細(xì)胞生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)-物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

細(xì)胞膜是細(xì)胞與細(xì)胞外環(huán)境之間一種選擇性通透屏障，它既能保障細(xì)胞對(duì)基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取、代謝產(chǎn)物或廢物的排除，以能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子濃度，使細(xì)胞維持相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。因此，物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸對(duì)細(xì)胞的生存和生長(zhǎng)至關(guān)重要。防止細(xì)胞外物質(zhì)自由進(jìn)入細(xì)胞的屏障，它保證了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，使各種生化反應(yīng)能夠有序運(yùn)行。第2頁,共53頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞靠主動(dòng)運(yùn)輸建立和維持各種離子在細(xì)胞內(nèi)的不同濃度這些離子的濃度差異對(duì)于細(xì)胞的生存和行使功能至關(guān)重要。第3頁,共53頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞滲透壓的維持細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換中ATP的產(chǎn)生神經(jīng)元的可興奮性第4頁,共53頁，2024年2月25日，星期天一、被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散simplediffusion（二）協(xié)助擴(kuò)散facilitateddiffusion二、主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）ATP直接供能ATP間接提供能量光能驅(qū)動(dòng)三、胞吞與胞吐作用第5頁,共53頁，2024年2月25日，星期天一、被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）特點(diǎn)：運(yùn)輸方向；跨膜動(dòng)力；能量消耗；類型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simplediffusion）協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）

是通過簡(jiǎn)單擴(kuò)散或協(xié)助擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。第6頁,共53頁，2024年2月25日，星期天非電解質(zhì)通過擴(kuò)散跨過細(xì)胞質(zhì)膜必須具備兩個(gè)條件:第一，該物質(zhì)在細(xì)胞外的濃度很高;第二，細(xì)胞質(zhì)膜必須對(duì)這種物質(zhì)具有通透性。膜對(duì)某種溶質(zhì)具有透性，必須滿足兩個(gè)條件之一：(1)這種物質(zhì)能夠直接穿過脂雙層，或(2)膜中有可允許該溶質(zhì)通過的跨膜孔道。第7頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

是指物質(zhì)沿著濃度梯度從半透性膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動(dòng)的過程，通常把這種過程稱為簡(jiǎn)單擴(kuò)散。（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散(diffusion)這種移動(dòng)方式是單個(gè)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，無論開始的濃度有多高，擴(kuò)散的結(jié)果是兩邊的濃度達(dá)到平衡。雖然這種移動(dòng)不需要消耗能量，主要是依靠擴(kuò)散物質(zhì)自身的力量，但從熱力學(xué)考慮，它利用的是自由能。如果改變膜兩側(cè)的條件，如加熱或加壓，就有可能改變物質(zhì)的流動(dòng)方向，其原因就是改變了自由能。所以，擴(kuò)散是物質(zhì)從自由能高的一側(cè)向自由能低的一側(cè)流動(dòng)。第8頁,共53頁，2024年2月25日，星期天FIG.不同分子對(duì)人工脂雙層膜的相對(duì)透性不需要細(xì)胞提供能量，也沒有膜蛋白的協(xié)助，因此稱為簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simplediffusion)

疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子以簡(jiǎn)單的擴(kuò)散方式跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)第9頁,共53頁，2024年2月25日，星期天簡(jiǎn)單擴(kuò)散的限制因素是物質(zhì)的脂溶性、分子大小和帶電性。1、脂溶性:脂溶性越強(qiáng)，通過脂雙層膜的速率越快。2、相對(duì)分子質(zhì)量:相對(duì)分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴(kuò)散。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)質(zhì)膜的通透性孔徑不會(huì)大于0.5～1.0nm，能夠擴(kuò)散的最小分子是水分子。3、物質(zhì)的帶電性:所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小，都不能自由擴(kuò)散。是因?yàn)閹щ姷奈镔|(zhì)通常同水結(jié)合形成一個(gè)水合的外殼，這不僅增加了它們的分子體積，同時(shí)也大大降低了脂溶性。因此說，所有帶電荷的分子(離子)，不管它多小，都不能自由擴(kuò)散。特點(diǎn)：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。第10頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

