第四章物質(zhì)的跨膜運輸?shù)?頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四據(jù)估計細胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。物質(zhì)通過細胞膜轉(zhuǎn)運的三種途徑：被動運輸、主動運輸和胞吞與胞吐作用．第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四一、被動運輸通過簡單擴散或協(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，不需要能量。（一）簡單擴散也叫自由擴散（freediffusion）特點：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。通透性大小取決于分子大小和分子極性。第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（二）、協(xié)助擴散也稱促進擴散（facilitateddiffusion）１、特點：①比自由擴散轉(zhuǎn)運速率高；②運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；飽和性。載體：載體蛋白和通道蛋白兩種類型。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四葡萄糖分子的簡單擴散與協(xié)助擴散第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四葡萄糖協(xié)助擴散的機制第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四２、膜轉(zhuǎn)運蛋白：載體蛋白：通透酶性質(zhì)；介導(dǎo)被動運輸與主動運輸。特點：與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運；有特異性結(jié)合位點；轉(zhuǎn)運過程類似于酶與底物作用的飽和動力曲線。

第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（１）載體蛋白及其功能

載體蛋白是各種生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子，載體能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象的改變來介導(dǎo)物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運。在E.coli已經(jīng)鑒定的基因中，大約20%的基因與編碼膜轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)。在人的胱氨酸尿遺傳病患者中發(fā)現(xiàn)，這種病人的腎細胞和腸細胞不能將胱氨酸和半胱氨酸運入血液，導(dǎo)致其在尿中積累并在腎臟中形成胱氨酸結(jié)石。胱氨酸結(jié)石占所有腎結(jié)石的1%～3%。雖然胱氨酸結(jié)石病人比較罕見，但因?qū)τ谶z傳性缺陷尚無根治辦法，故所有的治療基本是對癥的。胱氨酸結(jié)石術(shù)后極易復(fù)發(fā)、體外沖擊波碎石術(shù)雙常不能將其粉碎、經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)后殘余結(jié)石率較高，通過化學(xué)藥物溶解胱氨酸結(jié)石，大大提高了治愈率。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

載體蛋白相當(dāng)于結(jié)合在細胞膜上的酶，所以又被稱為通透酶，可同特異的底物相結(jié)合，一種特異性載體只能轉(zhuǎn)運一種類型的分子和離子，載體蛋白可被底物類似物競爭性地抑制，又可被痕量的某種抑制劑非競爭性抑制和對pH的依賴性。第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（2）、通道蛋白及其功能

通道蛋白不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，橫跨膜形成親水通道，允許適宜大的分子和帶電荷的離子通過。絕大多數(shù)的通道蛋白形成有選擇性開關(guān)的多次跨膜通道，因為這些離子幾乎都與離子的轉(zhuǎn)運有關(guān)，所以又稱為離子通道。

第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四通道蛋白：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。特點：①蛋白不與溶質(zhì)分子結(jié)合，形成跨膜通道介導(dǎo)離子順濃度梯度通過；②有些通道蛋白形成的通道通常處于開放狀態(tài)，如鉀泄漏通道，允許鉀離子不斷外流；③有些通道蛋白具有選擇性和門控性平時處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，又稱為門通道（gatedchannel）。主要有：電壓門通道、配體門通道、機械門通道。第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

多數(shù)情況下，離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)下，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，離子通道又分為電壓門通道、配體門通道和壓力激活通道。第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四IonChannels----or----第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四1、配體門通道(ligandgatedchannel)

