電子科大細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸

第五章物質(zhì)的跨膜運輸目前一頁\總數(shù)五十五頁\編于十點在污水處理時，人們設(shè)計了一種膜結(jié)構(gòu)，將有毒重金屬離子阻擋在膜的一側(cè)，以降低有毒重金屬對水的污染，請問這是為什么？討論：目前二頁\總數(shù)五十五頁\編于十點本章教學(xué)內(nèi)容膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)跨膜運輸胞吞與胞吐作用目前三頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

細胞膜是細胞與細胞外環(huán)境之間的一種選擇性通透屏障，它既能保障細胞對基本營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝廢物的排除和細胞內(nèi)離子濃度的調(diào)節(jié)，又能使細胞維持相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。因此，物質(zhì)的跨膜運輸對細胞的生存和生長至關(guān)重要。第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)跨膜運輸目前四頁\總數(shù)五十五頁\編于十點物質(zhì)通過細胞膜的運轉(zhuǎn)主要有三種形式：被動運輸（passivetransport）主動運輸（activetransport）胞吞（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）目前五頁\總數(shù)五十五頁\編于十點一、被動運輸（passivetransport）概念：通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運。轉(zhuǎn)運的動力來自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細胞提供代謝能量。類型：簡單擴散（simplediffusion）協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）目前六頁\總數(shù)五十五頁\編于十點物質(zhì)（如疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子）順濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運。不需要能量。不需要膜蛋白。1、簡單擴散（simplediffusion）目前七頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

不同的小分子物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的速率差異極大，即不同分子的通透系數(shù)不同。如O2

、N2和苯等極易通過細胞膜，水分子也比較容易通過，尿素的通透性比水分子低100倍。目前八頁\總數(shù)五十五頁\編于十點通透性主要取決于分子大小和分子的極性小分子比大分子容易穿膜。非極性分子比極性分子容易穿膜。無蛋白的人工脂雙層對帶電荷的離子是高度不透的。具有極性的水分子容易穿膜可能是因水分子非常小，可以通過自由膜脂運動而產(chǎn)生的間隙。目前九頁\總數(shù)五十五頁\編于十點物質(zhì)（各種極性分子和無機離子，如糖、氨基酸、核苷酸以及細胞代謝等）順濃度梯度或電化學(xué)梯度跨膜轉(zhuǎn)運。不需要能量。需膜蛋白協(xié)助。2、協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）（1）概念目前十頁\總數(shù)五十五頁\編于十點葡萄糖分子當(dāng)以簡單擴散方式穿越細胞膜時，其通透系數(shù)為10-7cm/s。當(dāng)以協(xié)助擴散方式穿越紅細胞膜時其通透系數(shù)為10-2cm/s，增加了5倍。目前十一頁\總數(shù)五十五頁\編于十點簡單擴散與協(xié)助擴散的比較目前十二頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

1）轉(zhuǎn)運速率高。

2）存在最大轉(zhuǎn)運速率（Vmax），因此，可用達到最大轉(zhuǎn)運速率一半時的濃度作為Km值，用以衡量某種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運速率。

3）比較不同分子的Km值，可以看出轉(zhuǎn)運的特異性，如紅細胞質(zhì)膜，D構(gòu)型的葡萄糖Km為1.5mmol/L，而L構(gòu)型的葡萄糖Km值>3000mmol/L。

4）細胞膜上存在膜轉(zhuǎn)運蛋白，負責(zé)無機離子和水溶性有機小分子的跨膜轉(zhuǎn)運。（2）協(xié)助擴散特征目前十三頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

①載體蛋白（carrierproteins）具有通透酶（permease）性質(zhì)；介導(dǎo)被動運輸與主動運輸。②

通道蛋白（channelproteins）具有離子選擇性，轉(zhuǎn)運速率高；離子通道是門控的；只介導(dǎo)被動運輸。電壓門通道（voltage-gatedchannel）配體門通道（ligand-gatedchannel）壓力激活通道（stress-activatedchannel）類型（3）膜轉(zhuǎn)運蛋白目前十四頁\總數(shù)五十五頁\編于十點膜上的載體蛋白以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：狀態(tài)A時，溶質(zhì)結(jié)合位點在膜外側(cè)暴露。狀態(tài)B時，同樣的溶質(zhì)結(jié)合位點在膜內(nèi)側(cè)暴露。該模型認為，兩種構(gòu)象狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是隨機發(fā)生而不依賴于是否有溶質(zhì)結(jié)合和是否完全可逆，假如溶質(zhì)濃度在膜外側(cè)高，則狀態(tài)A→狀態(tài)B的轉(zhuǎn)換比狀態(tài)B→狀態(tài)A的轉(zhuǎn)換更常發(fā)生，因此溶質(zhì)順濃度梯度進入細胞。載體蛋白通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)（葡萄糖）被動運輸?shù)募傧肽Ｊ舰?/p>