是各種極性分子和無機(jī)離子，如糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等在膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助下順其濃度梯度或電化學(xué)梯度減小方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),不消耗ATP進(jìn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)輸方式，也稱促進(jìn)擴(kuò)散。（二）協(xié)助擴(kuò)散第11頁,共53頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率；③有膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與，有特異性。協(xié)助擴(kuò)散同簡(jiǎn)單擴(kuò)散相比，具有以下一些特點(diǎn)∶第12頁,共53頁，2024年2月25日，星期天膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Transportproteins）膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白:是指鑲嵌在膜上和物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)的跨膜蛋白。載體蛋白通道蛋白第13頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子?？梢院吞囟ǖ娜苜|(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。載體蛋白（carrierprotein）第14頁,共53頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn):

特異性；多次跨膜；具通透酶（permease）性質(zhì)；載體蛋白既參與被動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸，也參與主動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸

很多方面與酶催化反應(yīng)相似載體蛋白需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸?shù)哪さ鞍?。載體蛋白促進(jìn)擴(kuò)散時(shí)同樣具有高度的特異性，其上有結(jié)合點(diǎn)，只能與某一種物質(zhì)進(jìn)行暫時(shí)性、可逆的結(jié)合和分離。而且，一個(gè)特定的載體只運(yùn)輸一種類型的化學(xué)物質(zhì)，甚至一種分子或離子。載體蛋白既參與被動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸，也參與主動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸。由載體蛋白進(jìn)行的被動(dòng)物質(zhì)運(yùn)輸，不需要ATP提供能量。載體蛋白對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程具有類似于酶與底物作用的動(dòng)力學(xué)曲線、可被類似物競(jìng)爭(zhēng)性抑制、具有競(jìng)爭(zhēng)性抑制等酶的特性。但與酶不同的是:載體蛋白不對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)分子作任何共價(jià)修飾。第15頁,共53頁，2024年2月25日，星期天通道蛋白（channelprotein）

是橫跨質(zhì)膜的親水性通道，其跨膜部分形成親水性的通道，當(dāng)這些孔道開放時(shí)允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通過，通道蛋白所介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合。又稱為離子通道。第16頁,共53頁，2024年2月25日，星期天絕大多數(shù)的通道蛋白形成有選擇性開關(guān)的多次跨膜通道，因?yàn)檫@些通道蛋白幾乎都與離子的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，所以又稱為離子通道。離子通道：一是具有離子選擇性，離子通道對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，可達(dá)106個(gè)離子/s，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(dòng)帶電荷的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的凈驅(qū)動(dòng)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(dòng)力構(gòu)成溶質(zhì)跨膜的電化學(xué)梯度（electrochemicalgradient），這種梯度決定溶質(zhì)跨膜的被動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆较?。第二個(gè)特征是離子通道是門控的，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?hào)。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(hào)或壓力刺激后，才開啟形成跨膜的離子通道。因此離子通道又區(qū)分為電壓門通道（voltage-gatedchannel）、配體門通道（ligand-gatedchannel）和壓力激活通道（stress-activatedchannel）。離子通道在神經(jīng)元與肌細(xì)胞沖動(dòng)傳遞過程中起重要作用。如含羞草的閉葉反應(yīng)，草履蟲的快速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，內(nèi)耳聽覺的感應(yīng)等都與離子通道有關(guān)。第17頁,共53頁，2024年2月25日，星期天與載體蛋白相比具有三個(gè)顯著特征1、具有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率和高度的具有離子選擇性，離子通道對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小與電荷都有高度的選擇性，而且轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，可達(dá)106個(gè)離子/s，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1000倍以上。

