1、第六章 物質(zhì)的跨膜運輸,醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué),授課教師：楊慈清 講師 E-mail：,2,3,4,小小思考題,能通過細(xì)胞膜的物質(zhì)進(jìn)行運輸?shù)姆绞揭粯訂幔?6,7,目 錄,第六章 物質(zhì)的跨膜運輸,第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運蛋白,第二節(jié) 被動運輸與主動運輸,第四節(jié) 胞吞作用與胞吐作用,第三節(jié)離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運,8,第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運蛋白,一、載體蛋白及其功能 二、通道蛋白及其功能,9,膜轉(zhuǎn)運蛋白可分為兩類：一類是載體蛋白(carrier protein)，另一類是通道蛋白(channel protein)。,10,一、載體蛋白及其功能,在幾乎所有類型的生物膜上，載體蛋白是普遍存在、多次跨膜的蛋白質(zhì)分子。每種載體蛋白能與特定

2、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。,11,二、通道蛋白及其功能,通道蛋白形成跨膜的離子選擇性通道(ion-selective channel)。對離子的選擇性依賴于離子通道的直徑和形狀，以及依賴于通道內(nèi)襯帶電荷氨基酸的分布，所以它所介導(dǎo)的被動運輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，只有大小和電荷適宜的離子才能通過。,12,與載體蛋白相比，離子通道具有3個顯著特征： 第一：離子通道具有極高的轉(zhuǎn)運速率，比已知任何一種載體蛋白最快轉(zhuǎn)運速率要高1000倍以上，每個通道每秒鐘可通過l07l08個離子，接近自由擴(kuò)散的理論值。 第二：離子通道沒有飽和值，即使在很高的離子濃度下它們通過的離子量依然沒

3、有最大值。 第三：離子通道并非連續(xù)性開放而是門控的(gating)，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)，受控于適當(dāng)?shù)募?xì)胞信號。,13,根據(jù)激活信號的不同，離子通道又區(qū)分為電壓門通道(voltage-gated channel)、配體門通道(1igand-gated channel)和機(jī)械門控通道(mechanicallygated channel)。,14,15,第二節(jié) 被動運輸與主動運輸,一、被動運輸,二、主動運輸,簡單擴(kuò)散 通道擴(kuò)散 協(xié)助擴(kuò)散,ATP驅(qū)動泵 耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白 光能驅(qū)動,16,脂雙層,簡單擴(kuò)散,由通道介導(dǎo),由載體介導(dǎo),能量,被動運輸,載體蛋白,通道蛋白,被轉(zhuǎn)運的分子,主動

4、運輸,電化學(xué)梯度,17,不需要消耗細(xì)胞代謝的能量,而將物質(zhì)從濃度高的一側(cè)經(jīng)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運至濃度低的一側(cè)的運輸，稱為被動運輸(passive transport) 。,簡單擴(kuò)散(自由擴(kuò)散),通道擴(kuò)散,被動運輸,協(xié)助擴(kuò)散,一、被動運輸,18,簡單擴(kuò)散（simple diffusion）是一種最簡單的運輸方式，它不消耗細(xì)胞的代謝能，也不依靠專一性膜轉(zhuǎn)運蛋白分子，只要物質(zhì)在膜的兩側(cè)保持一定的濃度差即可發(fā)生運輸。,（一）簡單擴(kuò)散,19,適合簡單擴(kuò)散的物質(zhì):脂溶性物質(zhì)(非極性物質(zhì)): 苯、乙醇；氣體：氧、氮、二氧化碳; 不帶電荷小分子物質(zhì): 水、尿素。,20,21,特點： 從高濃度到低濃度 不需要膜轉(zhuǎn)運蛋白的

5、協(xié)助 不消耗能量 如：水、氧氣、二氧化碳、甘油、乙醇等。,22,通道蛋白形成的通道有2類：一類是持續(xù)開放的通道；另一類是有“閘門”控制的通道，稱為“閘門”通道 。,（二）通道擴(kuò)散,23,離子通道：短桿菌肽A，15個疏水氨基酸構(gòu)成，2分子形成一跨膜通道，有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過。,Gramicidin Aan antibiotic that acts as an ion pore,1.持續(xù)開放的通道（離子通道）,24,水孔通道：水分子不帶電荷但具有極性，盡管它可以通過簡單擴(kuò)散緩慢地穿過生物膜，但對于某些組織和特殊功能來說，如腎小管對水的重吸收，從腦中排出額外的水，唾

6、液和眼淚的形成等，水分子通過水孔的快速跨膜運動是非常重要的。,25,2003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(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,26,2.閘門通道擴(kuò)散,物質(zhì)順濃度梯度經(jīng)過閘門孔道擴(kuò)散到細(xì)胞膜的另一側(cè)這樣的轉(zhuǎn)運過程稱閘門通道擴(kuò)散。,閘門通道,配體閘門通道,機(jī)械門控通道,電壓閘門通道,27,通道蛋白,閘門通道接受細(xì)胞外配體的刺激，當(dāng)配體與細(xì)胞表面特定的受體結(jié)合時，引起閘門開啟，稱為配體閘門通道。,配體,配體閘門通道,28,電壓閘門通道,閘門通道在膜電位變化時才開放，稱電壓閘門通道。,2

