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1、第五章 物質的跨膜運輸 第一節(jié) 膜轉運與物質的跨膜運輸 第二節(jié) 離子泵和協(xié)同轉運 第三節(jié) 胞吞和胞吐作用 被動運輸和主動運輸?shù)奶攸c 鈉鉀泵、鈣泵和質子泵的轉運特點 和功能 重點 第一節(jié) 膜轉運與物質的跨膜運輸 一、 膜脂雙層的不透性和膜轉運蛋白 二、 被動運輸 （ passive transport） 與 主動運輸 （ active transport） 第二節(jié) 離子泵和協(xié)同運輸 根據(jù) 泵蛋白 的結構與功能特性 ， ATP驅動泵 可分為 4類 ： P 型 離子 泵 、 V型質子泵 、 F型質子泵和 ABC超家族 一、 P-型離子泵 （一
2、） Na+ K+泵 又稱 Na+ K+ATP酶 存在于動物細胞質膜上 細胞內側 亞基與 Na+離子結合促進 ATP酶水解， 亞基上的一個氨基酸殘基磷酸化引起 亞基構象 發(fā)生變化，將 Na+泵出細胞，同時細胞外的 K+與 亞 基的另一位點結合，使其去磷酸化， 亞基構象再 度發(fā)生變化將 K+泵進細胞，完成整個循環(huán)。 每個循環(huán) 消耗一個 ATP分子，泵出 3個 Na+， 和泵進 2個 K+。 （二） Ca2+泵和其它 P-型離子泵 （ 1） Ca2+泵 作用機理： Ca2+泵（ Ca2+ pump） 又稱 Ca2+ ATP酶，有 約 10個跨膜 螺旋，細胞內鈣調節(jié)
3、蛋白與之結合以調 節(jié) Ca2+泵的活性， 每消耗一個 ATP分子轉運出兩個 Ca2+。 存在位置：所有真核細胞的細胞膜和某些細胞器（如 內質網、葉綠體和液泡）膜上，將 Ca2+輸出細胞或泵 入內質網腔中儲存起來，以維持細胞內低濃度的游離 Ca2+。 Ca2+泵在肌質網儲存 Ca2+， 對調節(jié)肌細胞的收縮 與舒張至關重要。 （ 2） H+泵 作用機理： 植物細胞 、 真菌 （ 包括酵母 ） 和 細菌 細胞 其 質膜 上無 Na+ K+ pump， 而是具 有 H+泵 （ H+ ATPase） ， 將 H+泵出細胞 ， 建立跨膜的 H+電化學梯度 ， 驅動轉運物 質進入細胞 。 二
4、、 V-型質子泵和 F-型質子泵 （ 1） V-型質子泵 ：又稱膜泡質子泵，存在于動物細胞胞 內體、溶酶體膜、破骨細胞和某些腎小管的質膜以及 植物、酵母和其他真菌細胞液泡膜上，利用 ATP水解供 能從細胞質基質中逆 H 電化學梯度泵出 H 進入細胞器， 以維持細胞質基質 pH中性和細胞器內 pH酸性。 （ 2） F-型質子泵 ：又稱 H ATP合成酶（ F1F0 ATPase）， 存在于線粒體內膜、植物細胞類囊體膜和細菌質膜上， H 順濃度梯度運動，所釋放的能量耦聯(lián) ATP合成。 活細胞內外離子濃度是明顯不同的：表 5-1 調控機制： （ 1） 膜轉運蛋白活性 載體蛋白
5、 通道蛋白 （ 2）質膜脂雙層的疏水特性 三、 胞吞作用 (endocytosis)與胞吐作用 (exocytosis） 被動運輸 （ passive transport)是指通過簡單擴散或 協(xié)助擴散實現(xiàn)物質 由高 濃度 向低 濃度地 跨膜 轉運。 擴散 (diffusion) 指物質沿濃度梯度從半透膜 濃度高的一側向低濃度一側移動的過程。 滲透 (osmosis) 指水分子以及溶劑通過半透膜 的擴散。 （一） 簡單擴散 （ simple diffusion） （二） 水孔蛋白 （三） 協(xié)助擴散 （ facilitated diffusion）