3、離子通道是門控的，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?hào)。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(hào)或壓力刺激后，才開啟形成跨膜的離子通道。

2、離子通道沒有飽和值。

第18頁,共53頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)已鑒定過的離子通道蛋白在膜中都有開和關(guān)兩種構(gòu)型相當(dāng)于門，所以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gatedchannel)類型：電壓門控(voltage-gatedchannel)配體門控通道(ligand-gatedchannel)壓力激活通道(stress-activatedchannel)第19頁,共53頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共53頁，2024年2月25日，星期天acetylcholinereceptor1配體門通道(ligandgatedchannel)第21頁,共53頁，2024年2月25日，星期天ThreeconformationoftheacetylcholinereceptorNa+K+失活A(yù)ch門通道具有具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。第22頁,共53頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

水分子不溶于脂,并具有極性,理應(yīng)不能自由通過質(zhì)膜,但實(shí)際卻是很容易通過膜。水通道蛋白(aquaporin)

2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：美國科學(xué)家PeterAgre

1988年Agre在分離純化紅細(xì)胞膜上的Rh血型抗原時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)28KD的疏水性跨膜蛋白，純化的CHIP28置入脂質(zhì)體，使其迅速膨脹，這一發(fā)現(xiàn)揭示了細(xì)胞膜上確實(shí)存在水通道。（紅細(xì)胞和蛙卵細(xì)胞）

第24頁,共53頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共53頁，2024年2月25日，星期天二、主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）概念：主動(dòng)運(yùn)輸是指由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度（或化學(xué)梯度）的由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)的跨膜運(yùn)輸方式。類型（根據(jù)能量來源）：ATP直接供能、ATP間接提供能量、光能驅(qū)動(dòng)

第26頁,共53頁，2024年2月25日，星期天ATP直接提供能量驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸------鈉鉀泵構(gòu)成：Na+/K+ATPase由兩個(gè)大亞基(α亞基)和兩個(gè)小亞基(β亞基)組成。α亞基是跨膜蛋白，在膜的內(nèi)側(cè)有ATP結(jié)合位點(diǎn);在α亞基上有Na+和K+結(jié)合位點(diǎn)

實(shí)際上就是Na+-K+ATP酶，一般認(rèn)為是由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體。鈉鉀泵的一個(gè)特性是他對(duì)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程，ATP上的一個(gè)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個(gè)天冬氨酸殘基上，導(dǎo)致構(gòu)象的變化。通過自磷酸化來轉(zhuǎn)運(yùn)離子的離子泵就叫做P-type，與之相類似的還有鈣泵和質(zhì)子泵。它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個(gè)蛋白質(zhì)家族。第27頁,共53頁，2024年2月25日，星期天鈉鉀泵運(yùn)輸機(jī)制作用：維持細(xì)胞內(nèi)一定的Na+/K+濃度；該濃度梯度為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸提供驅(qū)動(dòng)力；有助于建立膜電位。消耗1個(gè)ATP，輸出3個(gè)Na+，輸入2個(gè)K+第28頁,共53頁，2024年2月25日，星期天ATP直接提供能量驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸Ca2+泵,Ca2+ATPase第29頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

心肌和骨骼肌細(xì)胞中的一種特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),其功能是參與肌肉收縮活動(dòng)。肌質(zhì)網(wǎng)膜上的Ca2+-ATP泵將細(xì)胞基質(zhì)中的Ca2+泵入肌質(zhì)網(wǎng)中儲(chǔ)存起來,使肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的濃度比胞質(zhì)溶膠高出幾千倍。受到神經(jīng)沖動(dòng)刺激后,Ca2+釋放出來,參與肌肉收縮的調(diào)節(jié)。肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmicreticulum)

第30頁,共53頁，2024年2月25日，星期天功能：建立H+電化學(xué)梯度，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞種類（1）P型質(zhì)子泵：結(jié)構(gòu)與Na+-K+泵和Ca2+泵結(jié)構(gòu)類似，在轉(zhuǎn)運(yùn)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：在轉(zhuǎn)運(yùn)H＋的過程中不磷酸化中間體，存在于動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞液泡膜上，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-type：

