小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)課件

小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞生物學(xué)課件第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日細(xì)胞內(nèi)外、細(xì)胞器內(nèi)外的分子組成截然不同第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第九章小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

Transportmembranairedes

petitesmolécules第一節(jié)跨膜運(yùn)輸?shù)脑淼诙?jié)載體蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸?shù)谌?jié)通道蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸?shù)谒墓?jié)離子導(dǎo)體（略）第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日如果膜是單純的脂雙層……可以經(jīng)膜運(yùn)輸?shù)闹皇呛苌賻追N物質(zhì),這些物質(zhì)的性質(zhì)是?第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日能通透的疏水的（脂溶性）小分子，如O2、N2、CO2、苯。不帶電的極性小分子，如水、乙醇、尿素、甘油等。不能通透的不帶電荷的較大極性分子，如葡萄糖、氨基酸等。離子。疏水分子不帶電極性小分子不帶電極性較大分子離子物質(zhì)的通透性主要取決于分子的大小、分子的極性、是否帶電荷。人工合成的脂雙層第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日生物膜能選擇性地允許多種物質(zhì)通過葡萄糖：細(xì)胞的能量來源、多糖的原料氨基酸：細(xì)胞的能量來源、蛋白質(zhì)的原料離子：滲透壓、酸堿度、膜的電性質(zhì)、酶這些物質(zhì)由特殊的膜蛋白運(yùn)輸，稱為膜運(yùn)輸?shù)鞍?。核苷酸：?xì)胞的能量來源、核酸的原料第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)跨膜運(yùn)輸?shù)脑鞵rinciplesdutransportmembranaire一、單純擴(kuò)散

diffusionsimple二、膜蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸

transportauxdépendsdesprotéinesmembranaires第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日能進(jìn)行單純擴(kuò)散的物質(zhì):疏水的小分子不帶電的極性小分子一、單純擴(kuò)散不需要膜蛋白的作用而自由透過生物膜的脂雙層，這種跨膜運(yùn)輸形式稱為單純擴(kuò)散。疏水分子不帶電極性小分子不帶電極性較大分子離子人工合成的脂雙層第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日人工脂雙層真正細(xì)胞膜二、膜蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸

對(duì)于生物膜來說，

各種極性分子、帶電離子都可以跨越脂雙層。所以，葡萄糖、氨基酸、核苷酸、離子都能實(shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸（順著或逆著其濃度梯度）。這些運(yùn)輸由膜蛋白介導(dǎo)，這些膜蛋白被稱為膜運(yùn)輸?shù)鞍?。第九頁，共五十三頁?022年，8月28日分布于各種膜上的運(yùn)輸?shù)鞍祝ò咽丶?xì)胞城的城門）每種運(yùn)輸?shù)鞍字贿\(yùn)輸某一特定物質(zhì)第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日什么樣的膜蛋白能執(zhí)行運(yùn)輸?shù)鞍椎墓δ埽?234567－－多次穿膜的跨膜蛋白第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日載體蛋白通道蛋白

ProtéinesporteusesProtéinescanalaires

各種離子、水

離子、氨基酸、單糖、核苷酸等與所運(yùn)物質(zhì)結(jié)合,然后自身構(gòu)象改變將物質(zhì)在膜另一側(cè)釋放。形成跨膜的充水通道讓所運(yùn)物質(zhì)通過。運(yùn)輸原理運(yùn)輸特點(diǎn)所運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)輸，與所運(yùn)物質(zhì)互相作用較強(qiáng)，運(yùn)輸速度較慢。被動(dòng)運(yùn)輸，與所運(yùn)物質(zhì)互相作用較弱，運(yùn)輸速度較快。膜運(yùn)輸?shù)鞍椎姆诸惖谑?，共五十三頁?022年，8月28日1.被動(dòng)運(yùn)輸不需能量/所有通道蛋白,一部分載體蛋白

幫助所運(yùn)物質(zhì)順其電化學(xué)梯度跨越過膜＝下坡2、主動(dòng)運(yùn)輸需消耗能量/載體蛋白

將所運(yùn)物質(zhì)逆其電化學(xué)梯度泵運(yùn)過膜＝上坡濃度梯度載體蛋白通道蛋白單純擴(kuò)散被運(yùn)輸物質(zhì)被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸transportactifettransport

passif第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日電化學(xué)梯度(濃度差和電位差)與運(yùn)輸方向1、被動(dòng)運(yùn)輸所運(yùn)物質(zhì)若不帶電,順其化學(xué)梯度運(yùn)輸。所運(yùn)物質(zhì)若帶電,順其電化學(xué)梯度運(yùn)輸。gradient