載體蛋白目前十五頁\總數(shù)五十五頁\編于十點通道蛋白形成跨膜親水通道，介導(dǎo)的被動運輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通過。已發(fā)現(xiàn)100多種通道蛋白。絕大多數(shù)通道蛋白形成有選擇性開關(guān)的多次跨膜通道。通道蛋白幾乎都與離子的轉(zhuǎn)運有關(guān)，故又稱離子通道。②通道蛋白1）通道蛋白概述目前十六頁\總數(shù)五十五頁\編于十點2）通道蛋白類型電壓門通道（voltage-gatedchannel）配體門通道（ligand-gatedchannel）壓力激活通道（stress-activatedchannel）目前十七頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

離子通道對被轉(zhuǎn)運的離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運速率高?？蛇_106個離子，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1000倍以上。驅(qū)動帶電荷的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的凈驅(qū)動力來自兩種力的合力，一種是溶質(zhì)的濃度梯度，另一種是跨膜電位差，這種凈驅(qū)動力構(gòu)成溶質(zhì)跨膜的電化學(xué)梯度，這種梯度決定溶質(zhì)跨膜的被動運輸方向。A.離子選擇性：3）通道蛋白特征目前十八頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

即離子通道的活性由通道開或關(guān)兩種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，并通過通道開關(guān)應(yīng)答于適當(dāng)?shù)男盘枴?/p>

多數(shù)情況下，離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化、化學(xué)信號或壓力刺激后才開啟形成跨膜的離子通道。因此離子通道又可區(qū)分為電壓門通道、配體門通道、壓力門激活通道。B.離子通道是門控的目前十九頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十頁\總數(shù)五十五頁\編于十點離子通道典型定位功能K+

滲漏通道大多數(shù)動物細胞的質(zhì)膜維持靜息電位電壓門Na+通道神經(jīng)細胞軸突的質(zhì)膜介導(dǎo)產(chǎn)生動作電位電壓門K+通道神經(jīng)細胞軸突的質(zhì)膜起始動作電位后使膜恢復(fù)靜息電位電壓門Ca2+通道神經(jīng)終末的質(zhì)膜刺激神經(jīng)遞質(zhì)釋放，將電信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號乙酰膽堿受體（乙酰膽堿門Na+和Ca2+通道）肌肉細胞的質(zhì)膜（神經(jīng)-肌肉接頭處）興奮性突軸信號傳遞（在靶細胞將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號）GABA受體（GABA門Cl-通道）許多神經(jīng)元的質(zhì)膜抑制性突觸信號傳遞壓力激活的陽離子通道內(nèi)耳聽覺毛細胞檢測聲音震動

離子通道舉例目前二十一頁\總數(shù)五十五頁\編于十點有三種基本類型

ATP直接供能的主動運輸間接提供能量的主動運輸光能驅(qū)動的主動運輸二、主動運輸（activetransport）1、概念：2、類型：由載體蛋白所介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度由濃度低的一側(cè)向高濃度的一側(cè)進行跨膜轉(zhuǎn)運的方式。轉(zhuǎn)運分子的自由能變化為正值，因此需要與某種釋放能量的過程相偶聯(lián)。目前二十二頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十三頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十四頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

鈉鉀泵（結(jié)構(gòu)與機制）

鈣泵（Ca2+-ATP酶）

質(zhì)子泵：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶

Na+-K+泵由α和β二個亞基組成，α亞基的Mr為120x103，是一個跨膜多次的整合膜蛋白，具ATP酶活性。β亞基Mr為50x103，是具組織特異性的糖蛋白。（1）由ATP直接提供能量的主動運輸1）鈉鉀泵（又稱Na+-K+-ATP酶）（結(jié)構(gòu)與機制）①結(jié)構(gòu)：目前二十五頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十六頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十七頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

在細胞內(nèi)側(cè)，Na+與α亞基相結(jié)合促進ATP水解，α亞基上的一個天門冬氨酸殘基磷酸化引起α亞基構(gòu)象發(fā)生變化，將Na+泵出細胞，同時細胞外的K+與α亞基的另一位點結(jié)合，使其去磷酸化，α亞基構(gòu)象再度發(fā)生變化將K+泵進細胞，完成整個循環(huán)。Na+

依賴的磷酸化和K+依賴的去磷酸化引起構(gòu)象變化有序交替發(fā)生，每秒鐘可發(fā)生1000次左右構(gòu)象變化。每個循環(huán)消耗一個ATP分子，泵出3個Na+

和泵進2個K+

。極少量的烏本苷可抑制Na+-K+泵活性，而Mg2+和少量的膜脂有助于Na+-K+泵活性的提高。生物氧化抑制劑如氰化物使ATP供應(yīng)中斷，可使Na+-K+泵因失去能源而停止工作。②工作機制：目前二十八頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前二十九頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