H+-ATP酶:存在于線粒體膜、葉綠體類囊體膜上，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(yùn)動(dòng)，釋放能量與合成ATP偶聯(lián)起來：線粒體磷酸化葉綠體光合磷酸化質(zhì)子泵第31頁,共53頁，2024年2月25日，星期天P型、V型和F型運(yùn)輸泵的結(jié)構(gòu)第32頁,共53頁，2024年2月25日，星期天協(xié)同運(yùn)輸(cotransport)能量：鈉鉀泵或質(zhì)子泵通過消耗ATP產(chǎn)生膜兩側(cè)的電化學(xué)濃度梯度，驅(qū)動(dòng)協(xié)同運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)行。動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)，植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。概念:是一類由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(dòng)運(yùn)輸方式。ATP間接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸?shù)?3頁,共53頁，2024年2月25日，星期天1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。2、反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反。協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆较颍焊鶕?jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運(yùn)輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同antiport）。第34頁,共53頁，2024年2月25日，星期天小腸細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。在某些細(xì)菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖：葡萄糖分子通過Na+驅(qū)動(dòng)的共運(yùn)輸方式進(jìn)入上皮細(xì)胞；再經(jīng)載體介導(dǎo)的協(xié)助擴(kuò)散方式進(jìn)入血液；Na+-K+泵消耗ATP維持Na+的電化學(xué)梯度。第35頁,共53頁，2024年2月25日，星期天反向協(xié)同運(yùn)輸antiport第36頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^◆動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上有Na+-K+ATPase，并通過對(duì)Na+、K+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；◆植物(細(xì)菌、真菌)細(xì)胞質(zhì)膜中沒有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對(duì)H+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；◆在動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細(xì)胞器的酸性。第37頁,共53頁，2024年2月25日，星期天完成大分子和顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，因質(zhì)膜形成囊泡又稱膜泡運(yùn)輸或批量運(yùn)輸（bulktransport）。屬于主動(dòng)運(yùn)輸。根據(jù)物質(zhì)的運(yùn)輸方向分為：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）3.胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）第38頁,共53頁，2024年2月25日，星期天概念：胞吞作用通過細(xì)胞膜內(nèi)陷形成囊泡（胞吞泡），將外界物質(zhì)裹進(jìn)并輸入細(xì)胞的過程。類型：

●胞飲作用（pinocytosis）（溶液）●吞噬作用（phagocytosis）（固體）胞吞作用：第39頁,共53頁，2024年2月25日，星期天吞噬作用特點(diǎn)：胞吞物為大分子和顆粒物質(zhì)；形成的胞吞泡大（直徑大于250nm）；信號(hào)觸發(fā)過程；作用：防御侵染和垃圾清除工。第40頁,共53頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共53頁，2024年2月25日，星期天批量?jī)?nèi)吞（Bulk-phaseendocytosis）doesnotrequiresurfacemembranerecognition.Itisthenonspecificuptakeofextracellularfluids.

細(xì)胞表面的內(nèi)陷（caveolae）是發(fā)生非特異性內(nèi)吞的部位。第42頁,共53頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共53頁，2024年2月25日，星期天網(wǎng)格蛋白(clathrin)50～100nm五邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)三腿蛋白網(wǎng)格蛋白第44頁,共53頁，2024年2月25日，星期天■接合素蛋白(adaptin)銜接蛋白與膜受體細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中的信號(hào)序列相互作用第45頁,共53頁，2024年2月25日，星期天受體介導(dǎo)的胞吞作用：配體和受體結(jié)合網(wǎng)格蛋白聚集有被小窩去被的囊泡和胞內(nèi)體融合有被小泡胞內(nèi)體是動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)由膜包圍的