électrochimique2、主動(dòng)運(yùn)輸逆著所運(yùn)物質(zhì)的電化學(xué)梯度(“泵”)第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)載體蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸一、原理和特點(diǎn)二、偶聯(lián)載體三、ATP驅(qū)動(dòng)泵四、運(yùn)輸?shù)鞍壮?jí)家族（略）第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、載體蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸?shù)脑砗吞攸c(diǎn)原理:

載體蛋白經(jīng)歷一次構(gòu)象變化，先后交替地把所運(yùn)物質(zhì)與之結(jié)合的位點(diǎn)暴露于膜的兩側(cè)，從而完成運(yùn)輸。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、載體蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸?shù)脑砗吞攸c(diǎn)特點(diǎn)：1.與酶-底物反應(yīng)類似與所運(yùn)輸物質(zhì)有特異的結(jié)合位點(diǎn)，但不改變其性質(zhì)。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、載體蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸?shù)脑砗吞攸c(diǎn)特點(diǎn)：2.多種運(yùn)輸方式單一運(yùn)輸同向運(yùn)輸反向運(yùn)輸偶聯(lián)運(yùn)輸載體蛋白運(yùn)輸?shù)膸追N形式第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日葡萄糖單一運(yùn)輸方式被動(dòng)運(yùn)輸(大多數(shù)細(xì)胞從細(xì)胞外攝取葡萄糖的方式)葡萄糖同向運(yùn)輸方式主動(dòng)運(yùn)輸（腸道、腎臟上皮細(xì)胞）第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日載體蛋白介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸濃度梯度不需要能量，順物質(zhì)的化學(xué)濃度梯度運(yùn)輸。第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日載體蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸載體蛋白與一種能源相連，能源形式

:

離子梯度驅(qū)動(dòng)力—偶聯(lián)載體

通過偶聯(lián)運(yùn)輸使一種物質(zhì)的“下坡”帶動(dòng)另一種物質(zhì)的“上坡”2.

ATP驅(qū)動(dòng)泵:

ATP水解提供能量3.光驅(qū)動(dòng)泵:

光提供能量(細(xì)菌)偶聯(lián)載體ATP驅(qū)動(dòng)泵光驅(qū)動(dòng)泵電化學(xué)梯度第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、偶聯(lián)載體transporteurscouplésNa+驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸載體H+驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸載體(略)Na+驅(qū)動(dòng)的反向運(yùn)輸載體(略)載體蛋白的不對(duì)稱分布與上皮細(xì)胞的吸收功能進(jìn)行偶聯(lián)運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白稱為偶聯(lián)載體，特點(diǎn)是利用一種物質(zhì)的電化學(xué)梯度中儲(chǔ)存的能量來運(yùn)輸另一種物質(zhì)。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日小腸上皮細(xì)胞依靠Na+驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸載體攝入葡萄糖構(gòu)象A:結(jié)合位點(diǎn)向胞外側(cè)開放,葡萄糖和Na+結(jié)合于各自位點(diǎn).Na+順其電化學(xué)梯度糖逆其電化學(xué)梯度構(gòu)象B:載體經(jīng)歷構(gòu)象變化,結(jié)合位點(diǎn)向胞質(zhì)側(cè)開放,葡萄糖和Na+離開各自位點(diǎn),由此兩者被運(yùn)入細(xì)胞.

糖經(jīng)歷主動(dòng)運(yùn)輸,能量來自Na+梯度.跨膜運(yùn)輸?shù)诙?，共五十三頁?022年，8月28日主動(dòng)運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸腸腔小腸上皮細(xì)胞上皮下的組織間隙小腸上皮細(xì)胞頂面Na+驅(qū)動(dòng)的同向偶聯(lián)葡萄糖運(yùn)輸載體小腸上皮細(xì)胞底側(cè)面不依賴Na+的葡萄糖單一運(yùn)輸載體小腸上皮細(xì)胞的吸收功能依靠兩類不同的載體蛋白第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、ATP驅(qū)動(dòng)泵lapompeentra?néeparl’ATPNa+-K+泵Ca2+泵（略）H+泵（略）第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