特點：受體與細胞外的配體結(jié)合，引起門通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門”打開。又稱離子通道型受體。可分為陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺受體，和陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受體。Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一個結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個α亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位。第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Nicotinicacetylcholinereceptor第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Threeconformationoftheacetylcholinereceptor第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四2、電壓門通道(voltagegatedchannel)特點：細胞內(nèi)或細胞外特異離子濃度或電位發(fā)生變化時，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。K+電位門有四個亞單位，每個亞基有6個跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊(P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道的內(nèi)襯，大小可允許K+通過。K+通道具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。目前認為S4段是電壓感受器。Na+、K+、Ca2+三種電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，在進化上是由同一個遠祖基因演化而來。第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四VoltagegatedK+channel第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission神經(jīng)肌肉接點由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，可使肌細胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道打開，Ca2+進入細胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四３、壓力激活通道感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。細胞將機械刺激的信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號，引起細胞反應(yīng)的過程稱為機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanotransduction）。目前比較明確的有兩類機械門通道，其一是牽拉活化或失活的離子通道，另一類是剪切力敏感的離子通道，前者幾乎存在于所有的細胞膜（如：血管內(nèi)皮細胞、心肌細胞、內(nèi)耳毛細胞），后者僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細胞和心肌細胞。牽拉敏感的離子通道的特點：對離子的無選擇性、無方向性、非線性以及無潛伏期。為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四４、水通道水?dāng)U散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5分鐘內(nèi)破裂。細胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者MacKinnon同獲諾貝爾化學(xué)獎。目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ溃x子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。

PeterAgreRoderickMacKinnon

第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四二、主動運輸主動運輸?shù)奶攸c是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；②需要能量；③都有載體蛋白。主動運輸所需的能量來源主要有：①協(xié)同運輸中的離子梯度動力；②ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量；③光驅(qū)動的泵利用光能運輸物質(zhì)，見于細菌。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（一）、鈉鉀泵構(gòu)成：由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體，實際上就是Na+-K+ATP酶，分布于動物細胞的質(zhì)膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。K+與磷酸化酶結(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)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進兩個K+。（視頻）第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Na+-K+ATPPUMP第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Na+-K+泵的作用：①維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；②維持低Na+高K+的細胞內(nèi)環(huán)境；③維持細胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（二）、鈣離子泵作用：維持細胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（細胞內(nèi)鈣離子濃度10-7M，細胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的80%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協(xié)同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運鈣離子。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（三）、質(zhì)子泵1、P-type：利用ATP自磷酸化發(fā)生構(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子，如植物細胞膜上的H+泵、動物胃表皮細胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各類小泡(vacuole)膜上，由許多亞基構(gòu)成，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、植物液泡膜上。3、F-type：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，利用質(zhì)子動力勢合成ATP，也叫ATP合酶，位于細菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（四）、協(xié)同運輸cotransport是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質(zhì)跨膜運動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。動物細胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。根據(jù)物質(zhì)運輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運輸又可分為：同向協(xié)同（共運輸）（symport）與反向協(xié)同（對向運輸）（antiport）。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入。2、反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運動的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，如動物細胞常通過Na+/H+反向協(xié)同運輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運H+，以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的PH值。還有一種機制是Na+驅(qū)動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細胞膜上的帶3蛋白。第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Glucoseisabsorbedbysymport第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四在動物、植物細胞由載體蛋白介導(dǎo)的協(xié)同運輸異同點的比較協(xié)

同

作

用第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（五）物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位

不同方式的跨膜轉(zhuǎn)運，對于某些帶電荷的物質(zhì)而言，就形成了膜兩側(cè)的電位差，插入細胞微電極可測出膜兩側(cè)的電位差，即膜電位。人們對神經(jīng)元等可興奮細胞的膜電位及其變化的機制進行了研究，把在靜息狀態(tài)下的膜電位稱靜息電位，在刺激作用下產(chǎn)生行使通訊功能的快速變化的膜電位稱為動作電位。一般質(zhì)膜內(nèi)為負值，質(zhì)膜外為正值。靜息電位主要是由質(zhì)膜上相對穩(wěn)定的離子跨膜通道或離子流形成的。第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四膜電位：細胞膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差的總和。靜息電位（restingpotential）：細胞在靜息狀態(tài)下的膜電位。動作電位（activepotential）：細胞在刺激作用下的膜電位。極化：在靜息電位狀態(tài)下，質(zhì)膜內(nèi)為負值，外為正值的現(xiàn)象。去極化：由于離子的跨膜運輸使膜的靜息電位減小或者消失。反極化：離子的跨膜運輸導(dǎo)致瞬間內(nèi)正外負的動作電位的現(xiàn)象。超極化：離子的跨膜運輸導(dǎo)致靜息電位超過原來的值。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四三、胞吞作用與胞吐作用真核細胞通過胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。在轉(zhuǎn)運過程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細胞外物質(zhì)的囊泡，因此又稱膜泡運輸。細胞的內(nèi)吞和外排活動總稱為吞排作用（cytosis）。第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四細胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。（一）、胞飲作用第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用。（二）、吞噬作用第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四胞飲作用與吞噬作用區(qū)別胞飲作用吞噬作用胞吞物溶液顆粒性物質(zhì)胞吞泡胞飲泡，直徑小于150nm吞噬泡，直徑大于250nm胞吞泡形成網(wǎng)格蛋白等協(xié)助微絲及其結(jié)合蛋白的幫助攝入方式所有真核細胞連續(xù)攝入，經(jīng)常且持續(xù)原生動物或吞噬細胞特有，需信號激發(fā)第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四胞吞泡形成機制

