生物細(xì)胞學(xué)課件文字版：第05章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

1、第五章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸2012年本章內(nèi)容第一節(jié)：膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)诙?jié)：ATP驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谌?jié)：胞吞作用和胞吐作用第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸前 言為什么要進(jìn)行運(yùn)輸？（P101，68）1、攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；2、排出代謝廢物；3、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子濃度；4、維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。第一節(jié)：膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；二、小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類(lèi)型 （一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 （二）被動(dòng)運(yùn)輸（三）主動(dòng)運(yùn)輸；一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白除了脂溶性分子和不帶電荷的小分子可以簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞；脂雙層對(duì)絕大多數(shù)溶質(zhì)分子和離子是高度不透的，都需要膜轉(zhuǎn)運(yùn)

2、蛋白的協(xié)助。不同性質(zhì)的小分子通過(guò)人工脂雙層（無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分類(lèi)：載體蛋白（carrier proteins）通道蛋白（channel proteins） （一）載體蛋白及其功能幾乎存在于所有的生物膜上；多次跨膜；與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過(guò)改變構(gòu)象介導(dǎo)溶質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。又稱(chēng)“通透酶”；需/不需 能量。載體蛋白的特點(diǎn)：（1）具有高度選擇性；（2）飽和動(dòng)力學(xué)特征；（3）可被競(jìng)爭(zhēng)性抑制。（二）通道蛋白及其功能包括：離子通道，孔蛋白，水孔蛋白。離子通道的本質(zhì)是離子選擇性通道；依賴(lài)通道的直徑和形狀選擇離子；通道蛋白的特點(diǎn)：（1）極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率（107個(gè)離子/秒） 濃度梯度+跨膜電位差（跨膜電化學(xué)梯

3、度）驅(qū)動(dòng)；（2）沒(méi)有飽和值；（3）門(mén)控性電壓門(mén)通道,配體門(mén)通道,應(yīng)力激活通道。圖52 三種類(lèi)型門(mén)控離子通道離子通道研究方法膜片鉗（patchclamp）二、小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類(lèi)型（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simple diffusion） 1、定義：小分子以熱運(yùn)動(dòng)的方式，順著電化學(xué)梯度或者濃度梯度通過(guò)脂雙層，也叫自由擴(kuò)散（free diffusion）。2、特點(diǎn)：（1）沿電化學(xué)梯度（或濃度梯度）擴(kuò)散；（2）不消耗ATP；（3）無(wú)需膜蛋白的協(xié)助。3、過(guò)程：物質(zhì)先溶解在膜脂中，再?gòu)囊粋?cè)擴(kuò)散到另外一側(cè)。4、物質(zhì)通透性決定于分子的脂溶性、極性、分子大小和帶電性：脂溶性越高，通透性越強(qiáng)； 水溶性越高，通透性越弱

4、； 非極性分子比極性更易透過(guò)。 H2O、O2等可以透過(guò)，但速度較慢； 小分子比大分子更易透過(guò)； 對(duì)帶電荷的物質(zhì)是高度不通透。不同性質(zhì)的小分子通過(guò)人工脂雙層（無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）（二）被動(dòng)運(yùn)輸（passive transport）定義：溶質(zhì)順電化學(xué)梯度（或濃度梯度）在膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助下進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式。又稱(chēng)為“協(xié)助擴(kuò)散”。運(yùn)輸過(guò)程中無(wú)需能量。對(duì)象：多種極性小分子、無(wú)極離子，包括水分子、糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物。1、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 葡萄糖的運(yùn)輸是典型的載體蛋白介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸。血糖升高促進(jìn)胰島素的分泌促進(jìn)各種靶細(xì)胞內(nèi)膜泡膜上的葡萄糖載體蛋白轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上提高葡萄糖的吸收糖尿?。盒停汉铣梢葝u素缺陷型：胰

5、島素水平正常，但是靶細(xì)胞對(duì)其不應(yīng)答？受體或者運(yùn)輸?shù)鞍壮霈F(xiàn)問(wèn)題。2、水孔蛋白（aquaporin，AQP）水分子的跨膜通道水：非脂溶性、極性大多數(shù)是通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞； 某些組織中，如腎小管重吸收、腦部排水、唾液和眼淚形成、植物吸水等，均通過(guò)水孔蛋白進(jìn)行運(yùn)輸。從細(xì)菌、動(dòng)植物、人中發(fā)現(xiàn)超過(guò)200種水孔蛋白家族。（三）主動(dòng)運(yùn)輸（active transport）表51 典型哺乳類(lèi)細(xì)胞內(nèi)外離子濃度比較為什么要進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸？（1）保證了細(xì)胞（器）從低濃度環(huán)境中攝取必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；（2）能夠向高濃度環(huán)境中排出廢物、分泌物、離子；（3）維持細(xì)胞內(nèi)離子的適當(dāng)濃度（H+、Ca2+、K+ ）。主動(dòng)運(yùn)輸定義：是由

