小分子物质的跨膜运输-细胞生物学-课件2-09

1、 膜的屏障作用膜的屏障作用 钾离子浓度：钾离子浓度： 膜内比膜外膜内比膜外 高高1020倍倍! 膜的组成和结构膜的组成和结构 如果膜是单纯的脂双层 合成的合成的 脂双层脂双层 那么可以经膜运输的只是很少几种物质, 这些物质的性质是? 脂溶性的物质，如一些苯、甾类激素等脂溶性的物质，如一些苯、甾类激素等 一些气体分子，如一些气体分子，如O O2 2、N N2 2、COCO2 2等。等。 不带电荷的极性小分子，如乙醇、尿素等。不带电荷的极性小分子，如乙醇、尿素等。 不带电荷的极性分子，不带电荷的极性分子， 如葡萄糖、氨基酸等。如葡萄糖、氨基酸等。 离子。离子。 带电荷的非极性分子。带电荷的非极性分

2、子。 -疏水疏水, -, -极性极性/ /不带电不带电 而生物膜能选择性地允许多种物质通过而生物膜能选择性地允许多种物质通过 ：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、多糖的原料细胞的能量来源、多糖的原料 ：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、蛋白质的原料细胞的能量来源、蛋白质的原料 ：有机体的食物（人胃和小肠腔） 渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶 一、单纯扩散一、单纯扩散（simple diffusion） 第一节第一节 跨膜运输的原理跨膜运输的原理 Principles of membrane transport 顺浓度梯度、不耗能、无蛋白参与顺浓度梯度

3、、不耗能、无蛋白参与 二、膜蛋白介导的运输二、膜蛋白介导的运输 （membrane protein-mediated transport） 对于生物膜来说，对于生物膜来说， 葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子都能跨膜运输都能跨膜运输 膜运输蛋白分成膜运输蛋白分成2类：类： 1、载体蛋白、载体蛋白 (carrier protein) 2、通道蛋白、通道蛋白 (channel protein) 分布于各种膜上的运输蛋白分布于各种膜上的运输蛋白 螺旋螺旋 真核细胞和细菌的跨膜蛋白真核细胞和细菌的跨膜蛋白 主要是主要是螺旋结构螺旋结构 疏水脂双层疏水脂双层 筒筒 限于线粒

4、体和叶绿体外膜限于线粒体和叶绿体外膜 的跨膜蛋白的跨膜蛋白 着所运物质的电化学梯度，不需要能量 着所运物质的电化学梯度，需要能量 Electricochemical gradient 2、被动运输、被动运输 (passive transport) 不需能量不需能量 易化扩散易化扩散 所有通道蛋白所有通道蛋白和和一部分载体蛋白一部分载体蛋白 1、主动运输、主动运输 (Active transport) 需消耗能量需消耗能量 载体蛋白载体蛋白 主动运输和被动运输 载体蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白 carrierchannel 各种离子各种离子 离子、氨基酸、离子、氨基酸、 单糖、核苷酸等单糖、核苷

5、酸等 与所运物质结合与所运物质结合, ,然后然后 自身构象改变将物质自身构象改变将物质 在膜另一侧释放。在膜另一侧释放。 形成跨膜的充水通道形成跨膜的充水通道 让所运物质通过。让所运物质通过。 运输原理运输原理 运输特点运输特点 所运物质所运物质 主动或被动运输，与主动或被动运输，与 所运物质互相作用较所运物质互相作用较 强，运输速度较慢强，运输速度较慢 被动运输，与所运物质被动运输，与所运物质 互相作用较弱，运输速互相作用较弱，运输速 度较快度较快 原理（机制）： 载体蛋白经历了一次构象变化，先后交载体蛋白经历了一次构象变化，先后交 替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的替地把所运物质与之结

6、合的位点暴露于膜的 两侧，从而完成运输。两侧，从而完成运输。 一、载体介导运输的原理和特点一、载体介导运输的原理和特点 第二节第二节 载体蛋白介导的运输载体蛋白介导的运输 特点： 1.与酶与酶-底物反应类似底物反应类似 特异性结合位点 特征性结合常数 2.运输方式运输方式 单一运输 偶联运输 同向运输 反向运输 载体介导运输的方式载体介导运输的方式 单一运输 同向运输反向运输 偶联运输 载体介导的被动运输载体介导的被动运输 葡萄糖的单一运输蛋白葡萄糖的单一运输蛋白 载体介导的主动运输载体介导的主动运输 偶联载体偶联载体ATPATP驱动泵驱动泵光驱动泵光驱动泵 钠钠-钾离子泵钾离子泵 问题问题：

