生物膜物質運輸省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

第三章跨生物膜物質運輸

細胞膜是細胞與外環(huán)境之間一個選擇性通透屏障，它即能保障細胞對基本營養(yǎng)物質攝取，代謝廢物排泄和細胞內離子濃度調整，又能維持相對穩(wěn)定內環(huán)境，所以物質跨膜運輸對細胞生存和生長至關主要。物質經過細胞膜轉運有三種路徑：被動運輸、主動運輸、胞吞和胞吐作用1第1頁

細胞內外各種化學物質是不均勻，有一定濃度梯度。依據物質跨膜運輸方向和機制，能夠將其分為：被動運輸（順著濃度梯度，不消耗能量）1穿過脂雙層簡單擴散2易化擴散3經過蛋白質組成水溶形通道簡單擴散主動運輸(逆濃度梯度，消耗能量)2第2頁一.溶質能力學擴散是物質由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動自發(fā)過程，它傾向于消除該物質在兩區(qū)域濃度差。擴散是熵增加驅動放能過程。當物質分子跨膜擴散時，其自由能改變是依賴膜兩側該物質分子濃度梯度。3第3頁當非電解質溶質進入細胞時其自由能改變?yōu)椋骸鱃=RTln[Ci]/[Co]=2.303RTlog10[Ci]/[Co]△G=5.9J/mol×log10[Ci]/[Co][Ci]/[Co]＜1.0，△G＜0，熱力學上有利于該溶質內流。例:膜外側是膜內側濃度10倍，△G=-5.9J/mol維持10倍差濃度梯度就意味著儲存5.9J/mol自由能。當溶質內流，其濃度梯度降低，△G降低，直至平衡，△G=0。4第4頁當帶電荷電解質跨膜內流時，自由能改變就不但依賴于膜兩側溶質化學濃度梯度，而且還依賴于膜兩側帶電荷情況差異造成膜兩側電勢梯度。兩種跨膜梯度總稱電化學梯度。

5第5頁

當電解質跨膜進入細胞，其自由能改變?yōu)椋骸鱃=RTln[Ci]/[Co]+ZF△Em跨膜化學濃度梯度和膜電位之間共同作用決定著電解質溶質跨膜擴散方向和能力。6第6頁擴散:濃度梯度:CoCi7第7頁8第8頁

就生物膜而言，溶質能否自發(fā)進行擴散還取決于生物膜對某一溶質是否能夠通透以及通透能力大小。所以決定生物膜對物質通透能力原因為：驅動力起源：膜兩側電化學梯度差。生物膜對某一溶質通透能力9第9頁二.經過脂雙層簡單擴散

對于一些小非極性疏水性氣體分子，如O2、N2及小不帶電荷極性分子，如CO2、H2O、乙醇、乙二醇、尿素等能夠經過簡單擴散方式經過雙層脂分子形成膜，這些物質從膜高濃度側擴散到低濃度一側，是一個放能過程，不需要消耗代謝能量，自由能在擴散中降低，此過程符合Fick定律。10第10頁11第11頁12第12頁Fick第一定律：D：擴散系數對于一維情況：J

通量：單位時間內經過單位膜面積溶質量13第13頁簡單擴散幾個特征：沒有飽和性沒有特異性對抑制劑不敏感生物膜對溶質分子簡單擴散速率與人工膜一致14第14頁cocicm1cm2dJ通透系數膜厚度膜水油分配系數15第15頁三.易化（促進）擴散

極性分子，如葡萄糖簡單擴散通透系數很小，難以透過生物膜，而實際通透性很大，這需要膜上載體蛋白幫助，稱為易化擴散／促進擴散。載體是蛋白質成份，因為易化擴散很多方面很象酶促反應，因而載體也稱為通透酶。和簡單擴散一樣，易化擴散也是順著濃度梯度擴散。16第16頁易化擴散過程：