6、 （四） 主動運輸 擴散 Vs 滲透 Vs Addition （四）、主動運輸 （ active transport） 主動運輸是 物質 逆濃度梯 度或電化學梯 度 運輸?shù)目缒?運輸方式。 特點 ： 逆濃度梯度（逆化學梯度）運輸； 需要能量，與某種釋放能量的過程相耦聯(lián) ; 需要載體蛋白，具有選擇性和特異性。 類型 ： 依據(jù) 主動運輸 三、胞吞作用與胞吐作用 在大分子與顆粒性物質跨膜運輸?shù)霓D運 過程中，質膜內陷，形成包圍細胞外物質的 囊泡，稱 膜泡運輸 （ vesicle transport）。 根據(jù)物質的運輸方向，膜泡運輸又分為： 胞吞作用 （ endocy
7、tosis） 胞吐作用 （ exocytosis） 。 胞飲作用 (pinocytosis)和 吞噬作用 (phagocytosis) 受體介導的胞吞作用 胞飲作用和吞噬作用 吞 噬的主要區(qū)別 通過細胞膜內陷形成囊泡 (胞吞泡 )，將外界物質裹進 并 輸入細胞 的過程。包括胞 飲作用和吞噬作用 。 胞飲 吞噬 （一）胞吞作用 (endocytosis) 二、胞吐作用 （ exocytosis） 將細胞內的分泌泡或其他某 些膜泡中的物質通過細胞質膜 運出細胞 的過程 ， 也稱外排作 用 。 組成型外排途徑 （ constitutive exoc
8、ytosis pathway） 調節(jié)型外排途徑 （ regulated exocytosis pathway） 膜 的 融 合 物質的跨膜運輸方式 物質的跨膜運輸是細胞維持 正常生命活動的基礎之一 簡單擴散 協(xié)助擴散 主動運輸 疏水分子 不帶電極 性小分子 不帶電極 性大分子 離子 1.特點 沿濃度梯度 （ 或電 化學梯度 ） 擴散； 無需提供能量； 無需膜蛋白協(xié)助 。 2. 機制 先溶解在膜 脂再擴散到另一側。 3. 通透性 取決于分 子大小和極性。 (P105) (一）簡單擴散 （ P105） 溶 質 分 子 簡單 擴散 （
9、 三）協(xié)助擴散 （ facilitated diffusion） 協(xié)助擴散 ：也稱 促進擴散， 是 各種極性分子和無機離子，如糖、 氨基酸、核苷酸及細胞代謝物等順 其濃度梯度或電化學梯度的跨膜轉 運，不需要細胞提供能量，但 需膜 轉運蛋白的協(xié)助 。 腸道 葡萄 糖載 體 緊密連接 運輸?shù)鞍状?使葡萄糖的 擴散 哺乳類動物的細胞利用 血糖 作為主要能源，人類基因組 編碼 12種與 糖轉運 相關的載 體蛋白 GLUT1 GLUT12,構成 葡萄糖載體蛋白家族，都具 有高度同源的氨基酸序列， 均含有 12次跨膜的 螺旋。 多肽跨膜段由疏水性氨基酸 殘基組成， 螺旋帶有 Ser
10、 （絲） 、 Thr（蘇） 、 Asp（天） 和 Glu（谷） 殘基，側鏈同葡萄糖羥基形 成氫鍵和結合位點，完成葡 萄糖的協(xié)助擴散。 協(xié)助擴散 1.特點 速率高 比簡單擴散轉運速率高； 最大轉運速率 ：在一定限度內運輸速率同物質濃 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合位點已達飽 和）； 特異性 與特定載體 膜轉運蛋白 結合。 1.載體蛋白 (carrier proteins） 特點 與特定溶質分 子結合 ，通過一 系列 構象改變 介 導溶質跨膜轉運 ; 對所轉運物質 有高度選擇性； 載體蛋白又稱 為通透酶 (Pe
11、rmease) 載體蛋白介導被動運輸示意圖 被動運輸 載體蛋白 壓力激活型 電壓門控型 配體門控型 (胞外配體 ) 配體門控型 (胞內配體 ) 使通道 關閉 使通道 開啟 離子濃度 或電位變 化 蛋白 構象變化 受體與配 體結合 蛋白構象 變化 感受摩擦力、 壓力、牽拉、 重力、剪拉力 電化學信號 蛋白構象變 化 （胞質側） （胞質側） 膜通道蛋白的類型及其轉運機制 壓力激活型 主動與被動運輸?shù)谋容^ 性質 簡單擴散 協(xié)助擴散 主動運輸 參與運輸?shù)哪こ煞? 脂 蛋白 蛋白 載體蛋白 不需要 需要 需要 能
