1、第五章 物质的跨膜运输与信号传递, 物质的跨膜运输 细胞通讯与信号传递,第一节 物质的跨膜运输,被动运输（passive transport）主动运输（active transport）胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）,知识要点,1掌握细胞内外物质跨膜运输的几种途径。 2掌握被动运输、主动运输的概念、过程及特点。 3掌握钠钾泵、钙泵工作的原理、过程、特点。 4了解胞饮作用、吞噬作用、受体介导的胞吞作用的概念及特点。,细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。,物质的跨膜运输,物质的跨膜运输,物质跨膜运输的基本方式
2、,被动运输简单扩散易化扩散 非极性的小分子如O2、CO2、N2,不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等 重要的营养物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等 ,溶液中带电离子 主动运输,一、概述,物质跨膜运输的四种基本机制,一、被动运输,概念：被动运输（passive transport）是指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度到低浓度或顺电化学梯度方向的跨膜转运。 特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。 类型：简单扩散（simple diffusion）协助扩散（facilitated diffusion）,（一）简单扩散(simple diffusion),1.概念：又称为自由扩散（f
3、ree diffusion），是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。,2.特点：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在水和油中的分配系数（K）及扩散系数（D）来计算：P=KD/t（t为膜的厚度）,简单扩散被动扩散,！顺浓度梯度 ！不需要能量 ！不需要蛋白,不同分子对人工磷脂双层的通透性,不同物质透过人工脂双层的能力,扩散和渗透的区别,概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白 协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。特点：转运速率高； 存在最大转运速率； 有膜转运蛋白参与
4、，有特异性。膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。 分为载体蛋白（carrier protein.可介导被动和主动运输）和通道蛋白（channel protein.只介导被动运输）。,（二）协助扩散(facilitated diffusion),物质跨膜运输的四种基本机制,促进扩散与简单扩散的动力学比较,膜转运蛋白,！两类：载体蛋白（carrier proteins）通道蛋白（channel proteins） ！载体蛋白（carrier proteins），它 既可 介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输； ！称通道蛋白（channel proteins），只能介 导
5、顺浓度或电化学梯度的被动运输。,Two classes of membrane transport proteins,Carrier proteins are responsible for both the passive and the active transport. Channel proteins are only responsible for passive transport.,1. 载体蛋白（carrier protein）及其功能,载体蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨
6、膜运输。,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,葡萄糖可通过载体蛋白进行促进扩散。运输葡萄糖的载体蛋白主要是通过构型的变化进行葡萄糖的运输 。,Carrier proteins bind one or more solute molecules on one side of the membrane and then undergo a conformational change that transfer the solute to the other side of the membrane.,载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输假想模型,缬氨霉素介导的离子运载的作用机制,可动离子载体,
7、缬氨霉素的分子结构,短杆菌肽A离子载体作用机制通道形成离子载体（H+、Na+、K+ ）,通道离子载体 ：这种通道并不稳定，不断形成和解体，其运输效率远高于可动离子载体,相同点：特异性，有特异的结合位点； 有饱和动力曲线；受抑制剂的影响。 不同点：可改变过程的平衡点； 不对溶质分子作任何共价修饰。,载体蛋白和酶的异同点：,2.通道蛋白（channel protein）,(1)概念：通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通 道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。(2)特征： 具有离子选择性(对离子的大小和电荷有高度选择性)； 离子通道是门控的(其活性
8、由通道开或关两种构象调节)。(3)类型：电压门通道（voltage-gated channel）配体门通道（ligand-gated channel）压力激活通道（stress-activated channel）,极性(带电性)通道的形成 (a) 由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道。,通道蛋白是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道， 允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量,Most of the channel proteins are
9、ion channels, including three types, with ion channels that they can be opened and closed,几种不同的门控离子通道,钾电位门通道,听毛细胞,耳蜗覆膜,支持细胞,硬纤毛,耳蜗基底膜,水通道,水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺
10、贝尔化学奖。 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,分子发动机：水和离子进出的精确调节器,http:/oursci.org/magazine/200211/021101.htm,AQP1水通道蛋白,水孔蛋白的跨膜结构域,AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28kDa，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道。,植物水通道蛋白,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre,Roder