結合變構釋放17第17頁CoJmaxJmax/2km易化擴散簡單擴散18第18頁易化擴散特點：1飽和性2快于簡單擴散3對底物特異性4對抑制劑敏感競爭性抑制劑，Jmax不變，K變大非競爭性抑制劑，如蛋白變性劑，Jmax變小，K不變5能夠被調整進行易化擴散運輸小分子物質：極性小分子：單糖，氨基酸，堿基等19第19頁葡萄糖跨膜運輸和調控全部動物細胞均利用血液中葡萄糖作為主要能源，葡萄糖順濃度梯度運輸是經典易化擴散。哺乳動物最少有五種不一樣形式葡萄糖轉運蛋白。紅細胞：GLUT1小腸上皮細胞：GLUT2平滑肌、心肌和脂肪細胞：GLUT420第20頁胰島素調整：胰島素促進肌肉細胞和脂肪細胞攝取葡萄糖21第21頁四.離子跨膜擴散---離子通道脂雙層組成生物膜關鍵，因為其高疏水性，對于離子是不通透，不過這些離子跨膜運動和傳導，對許多細胞生理功效起關鍵作用，如神經沖動、細胞分泌、肌肉收縮等。

22第22頁

至今，科學家已判定出各種離子通道，它們是由膜內在蛋白圍成含有被動轉運功效水溶性通道。多數離子通道是搞選擇性,一個離子通道只允許一個特定類型離子自由擴散，這種蛋白質稱為離子通道蛋白。特點：需載體蛋白幫助驅動力為電化學梯度無飽和現象非?？?3第23頁離子通道分類按轉運離子分類：

Na+通道,K+通道,Ca2+通道，Cl-通道，陽離子通道，陰通道按門控機制來分類：

電壓門控通道配體門控通道機械門控通道24第24頁25第25頁五.生物膜對水通透性半透膜:

水分子能快速透過生物膜，而極性溶質分子幾乎不透過生物膜，所以可把生物膜看作半透膜（溶劑可透膜而溶質不透膜）。滲透:

水經過半透膜現象叫作滲透。水從溶質濃度低一側向溶質濃度高一側滲透，水凈流動直到膜兩側溶質濃度相等時才停頓。26第26頁水凈流動是膜兩側溶液滲透壓存在差異引發(fā)。滲透壓：半透膜隔開純水和含有溶質溶液之間壓強差。膜兩側溶液滲透壓不一樣時，水從低滲一側向高滲一側凈流動。

27第27頁Van’tHoff定律計算滲透壓Π=CRTΠ：滲透壓，PaC:濃度，mol/LT：絕對溫度等滲溶液，高滲溶液，低滲溶液

0.15mol/LNaCl紅細胞，不一樣細胞不一樣28第28頁J為水通量，A為膜表面積，dV/dt細胞體積膨脹速率K：滲透系數水滲透作用：JπoutπinJ=dv/dt=kA(π)29第29頁六.主動運輸生物膜兩側環(huán)境往往維持著不對稱性，從而建立一定濃度梯度，這對于細胞有其生理意義。被動運輸過程都是順著濃度梯度進行，其結果使這種不對稱性消除。故而需要一個逆濃度梯度運輸來將其平衡，從而不對稱性得以維持。這種逆濃度梯度運輸就是主動運輸。如同易化擴散，主動運輸也需要蛋白質參加;與易化擴散不一樣，主動運輸需要消耗能量。30第30頁細胞內細胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人紅細胞13613835164154胃腸平滑肌細胞16222405.9137134蛙骨骼及細胞1551244145120槍烏賊軸突369443913498520

離子不對稱分布對細胞興奮、肌肉收縮、物質跨膜運輸、滲透壓平衡、蛋白質合成等生理功效非常主要。31第31頁按能量起源分類：ATP驅動主動運輸電子傳遞鏈驅動主動運輸

（線粒體高能電子釋放能量）協(xié)同輸運

（能量起源于另一個物質濃度梯度）

32第32頁1.ATP驅動主動運輸（ATP-drivenactivetransport）

這類主動運輸都需要水解ATP來為物質逆濃度梯度運輸提供能量，推進這類運輸蛋白質本身都是ATPase，這些ATPase又被稱為“泵”。33第33頁

早期研究證實了這些泵存在，用2.4二硝基苯酚抑制有氧代謝，ATP生成受阻，細胞內離子濃度逐步靠近外環(huán)境中離子濃度，最終細胞死亡。

34第34頁每個細胞需要利用有效能量一部分來維持Na+、K+、Ca2+跨細胞膜濃度梯度，比如：神經和腎細胞用于運輸離子能量大于ATP產能25%；人紅細胞運輸離子能量大于ATP產能50%；細胞還利用離子順其跨膜濃度梯度輸運時釋放能量，同時使另一個分子逆其跨膜濃度梯度運輸。35第35頁ATP驅動離子泵分類：P類：運輸離子，離子泵Na+-K+ATPaseNa泵,Ca2+--ATPaseCa泵（質膜和內質網）