許多載體蛋白依賴Na+離子梯度驅(qū)動(dòng)力完成主動(dòng)運(yùn)輸,那么Na+離子梯度又是如何建立起來并得到維持的呢?Na+離子不停地進(jìn)入細(xì)胞,怎樣把它們送回細(xì)胞外呢?第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日Na+-K+泵存在于幾乎所有動(dòng)物細(xì)胞膜上,利用ATP水解供應(yīng)能量,建立和維持細(xì)胞內(nèi)外的Na+梯度。又稱Na+-K+ATP酶。Na+ATP給我力量K+泵細(xì)胞能量1/3~2/3耗費(fèi)于此!問題：為什么Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日鈉-鉀離子泵吸鉀排鈉細(xì)胞能量1/3~2/3耗費(fèi)于此!分布于所有動(dòng)物細(xì)胞膜上。逆電化學(xué)梯度運(yùn)輸!3個(gè)Na+出細(xì)胞2個(gè)K+入細(xì)胞Na+電化學(xué)梯度K+電化學(xué)梯度第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日組成:

一個(gè)大的多次跨膜蛋白,為催化亞基,自身是ATP酶,能將ATP水解成ADP/一個(gè)小的糖蛋白(功能未明)。催化亞基的胞質(zhì)面有Na+和ATP結(jié)合位點(diǎn),外表面有

K+結(jié)合位點(diǎn)。整個(gè)分子能可逆地磷酸化和去磷酸化作用:Na+-K+泵既可以作為ATP酶水解ATP，又能夠作為載體蛋白運(yùn)輸Na+和K+，兩個(gè)作用過程緊密偶聯(lián)。

每水解1分子ATP,泵出3個(gè)Na+,泵入2個(gè)K+。Na+-K+泵組成和作用第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日

胞質(zhì)側(cè)胞外側(cè)Na+

-K+泵作用機(jī)制1.細(xì)胞內(nèi)的Na+結(jié)合至催化亞基2.ATP水解成ADP,催化亞基被磷酸化。3.催化亞基構(gòu)象變化,Na+被運(yùn)出細(xì)胞。胞外側(cè)胞質(zhì)側(cè)第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日Na+

-K+泵作用機(jī)制

胞質(zhì)側(cè)4.細(xì)胞外的K+結(jié)合至催化亞基5.催化亞基去磷酸化6.催化亞基構(gòu)象恢復(fù),K+被運(yùn)入細(xì)胞。胞外側(cè)第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

胞質(zhì)側(cè)胞外側(cè)Na+

-K+泵作用機(jī)制跨膜運(yùn)輸?shù)谌?，共五十三頁?022年，8月28日Na+-K+泵

作用的直接效應(yīng)

建立和維持細(xì)胞外高鈉、細(xì)胞內(nèi)高鉀的特殊離子梯度第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日Na+-K+泵

作用的間接效應(yīng)通過維持Na+梯度維持滲透壓平衡,調(diào)節(jié)細(xì)胞容積。使細(xì)胞內(nèi)外離子的數(shù)量平衡2.保證一些物質(zhì)的主動(dòng)運(yùn)輸所需能量

離子梯度驅(qū)動(dòng)力—偶聯(lián)載體3.參與形成內(nèi)負(fù)外正的膜電位

3個(gè)Na+出、2個(gè)K+入

第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日小腸上皮細(xì)胞底側(cè)面Na+-

K+泵的作用腸腔

上皮下組織間隙主動(dòng)運(yùn)輸?shù)鞍?偶聯(lián)載體)被動(dòng)運(yùn)輸?shù)鞍譔a+-

K+泵第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日TheNobelPrizeinChemistry1997

"forthefirstdiscoveryofanion-transportingenzyme,Na+,K+-ATPase"

JensC.Skou

Denmark

"fortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincells"BertSakmannFederalRepublicofGermany

第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)通道蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸一、原理和特點(diǎn)二、幾種通道蛋白及其功能三、神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)中的通道激活（略）第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、通道蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸?shù)脑砗吞攸c(diǎn)

原理：

通道蛋白（離子通道）形成貫穿膜層的充水孔道，讓所運(yùn)物質(zhì)順其電化學(xué)梯度通過。所運(yùn)物質(zhì)主要是離子（Na+、K+

、Ca2+

）和水。不需要消耗能量，被動(dòng)運(yùn)輸物質(zhì)。

第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、通道蛋白介導(dǎo)運(yùn)輸?shù)脑砗吞攸c(diǎn)特點(diǎn)：被動(dòng)運(yùn)輸速率很高受調(diào)控：跨膜電壓、機(jī)械刺激、信號(hào)分子