11、ick MacKinnon,http:/ （简单扩散）,概念,特点,协助扩散,概念,特点,膜转运蛋白,载体蛋白,通道蛋白：,电位门通道,机械门通道,配体门通道,水通道,二、主动运输,概念：主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度 高的一侧的跨膜运输方式。 特点： 运输方向； 膜转运蛋白； 消耗能量；具有选择性和特异性。,主动运输所需能量的来源主要有：1. ATP直接提供能量 2. ATP间接提供能量 3. 光能驱动,被动运输和主动运输,单向、同向和逆向运输的比较,主动运输的方向,偶联转运蛋白 ATP驱动泵 光驱动泵,电化
12、学梯度,主动运输所需能量的来源,(一) ATP直接提供能量驱动的主动运输1、钠钾泵（Na+-K+ -ATP酶）结构和作用机制作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位(细胞未受刺激时细胞内外的电位差）。物质吸收,寡糖,Na+-K+ 泵的结构,钠钾泵（Na+-K+ -ATP酶）的结构,P,P,Na+-K+ 泵的作用机制,钠钾泵机制,泵入2K+,结合3Na+,磷酸化,泵出3Na+,结合2K+,去磷酸化,钠钾泵工作的特性： P-type：依赖磷酸化来转运离子的离子泵。钙泵 质子泵 它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。,The active tra
13、nsport of Na+/K+ ATPase is used to maintains electrochemical ion gradients, and thereby maintains cells excitability.,The Na+/K+ pumo is required to maintain osmotic balance and stabilize cell volume.,The biological functions of Na+/K+ pump,forming a phosphorylated protein intermediate,Na+/K+泵的生物学功能
14、,ATP酶维持了电化学离子梯度，维系了细胞的生存。 Na+/K+泵可维持渗透平衡，保持细胞形态。 建立了磷酸化蛋白中间体,2.钙泵（Ca2+-ATP酶）,作用：维持细胞内Ca2+处于低浓度状态。 分布：质膜 内质网膜 钙离子泵类型： -位于内质网膜上P型钙离子泵，每消耗一个ATP分子，泵出2个Ca2+ 。内质网膜上的钙离子泵，占总蛋白质的90%。 -位于质膜上的是钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。,1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-
15、K+泵（分泌胃酸）。 2、V-type：由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,3、质子泵可分为三种:,P型、V型和F型运输泵的结构,1.概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随 另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 2.能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利
16、用H+浓度梯度来驱动。 3.类型：共运输（同向协同（symport）对运输（反向协同（antiport）,(二) ATP间接提供能量的主动运输协同运输,协同运输包括共运输和对向运输,同向协同（symport） 同向协同（symport)-离子梯度驱动的主动转运,物质运输方向与离子转移方向相同。如Na+的进入伴随着葡萄糖进入小肠细胞。,葡萄糖与Na+离子的协同运输,Cotransport: Symport and antiport,肠腔,细胞外液,上皮细胞,协助扩散方式,反向协同（antiport）调节细胞内pH,物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的
17、方式来转运H+，以调节细胞内的pH值。,主动运输的特点,逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输 需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输） 都有载体蛋白,主动运输所需的能量的直接来源,ATP 驱动的泵通过水解ATP 获得能量 协同运输中的离子梯度动力； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,直接供能,间接供能,钙离子泵,钠钾离子泵,协同运输,浓度梯度,光,同向协同,反向协同,主动运输知识结构图,氢泵（质子泵）,几种不同类型的跨膜运输,附：主动与被动运输,不同运输机制的主要特性,附：主动与被动运输,思考题：细胞膜上有很多蛋白,如何鉴定膜运输蛋白?,上:亲和标记法，在此法中常常用到特
18、异的运输系统的抑制剂。下:膜重建法,于,（四）物质的跨膜运输和膜电位,膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。 静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。 动作电位（active potential）：细胞在刺激作用下的膜电位。 极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。 去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。 反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。 超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。,三、膜泡运输胞吞作用和胞吐作用,膜泡运输完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输
19、（bulk transport）。 根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）,( ),( ),( ),本章结束,知识要点,1掌握细胞内外物质跨膜运输的几种途径。 2掌握被动运输、主动运输的概念、过程及特点。 3掌握钠钾泵、钙泵工作的原理、过程、特点。 4了解胞饮作用、吞噬作用、受体介导的胞吞作用的概念及特点。,作 业,1.比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同? 2.十二烷基磺酸钠(SDS)和Triton X-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白？,作 业,1、钠钾泵的工作原理及意义是什么？ 2、从物质运输的角度看，细胞生存和发展的必要性。3、如何理解“被动运输是减少细胞与周围环境的差别,而主动运输则是努力创造差别,维持生命的活力”?,