經過蛋白磷酸化，改變構象。F類和V類：運輸H離子，不包含蛋白磷酸化過程。ABC運輸載體超家族：運輸小分子和離子。36第36頁37第37頁（a）P型泵兩個α亞基和兩個β亞基，運輸離子過程，必須一個亞基被磷酸化及構型改變，耦聯(lián)Na+、K+、Ca2+經過膜。

38第38頁

P類離子泵主要包含:質膜Na+/K+ATPase，質膜Ca2+ATPase和內質網Ca2+ATPase，存在于胃上皮等酸分泌細胞H+/K+ATPase.

39第39頁P類離子泵“P”字表示磷酸化，即在泵作用中，ATP水解，輸運蛋白磷酸化引發(fā)其構象改變，改變載體蛋白對被輸運離子親和力，使離子被輸運。40第40頁Na+/K+ATPase:質膜上，4個亞基生理功效：建立離子濃度梯度41第41頁Na+/K+ATPase工作過程：42第42頁（b）F型、V型泵結構彼此相同，比P型泵更復雜。F型：在細菌質膜和真核細胞線粒體和葉綠體。利用H+跨膜電化學梯度，促使質子從非胞漿面“順坡”流向胞漿面，釋放自由能被利用合成ATP。相反，假如把F型質子泵組裝到人工脂質體中，在外加ATP條件下，質子能夠經過F型離子泵進行逆電化學梯度跨膜運動。43第43頁V型泵：用于維持植物細胞液泡和動物細胞溶酶體膜、破骨細胞等漿膜上，利用ATP水解釋放能量，使質子逆電化學梯從胞漿泵入到細胞器腔中，酸化這些腔，保持低pH值。44第44頁（c）ABC運輸載體超家族：

在從細菌到人廣泛搜尋中，發(fā)覺100各種ABC超家族型輸運蛋白質。共同特點：有ATP結合位點運輸物質有特異性，包含氨酸、糖、無機離子、多糖。這類蛋白與免疫系統(tǒng)相關，與細胞抗藥性相關，因長久服藥，有些ABC輸運載體在細胞中大量表示，把這些藥品泵出細胞，使細胞產生抗藥性。45第45頁

全部ABC蛋白含有一個共同結構：2個跨膜區(qū)，形成被轉運分子通道，每個區(qū)含六個跨膜α螺旋2個胞漿中ATP結合區(qū)。46第46頁

各種ATP驅動泵都有一個或多個ATP結合點，總在膜胞漿面，即使這些蛋白被稱為ATP酶，但只在運輸離子或其它分子時，它們才使ATP水解成ADP和Pi。因為ATP水解與運輸功效緊密耦聯(lián)，磷酸鍵貯存能量被充分利用，使離子或其它分子逆其電位或濃度梯度移動。這么就保持住細胞內、外Na+、K+、Ca++、H+濃度梯度。47第47頁2.電子傳遞鏈驅動主動運輸

電子沿著線粒體內膜呼吸鏈傳遞過程中，釋放出來自由能驅動質子從基質逆濃度梯度跨膜進入膜間隙，這是線粒體氧化磷酸化偶聯(lián)作用關鍵步驟。在線粒體內膜上，復合物I（NADH脫氫酶）、復合物III（細胞色素bc1）、復合物IV(細胞色素c氧化酶)作為質子泵將質子泵至膜間隙。48第48頁49第49頁質子驅動力（proton-motiveforce）

電子沿著線粒體內膜呼吸鏈傳遞過程中，釋放出來自由能驅動質子從基質逆濃度梯度跨膜進入膜間隙，產生了線粒體內膜兩側質子濃度梯度。線粒體內膜兩側電化學勢包含兩方面：線粒體內膜兩側質子濃度梯度，即pH梯度；和膜兩側電位梯度。其總能勢稱為質子驅動力（Δp，單位為mV）。50第50頁51第51頁