Na+-K+泵存在于一切動物細胞的細胞膜上。紅細胞表面約有250個Na+-K+泵單位，密度為1-2個/um2，其他細胞中，Na+-K+泵為103個/um2左右，動物細胞靠ATP水解供能驅(qū)動Na+-K+泵工作，結(jié)果造成質(zhì)膜兩側(cè)的Na+、K+不均勻分布，有助于維持動物細胞的滲透平衡（胞外水分可向細胞滲透而使細胞膨脹甚至破裂，動物細胞借助于Na+-K+

泵維持滲透平衡）。

植物細胞以其堅韌的細胞壁防止膨脹和破裂。③Na+-K+泵工作意義：目前三十頁\總數(shù)五十五頁\編于十點動物細胞通過泵出離子維持細胞內(nèi)低濃度溶質(zhì)。植物細胞依靠細胞壁避免膨脹和破裂。C.原生動物通過收縮胞定時排出進入細胞過量的水而避免膨脹。細胞以三種不同的機制避免滲透膨脹目前三十一頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

Ca2+泵是由1000個氨基酸殘基組成的多肽構(gòu)成的跨膜蛋白。Mr100x103,與Na+-K+泵的α亞基同源，每一泵單位中有約10個跨膜α螺旋。

細胞內(nèi)鈣調(diào)蛋白與Ca2+泵結(jié)合調(diào)節(jié)Ca2+泵活性。

Ca2+泵工作與ATP水解相偶聯(lián)，每消耗一個ATP分子轉(zhuǎn)運出2個Ca2+。2）鈣泵（Ca2+-ATP酶）目前三十二頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

Ca2+泵主要存在于細胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，它將Ca2+輸出細胞或泵進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲存起來，以維持細胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+（一般細胞內(nèi)約10-7mmol/L，細胞外為10-3mol/L

）。

Ca2+泵在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲存Ca2+，對調(diào)節(jié)肌細胞的收縮與舒張至關(guān)重要。目前三十三頁\總數(shù)五十五頁\編于十點分類：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶。3）質(zhì)子泵

P-型質(zhì)子泵結(jié)構(gòu)與Na+-K+泵和Ca2+泵類似，在轉(zhuǎn)運H+的過程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核細胞的細胞膜上。存在于線粒體內(nèi)膜、植物類囊體膜和多數(shù)細菌質(zhì)膜上，以相反方式發(fā)揮其生理作用，即H+順濃度梯度運動，將所釋放的能量與ATP合成偶聯(lián)起來，如線粒體氧化磷酸化和葉綠體的光和磷酸化作用，稱H+-ATP酶更為合適。V-型質(zhì)子泵H+泵存在于動物細胞溶酶體膜和植物細胞液泡膜上，轉(zhuǎn)運H+過程中不形成磷酸化的中間體，其功能是從細胞質(zhì)基質(zhì)中泵出H+進入細胞器，有助于保持細胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細胞器內(nèi)的酸性pH。目前三十四頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

植物細胞、真菌（包括酵母）和細菌的細胞膜上沒有Na+-K+泵，而為H+泵，將H+泵出細胞，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度（取代動物細胞Na+的電化學(xué)梯度），驅(qū)動轉(zhuǎn)運溶質(zhì)進入細胞。例如，細菌細胞對糖和氨基酸的攝入主要是由H+驅(qū)動的同向運輸完成的。在這一過程中，H+泵產(chǎn)生細胞周圍基質(zhì)中的酸性pH。在一些光合細菌中，H+電化學(xué)梯度由光驅(qū)動的H+泵（如細菌視紫紅質(zhì)）活性建立。目前三十五頁\總數(shù)五十五頁\編于十點它是一個跨膜7次的膜蛋白，其中兩個極性的氨基酸側(cè)鏈（球狀體）可能與質(zhì)子的轉(zhuǎn)移有關(guān)細菌紫膜質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)目前三十六頁\總數(shù)五十五頁\編于十點由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。（2）間接提供能量的主動運輸協(xié)同運輸1）協(xié)同運輸（cotransport）概念：2）類型：共運輸對向運輸目前三十七頁\總數(shù)五十五頁\編于十點小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸收葡萄糖或轉(zhuǎn)運氨基酸等有機物伴隨Na+從細胞外流入細胞內(nèi)，完成共運輸?shù)妮d體蛋白有兩個結(jié)合位點，必須同時與Na+和特異的氨基酸或葡萄糖分子結(jié)合才能進行共運輸。①共運輸：物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)運方向相同。例如：目前三十八頁\總數(shù)五十五頁\編于十點目前三十九頁\總數(shù)五十五頁\編于十點②對向運輸：動物細胞常通過Na+驅(qū)動的Na+-H+對向運輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運H+以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的pH。物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆较蚺c離子轉(zhuǎn)運方向相反。例如：不分裂的細胞：pH