7、9,機(jī)械門控通道,聽覺毛狀細(xì)胞的機(jī)械敏感門通道作用原理,30,機(jī)械門控通道,目前比較明確的有兩類機(jī)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(xì)胞膜（如：血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、內(nèi)耳毛細(xì)胞），后者僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。,31,特點： 從高濃度到低濃度 需要通道蛋白的協(xié)助 不需要能量,如：H+、Na+ 、K+、Ca2+等離子通過細(xì)胞膜。,32,（三）協(xié)助擴(kuò)散,借助于載體的幫助不消耗能量，物質(zhì)順濃度梯度的轉(zhuǎn)運方式稱協(xié)助擴(kuò)散?？蛇\輸一些親水性物質(zhì)和無機(jī)離子等。,高濃度,低濃度,電化學(xué)梯度,脂雙分子層,載體蛋白,33,34,特點： 從高濃度到低濃度

8、 需要載體蛋白的協(xié)助 不需要能量 如：葡萄糖、氨基酸、核苷酸及細(xì)胞代謝物等。,35,協(xié)助擴(kuò)散 （facilitated diffusion）,自由擴(kuò)散 （free diffusion）,被動運輸,不需要消耗細(xì)胞代謝的能量,物質(zhì)順濃度梯度擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞的過程，統(tǒng)稱為被動運輸。,通道擴(kuò)散 （channel diffusion）,被動運輸與主動運輸有什么區(qū)別 ，讓我們一起來尋找答案！,37,借助于鑲嵌在細(xì)胞膜上專一性很強(qiáng)的載體蛋白，通過消耗代謝能量，將物質(zhì)從低濃度處向高濃度處的運輸方式。,二、主動運輸,38,特點： 從低濃度到高濃度 需要載體蛋白的協(xié)助 需要能量 (ATP),如：Na+ 、K+、Ca2

9、+、Mg2+等離子通過細(xì)胞膜；葡萄糖、氨基酸通過小腸上皮細(xì)胞。,39,根據(jù)主動運輸過程所需能量來源的不同，可將主動運輸歸納為3種基本類型： 由ATP直接提供能量（ATP驅(qū)動泵）； 間接提供能量（耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白）； 光能驅(qū)動。,40,ATP驅(qū)動泵(ATP-driven pump)是ATP酶，直接利用水解ATP提供的能量，實現(xiàn)離子或小分子逆濃度梯度或電化學(xué)梯度的跨膜運動。這種主動運輸是一種耦聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，離子或小分子逆電化學(xué)梯度的“上山”運動(需要能量)，與ATP水解(釋放能量)相耦聯(lián)。,鈉濃度梯度,鉀濃度梯度,（一）ATP驅(qū)動泵,41,耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白(coupled transporter)介導(dǎo)各種

10、離子和分子的跨膜運動。這類轉(zhuǎn)運蛋白包括2種基本類型：同向轉(zhuǎn)運蛋白(symporter)和反向轉(zhuǎn)運蛋白(antiporter)。,（二）耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白,同向轉(zhuǎn)運（symport）,反向轉(zhuǎn)運（antiport）,42,由于這兩類轉(zhuǎn)運蛋白能同時轉(zhuǎn)運兩種不同的溶質(zhì)，所以又稱為協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白(cotransporter)。,這兩類轉(zhuǎn)運蛋白使一種離子或分子逆濃度梯度的運動與一種或多種不同離子順濃度梯度的運動耦聯(lián)起來。,43,光驅(qū)動泵(1ight-driven pump)主要在細(xì)菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，對溶質(zhì)的主動運輸(“上山”運動)與光能的輸入相耦聯(lián)，如菌紫紅質(zhì)利用光能驅(qū)動H+的轉(zhuǎn)運。,（三）光驅(qū)動泵,44,跨膜運輸,

11、被動運輸,主動運輸,簡單擴(kuò)散,協(xié)助擴(kuò)散,小結(jié),通道擴(kuò)散,載體蛋白及其功能 通道蛋白及其功能,膜轉(zhuǎn)運蛋白,ATP驅(qū)動泵 耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白 光能驅(qū)動,45,作 業(yè) 與 思 考,1.解釋名詞：被動運輸；主動運輸；跨膜運輸 ; 2.比較各種細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)跨膜運輸方式的特點及生物學(xué)意義。,46,參 考 文 獻(xiàn),1.翟中和等主編. 細(xì)胞生物學(xué)，第3版,高等教育出版社，2007 2.韓貽仁主編. 分子細(xì)胞生物學(xué)(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著，趙壽元等譯. 基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002 4.王金發(fā). 細(xì)胞生物學(xué),科學(xué)出版社，2004 5.楊 恬.細(xì)胞生物學(xué)，人民衛(wèi)生出版社，2005 6.Karp G. Cell and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000,47,參 考 網(wǎng) 站,1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院精品課程 2.細(xì)胞生物學(xué) 0/wjf/index.htm(中山大學(xué)) 3.細(xì)胞生物學(xué) 45/204/show.asp?id=49 (川大) 4.細(xì)胞生