電子傳遞反應、光照射、或ATP水解產生能量以這種電化學梯度形式貯備。52第52頁

3.協(xié)同輸運(Cotransport)

能量來自膜兩側離子濃度梯度。一個離子順濃度梯度輸運，釋放出來自由能驅動另一個離子或分子逆濃度梯度輸運。同向協(xié)同：物質運輸方向與離子移動方向相同，如小腸上皮細胞吸收葡萄糖和氨基酸。（Na+從細胞外進入細胞內，葡萄糖從細胞外進入細胞內）53第53頁逆向協(xié)同：物質運輸方向與離子移動方向相反,如細胞Na+/H+交換以提升細胞內pH值（Na+從細胞外進入細胞內，H+從細胞內運出細胞）54第54頁GlucoseNa+H+Na+細胞內細胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人紅細胞13613835164154胃腸平滑肌細胞16222405.9137134蛙骨骼及細胞1551244145120槍烏賊軸突36944391349852055第55頁例1.Na+/葡萄糖同向運輸662個氨基酸蛋白質氨基和羧基末端在胞漿中14個跨膜α螺旋C末端5個α螺旋形成葡萄糖通路蛋白質剩下部分可能是使結合Na+轉運耦聯(lián)所需蛋白質在胞外側有2個Na+離子和一個葡萄糖分子結合位點，結合它們后蛋白質構像發(fā)生改變，Na+離子和一個葡萄糖同時釋放到胞內，蛋白質恢復原狀。56第56頁57第57頁58第58頁59第59頁在腎小管上皮細胞有第二種Na+/葡萄糖同向運輸蛋白，它是使一個Na+和一個葡萄糖分子同向運輸蛋白質，有很高運輸速率，但葡萄糖濃度梯度不太大，細胞內比細胞外約高100倍，是該上皮細胞重吸收葡萄糖功效。60第60頁例2

Na+/Ca2+反向輸運

心肌細胞中

Na+/Ca2+反向輸運蛋白功效是由Na+順濃度梯度進入細胞時釋放能量，驅動Ca2+逆濃度梯度運出細胞，降低心肌收縮力。運進3個Na+，運出一個Ca2+。細胞外Ca2+離子濃度比細胞內大10000倍。

61第61頁

臨床上慣用一些藥品，比如地高辛，處理充血性心力衰竭。因為這些藥品抑制Na+/K+ATPase運輸Na+、K+功效，細胞內Na+濃度增加，Na+跨膜濃度梯度降低，因而，Na+/Ca2+反向輸運功效效率降低，細胞內Ca2+增加，使心肌收縮力加強。62第62頁例3Cl-/HCO3-反向運輸

紅細胞膜上有帶三蛋白（內在蛋白），它將Cl-和HCO3-一對一反向運輸，HCO3-順濃度梯度，無靜電荷移動，維持細胞膜運輸電中性。63第63頁64第64頁第二節(jié)生物大分子跨膜運輸細胞與環(huán)境之間，細胞器與胞漿之間廣泛、頻繁地進行著生物大分子流通。普通而言，生物大分子不能經過上述被動或主動運輸過程進行跨膜轉運，而需要經過特殊內吞作用或胞吐作用來攝取或分泌生物大分子。有些細胞器上有一些尤其孔道允許一定大小生物大分子經過。65第65頁胞吐作用exocytosis內吞作用endocytosis基本分泌路徑(constituticsecretorypathway)調整分泌路徑(regulatedsecretorypathway)吞噬作用(phagocytosis)胞飲作用(pinocytosis)受體介導吞噬作用(receptor-mediatedphagocytosis)66第66頁胞吐作用：基本分泌路徑調整分泌路徑67第67頁68第68頁基本分泌路徑:囊泡沒有特殊靶向信號，許多蛋白質由內質網合成后，連續(xù)、成批輸送到高爾基體，然后形成包含這些蛋白質囊泡，并經過胞漿連續(xù)穩(wěn)定地輸運到質膜，在釋放分泌蛋白到胞外同時，囊泡膜蛋白和膜脂補充到質膜上，全部真核細胞都含有基本分泌路徑。69第69頁二.調整分泌路徑

