關(guān)于物質(zhì)的跨膜運輸1第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度明顯不同，這種差異對于細(xì)胞的存活和功能至關(guān)重要。第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天典型動物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的比較

成份細(xì)胞內(nèi)濃度(mM)細(xì)胞外濃度(mM)陽離子

Na+5-15145K+1405Mg2+*0.51-2Ca2+*10-71-2陰離子

Cl-5-15110固定的陰離子**高0第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天估計細(xì)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(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。細(xì)胞內(nèi)外離子差別分布主要由兩種機制所調(diào)控：（1）特殊膜轉(zhuǎn)運蛋白。（2）質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天載體蛋白膜轉(zhuǎn)運蛋白通道蛋白兩類主要膜轉(zhuǎn)運蛋白：載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（一）載體蛋白及其功能載體蛋白（carrierproteins）：存在于細(xì)胞膜上的一種具有特異性傳導(dǎo)功能的蛋白質(zhì)，它能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子的跨膜轉(zhuǎn)運。

特點：載體蛋白既參與被動的物質(zhì)運輸，也參與主動的物質(zhì)運輸。需要與被運輸?shù)碾x子或分子結(jié)合。第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

葡萄糖是載體蛋白進行促進擴散的典型例子，運輸葡萄糖的載體蛋白主要是通過構(gòu)型的變化將葡萄糖運輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，肝細(xì)胞、紅細(xì)胞質(zhì)膜上有很多載體蛋白。第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（二）通道蛋白及其功能通道蛋白（channelproteins）：存在于細(xì)胞膜上的一種跨膜親水性通道，允許特定離子順濃度梯度通過，又稱離子通道。有些通道長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道平時處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，稱為門通道第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

通道蛋白在運輸過程中并不與被運輸?shù)姆肿咏Y(jié)合，也不會移動，只參與被動運輸，其運輸作用具有選擇性。離子通道蛋白在膜中有開和關(guān)兩種構(gòu)型，相當(dāng)于門，所以稱為門控通道。特點第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天通道蛋白的門控電壓門控通道(voltage-gatedchannel)配體門控通道(ligand-gatedchannel)應(yīng)力激活通道(stress-activatedchannel)離子通道三種類型的門控離子通道示意圖第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天配體門控通道：

這類通道在其細(xì)胞內(nèi)外的特定配體與膜受體結(jié)合時發(fā)生反應(yīng)，引起通道蛋白的一種成分發(fā)生構(gòu)型變化，使“門”打開?？煞譃榧?xì)胞內(nèi)配體和細(xì)胞外配體兩種類型。

第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

這類通道的構(gòu)型變化依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的狀態(tài)，主要是通過膜電位的變化使其構(gòu)型發(fā)生改變，從而將“門”打開。電壓門控通道：第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天基底膜聽覺神經(jīng)纖維不傾斜的束連接絲聽覺毛細(xì)胞應(yīng)力門控通道：這類通道的打開受一種力的作用。如聽覺毛狀細(xì)胞的離子通道。聲音的振動推開應(yīng)力門控通道，允許離子進入毛狀細(xì)胞，形成電信號傳遞到聽覺神經(jīng)再傳到腦。第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天被動運輸定義：是指通過簡單擴散或協(xié)助擴散將物質(zhì)從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(xì)胞提供代謝能量。二、被動運輸與主動運輸：類型：簡單擴散、協(xié)助擴散第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天不需要膜蛋白的幫助，也不需要細(xì)胞提供能量，只靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差，通過擴散發(fā)生的物質(zhì)運輸。（一）簡單擴散：第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天小的疏水分子小的不帶電荷的極性分子大的不帶電荷的極性分子離子氨基酸核苷酸葡萄糖甘油乙醇人工脂雙層膜對不同分子的相對透性

乙醇第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論：人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水孔蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。PeterAgreRoderickMacKinnon

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指非脂溶性物質(zhì)或親水性物質(zhì)，如氨基酸、糖和金屬離子等借助細(xì)胞膜上的膜蛋白的幫助順濃度梯度或順化學(xué)濃度梯度，不需要細(xì)胞提供能量進入膜內(nèi)的一種運輸方式。（三）協(xié)助擴散：第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天特點：：

①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；④飽和性。第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（四）

主動運輸

被動運輸只能將物質(zhì)從高濃度向低濃度方向運輸，趨向于細(xì)胞內(nèi)外的濃度達(dá)到平衡。實際上，細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)濃度差別很大，濃度的差異是維持細(xì)胞生命活動所必須的。第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天③能夠維持一些無機離子在細(xì)胞內(nèi)恒定和最適的濃度，特別K+、Ca+

和H+的濃度。作用：①保證了細(xì)胞或細(xì)胞器從周圍環(huán)境或表面攝取必需的營養(yǎng)物質(zhì)。②能夠?qū)⒓?xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)，如分泌物、代謝廢物以及一些離子排到細(xì)胞外。主動運輸是由運輸?shù)鞍捉閷?dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度進行的運輸方式。第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天主動運輸?shù)奶攸c1、逆梯度運輸2、依賴于膜運輸?shù)鞍?、需要代謝能。4、具有選擇性和特異性。參與主動運輸?shù)妮d體蛋白被稱為泵，因為他們能利用能量來做功。由于它們消耗的代謝能多數(shù)為ATP，所以又稱它們?yōu)槟衬矨TPase。有下列類型：第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天類型（根據(jù)能量來源）：

①ATP驅(qū)動泵、②ATP間接提供能量（耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白）、③光驅(qū)動泵（見于細(xì)菌）

