細(xì)胞生物學(xué)第五章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸課件

第五章、物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸1、理解兩種類(lèi)型膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的原理與特點(diǎn)。2、理解和掌握以鈉鉀泵的工作原理。3、理解協(xié)同運(yùn)輸是一種間接耗能的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程的原理。4、掌握受體介導(dǎo)的胞吞作用的運(yùn)輸過(guò)程和原理。5、了解兩種形式胞吐作用的過(guò)程。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)谝还?jié)、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)跨膜運(yùn)輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白膜的不透性：細(xì)胞膜能進(jìn)行某些脂溶性分子和不帶電小分子的簡(jiǎn)單運(yùn)輸，而對(duì)絕大多數(shù)溶質(zhì)分子和離子是高度不通透的。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：某些陰、陽(yáng)離子在細(xì)胞內(nèi)外的分布有差異，而膜又是脂溶性屏障，故這種差異的形成還需要由一套膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是很多有機(jī)小分子和帶電荷的無(wú)機(jī)離子。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋：一類(lèi)稱(chēng)載體蛋白（carrierProteins），如轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖分子的膜蛋白；另一類(lèi)稱(chēng)通道蛋白（channelProteins），它可形成親水的通道，允許一定大小和一定電荷的離子通過(guò)。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸1、載體蛋白

載體蛋白的類(lèi)型：P103：表5-2。載體蛋白的運(yùn)輸特點(diǎn)是：①與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過(guò)一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；②對(duì)所轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)具有高度選擇性；③載體蛋白又稱(chēng)為通透酶:對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程具有被類(lèi)似物競(jìng)爭(zhēng)性抑制、具有競(jìng)爭(zhēng)性抑制等酶的特性。但它不對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)分子作任何共價(jià)修飾。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Thecarrierprotein,theGlucosetransporter(GluT1)intheerythrocytePM,alterconformationtofacilitatethetransportofglucose.Facilitatediffusion:Protein-mediatedmovement,movementdownthegradient細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸2、通道蛋白通道蛋白(channelprotein)是一類(lèi)橫跨質(zhì)膜，它們都是通過(guò)疏水的氨基酸鏈進(jìn)行重排，形成水性通道，允許適宜的分子通過(guò)。通道蛋白只參與被動(dòng)運(yùn)輸，轉(zhuǎn)運(yùn)速度高，無(wú)飽和性。其運(yùn)輸特點(diǎn)是：①離子選擇性：不同離子有不同的通道蛋白。③門(mén)控性：電壓門(mén)通道、配體門(mén)通道、應(yīng)力激活通道等。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（1）、電壓門(mén)通道：特點(diǎn)：細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外特異離子濃度或電位發(fā)生變化時(shí)，致使其構(gòu)象變化，“門(mén)”打開(kāi)。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（2）、配體門(mén)通道：特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起門(mén)通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門(mén)”打開(kāi)。又稱(chēng)離子通道型受體。可分為陽(yáng)離子通道，如乙酰膽堿（Ach）、谷氨酸和五羥色胺受體，和陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受體。Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個(gè)α亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Nicotinicacetylcholinereceptor細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Threeconformationoftheacetylcholinereceptor細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（3）、應(yīng)力激活通道細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（4）、水通道水?dāng)U散通過(guò)人工膜的速率很低，人們推測(cè)膜上有水通道。1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，在低滲溶液中，卵母細(xì)胞迅速膨脹，5分鐘內(nèi)破裂。細(xì)胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會(huì)被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者M(jìn)acKinnon同獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。目前在人類(lèi)細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)的此類(lèi)蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

PeterAgreRoderickMacKinnon

細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸二、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸（一）、簡(jiǎn)單擴(kuò)散也叫自由擴(kuò)散（freediffusion）特點(diǎn)：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒(méi)有膜蛋白的協(xié)助。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸人工膜對(duì)各類(lèi)物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非極性分子比極性容易透過(guò)，極性不帶電荷小分子，如H2O、O2等可以透過(guò)人工脂雙層，但速度較慢；小分子比大分子容易透過(guò)；分子量略大一點(diǎn)的葡萄糖、蔗糖則很難透過(guò)；人工膜對(duì)帶電荷的物質(zhì)，如各類(lèi)離子是高度不通透的。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（二）、協(xié)助擴(kuò)散