6、載體蛋白所介導(dǎo)的逆物質(zhì)濃度梯度（電化學(xué)梯度）進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的方式。特點(diǎn)：（1）逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；（2）需要能量；（3）需要載體蛋白（構(gòu)象改變）；（4）具有選擇性和特異性。分類(lèi)：按照能量來(lái)源分為（1）ATP驅(qū)動(dòng)泵ATP供能；（2）協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)兩種不同的溶質(zhì)，同向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；（3）光驅(qū)動(dòng)泵（見(jiàn)于細(xì)菌）。小 結(jié)脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白： 載體蛋白 通道蛋白 小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸運(yùn)輸方式： 簡(jiǎn)單擴(kuò)散被動(dòng)運(yùn)輸（協(xié)助擴(kuò)散） 主動(dòng)運(yùn)輸： ATP驅(qū)動(dòng)泵 協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 光驅(qū)動(dòng)泵第一節(jié) 完第二節(jié) ATP驅(qū)動(dòng)泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)ATP驅(qū)動(dòng)泵的分類(lèi)：1、P型離子泵（磷酸化）2、V型質(zhì)子泵（膜泡

7、等） 3、F型質(zhì)子泵（F亞基）4、ABC超家族轉(zhuǎn)運(yùn)小分子一、P型離子泵（Pclass ion pump）都有2個(gè)亞基催化；部分（絕大多數(shù)）具有2個(gè)亞基調(diào)節(jié)；伴隨的磷酸化和去磷酸化P（一）鈉鉀泵細(xì)胞內(nèi)低Na+高K+的離子環(huán)境動(dòng)物細(xì)胞一般要消耗1/3（神經(jīng)細(xì)胞消耗2/3）的總ATP來(lái)維持這種環(huán)境。Na+、K+的輸入和輸出通過(guò)鈉鉀泵來(lái)完成的。表51 典型哺乳類(lèi)細(xì)胞內(nèi)外離子濃度比較The Nobel Prize in Chemistry 19971、Na+-K+ pump的分子結(jié)構(gòu)：實(shí)際上就是Na+-K+ ATP酶；由2個(gè)亞基、2個(gè)亞基組成的四聚體；分布于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜上。亞基是多次跨膜蛋白，具有AT

8、P酶活性和Na+、K+結(jié)合位點(diǎn)；亞基是糖基化的多肽（折疊、調(diào)節(jié)）圖59 A2、Na+- K+泵的工作方式在膜內(nèi)側(cè)，3 Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶自身被磷酸化；酶構(gòu)象發(fā)生改變，與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；向胞外釋放3 Na+并與2 K+結(jié)合，K+與酶結(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)；向胞內(nèi)釋放K+，并又重新與Na+結(jié)合。1000次/秒高速運(yùn)轉(zhuǎn)?？偟慕Y(jié)果是每消耗一個(gè)ATP，輸出3個(gè)Na+ ，輸入 2個(gè)K+。使細(xì)胞外帶正電荷。3、Na+-K+泵的作用（1）維持細(xì)胞的滲透平衡,保持細(xì)胞的體積；（2）維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，為協(xié)同運(yùn)

9、輸提供驅(qū)動(dòng)力；（3）維持細(xì)胞的靜息電位。 4、Na+-K+泵的影響因子：烏本苷（ouabain）、毛地黃（digitalis）可抑制Na+-K+泵活性。 ？(二) 鈣泵（Ca2+ pump）又稱(chēng)為Ca2+-ATPase，跨膜蛋白，進(jìn)化上與Na+-K+泵的亞基同源。作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的Ca2+濃度（胞內(nèi)濃度10-7M，胞外10-3M）。分布：質(zhì)膜、細(xì)胞器膜（肌細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜）。作用機(jī)制： 原理與鈉鉀泵相似，每分解一個(gè)ATP，泵出2個(gè)Ca2+，將Ca2+輸出細(xì)胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲(chǔ)存起來(lái)。Ca2+- ATP酶工作過(guò)程（三）P型質(zhì)子泵和H+-K+泵分布：植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌的質(zhì)膜上沒(méi)有 Na+-K+泵

10、，只有質(zhì)子泵（H+- ATPase） （1）P型質(zhì)子泵（H+-ATPase）： 將H+泵出細(xì)胞，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度（相當(dāng)于動(dòng)物細(xì)胞膜上的Na+電化學(xué)梯度），從而驅(qū)動(dòng)一些溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)（細(xì)菌培養(yǎng)環(huán)境酸化、對(duì)糖和氨基酸攝?。?。（2）H+-K+泵：將H+泵出細(xì)胞，K泵入細(xì)胞。哺乳動(dòng)物胃酸分泌。二、V-型H泵和F-型H泵V-型H泵：膜泡質(zhì)子泵（vacuolar proton pump）分布：動(dòng)物細(xì)胞胞內(nèi)體、溶酶體膜、破骨細(xì)胞、某些腎小管細(xì)胞質(zhì)膜、植物酵母真菌細(xì)胞液泡膜上。F-型H泵（F-class proton pump）分布：細(xì)菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類(lèi)囊體膜上。特點(diǎn)：只轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子，不