12、量來源 濃度梯度 濃度梯度 ATP水解或濃 度梯度 運輸方向 順濃度梯 度 順濃度梯 度 逆濃度梯度 特異性 無 有 有 運輸分子飽和性 無 有 有 主動運輸能量來源的三種不同類型 ATP驅動泵 (通過水解 ATP 獲得能量 ) 耦聯(lián)轉運蛋白 （ 協(xié)同運輸中的 離子梯度動力 ） 光驅動泵 (利用光能運輸物 質，見于細菌 ) 小亞基 ATP分解， 酶被磷酸化 酶構象變化，與 Na+ 結合部位轉向膜外側 磷酸化酶對 Na+的親和力 低而膜外側釋放 Na+； 對 K+的親和力高而結合 2個 K+ K+與磷酸化酶結合使 酶去磷酸化
13、，與 K+結 合的部位轉向膜內側 K+與酶的親和力降低， 使 K+在膜內被釋放， 而又與 Na+結合 3個 Na+與酶結合 激活 ATP酶活性 Na+ K+ 泵的轉運機制 動、植物細胞的協(xié)同運輸 靠 間接提供 能量 完成的主 動運輸方式。 物質跨膜運動 所需要的能量 來自膜兩側離 子的電化學濃 度梯度，而維 持這種電化學 勢的是 鈉鉀泵 或 質子泵 。 協(xié)同運輸 Na+濃度 梯度驅動 H+濃度 梯度驅動 協(xié)同運輸 （ cotransport） 小 腸 上 皮 細 胞 吸 收 葡 萄 糖 （ 協(xié) 同 運 輸 ） 示 意 圖 協(xié)同運輸是靠間接提供能量完成的主動運輸方式。
14、物質跨膜運動所 需要的能量來自膜兩側離子的電化學濃度梯度，而維持這種電化學 勢的是鈉鉀泵或質子泵。 胞飲作用 細胞吞入的物質 為 液體 或 極小的顆 粒 物質，這種內吞 作用稱為胞飲作用 (pinocytosis)； 胞飲作用存在于 白細胞、腎細胞、 小腸上皮細胞、肝 巨噬細胞和植物細 胞 。 胞飲泡 吞噬作用 細胞內吞較大的 固體 顆粒 物質，如細菌、細 胞碎片等，稱為吞噬作 用 （ phagocytosis）； 吞噬現(xiàn)象是原生動物 獲取營養(yǎng)物質的主要方 式，在后生動物中亦存 在吞噬現(xiàn)象（如在哺乳 動物中，中性顆粒白細 胞和巨噬細胞具有極強 的吞噬能力，以保護機 體免受異物侵害
15、）。 胞吞泡 胞內體 受體 配體 受體 網格蛋 白再循 環(huán) 接合 素蛋 白 網格蛋白 有被小泡 GDP結合蛋白 dynamin 衣被蛋 白循環(huán) 無被小泡 網格蛋白有被小窩 運輸小泡 次級溶酶 體消化 （分選） 穿胞運輸 胞內體 受體 同 配體 結合 啟 動內化作用 ,網格蛋白 組裝 在網格蛋白的作 用下形成 網格蛋白有被 小泡 進入胞質 ， 脫去 衣被蛋白、網格蛋白等； 蛋白再 循環(huán) 胞內體 分 選 溶酶體消化或穿胞 運輸 。 受體介導的胞吞作用 網格蛋白 衣被 小泡 GDP結 合蛋白 GDP結合 蛋白環(huán) 電 鏡 下 的 網 格 蛋
16、 白 衣 被 小 泡 模 式 圖 GDP結合蛋白 在衣被小泡形成中的作用 組成型外排 調節(jié)型外排 所有真核細胞都有從高爾基體區(qū)分泌囊泡向質膜運輸?shù)倪^程，作用在于更新 膜蛋白和膜脂、形成質膜外周蛋白、細胞外基質或作為營養(yǎng)成分和信號分子 特化的分泌細胞產生的分泌物 （ 如激素 、 粘液或消化酶 ） 儲存在分泌泡內 ， 當細胞在受到胞外信號刺激時 ， 分泌泡與質膜融合并將內含物釋放出去 。 胞吞作用和胞吐作用的動態(tài)過程 對質膜更新和維持細胞的生存與生長是必要的 F型質子泵（ H ATP酶 /ATP合酶） 動、植物細胞協(xié)同運輸作用 P