這些分泌囊泡先轉運和儲存于細胞質膜附近，只有當特殊刺激（激素或電脈沖）作用于細胞后，這些待排囊泡快速移至質膜，將對應分泌蛋白排到細胞外。這類路徑主要發(fā)生在合成一些尤其分泌蛋白細胞中，如胰島細胞分泌胰島素和消化酶，神經細胞分泌神經遞質。這類調整分泌囊泡普通由籠形蛋白包被。70第70頁內吞作用：吞噬作用（巨噬細胞吞噬細菌和抗原）胞飲作用受體介導內吞作用71第71頁三.吞噬作用

經過形成大吞噬體來消化細菌和細胞碎片這么大顆粒。大顆粒首先結合到吞噬細胞表面，這種結合往往借助于特異細胞表面受體，一旦結合到受體，刺激細胞質膜卷席顆粒形成吞噬體進入細胞，然后吞噬體與溶酶體融合，所吞噬顆粒被消化，可利用分子被輸運到胞漿，不能消化物質留在溶酶體內，形成殘余小體。72第72頁73第73頁圖74第74頁四.胞飲作用全部真核細胞都能進行胞飲，這是一個基本連續(xù)發(fā)生液相吞飲過程。當小面積質膜內陷形成吞飲泡時，少許細胞外液被包裹在小泡中而被攝入胞內。75第75頁76第76頁五.受體介導內吞作用

大多數動物細胞能選擇性從胞外吞飲一些大分子，如一些激素、膽固醇、某些酶和毒素分子。這個過程是由細胞表面受體介導。一旦大分子特異地結合到受體上，受體-大分子復合物聚集到籠形蛋白包被有被小窩中，然后形成籠形蛋白胞被吞噬泡，進入細胞內。77第77頁

研究最清楚受體介導內吞作用是哺乳動物細胞攝取膽固醇過程。78第78頁

血液中低密度脂蛋白（LDL）顆粒結合較多膽固醇，（每個LDL顆粒約包含1500個膽固醇分子），當動物細胞需要攝取膽固醇參加膜合成時，細胞就產生LDL受體并插入質膜。79第79頁

一旦LDL脂蛋白與LDL受體結合，LDL-受體復合物聚集在有被小窩中，然后形成有被小囊進入細胞內。然后脫去胞被與胞內體融合，在胞內體酸性環(huán)境中，受體構象發(fā)生改變，LDL顆粒與其受體分離并分開包入不一樣小囊中。80第80頁

所形成含有LDL晚期胞內體與初級溶酶體融合，形成次級溶酶體，在高酸性溶酶體中，LDL被水解釋放出游離膽固醇分子，進入胞漿參加新膜合成。而含有LDL受體小囊泡運回質膜，LDL受體再循環(huán)使用。81第81頁細胞攝取膽固醇過程82第82頁

許多病毒顆粒也經過受體介導內吞過程進入細胞。即使細胞本身沒有對應病毒受體，不過，細胞膜上一些受體誤認了與其配體分子結構相同病毒表面蛋白，從而使病毒有機會結合到細胞表面而被內吞進細胞內。83第83頁第三節(jié)跨膜運輸醫(yī)學生物學意義一.有幾個嚴重遺傳疾病與編碼離子通道蛋白基因突變相關，影響離子跨過肌肉和神經細胞質膜運動。比如:細胞囊性纖維化是最常見離子通道遺傳病，是上皮細胞離子通道缺點結果。

84第84頁L型鈣通道蛋白相關基因CACNLIA3發(fā)生突變，通道失活功效異常，引發(fā)骨骼肌興奮-收縮偶聯(lián)減弱，產生肌肉收縮無力而麻痹。有些維持跨膜離子濃度離子泵或運輸蛋白質先天異常，對Na、K、Ca離子通透異常，出現先天性球形紅細胞，造成溶血性貧血。85第85頁許多生物合成細胞毒性物質，破壞膜結構在膜上形成親水性通路，使離子能自由出入。比如：病源性葡萄球菌產生水溶性蛋白質α毒素，它接觸脂質時凝聚成疏水性環(huán)六面體，可在膜內形成寬為2nm親水性孔。河豚毒素阻斷鈉通道，所以阻斷了神經纖維上動作電位傳導功效。86第86頁硝苯地平抑制鈣內流，松弛血管平滑肌，擴張周圍小動脈，使血壓降低。對物質跨膜運輸機制研究有利于對生命活動本質認識，對疾病進行診療和治療。87第87頁第四節(jié)細胞自穩(wěn)作用