與簡單充水孔道不同：離子選擇性：種類、大小門控性：開關(guān)第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、幾種通道蛋白K+通道與靜息電位（跨膜電壓）

Na+通道與動(dòng)作電位（略）

K+通道與動(dòng)作電位（略）

Ca2+通道與動(dòng)作電位（略）乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭的化學(xué)-電信號(hào)轉(zhuǎn)換（信號(hào)分子）6.其它（水通道）第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日提供K+自由跨膜的途徑，造成膜靜息電位（-70mV）。使K+能被固有陰離子吸引于胞內(nèi)，然后在Na+-

K+泵作用下維持在胞內(nèi)的高濃度。存在于所有細(xì)胞膜上，不需要特異刺激就可打開。1.K+通道與靜息電位膜電位(內(nèi)負(fù)外正)是由膜兩側(cè)電荷差異形成的，主要由離子被動(dòng)運(yùn)輸造成，其中K+的跨膜電化學(xué)梯度是決定因素。跨膜運(yùn)輸?shù)谒氖豁?，共五十三頁?022年，8月28日5.乙酰膽堿受體與神經(jīng)肌接頭（運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元與骨骼肌之間的特化突觸）的化學(xué)-電信號(hào)轉(zhuǎn)換神經(jīng)細(xì)胞肌肉細(xì)胞乙酰膽堿（神經(jīng)遞質(zhì)）乙酰膽堿受體（通道蛋白）上圖:靜息狀態(tài)下圖:激活狀態(tài)突觸小泡第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日TheNobelPrizeinChemistry2003"fordiscoveriesconcerningchannelsincellmembranes""forthediscoveryofwaterchannels""forstructuralandmechanisticstudiesofionchannels"

發(fā)現(xiàn)K+通道結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)水通道第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日水孔蛋白快速運(yùn)輸水的通道蛋白，多分布于腎臟、大腦、晶狀體。6.水通道第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日血管加壓素腎小管哺乳動(dòng)物腎臟對(duì)尿液的重吸收水孔蛋白（水通道）水孔蛋白（水通道）第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日水孔蛋白（水通道）水孔蛋白（水通道）哺乳動(dòng)物腎臟對(duì)尿液的重吸收第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日本章重點(diǎn)

疏水分子(如脂類)和少量不帶電極性小分子(如乙醇)可以自由擴(kuò)散通過脂雙層,但是機(jī)體所需營養(yǎng)物質(zhì)小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和無機(jī)離子都由膜蛋白介導(dǎo)跨膜運(yùn)輸。執(zhí)行跨膜運(yùn)輸?shù)哪さ鞍捉凶髂み\(yùn)輸?shù)鞍?，分成載體和通道兩類。它們?cè)谶\(yùn)輸機(jī)理、特點(diǎn)和對(duì)象上都不同。動(dòng)畫基本概念（1）第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日本章重點(diǎn)

在跨膜運(yùn)輸中,被動(dòng)運(yùn)輸指不需能量的運(yùn)輸,等于易化擴(kuò)散,即膜運(yùn)輸?shù)鞍讕椭\(yùn)物質(zhì)順其電化學(xué)梯度跨越過膜。進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)輸是所有的通道蛋白和一部分載體蛋白。主動(dòng)運(yùn)輸指需消耗能量的運(yùn)輸，即膜運(yùn)輸?shù)鞍讓⑺\(yùn)物質(zhì)逆其電化學(xué)梯度泵運(yùn)過膜。只有載體蛋白能進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸。它們偶聯(lián)的能量來源有3種：離子梯度驅(qū)動(dòng)力、ATP驅(qū)動(dòng)力、光驅(qū)動(dòng)力?；靖拍睿?）第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日載體蛋白通道蛋白

各種離子、水

離子、氨基酸、單糖、核苷酸等與所運(yùn)物質(zhì)結(jié)合,然后自身構(gòu)象改變將物質(zhì)在膜另一側(cè)釋放。形成跨膜的充水通道讓所運(yùn)物質(zhì)通過。運(yùn)輸原理運(yùn)輸特點(diǎn)所運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)輸，與所運(yùn)物質(zhì)互相作用較強(qiáng)，運(yùn)輸速度較慢被動(dòng)運(yùn)輸，與所運(yùn)物質(zhì)互相作用較弱，運(yùn)輸速度較快膜運(yùn)輸?shù)鞍纵d體蛋白通道蛋白第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日本章重點(diǎn)Na+驅(qū)動(dòng)的同