主動運輸?shù)娜N類型第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天ATP驅(qū)動泵種類（1）P-型離子泵：結(jié)構(gòu)與Na+-K+泵和Ca2+泵結(jié)構(gòu)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(xì)胞的細(xì)胞膜上。（2）V-型質(zhì)子泵：存在于各類小泡膜上，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。其功能是維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細(xì)胞器內(nèi)的酸性。（3）F-型質(zhì)子泵

:存在于線粒體膜、植物類囊體膜及多數(shù)細(xì)菌質(zhì)膜上，以相反的方式發(fā)揮生理作用——H+順濃度梯度運動，釋放能量與合成ATP偶聯(lián)起來。（4）ABC超家族：轉(zhuǎn)運小分子第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（4）ABC超家族（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名。一種ABC轉(zhuǎn)運蛋白只轉(zhuǎn)運一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運蛋白與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運蛋白，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Fig.Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)與工作模式示意圖一、P-型離子泵ATP催化位點βα結(jié)構(gòu)：α（MW=120,000Da）+β（MW=50000Da）（一）Na+-K+泵功能：維持細(xì)胞內(nèi)低Na+高K+的離子環(huán)境存在：一切動物細(xì)胞的細(xì)胞膜上，植物細(xì)胞、真菌、細(xì)菌上沒有第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天維持了細(xì)胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的擴散作用。作用在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)Na+離子濃度梯度的同時，為葡萄糖協(xié)同運輸提供了驅(qū)動力。是Na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。幫助維持動物細(xì)胞的滲透壓平衡第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天■Ca2+泵主要存在于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，它將Ca2+輸出細(xì)胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲存起來，以維持細(xì)胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+。（二）鈣泵和其他P-型離子泵第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Fig.Ca2+泵的結(jié)構(gòu)與工作模式示意圖結(jié)構(gòu)：與Na+-K+泵的α亞基同源，MW=100,000Da，

10個α螺旋Ca2+泵功能：維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)低濃度的游離Ca2+,

在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲存Ca2+調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的收縮與舒張工作原理：第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天存在于植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上，將質(zhì)子泵出細(xì)胞，建立跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度（取代動物細(xì)胞Na+的電化學(xué)梯度），驅(qū)動轉(zhuǎn)運溶質(zhì)進入細(xì)胞。質(zhì)子泵第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天四、協(xié)同轉(zhuǎn)運又稱偶聯(lián)運輸，它不直接消耗ATP，但要依賴離子泵建立的電化學(xué)梯度。在動物細(xì)胞靠鈉泵建立Na+離子梯度，在植物細(xì)胞則是由H+泵建立H+質(zhì)子梯度。類型（根據(jù)運輸方向與離子順電化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)移方向）：同向轉(zhuǎn)運：物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。反向轉(zhuǎn)運：物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相反。第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天在動物、植物細(xì)胞由載體蛋白介導(dǎo)的協(xié)同轉(zhuǎn)運異同點的比較第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天動物細(xì)胞中，質(zhì)膜上的鈉泵和載體協(xié)作完成葡萄糖、氨基酸等的逆濃度梯度的協(xié)同運輸（同向轉(zhuǎn)運）。第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

植物細(xì)胞的協(xié)同運輸

——間接消耗ATP第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用對于大分子和顆粒性物質(zhì)，真核細(xì)胞是通過胞吞作用與胞吐作用完成跨膜運輸?shù)模绲鞍踪|(zhì)、多核苷酸、多糖等。在轉(zhuǎn)運過程中，物質(zhì)包裹在脂雙層膜圍繞的囊泡中，因此又稱膜泡運輸，需要消耗能量，所以屬于主動運輸。第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（一）胞飲作用與吞噬作用

胞飲作用與吞噬作用主要有三點區(qū)別第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用吞噬作用細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等。第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Fig.

通過網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運輸示意圖胞吞泡形成的機制：需要網(wǎng)格蛋白的幫助第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天網(wǎng)格蛋白由籠形蛋白（重鏈）和較小的分子多肽（輕鏈）組成籠形蛋白二聚體，三個二聚體形成3條彎曲的臂組成的風(fēng)車狀結(jié)構(gòu)，稱為三腳蛋白復(fù)合物第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（二）受體介導(dǎo)的胞吞作用主要用于攝取特殊的生物大分子，如激素、生長因子、淋巴因子和一些營養(yǎng)物質(zhì)如低密度脂蛋白（LDL）的吞入過程低密度脂蛋白（LDL）：是膽固醇在血液中與磷脂、蛋白質(zhì)結(jié)合成的復(fù)合物，細(xì)胞表面有LDL受體第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天LDL胞吞過程血液中的LDL與血管細(xì)胞表面的LDL受體結(jié)合形成包被小窩包被小泡內(nèi)體：LDL與受體分離細(xì)胞質(zhì)脫去外被溶酶體細(xì)胞膜LDL受體游離膽固醇酸性環(huán)境第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天LDL的受體介導(dǎo)胞吞作用第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天作用：使血液中的膽固醇含量保持正常在編碼LDL受體的基因有缺陷的個體中，膽固醇攝入的通道被阻斷，膽固醇積累在血液中，使人提早患動脈粥樣硬化。第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天受體的去向：

1、返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域再利用。

2、進入溶酶體被消化

3、被轉(zhuǎn)運到質(zhì)膜的不同的結(jié)構(gòu)域胞內(nèi)體是膜泡運輸?shù)闹饕诌x站，呈酸性環(huán)境第50頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

（三）胞吐