生物自穩(wěn)作用是生命最主要特征之一，肌體整體自穩(wěn)作用是:

細胞自穩(wěn)作用細胞間組織系統(tǒng)自穩(wěn)作用兩個自穩(wěn)作用相互作用與協(xié)調來到達

88第88頁

細胞自穩(wěn)作用意義:各個細胞本身含有調整細胞內環(huán)境能力和作用,以有利于實施其生理功效和對應細胞外環(huán)境改變.

89第89頁

細胞自穩(wěn)作用是各種輸運機制以及輸運機制相連細胞漿內各種反應整合，所以，比個別輸運機制要復雜得多。90第90頁一.體積調整：

當淋巴細胞從等滲溶液轉到低滲溶液時，細胞發(fā)生原初反應是水進入細胞，細胞體積快速膨脹，以到達滲透壓平衡，然而，細胞會隨之進行體積減小調整，大約10分鐘后，細胞體積逐步恢復到靠近原來大小。91第91頁

假如這時把細胞又轉到等滲溶液中，細胞與前面相反原初反應，水從細胞排出，細胞體積快速縮小，恢復滲透壓平衡，隨之細胞則進行大約10分鐘體積增大調整，使之恢復到靠近原先等滲狀態(tài)時體積。92第92頁許多細胞都能夠響應外環(huán)境改變，首先快速發(fā)生原初反應，造成體積改變，然后再發(fā)生調整反應，使細胞體積恢復到原來大小不過，發(fā)生調整反應要比原初反應慢得多。93第93頁

調整反應是經過溶質濃度改變和隨之發(fā)生水滲透輸運結果。

存在若干不一樣路徑，以改變細胞內溶質濃度并造成細胞體積改變，如經過細胞內化學合成和降解細胞內溶質或經過改變跨膜輸運一些步驟調整胞內溶質濃度。94第94頁

當然，不一樣細胞采取了不一樣調整路徑來調整細胞體積。不論哪種調整機制，細胞都必須能夠感受到細胞體積改變，或者說存在體積改變感受器。許各種類細胞存在特殊張力門控通道。當細胞體積改變時，細胞質膜發(fā)生改變，膜上張力門控通道被打開，離子經過通道流動，調整胞內離子濃度。這種通道對陽離子是通透，但沒有很高選擇性。另外還存在一些對張力敏感離子泵。還要指出是細胞體積改變，必定引發(fā)胞內全部離子濃度改變，所以，一些離子濃度改變會同時作用于其它調控機制，誘導一些賠償或調控反應。95第95頁二.細胞內PH調整

真核細胞胞漿pH受到嚴格地控制，通常7.0-7.4為適宜，一些病變細胞pH會發(fā)生改變。另首先，一些細胞（如酸分泌細胞）或細胞器（如溶酶體）需要特殊pH條件。pH調整是確保細胞內環(huán)境自穩(wěn)主要方面。96第96頁細胞內PH主要是經過

各種膜離子轉運系統(tǒng)

細胞內緩沖系統(tǒng)來維持。97第97頁

細胞內存在著幾對主要含有緩沖作用物質，即HCO/HCO、HPO/HPO以及一些蛋白分子。

參加PH調整離子轉運系統(tǒng)有：

Na/H反向轉運載體

Cl/HCO反向轉運載體

Na依賴Cl/HCO反向轉運載體

H-ATPAase

98第98頁（1）Na/H反向轉運載體廣泛分布于各類動物細胞。在生理條件下，Na/H反向轉運是依賴于向內Na+梯度，把H+轉運到細胞外。許多試驗證實，Na/H反向轉運是可逆，即依賴于主動運輸建立質子推進力，把Na+向胞外輸運。