1、第五章 物质的跨膜运输,MEMBRANE TRANSPORT,据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。 物质通过细胞膜转运的三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用,一、被动运输 通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运，不需要能量。 （一）简单扩散 也叫自由扩散（free diffusion）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。 通透性大小取决于分子大小和分子极性。,（二）、协助扩散 也称促进扩散（facilitated diffusion） 、特点：
2、比自由扩散转运速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性。 载体：载体蛋白和通道蛋白两种类型。,葡萄糖分子的简单扩散与协助扩散,葡萄糖协助扩散的机制,、膜转运蛋白：载体蛋白：通透酶性质；介导被动运输与主动运输。 特点：与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运； 有特异性结合位点；转运过程类似于酶与底物作用的饱和动力曲线。,（）载体蛋白及其功能,载体蛋白是各种生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子，载体能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象的改变来介导物质的跨膜转运。在E.coli已经鉴定的基因中，大约20%的基因与编码膜转运蛋白相关。 在人的胱氨酸尿遗传病患者中发现，
3、这种病人的肾细胞和肠细胞不能将胱氨酸和半胱氨酸运入血液，导致其在尿中积累并在肾脏中形成胱氨酸结石。胱氨酸结石占所有肾结石的1%3%。虽然胱氨酸结石病人比较罕见，但因对于遗传性缺陷尚无根治办法，故所有的治疗基本是对症的。胱氨酸结石术后极易复发、体外冲击波碎石术双常不能将其粉碎、经皮肾镜取石术后残余结石率较高，通过化学药物溶解胱氨酸结石，大大提高了治愈率。,载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶，所以又被称为通透酶，可同特异的底物相结合，一种特异性载体只能转运一种类型的分子和离子，载体蛋白可被底物类似物竞争性地抑制，又可被痕量的某种抑制剂非竞争性抑制和对pH的依赖性。,（2）、通道蛋白及其功能,通道蛋白
4、不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大的分子和带电荷的离子通过。绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道，因为这些离子几乎都与离子的转运有关，所以又称为离子通道。,通道蛋白：具有离子选择性，转运速 率高；离子通道是门控的；只介导被动运输 。 特点： 蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过； 有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流； 有些通道蛋白具有选择性和门控性平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有：电压门通道、配体门通道、机械门通道。,多数情况下，离子通道呈关闭状态下
5、，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。因此，离子通道又分为电压门通道、配体门通道和压力激活通道。,Ion Channels,-or-,1、配体门通道(ligand gated channel),特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。 Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。,Nicotinic acetylcholine rece
6、ptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,2、电压门通道(voltage gated channel),特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。 K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠 (P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。 K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。 Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。,Voltage gate
7、d K+ channel,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,、压力激活通道,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导（mechanotransduction ）。 目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的
8、细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。 牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。,、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同获诺贝尔化学奖。 目前在人类细胞中已发现的
9、此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,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,Roderick MacKinnon,二、主动运输,主动运输的特点是： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 协同运输中的离子梯度动力； ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,（一）、钠钾泵,构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工
10、作原理： Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。（视频）,Na+-K+ATP PUMP,Na+-K+泵的作用： 维持细胞的
