1、第五章质膜与物质运输 第一节 膜泡运输 第二节离子和小分子的穿膜运输 第三节主动运输和运输泵,物质运输种类： 大分子膜泡运输： 内吞作用：吞噬作用；胞饮作用 外排作用 离子和小分子穿膜运输： 被动运输：简单扩散；协助扩散 主动运输,第一节膜泡运输真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，形成包围转运物质的囊泡，因此称膜泡运输。膜泡运输的类型:吞噬作用；胞饮作用；外排作用,1.吞噬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（phagocytosis）。吞噬现象在原生动物中广泛存在，是原生动
2、物掠取营养物质维持生存的重要方式。在后生动物中也存在，但主要作用是吞噬异物，进行防卫。如哺乳动物中，巨噬细胞具有极强的吞噬能力，分布于机体的各种组织中，是动物机体防卫中的重要“卫士”。,吞噬作用,2.大分子胞饮作用细胞吞入的物质为可溶性溶质和悬浮的大分子，这种内吞作用称为胞饮作用（pinocytosis）。胞饮作用广泛存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞等。,（1）受体介导内吞 (Receptor-mediated endocytosis)定义：有受体参与的从胞外吸收专一性的大分子和颗粒物质的过程称为受体介导的内吞。受体：可与细胞外专一信号分子（配体）结合，并引起细胞发生反应的质膜蛋
3、白。配体：在三维结构上能够与专一受体蛋白结合的分子。如酶的底物分子即是酶的配体。,（2）有被小泡的形成细胞外液体大分子与细胞表面受体结合，形成配体-受体复合物-受体和配体结合后，受体分子变成适合同衣被小窝结合的构型与其结合-衣被小窝进一步内陷，掐断后形成衣被小泡。 衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，凹陷的胞质侧具有大量的成笼蛋白，质膜内陷可能由成笼蛋白的牵引所致。衣被小窝就相当一个分子过滤器（molecular filter），有筛选受体蛋白的功能，帮助细胞获取所需要的大分子物质。,成笼蛋白,成笼蛋白呈三足鼎立状，由三条重链和三条轻链构成，在衣被小窝处连接成网架，网架由六
4、角形或五角形网格组成。成笼蛋白的分子网架具有自我装配的能力。有被小泡一旦形成，成笼蛋白衣被即被脱去，分子返回质膜下方，重新参与形成新的衣被小泡。,衣被小泡的衣被中，除成笼蛋白外，还有衔接蛋白（adaptin）。它介于成笼蛋白与配体-受体复合物之间，起连接作用。它不同于成笼蛋白之处是，衔接蛋白存在有不同的种类，可分别结合不同类型的受体。 跨膜受体蛋白的细胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Phe-Arg-X-Tyr）,此序列是发生内吞作用的信号，衔接蛋白对此序列有识别作用。,衔接蛋白对受体识别机制,衣被小泡的形成还需要另一种蛋白的参与，当集中有配体-受体复合物的衣被小窝继续向细胞内陷，最后在
5、缢断蛋白（dynamin）的收缩作用下掐下来。 参与受体介导的内吞过程的三种主要辅助蛋白：成笼蛋白(Clathrin)、衔接蛋白(Adaptin)和缢断蛋白（dynamin）。,例据:动物细胞胆固醇的吸收是一种典型的受体介导的内吞，细胞通过受体介导的内吞吸收所需的大部分胆固醇。 血液中的胆固醇与蛋白质结合成颗粒，称为低密度脂蛋白(Low-density lipoprotein, LDL) 。 （图5-9）,LDL颗粒的芯部含有大约1500个胆固醇分子，被酯化成长链脂肪酸；芯部周围由一脂单层（800个磷脂分子和500个未脂化的胆固醇分子组成）包围。这些脂分子与一个相对分子质量为50万的蛋白分子结
6、合成LDL颗粒，蛋白分子同时也为LDL颗粒和LDL受体的结合提供结合位点。,低密脂蛋白摄入示意图,受体的循环,(3)陷窝与胞饮在胞饮作用中，除形成有被小泡外，还可通过陷窝途径形成胞饮泡。陷窝是由质膜脂筏区内陷形成，其主要结构蛋白是陷窝蛋白（多次穿膜的整合蛋白），它普遍存在于各类细胞中，具有长的颈部，也会掐下来形成胞饮小泡。,胞饮小泡在细胞内的命运： A.与溶酶体融合，质膜和配体-受体复合物被消化降解。 B.与早期内吞体融合，在早期内吞体中配体与受体分离，带有受体的膜泡通过外排又回到原来的细胞表面，重新补充了内吞时使用的质膜。 C.配体-受体复合物不分解，经过内体仍包在小泡内，在细胞的另一侧，小
7、泡与质膜融合，配体与受体分离被外排到细胞外，这种物质的运输过程就是物质的穿胞运输。,在动物组织中，有的细胞通过内吞和外排相偶联，在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管；大鼠中，母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁。,（4）胞内膜泡运输细胞内部，内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体，从高尔基体到内质网，高尔基体到溶酶体等，细胞分泌物的外排，都要通过过渡性的小泡进行转运（P84）。,3.外排作用与内吞作用的顺序相反，某些大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，
8、小囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞之外，这个过程称为外排作用（exocytosis）细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排出的。,第二节离子和小分子的穿膜运输 一、物质穿膜的特点： 1、通透性（物质穿膜的性能），其大小与物质的性质和大小有关。通常以通透系数来量度物质的通透性，单位为cm/s。 2、影响物质通透性的因素：a脂溶性；b小分子比大分子易穿膜；c不带电荷的分子易穿膜；d亲水性分子和离子的穿膜要依赖于专一性的跨膜蛋白。,不同物质透过人工脂双层的能力,二、水通道和水的穿膜水分子不能自由穿过脂双层，可经过简单扩散穿过脂双层。然而细胞对水的通透性却相当高，人们一直猜测质膜上可