分裂細胞：pH

=細胞中H+的減少主要由細胞膜上的Na+-H+交換載體完成，即H+輸出伴隨Na+進入細胞。目前四十頁\總數(shù)五十五頁\編于十點線粒體中，Na+-H+對向運輸是由H+電化學(xué)梯度驅(qū)動的，將Na+由線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)轉(zhuǎn)運到出來。目前四十一頁\總數(shù)五十五頁\編于十點完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸，又稱膜泡運輸或批量運輸（bulktransport），涉及膜的斷裂與融合，需要消耗能量，屬于主動運輸。1、特點通過細胞膜內(nèi)陷形成胞吞泡，將外界物質(zhì)裹進并輸入細胞的過程。2、胞吞作用（endocytosis）第二節(jié)胞吞與胞吐作用胞飲作用吞噬作用胞吞（內(nèi)吞）目前四十二頁\總數(shù)五十五頁\編于十點特征

胞吞泡大小不同

轉(zhuǎn)運物質(zhì)的方式不同

胞吞泡形成機制不同

胞飲作用

?150nm連續(xù)攝入溶液和分子，攝入是一個連續(xù)發(fā)生的過程

胞飲泡的形成需網(wǎng)格蛋白，形成有被小泡及與接合素連接吞噬作用

?250nm需受體介導(dǎo)的信號觸發(fā)過程

需要微絲及其結(jié)合蛋白參與

主要有三點區(qū)別：（1）胞飲與吞噬的主要區(qū)別目前四十三頁\總數(shù)五十五頁\編于十點胞飲泡的形成需網(wǎng)格蛋白，形成有被小泡及與接合素連接。1)胞飲作用目前四十四頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

網(wǎng)格蛋白是由一重鏈和一輕鏈組成的二聚體，三個二聚體形成組成包被的結(jié)構(gòu)單位—三腳蛋白復(fù)合物。當(dāng)配體與膜上的受體結(jié)合后，網(wǎng)格蛋白聚集在膜下的一側(cè)，逐漸形成直徑為50-100nm的質(zhì)膜內(nèi)陷，稱為網(wǎng)格蛋白有被小窩。一種小分子GTP結(jié)合蛋白（dynamin）在深陷有被小窩的頸部裝配成環(huán)，dynamin蛋白水解與其結(jié)合的GTP引起頸部縊縮，最終脫離質(zhì)膜形成網(wǎng)格蛋白有被小泡。幾秒鐘后，網(wǎng)格蛋白便脫離包被小泡返回質(zhì)膜附近重復(fù)使用，去被的囊泡與早期胞內(nèi)體（earlyendosome）融合，將轉(zhuǎn)運分子與部分胞外液體攝入細胞。目前四十五頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

在大分子跨膜轉(zhuǎn)運中，網(wǎng)格蛋白本身并不起捕獲特異轉(zhuǎn)運分子作用，有特異性選擇作用的是接合素蛋白（adaptin），它既能結(jié)合網(wǎng)格蛋白，又能識別跨膜受體胞質(zhì)面的尾部肽信號（peptidesignal），通過網(wǎng)格蛋白包被小泡介導(dǎo)跨膜受體及其結(jié)合配體的選擇性運輸。目前四十六頁\總數(shù)五十五頁\編于十點接合素蛋白也至少有兩類：一類與網(wǎng)格蛋白結(jié)合，負責(zé)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用；另一類也與網(wǎng)格蛋白結(jié)合，但負責(zé)高爾基體向溶酶體的膜泡運輸。

在膜泡運輸中，包被蛋白除網(wǎng)格蛋白外，還有一類包被蛋白稱為COP蛋白，形成的包被小泡稱為COP蛋白包被小泡（COP-coatedvesicle），后者介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體之間非選擇性的膜泡運輸。目前四十七頁\總數(shù)五十五頁\編于十點如果用降解微絲的藥物（細胞松弛素B）處理細胞，則可阻斷吞噬泡的形成，但胞飲作用仍繼續(xù)進行。吞噬泡的形成則需要微絲+結(jié)合蛋白2)吞噬作用目前四十八頁\總數(shù)五十五頁\編于十點（2）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用及包被的組裝

根據(jù)內(nèi)吞的物質(zhì)是否有專一性，可將內(nèi)吞作用分為受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用和非特異性的內(nèi)吞作用。受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，是大多數(shù)動物細胞通過網(wǎng)格蛋白包被小泡從細胞外液攝取特定大分子的有效途徑。目前四十九頁\總數(shù)五十五頁\編于十點

受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是一種選擇濃縮機制，既可