也稱(chēng)促進(jìn)擴(kuò)散特點(diǎn)：①比自由擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②運(yùn)輸速率同物質(zhì)濃度成非線(xiàn)性關(guān)系；③特異性；飽和性。載體：離子載體和通道蛋白兩種類(lèi)型。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Twoclassesofmembranetransportproteins

Carrierproteinsareresponsibleforboththepassiveandtheactivetransport.Channelproteinsare

onlyresponsibleforpassivetransport.細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（三）、主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；②需要能量；③都有載體蛋白。主動(dòng)運(yùn)輸所需的能量來(lái)源主要有：①由ATP直接或間接供能；②光驅(qū)動(dòng)的泵利用光能運(yùn)輸物質(zhì)，見(jiàn)于細(xì)菌。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)诙?jié)、離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)離子泵：一種APTase，可以通過(guò)水解APT供能，逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)離子或某些小分子?？煞譃橐韵滤姆N：

P-型離子泵

V-型質(zhì)子泵

F-型質(zhì)子泵

ABC超家族細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、P-型離子泵（一）、鈉鉀泵構(gòu)成：由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，實(shí)際上就是Na+-K+-ATP酶，分布于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通過(guò)磷酸化和去磷酸化過(guò)程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對(duì)Na+的親和力低，對(duì)K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。K+與磷酸化酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個(gè)ATP；轉(zhuǎn)運(yùn)出三個(gè)Na+，轉(zhuǎn)進(jìn)兩個(gè)K+。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Na+-K+ATPPUMP細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸鈉鉀泵對(duì)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴(lài)自磷酸化過(guò)程（ATP上的一個(gè)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個(gè)天冬氨酸殘基上，導(dǎo)致構(gòu)象變化），所以這類(lèi)離子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；②維持細(xì)胞低Na+高K+環(huán)境，維持細(xì)胞的靜息電位（1/10）；③與某些物質(zhì)（如葡萄糖）的跨膜運(yùn)輸有關(guān)。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（二）、鈣泵Maintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Ca2+-ATPase有10個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，膜內(nèi)側(cè)有第一個(gè)環(huán)有Ca2+離子結(jié)合位點(diǎn)；第二個(gè)上有激活位點(diǎn)，包括ATP的結(jié)合位點(diǎn)。在靜息狀態(tài)，羧基端的抑制區(qū)域同環(huán)2的激活位點(diǎn)結(jié)合，使泵失去功能。Ca2+-ATPase泵有兩種激活機(jī)制：[Ca2+]濃度升高Ca2+/鈣調(diào)蛋白復(fù)合物同抑制區(qū)結(jié)合，釋放激活位點(diǎn)，泵開(kāi)始工作。反之泵處于靜息狀態(tài)。蛋白激酶C使抑制區(qū)磷酸化，從而失去抑制作用；當(dāng)磷酸酶使抑制區(qū)脫磷酸，抑制區(qū)又同激活位點(diǎn)結(jié)合，起抑制作用。Ca2+-ATPase的結(jié)構(gòu)和功能位點(diǎn)細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸二、V-型和F-型質(zhì)子泵V-型質(zhì)子泵：存在于動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)體、溶酶體膜以及植物、酵母和其他真菌細(xì)胞膜上。利用ATP水解供能從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中逆[H+]轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞器中。F-型質(zhì)子泵：主要存在于線(xiàn)粒體內(nèi)膜等上。