11、形成磷酸化中間體；功能：V-型泵維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的pH中性和細(xì)胞器內(nèi)的酸性； F型泵利用H順濃度梯度運(yùn)動(dòng)，將釋放的能量合成ATP。三、ABC超家族（P113）略ATP驅(qū)動(dòng)泵：一、P-型離子泵二、V-型H泵和F-型H泵三、ABC超家族共同特點(diǎn)：ATP直接供能四、協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)（cotransport）1、定義：是由Na+-K+泵（H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式，又叫偶聯(lián)運(yùn)輸。2、能量來(lái)源：來(lái)自膜兩側(cè)的離子濃度梯度（電化學(xué)梯度）動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+梯度； 植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+梯度。3、協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的分類(lèi)根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向的差異，協(xié)同運(yùn)輸又可分為： （

12、1）同向轉(zhuǎn)運(yùn)（ symport ）物質(zhì)運(yùn)輸方向和離子轉(zhuǎn)移方向相同 （2）反向轉(zhuǎn)運(yùn)（antiport）物質(zhì)運(yùn)輸方向和離子轉(zhuǎn)移方向相反同向轉(zhuǎn)運(yùn) 和 反向轉(zhuǎn)運(yùn)（1）同向轉(zhuǎn)運(yùn)（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、氨基酸的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入； 某些細(xì)菌中，乳糖的吸收伴隨著H+ 的進(jìn)入。（2）反向轉(zhuǎn)運(yùn)（antiport）物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反。動(dòng)物細(xì)胞常通過(guò)Na+驅(qū)動(dòng)的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。五、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位自學(xué)（略）小結(jié)1（小結(jié)2）小分子、離子運(yùn)輸方式的比較（小結(jié)3）動(dòng)、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^圖51

13、2 動(dòng)、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^第三節(jié) 胞吞和胞吐作用endocytosis & exocytosis概述(P118，79)：胞吞和胞吐作用運(yùn)輸對(duì)象：大分子和顆粒性物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等）運(yùn)輸方式：物質(zhì)包裹在脂雙層膜囊泡中進(jìn)行運(yùn)輸，因此又稱(chēng)為膜泡運(yùn)輸。耗能：運(yùn)輸過(guò)程涉及膜泡的融合和斷裂，要消耗能量，屬主動(dòng)運(yùn)輸。運(yùn)輸量：可以同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)一種或者幾種數(shù)量不等的大分子或顆粒，因此又稱(chēng)批量運(yùn)輸（bulk transport）。一、胞吞作用（endocytosis）定義：通過(guò)細(xì)胞膜內(nèi)陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），將外界物質(zhì)輸入細(xì)胞。分類(lèi)： 吞噬作用（phagocytosis）

14、胞飲作用（pinocytosis） 1、胞飲作用（pinocytosis）吞入液體或者溶解物；囊泡較小胞飲泡；發(fā)生細(xì)胞：大多數(shù)細(xì)胞都可以連續(xù)進(jìn)行。2、吞噬作用（phagocytosis）吞入較大的顆粒性物質(zhì)（微生物、細(xì)胞碎片等）；又稱(chēng)胞吃作用（celluar eating）；囊泡較大吞噬泡。發(fā)生細(xì)胞類(lèi)型：變形蟲(chóng)、單細(xì)胞生物、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞。 吞噬和胞飲作用的比較3、受體介導(dǎo)的胞吞作用（P119）（1）原理：是一種選擇濃縮機(jī)制，既可攝入特定的大分子，同時(shí)避免吸入大量胞外液體。通過(guò)網(wǎng)格蛋白有被小泡完成攝取。圖5-14 網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運(yùn)輸（2）膽固醇的攝取 膽固醇+磷脂+蛋白質(zhì)（

15、LDL）受體LDL復(fù)合物內(nèi)化進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)入胞內(nèi)體降解冠狀動(dòng)脈粥樣硬化胞內(nèi)體（endosome）膜泡運(yùn)輸?shù)姆诌x站，酸性環(huán)境，受體與物質(zhì)在此分離。受體的去向： 大部分返回質(zhì)膜，循環(huán)使用； 有些進(jìn)入溶酶體，被降解； 跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)（transcytosis） 母乳喂養(yǎng)的原理跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)（transcytosis）又稱(chēng)轉(zhuǎn)胞吞作用，受體和配體不作任何處理，內(nèi)吞物從極性細(xì)胞一側(cè)轉(zhuǎn)到相反的方向。二、胞吐作用（exocytosis）定義：細(xì)胞內(nèi)某些膜泡（如分泌泡）中的物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜運(yùn)送出細(xì)胞的過(guò)程?？蛇\(yùn)送：酶、激素、神經(jīng)遞質(zhì)、局部介質(zhì)、血清蛋白、抗體、細(xì)胞外基質(zhì)、植物細(xì)胞壁等。分類(lèi)：（1）組成型胞吐途徑（2）調(diào)節(jié)型胞吐途徑1、組成型胞吐途徑（constitutive exocytosis pat