17、型質子泵 V型 質 子 泵 質子泵的三種類型及其功能 位于真核細胞 膜上，載體蛋 白自身磷酸化 發(fā)生構象改變 而協(xié)同運輸 位于泡膜上，水解 ATP 產生能量，但不自身磷 酸化。從胞質中泵出 H 入細胞器。維持細胞質 中性和細胞器內酸性 pH 位于細菌質膜、線 粒體內膜和葉綠體 的類囊體膜。 H 順 濃度梯度運動，所 釋放的能量與 ATP 合成耦聯(lián) (ATP合酶 ) 三、 ABC超家族 ：特異性地運輸小分子物質 在正常生理條件下， ABC蛋白是細菌質膜上糖、 氨基酸、磷脂和肽的轉運蛋白，是哺乳類細胞質膜 上磷脂、親脂性藥物、膽固醇和其他小分子的轉運 蛋白。 ABC蛋白在肝、小腸
18、和腎等器官的細胞質膜上 分布豐富，它們能將天然毒物和代謝廢物排出體外。 四、 協(xié)同運輸（ cotransport） （ 1） 同向運輸 （ symport） ： 物質跨膜轉運方向 與離子轉移的方向相同 。 小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸收葡萄糖或 氨基酸等有機物。 （ 2）反向運輸 （ antiport） ：物質跨膜轉運方 向與離子轉移的方向相反。 腎小管上皮細胞中的 Na+-K+交換和 Na+-H+交換 。 五、離子跨模轉運與膜電位 基本概念 （ 1)膜電位： 在安靜狀態(tài)下細 胞 膜兩側 各種帶電物質形成 的電位差的總和，稱跨膜靜 息電位或稱靜息電位或膜電 位 。 一
19、般為 -20 -200mv之間。 離子流與動作電位的關系圖 電壓門 Na+通道的開放導致質膜除極化 A.動作電位的產生和膜電位改變； B.動作電位產生的過程中，膜通透性改變 與離子通道的開閉（） （ 2）極化狀態(tài)： 安靜時，細胞膜 兩側 的電位呈 外 “ +” 內 “ -” 狀態(tài)，稱膜的極化狀態(tài) （ 3）除極化： 如果膜電位 向內 負值減小的方向變化，稱 作除極化 （ 4）復極化： 細胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時 膜 內 所處的 負值 恢復，則稱復極化。 （ 5）超極化： 當靜息電位的數(shù)值向 內 負值方向增大變化 時，稱作膜的超極化 受體與配體結合 信號傳遞 （
20、第二信使） 基因表達 細胞應答 配體 （第一信使） 細 胞 信 號 通 路 細胞接受 外界信號， 通過一整套 特定機制， 將胞外信號 轉導為胞內 信號，最終 調節(jié)特定基 因表達，引 起細胞應答 反應，這是 信號系統(tǒng)主 線，這種反 應系列稱之 為細胞信號 通路。 沒有信號分子結合時，受體酪 氨酸激酶是以無活性單體存在； 當信號分子與胞外結構域結合， 兩個單體受體分子在膜上形成 二聚體 ，其胞內結構域尾部相 互接觸，激活其蛋白激酶功能， 使尾部酪氨酸殘基磷酸化并裝 配成 信號復合物 (signaling complex)。 細胞內 信號蛋白 (signaling protein)與受體
21、尾部 磷酸化部位結合并激活，通過 信號傳遞途徑擴大信息，激活 細胞內一系列的生化反應；或 者將不同的信息綜合起來引起 細胞進行綜合性的應答（如細 胞增殖）。 返回原來 的質膜結 構域 進入溶酶體 運至質膜不 同的結構域 （穿胞運輸） 胞 內 體 的 分 選 途 徑 在受體介導的內吞作用過程中，不同類型的受 體具有不同的胞內體分選途徑： 大部分受體 返回原來的質膜結構域 ，如 LDL受 體又循環(huán)到質膜再利用； 有些受體不能再循環(huán)而是最后 進入溶酶體 ，在 那里被消化，如與表皮生長因子 （ epidermal growth factor, EGF） 結合的細胞表面受體； 有