細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸三、ABC超家族ABC：ATP-bindingcassette超家族：一大類(lèi)家族成員，均在胞質(zhì)側(cè)含2個(gè)高度保守的ABC，可通過(guò)結(jié)合ATP發(fā)生二聚化并水解結(jié)合的ATP，造成構(gòu)象變化從而轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)（主要是aa、肽等小分子）。MDR1是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器，常在肝癌患者肝中過(guò)表達(dá)，造成多藥抗性。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸typesofATP-poweredpumps細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸四、協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)是一類(lèi)靠間接提供能量完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)所需要的能量來(lái)自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢(shì)的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運(yùn)輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同（antiport）。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如小腸細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。在某些細(xì)菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，如動(dòng)物細(xì)胞常通過(guò)Na+/H+反向協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆绞絹?lái)轉(zhuǎn)運(yùn)H+，以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的PH值。還有一種機(jī)制是Na+驅(qū)動(dòng)的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Glucoseisabsorbedbysymport細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸五、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位1、膜電位靜息電位：細(xì)胞在安靜狀態(tài)下于細(xì)胞膜上形成的外正內(nèi)負(fù)的電位差。形成機(jī)理：靜息狀態(tài)下，質(zhì)膜上鉀離子滲透通道對(duì)鉀離子通透性高，使胞內(nèi)高濃度鉀例子滲透到胞外，造成胞外大量正電荷和胞內(nèi)負(fù)電荷的積累，形成穩(wěn)定的電位差。膜的極化：靜息狀態(tài)下這種外正內(nèi)負(fù)的電荷分布我們稱(chēng)之為膜的極化。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸靜息電位的形成機(jī)理細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸動(dòng)作電位去極化：當(dāng)細(xì)胞受到閾（或閾上）值電位刺激后，膜上Na離子通道開(kāi)放，大量Na離子短時(shí)間內(nèi)流使靜息電位減少甚至消失。反極化：隨著Na離子的進(jìn)一步瞬間內(nèi)流，質(zhì)膜處電位由原來(lái)的外正內(nèi)負(fù)的靜息狀態(tài)變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)的動(dòng)作電位。超極化：隨著動(dòng)作電位的出現(xiàn)，質(zhì)膜上Na離子通道逐漸失活，而鉀離子電壓閘門(mén)通道開(kāi)放大量外流使膜再度極化，以致于超過(guò)原來(lái)的靜息電位。超極化使K離子通道關(guān)閉，膜重新回到靜息狀態(tài)。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸動(dòng)作電位的成因在安靜狀況下受到一次短促的閾刺激或閾上刺激時(shí)，膜內(nèi)原來(lái)存在的負(fù)電位將迅速消失，并且進(jìn)而變成正電位，由原來(lái)的內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)。整個(gè)膜內(nèi)外電位變化的幅度應(yīng)是100mV，這構(gòu)成了動(dòng)作電位變化曲線(xiàn)的上升支；由刺激所引起的這種膜內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時(shí)的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)電位的下降，并恢復(fù)到原有的負(fù)電位狀態(tài)，這構(gòu)成了動(dòng)作電位曲線(xiàn)的下降支。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)谌?jié)、胞吞作用與胞吐作用真核細(xì)胞通過(guò)內(nèi)吞作用（endocytosis）和外吐作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細(xì)胞外物質(zhì)的囊泡，因此又稱(chēng)膜泡運(yùn)輸。細(xì)胞的內(nèi)吞和外排活動(dòng)總稱(chēng)為吞排作用（cytosis）。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等，稱(chēng)為吞噬作用。一、胞飲作用與吞噬作用細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸胞飲作用與吞噬作用的區(qū)別胞吞泡的大小不同：150nm、250nm胞飲作用為組成型過(guò)程，吞噬作用是一種信號(hào)觸發(fā)過(guò)程。胞吞泡形成的機(jī)制不同：胞飲泡的形成依賴(lài)于網(wǎng)格蛋白等的作用。吞噬泡的形成則需要微絲等蛋白的作用。細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸二、受體介導(dǎo)的胞吞作用細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Structureofaclathrin–coatedvesicle細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸Modelforth