1、第五章質(zhì)膜與物質(zhì)運輸 第一節(jié) 膜泡運輸?shù)诙?jié)離子和小分子的穿膜運輸?shù)谌?jié)主動運輸和運輸泵,物質(zhì)運輸種類： 大分子膜泡運輸： 內(nèi)吞作用：吞噬作用；胞飲作用 外排作用 離子和小分子穿膜運輸： 被動運輸：簡單擴散；協(xié)助擴散 主動運輸,第一節(jié)膜泡運輸 真核細(xì)胞通過內(nèi)吞作用（endocytosis）和外排作用（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，形成包圍轉(zhuǎn)運物質(zhì)的囊泡，因此稱膜泡運輸。 膜泡運輸?shù)念愋?吞噬作用；胞飲作用； 外排作用,1.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，稱為吞噬作用（phagocytosis）。 吞噬現(xiàn)象在原生動物中廣泛存在，是

2、原生動物掠取營養(yǎng)物質(zhì)維持生存的重要方式。 在后生動物中也存在，但主要作用是吞噬異物，進行防衛(wèi)。如哺乳動物中，巨噬細(xì)胞具有極強的吞噬能力，分布于機體的各種組織中，是動物機體防衛(wèi)中的重要“衛(wèi)士”。,吞噬作用,2.大分子胞飲作用 細(xì)胞吞入的物質(zhì)為可溶性溶質(zhì)和懸浮的大分子，這種內(nèi)吞作用稱為胞飲作用（pinocytosis）。胞飲作用廣泛存在于白細(xì)胞、腎細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞、肝巨噬細(xì)胞等。,（1）受體介導(dǎo)內(nèi)吞 (Receptor-mediated endocytosis) 定義：有受體參與的從胞外吸收專一性的大分子和顆粒物質(zhì)的過程稱為受體介導(dǎo)的內(nèi)吞。 受體：可與細(xì)胞外專一信號分子（配體）結(jié)合，并引起細(xì)胞發(fā)

3、生反應(yīng)的質(zhì)膜蛋白。 配體：在三維結(jié)構(gòu)上能夠與專一受體蛋白結(jié)合的分子。如酶的底物分子即是酶的配體。,（2）有被小泡的形成 細(xì)胞外液體大分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合，形成配體-受體復(fù)合物-受體和配體結(jié)合后，受體分子變成適合同衣被小窩結(jié)合的構(gòu)型與其結(jié)合-衣被小窩進一步內(nèi)陷，掐斷后形成衣被小泡。 衣被小窩（coated pits）是質(zhì)膜向內(nèi)凹陷的部位，凹陷的胞質(zhì)側(cè)具有大量的成籠蛋白，質(zhì)膜內(nèi)陷可能由成籠蛋白的牽引所致。衣被小窩就相當(dāng)一個分子過濾器（molecular filter），有篩選受體蛋白的功能，幫助細(xì)胞獲取所需要的大分子物質(zhì)。,成籠蛋白,成籠蛋白呈三足鼎立狀，由三條重鏈和三條輕鏈構(gòu)成，在衣被小窩處連

4、接成網(wǎng)架，網(wǎng)架由六角形或五角形網(wǎng)格組成。成籠蛋白的分子網(wǎng)架具有自我裝配的能力。有被小泡一旦形成，成籠蛋白衣被即被脫去，分子返回質(zhì)膜下方，重新參與形成新的衣被小泡。,衣被小泡的衣被中，除成籠蛋白外，還有銜接蛋白（adaptin）。它介于成籠蛋白與配體-受體復(fù)合物之間，起連接作用。它不同于成籠蛋白之處是，銜接蛋白存在有不同的種類，可分別結(jié)合不同類型的受體。 跨膜受體蛋白的細(xì)胞質(zhì)端有一個由4個氨基酸殘基組成的序列（Phe-Arg-X-Tyr）,此序列是發(fā)生內(nèi)吞作用的信號，銜接蛋白對此序列有識別作用。,銜接蛋白對受體識別機制,衣被小泡的形成還需要另一種蛋白的參與，當(dāng)集中有配體-受體復(fù)合物的衣被小窩繼續(xù)

5、向細(xì)胞內(nèi)陷，最后在縊斷蛋白（dynamin）的收縮作用下掐下來。 參與受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程的三種主要輔助蛋白：成籠蛋白(Clathrin)、銜接蛋白(Adaptin)和縊斷蛋白（dynamin）。,例據(jù):動物細(xì)胞膽固醇的吸收是一種典型的受體介導(dǎo)的內(nèi)吞，細(xì)胞通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞吸收所需的大部分膽固醇。 血液中的膽固醇與蛋白質(zhì)結(jié)合成顆粒，稱為低密度脂蛋白(Low-density lipoprotein, LDL) 。 （圖5-9）,LDL顆粒的芯部含有大約1500個膽固醇分子，被酯化成長鏈脂肪酸；芯部周圍由一脂單層（800個磷脂分子和500個未脂化的膽固醇分子組成）包圍。這些脂分子與一個相對分子質(zhì)量為

6、50萬的蛋白分子結(jié)合成LDL顆粒，蛋白分子同時也為LDL顆粒和LDL受體的結(jié)合提供結(jié)合位點。,低密脂蛋白攝入示意圖,受體的循環(huán),(3)陷窩與胞飲 在胞飲作用中，除形成有被小泡外，還可通過陷窩途徑形成胞飲泡。 陷窩是由質(zhì)膜脂筏區(qū)內(nèi)陷形成，其主要結(jié)構(gòu)蛋白是陷窩蛋白（多次穿膜的整合蛋白），它普遍存在于各類細(xì)胞中，具有長的頸部，也會掐下來形成胞飲小泡。,胞飲小泡在細(xì)胞內(nèi)的命運： A.與溶酶體融合，質(zhì)膜和配體-受體復(fù)合物被消化降解。 B.與早期內(nèi)吞體融合，在早期內(nèi)吞體中配體與受體分離，帶有受體的膜泡通過外排又回到原來的細(xì)胞表面，重新補充了內(nèi)吞時使用的質(zhì)膜。 C.配體-受體復(fù)合物不分解，經(jīng)過內(nèi)體仍包在小泡

7、內(nèi)，在細(xì)胞的另一側(cè)，小泡與質(zhì)膜融合，配體與受體分離被外排到細(xì)胞外，這種物質(zhì)的運輸過程就是物質(zhì)的穿胞運輸。,在動物組織中，有的細(xì)胞通過內(nèi)吞和外排相偶聯(lián)，在細(xì)胞的一側(cè)形成胞飲小泡穿越細(xì)胞質(zhì)，另一側(cè)使小泡中的物質(zhì)釋放出去。 如：肝細(xì)胞從血竇中吸收免疫球蛋白A（IgA），通過穿胞運輸輸送到膽微管；大鼠中，母鼠血液中抗體經(jīng)穿胞運輸進入乳汁。,（4）胞內(nèi)膜泡運輸 細(xì)胞內(nèi)部，內(nèi)膜系統(tǒng)各個部分之間的物質(zhì)傳遞也通過膜泡運輸方式進行。如從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體，從高爾基體到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基體到溶酶體等，細(xì)胞分泌物的外排，都要通過過渡性的小泡進行轉(zhuǎn)運（P84）。,3.外排作用 與內(nèi)吞作用的順序相反，某些大分子物質(zhì)通過形成小

8、囊泡從細(xì)胞內(nèi)部移至細(xì)胞表面，小囊泡的膜與質(zhì)膜融合，將物質(zhì)排出細(xì)胞之外，這個過程稱為外排作用（exocytosis）細(xì)胞內(nèi)不能消化的物質(zhì)和合成的分泌蛋白都是通過這種途徑排出的。,第二節(jié)離子和小分子的穿膜運輸 一、物質(zhì)穿膜的特點： 1、通透性（物質(zhì)穿膜的性能），其大小與物質(zhì)的性質(zhì)和大小有關(guān)。通常以通透系數(shù)來量度物質(zhì)的通透性，單位為cm/s。 2、影響物質(zhì)通透性的因素：a脂溶性；b小分子比大分子易穿膜；c不帶電荷的分子易穿膜；d親水性分子和離子的穿膜要依賴于專一性的跨膜蛋白。,不同物質(zhì)透過人工脂雙層的能力,二、水通道和水的穿膜 水分子不能自由穿過脂雙層，可經(jīng)過簡單擴散穿過脂雙層。然而細(xì)胞對水的通透性

9、卻相當(dāng)高，人們一直猜測質(zhì)膜上可能存在水的轉(zhuǎn)一通道。 20世紀(jì)80年代，Peter Agre發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜上有構(gòu)成水通道的膜蛋白（水孔蛋白），揭開了水快速穿膜之謎。 2003 Nobel. 水孔蛋白為6次穿膜的整合蛋白，穿膜肽鏈圍成一條水通道，圍成水通道的肽鏈中，極性氨基酸向著水通道排列，適于水分子通過。水孔蛋白在膜中以四體存在，只允許水通過，每一通道的水通過速率為3109個/s。,三、離子通道 20世紀(jì)80年代，發(fā)明了膜片鉗技術(shù)，檢測到單個離子通道的離子流，揭示了膜上離子通道的存在。 鉀離子通道的結(jié)構(gòu)： 鉀離子通道由穿膜整合蛋白構(gòu)成，每個通道由4 個單體圍成，形成一倒錐形結(jié)構(gòu)，外端寬，內(nèi)端窄（圖5-

10、15，P88）。中央通道呈花瓶形，從膜內(nèi)到膜外可分為：頸區(qū)（選擇濾器），壺腹區(qū)和進口區(qū)（P89）。,鉀離子的選擇性： 進口部位，集中有帶負(fù)電荷的氨基酸，可吸引陽離子，排斥陰離子，使鉀離子很容易進入通道。 壺腹區(qū)有足夠的空間存在一個水合鉀離子，由于孔螺旋的羧基端（負(fù)電性）朝向壺腹腔的中心，與進口區(qū)的充水腔共同作用，使鉀離子存在于壺腹中心。 頸區(qū)有選擇濾器的作用，突向選擇濾器腔的4個選擇袢的氨?；跚】膳c脫水鉀離子勻稱互作，其羧基氧代替水與鉀離子互作，允許鉀離子進入頸區(qū)腔中。,四、物質(zhì)穿膜運輸?shù)念愋?被動運輸和主動運輸 （一）被動運輸 被動運輸：物質(zhì)順濃度梯度穿過脂雙層膜的運輸，不需要消耗細(xì)胞本身

11、的代謝能。根據(jù)是否有運輸?shù)鞍椎膮f(xié)助分為：簡單擴散和協(xié)助運輸。 1、簡單擴散 也叫自由擴散（free diffusing），是最簡單的一種物質(zhì)運輸方式。 特點：A.沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散； B.不需要消耗細(xì)胞的代謝能； C.不需要運輸?shù)鞍椎膮f(xié)助; D. 運輸?shù)乃俾逝c物質(zhì)的濃度差成正比。 如疏水性非極性小分子，O2、N2、苯、甾類激素等以簡單擴散的方式穿過膜的無蛋白脂雙層區(qū)，進出細(xì)胞。,2、協(xié)助擴散 有些帶電荷的極性物質(zhì)如Na+、K+、Ca2+、Cl-不能直接穿過脂雙層，但可通過質(zhì)膜上的離子通道進入細(xì)胞。 離子通道與一般親水小孔的區(qū)別： A.離子選擇性: 即只允許一定大小和具有一定電荷的離

12、子通過。 B.可控性: 離子通道象關(guān)卡一樣，一般不開放，只有在受到刺激時開放，并隨即又關(guān)閉。 運輸特點： A.沿濃度梯度擴散,比簡單擴散轉(zhuǎn)運速率高； B.存在最大轉(zhuǎn)運速率； 在一定限度內(nèi)運輸速率同物質(zhì)濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結(jié)合位點已達飽和； C.有特異性，即運輸?shù)鞍字慌c特定溶質(zhì)結(jié)合。 D.不需要消耗細(xì)胞的代謝能。,（二）主動運輸 主動運輸：物質(zhì)逆電化學(xué)梯度的穿膜運輸，需要消耗細(xì)胞的代謝能，并需要轉(zhuǎn)一的載體蛋白參與。 主動運輸?shù)奶攸c： 逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸； 需要消耗細(xì)胞的代謝能； 需要轉(zhuǎn)一的載體蛋白參與。,載體蛋白所利用的細(xì)胞代謝能主要

13、為ATP水解釋放的化學(xué)鍵能或膜內(nèi)外Na+、H+濃度差造成的電化學(xué)梯度勢能。 根據(jù)能量來源不同分為： 1、初級主動運輸（離子泵）：ATP水解提供能量驅(qū)動的主動運輸。 是一種位于細(xì)胞膜上的ATP酶 2、次級主動運輸（協(xié)同運輸）：利用膜內(nèi)外Na+、H+濃度差造成的電化學(xué)梯度勢能，即間接利用ATP的主動運輸。 一種物質(zhì)的逆濃度梯度穿膜運輸依賴于另一種溶質(zhì)的順濃度梯度的穿膜運輸，二者協(xié)同進行。,協(xié)同運輸根據(jù)兩種溶質(zhì)的運輸方向不同分為: A.同向共運輸：兩種溶質(zhì)的運輸方向相同。 如: 細(xì)胞對葡萄糖的吸收，即是與Na+的同向穿膜運輸；細(xì)菌和酵母對乳糖的吸收依靠與H+的同向穿膜運輸。 B.反向共運輸：兩種溶質(zhì)

14、的運輸方向相反。 如：植物液泡膜上的Na+/ H+反向共運輸，它利用H+電化學(xué)梯度將H+運出液泡的同時，將Na+由細(xì)胞質(zhì)運到液泡中，降低Na+在細(xì)胞質(zhì)中的濃度。,穿膜運輸方式圖解,第三節(jié)主動運輸與運輸泵,運輸泵(離子泵)：能驅(qū)動離子或小分子以主動運輸?shù)姆绞酱┻^生物膜的跨膜蛋白，具有ATP酶活性，即能夠利用ATP提供的能量進行物質(zhì)穿膜運輸。,一、鈉鉀泵 Na+-K+ ATP酶，一般認(rèn)為是由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體。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)

15、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+。（P95）,Na+-K+泵工作原理,Na+-K+泵偶聯(lián)運輸Na+、K+過程,Na+-K+泵的主要作用： A.調(diào)節(jié)滲透壓 離子泵維持著膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，從而能調(diào)節(jié)水的流向。 B.物質(zhì)的吸收 細(xì)胞對營養(yǎng)物的吸收需消耗能量，有些物質(zhì)的吸收所需能量即來自Na+濃度差。如細(xì)胞對葡萄糖的吸收等。 C.細(xì)胞正常代謝的必要條件 K+在胞內(nèi)的濃度大