22、些受體被 運至質膜不同的結構域 ，該過程稱 作穿胞運輸（ transcytosis）。 胞內體的分選途徑 有些通道蛋白呈開放 狀態(tài)（如鉀泄漏通道）； 有些通道蛋白有選擇性 和門控性：平時關閉， 僅在特定刺激下才開放， 又稱為 門通道 (gated channel) 。 通道蛋白類型 ： 電壓門通道 (voltage-gated channel) 配體門通道 (ligand-gated channel) 壓力激活通道 (stress-activated channel) 不與溶質分子結合 ； 形成跨膜通道，介導離 子順濃度梯度運輸； 2.通道蛋白 (channel protei
23、ns) 特點 通道 蛋白 協(xié)助擴散與簡單擴散的比較 協(xié)助擴散比簡單擴散 轉運速率高； 存 在 Vm，有飽和性； 有特異性； 類似酶 與底物作用的動力學 曲線 競爭性抑制 特性。與酶不同的是 載體蛋白不對轉運分 子作任何共價修飾。 主動運輸?shù)幕绢愋? （一） 由 ATP直接提供能量 的主動運輸 鈉鉀泵 (Na+ K+ATP酶） 鈣泵（ Ca2+ ATP酶） 質子泵： P-型質子泵、 V-型質子泵、 H+-ATP酶 （二） 協(xié)同運輸（ cotransport） 由 Na+-K+泵 （或 H+泵 ）與 轉運蛋白 協(xié)同作用 （耦聯(lián)），靠 間接消耗 ATP所完成的主動運
24、輸方式。 被動運輸 Vs 主動運輸 Na+-K+泵的作用： 維持細胞的滲透性，保持細胞的體積； 維持低 Na+高 K+的細胞內環(huán)境； 維持細胞的靜息電位。 等滲液狀態(tài) 低滲液狀態(tài) 高滲液狀態(tài) 血細胞膨脹 血細胞鄒縮 血細胞原狀 抑制與促進劑： 極少量 烏本苷 可抑制 Na+ K+泵的活性， 氰化物 可使 ATP供應中斷。 Mg2+和少量的膜脂有助于 Na+ K+泵活性的提高。 動物細胞靠 ATP水解供能驅動 Na+ K+泵工作，結果造成膜兩側的 Na+、 K+分布不均勻，有助于維持細胞內低濃度溶質和維持動物 細胞的滲透平衡。 機制 ：與鈉鉀泵相似，每分解 1個
25、ATP，泵出 2個 Ca2+； 受鈣調蛋白調節(jié)。 功能 ：維持細胞內較低的 Ca2+濃度 （ 胞內 10-7M,胞外 10-3M)；與信號傳遞有關： Ca2+濃度 變化觸發(fā)細胞 內信號途徑，導致相應的生理變化。 鈣泵 （ Ca2+ PUMP)/Ca2+ ATP酶 ( Ca2+ ATPase） 質膜或內質網 (肌質網 )膜 結構上與鈉鉀泵 的大亞基同源 胞飲作用與吞噬作用主要區(qū)別 特征 物 質 胞吞泡 的大小 轉運方式 胞吞泡形成機 制 胞飲 作用 溶 液 小于 150nm 連續(xù)的過程 網格蛋白和接 合素蛋白 吞噬 作用 大 顆 粒 大于 250nm 受體介導的信
26、號觸發(fā)過程 微絲和結合蛋 白 (Agre , 2003諾貝爾化學獎 ) 細 胞 膜 蛋 白 水 通 道 1988年 Agre在分 離純化紅細胞膜 上的 Rh血型抗原 時，發(fā)現(xiàn)了一個 28 KD 的疏水性 跨膜蛋白，水通 透實驗揭示了細 胞膜上存在水通 道。目前在人類 細胞中已發(fā)現(xiàn)至 少有 11種水通道 蛋白 (Aquaporin， AQP）， 均具有 選 擇性的水分子通 過的特性 。 （二）水孔蛋白 (AQP) 水孔蛋白即水分子的跨膜通道，是內在膜蛋白的一個家族， 在各種特異性組織 (腎小管、腦、唾腺、淚腺等 )細胞中，提供 了快速跨膜運動的通道。 水孔蛋白結構及其亞基示意圖 A.水孔蛋白由 4 個亞基組成的 四聚體； B.每個亞基由 3 對同源的跨膜 螺旋組成； C.水孔亞基三維 結構，中間球 形分子為水分 子 水孔蛋白形成 對水分子高度 特異的親水通 道，只容許水 而不容許離子 或其他小分子 溶質通過。
細胞生物學之物質的跨膜運輸與信號轉導.ppt