11、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。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,（二）、钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。 位置：质膜和内质网膜。 类型： P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的80%。 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,Ca+ ATPase,Maintains low cytosolic Ca+ Prese
12、nt In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca+ ATPaseConformation change,（三）、质子泵,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+-K+泵（分泌胃酸）。 2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，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、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。
13、,（四）、协同运输cotransport,是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 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用H+浓度梯度来驱动。 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（共运输）（symport）与反向协同（对向运输）（antiport）。,1、同向协同（symport） 物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。 2、反向协同（antiport）
14、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+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。,Glucose is absorbed by symport,在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输异同点的比较,协 同 作 用,（五）物质的跨膜转运与膜电位,不同方式的跨膜转运，对于某些带电荷的物质而言，就形成了膜两侧的电位差，插入细胞微电极可测出膜两侧的电位差，即膜电位。人们对神经元等可兴奋细胞的膜电位及其变化的机制进行了研究，把在静息状态
15、下的膜电位称静息电位，在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位称为动作电位。一般质膜内为负值，质膜外为正值。静息电位主要是由质膜上相对稳定的离子跨膜通道或离子流形成的。,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
16、、胞吞作用与胞吐作用,真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,（一）、胞饮作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,（二）、吞噬作用,胞饮作用与吞噬作用区别,胞吞泡形成机制,胞吞泡的形成需要网格蛋白的参与，网格蛋白由重链和轻链组成的二聚体，三个二聚体形成三脚蛋白复合物。配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜的下一侧，质膜凹陷，形成网格蛋白有
17、被小窝。一种小分子GTP结合蛋白在有被小窝的颈部装配成环， GTP结合蛋白水解后，GTP引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白有被小泡，涉及接合素的参与。网格蛋白有被小泡介导的选择性转运,(COP蛋白有被小泡非选择性) 网格蛋白协助形成小窝和小泡 结合素蛋白捕获特异转运分子 转运分子受体识别转运分子 发动蛋白GTP结合蛋白，使小窝脱离质膜，形成小泡。,有被小泡的常见类型,（二）受体介导的胞吞作用,1、分类：受体介导的胞吞作用和非特异性胞吞作用 2、受体介导的胞吞作用 优点：既大量摄入特定的大分子，又避免吸入大量的液体。 过程 以低密度脂蛋白(low density lipoprotein, L
18、DL) 的胞吞作用为例配体与受体结合扳动内化作用，形成网格蛋白有被小泡脱被并与胞内体融合受体分选，转运小泡与溶酶体融合,低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL),参与受体介导胞吞作用的受体的可能命运,1 再循环 回到同一质膜域(如LDL受体） 2 降解进入溶酶体（表皮生长因子EGF） 3 跨细胞的转运（胞吞转运作用）转运至质膜的不同区域,(三) 胞吐作用,1、定义：指将细胞内的分泌泡或其它某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。 2、组成型胞吐途径真核细胞均有，连续进行从高尔基体反面管网区质膜作用：供应质膜更新可溶性分泌蛋白分泌到胞外(以default pa
19、thway方式:粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面),3、调节型胞吐途径分泌细胞具有（激素、粘液等），分泌小泡受刺激时分泌。,胞 吐 作 用,课堂讨论 一、选择 1.小肠上皮吸收葡萄糖以及各种氨基酸时,通过_达到逆浓度梯度运输.A 与Na+相伴运输 B 与K+相伴运输 C 与Ca+相伴运输 D 载体蛋白利用ATP能量 2. 协助扩散的物质穿透膜运输借助于A 隧道蛋白 B 载体蛋白 C 网格蛋白 D 边周蛋白 3. 所谓被动运输是通过A 内吞与外排 B受体介导的内吞作用 C自由扩散和易化扩散 D 泵 4. cAMP在细胞信号通路中是A 信号分子 B 第一信使 C 第二信使 D 第三信使 5. 在下
20、列细胞物质运输方式中,不需能量而属于被动运输的是A 内吞 B 外排 C 载体蛋白运输 D 钠钾泵 6. 在下列细胞器中，能分拣内吞大分子的是A 胞内体 B 滑面内质网 C 高尔基器 D 粗面内质网,课后思考题 一、名词解释协助扩散、简单扩散、钠钾泵、协同运输、胞吐作用、受体介导内吞作用、细胞通讯、受体、信号通路 、G蛋白偶联受体、G蛋白、 第二信使、分子开关 二、问答 1. 为什么在生理状态下,细胞膜内外的离子及电荷是不均等分布的?此不均等分布为什么是必须的? 2. 比较主动运输与被动运输的特点及其生物学意义？ 3. 简述钠钾泵的工作原理及其生物学意义？ 4. 简述G蛋白偶联受体介导的信号通路。,本章内容回顾,重点：物质跨膜运输的类型钠钾泵的结构和作用机理受体介导的胞吞作用受体和信号分子cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路,
