義調(diào)節(jié)胞內(nèi)外滲透壓平衡。物質(zhì)運輸：主動運輸產(chǎn)生的Na＋濃度差是某些物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸運輸?shù)碾娀瘜W勢能保障。維持細胞代謝必須：胞內(nèi)高濃度的K＋為蛋白質(zhì)合成及糖酵解所需的酶活動提供了重要條件。產(chǎn)生膜電位。

72（2）Ca2+-ATP酶（Ca2+泵）：

在紅細胞主要存在于細胞膜上。在肌細胞主要存在于肌漿網(wǎng)膜上，約占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白的90％。Ca2+-泵的工作原理類似于Na+-K+泵:在細胞質(zhì)面結(jié)合兩個Ca2+，Ca2+結(jié)合后使酶激活，并結(jié)合上一分子ATP，伴隨著ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵構(gòu)型發(fā)生改變，結(jié)合的Ca2+轉(zhuǎn)到細胞外側(cè)被釋放，此時酶發(fā)生去磷酸化，構(gòu)型恢復到原始的靜息狀態(tài)。Ca2+-ATP酶作用機理74Ca2+泵運輸Ca2+的意義細胞內(nèi)含有極低濃度的Ca2+，胞外Ca2+濃度高很多；Ca2+的順濃度梯度入胞對跨膜信息傳遞有重要的意義。細胞內(nèi)外的Ca2+濃度梯度部分是靠Ca2+-泵維持的；部分靠Na＋－Ca2＋協(xié)同運輸維持完成。

2、間接消耗ATP的主動運輸協(xié)同運輸（co-transport）一種物質(zhì)的逆濃度梯度穿膜運輸依賴于另一種物質(zhì)的順濃度梯度的穿膜運輸，二者協(xié)同進行，是一種間接消耗ATP的主動運輸方式。物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同為同向共運輸(symport)物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相反為反向共運輸(antiport)1）同向共運輸(symport)小腸上皮細胞中G－Na+共運輸過程在小腸上皮細胞的頂面，Na+順濃度梯度入胞（通過G－Na+同向協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白），Na+入胞同時，G伴隨入胞小腸上皮細胞基底面有Na＋－K＋泵，將由頂面入胞的Na＋又逆濃度梯度泵出細胞，這樣使Na+梯度得以維持；G得以不斷從小腸腔吸收到小腸上皮細