胞吞泡的形成需要網(wǎng)格蛋白的參與，網(wǎng)格蛋白由重鏈和輕鏈組成的二聚體，三個二聚體形成三腳蛋白復(fù)合物。配體與膜上受體結(jié)合后，網(wǎng)格蛋白聚集在膜的下一側(cè)，質(zhì)膜凹陷，形成網(wǎng)格蛋白有被小窩。一種小分子GTP結(jié)合蛋白在有被小窩的頸部裝配成環(huán)，GTP結(jié)合蛋白水解后，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，涉及接合素的參與。網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性轉(zhuǎn)運,(COP蛋白有被小泡非選擇性)網(wǎng)格蛋白——協(xié)助形成小窩和小泡結(jié)合素蛋白——捕獲特異轉(zhuǎn)運分子轉(zhuǎn)運分子受體——識別轉(zhuǎn)運分子發(fā)動蛋白——GTP結(jié)合蛋白，使小窩脫離質(zhì)膜，形成小泡。

第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四有被小泡的常見類型類型外被蛋白起源目的地網(wǎng)格蛋白有被小泡網(wǎng)格蛋白+結(jié)合素蛋白1高爾基體溶酶體(經(jīng)胞內(nèi)體)網(wǎng)格蛋白有被小泡網(wǎng)格蛋白+結(jié)合素蛋白2質(zhì)膜胞內(nèi)體COPⅠ、Ⅱ有被小泡COP蛋白內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（二）受體介導(dǎo)的胞吞作用1、分類：受體介導(dǎo)的胞吞作用和非特異性胞吞作用2、受體介導(dǎo)的胞吞作用①優(yōu)點：既大量攝入特定的大分子，又避免吸入大量的液體。②過程以低密度脂蛋白(lowdensitylipoprotein,LDL)的胞吞作用為例配體與受體結(jié)合——扳動內(nèi)化作用，形成網(wǎng)格蛋白有被小泡——脫被并與胞內(nèi)體融合——受體分選，轉(zhuǎn)運小泡與溶酶體融合第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四低密度脂蛋白(lowdensitylipoprotein,LDL)

第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四參與受體介導(dǎo)胞吞作用的受體的可能命運1再循環(huán)——回到同一質(zhì)膜域(如LDL受體）2降解——進入溶酶體（表皮生長因子EGF）3跨細胞的轉(zhuǎn)運（胞吞轉(zhuǎn)運作用）——轉(zhuǎn)運至質(zhì)膜的不同區(qū)域第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四(三)胞吐作用1、定義：指將細胞內(nèi)的分泌泡或其它某些膜泡中的物質(zhì)通過細胞質(zhì)膜運出細胞的過程。2、組成型胞吐途徑真核細胞均有，連續(xù)進行從高爾基體反面管網(wǎng)區(qū)——質(zhì)膜作用：供應(yīng)質(zhì)膜更新可溶性分泌蛋白分泌到胞外(以defaultpathway方式:粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→分泌泡→細胞表面)第53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四3、調(diào)節(jié)型胞吐途徑

分泌細胞具有（激素、粘液等），分泌小泡受刺激時分泌。第54頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四胞吐作用第55頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四課堂討論一、選擇1.小腸上皮吸收葡萄糖以及各種氨基酸時,通過___達到逆濃度梯度運輸.

A與