9、能存在水的转一通道。20世纪80年代，Peter Agre发现质膜上有构成水通道的膜蛋白（水孔蛋白），揭开了水快速穿膜之谜。 2003 Nobel.水孔蛋白为6次穿膜的整合蛋白，穿膜肽链围成一条水通道，围成水通道的肽链中，极性氨基酸向着水通道排列，适于水分子通过。水孔蛋白在膜中以四体存在，只允许水通过，每一通道的水通过速率为3109个/s。,三、离子通道20世纪80年代，发明了膜片钳技术，检测到单个离子通道的离子流，揭示了膜上离子通道的存在。钾离子通道的结构：钾离子通道由穿膜整合蛋白构成，每个通道由4 个单体围成，形成一倒锥形结构，外端宽，内端窄（图5-15，P88）。中央通道呈花瓶形，从膜内
10、到膜外可分为：颈区（选择滤器），壶腹区和进口区（P89）。,钾离子的选择性： 进口部位，集中有带负电荷的氨基酸，可吸引阳离子，排斥阴离子，使钾离子很容易进入通道。壶腹区有足够的空间存在一个水合钾离子，由于孔螺旋的羧基端（负电性）朝向壶腹腔的中心，与进口区的充水腔共同作用，使钾离子存在于壶腹中心。颈区有选择滤器的作用，突向选择滤器腔的4个选择袢的氨酰基氧恰可与脱水钾离子匀称互作，其羧基氧代替水与钾离子互作，允许钾离子进入颈区腔中。,四、物质穿膜运输的类型 被动运输和主动运输 （一）被动运输被动运输：物质顺浓度梯度穿过脂双层膜的运输，不需要消耗细胞本身的代谢能。根据是否有运输蛋白的协助分为：简单扩
11、散和协助运输。 1、简单扩散也叫自由扩散（free diffusing），是最简单的一种物质运输方式。特点：A.沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；B.不需要消耗细胞的代谢能；C.不需要运输蛋白的协助;D. 运输的速率与物质的浓度差成正比。 如疏水性非极性小分子，O2、N2、苯、甾类激素等以简单扩散的方式穿过膜的无蛋白脂双层区，进出细胞。,2、协助扩散有些带电荷的极性物质如Na+、K+、Ca2+、Cl-不能直接穿过脂双层，但可通过质膜上的离子通道进入细胞。 离子通道与一般亲水小孔的区别：A.离子选择性: 即只允许一定大小和具有一定电荷的离子通过。B.可控性: 离子通道象关卡一样，一般不开放，只有在
12、受到刺激时开放，并随即又关闭。 运输特点：A.沿浓度梯度扩散,比简单扩散转运速率高；B.存在最大转运速率； 在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； C.有特异性，即运输蛋白只与特定溶质结合。D.不需要消耗细胞的代谢能。,（二）主动运输主动运输：物质逆电化学梯度的穿膜运输，需要消耗细胞的代谢能，并需要转一的载体蛋白参与。主动运输的特点： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要消耗细胞的代谢能； 需要转一的载体蛋白参与。,载体蛋白所利用的细胞代谢能主要为ATP水解释放的化学键能或膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能
13、。根据能量来源不同分为：1、初级主动运输（离子泵）：ATP水解提供能量驱动的主动运输。 是一种位于细胞膜上的ATP酶2、次级主动运输（协同运输）：利用膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能，即间接利用ATP的主动运输。 一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种溶质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者协同进行。,协同运输根据两种溶质的运输方向不同分为: A.同向共运输：两种溶质的运输方向相同。 如: 细胞对葡萄糖的吸收，即是与Na+的同向穿膜运输；细菌和酵母对乳糖的吸收依靠与H+的同向穿膜运输。 B.反向共运输：两种溶质的运输方向相反。 如：植物液泡膜上的Na+/ H+反向共运输，它利用H+电化学
14、梯度将H+运出液泡的同时，将Na+由细胞质运到液泡中，降低Na+在细胞质中的浓度。,穿膜运输方式图解,第三节主动运输与运输泵,运输泵(离子泵)：能驱动离子或小分子以主动运输的方式穿过生物膜的跨膜蛋白，具有ATP酶活性，即能够利用ATP提供的能量进行物质穿膜运输。,一、钠钾泵Na+-K+ ATP酶，一般认为是由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。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+
15、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+。（P95）,Na+-K+泵工作原理,Na+-K+泵偶联运输Na+、K+过程,Na+-K+泵的主要作用： A.调节渗透压离子泵维持着膜两侧的电化学梯度，从而能调节水的流向。 B.物质的吸收细胞对营养物的吸收需消耗能量，有些物质的吸收所需能量即来自Na+浓度差。如细胞对葡萄糖的吸收等。 C.细胞正常代谢的必要条件K+在胞内的浓度大大高于胞外，胞内高浓度的K+是核糖体合成蛋白和糖酵解过程中一些酶保持活性的必要条件，也是细胞渗透压维持的基本要素。 D.保持膜电位膜电位是由于膜两侧离子浓度不同造成的。,二、钙泵真核细胞中，细胞质中游离钙的浓度很低（约为10-7mol/L）,而细胞外钙的浓度很高（约为10-3mol/L） ，因此细胞外信号只要引起少量的钙离子进入细胞，即可使细胞质中游离钙的浓度显著提高，进而激活某些钙反应蛋白，参与细胞生理活动的调控。维持细胞质溶质中的Ca2+低浓度，需要钙泵。,钙泵,