7、为什么为什么Na+ -K+泵泵 又叫又叫 Na+ -K+ATP酶酶 细胞能量1/32/3耗费于此! 胞浆胞浆 胞外胞外 钠钠-钾离子泵作用机制钾离子泵作用机制 Na+ -K+泵泵 作用机制 1. Na+结合至催化亚基 2. ATP水解成ADP, 催化亚基被磷酸化磷酸化 3. 催化亚基构象变化, Na+被运出细胞 4. K +结合至催化亚基 5. 催化亚基去磷酸化去磷酸化 6. 催化亚基构象恢复, K +被运入细胞 作用机制作用机制 钠钾钠钾ATP酶在未磷酸化前吸钠排钾，酶在未磷酸化前吸钠排钾， 吸钠后促进磷酸化，吸钠后促进磷酸化， 磷酸化后吸钾排钠，磷酸化后吸钾排钠， 吸钾后促进脱磷酸化。吸钾

8、后促进脱磷酸化。 Na+ -K+泵泵 作用的直接效应 建立和维持 细胞外高钠细胞外高钠、细胞内高钾细胞内高钾 的特殊离子梯度 Na+ -K+泵泵 作用的间接效应 通过维持Na+梯度 维持渗透压平衡, 调节细胞容积* 细胞外离子的数量 2.参与形成内负外正的膜电位* 3个Na+出、2个K +入 （什么是 膜电位膜电位membrane potential） 3.保证一些物质的主动运输所需能量* 问题：胞内溶质浓度 高，如果不控制渗透 压平衡，水将进入， 结果造成细胞胀破 解决方案 把离子 打出去 细胞内外的渗 透压由大分子、 小分子和离子 构成 离子跨膜运输的作用：离子跨膜运输的作用：细胞渗透压的

9、维持细胞渗透压的维持 Maintenance of osmolarity 箭毒杀人 乌本苷是一种箭毒苷, 是ATP酶抑制剂 在催化亚基的胞外面有结合位点, 与K +竞争性结合至催化亚基。 乌本苷的ATP酶抑制作用发生在依赖K +的去磷酸化步骤。 用乌本苷处理, 细胞很快肿胀破裂 乌本苷乌本苷 back 离子跨膜运输的作用：离子跨膜运输的作用：膜电位是神经冲动膜电位是神经冲动(电信号电信号) 播散播散 的基础的基础 back Na+驱动的同向运输载体 与 糖摄入 Na+ -driven symporter and glucose uptake 胞质侧胞质侧 构象构象A:结合位点向胞外侧开放, 葡

10、萄糖和Na+结合于各自位点. NaNa+ +顺其电化学梯度顺其电化学梯度 糖逆其电化学梯度糖逆其电化学梯度 构象构象B:载体经历构象变化,结合 位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+ 离开各自位点,由此两者被运入 细胞. 糖经历主动运输糖经历主动运输, ,能量来能量来 自自NaNa+ +梯度梯度. . 肠腔肠腔 上皮下上皮下 组织间隙组织间隙 偶联载体偶联载体 离子跨膜运输的作用：离子跨膜运输的作用：提供主动运输所需的能量提供主动运输所需的能量 名词：P型运输ATP酶 P transport ATPase 泵的两种状态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志, 这类离子泵叫作P型运输ATP酶。 (P指pho

11、sphorylation, 磷酸化) 包括 Na+-K+泵 Ca 2+泵 一部分H+泵 返回返回 P型运输ATP酶：Ca 2+泵结构 左： Ca 2+在非磷 酸化状态进入结合 位点 右：ATP水解导致P结构域磷酸化,进 而导致A结构域位置变化，导致4号 和6号螺旋重排，结果原有结合位点 被破坏,使Ca 2+面向另一侧被释放。 二、偶联载体二、偶联载体 coupled carrier Na+驱动的同向运输载体驱动的同向运输载体 H+驱动的同向运输载体 (略) Na+驱动的反向运输载体 (略) 载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收 功能功能 小肠上皮细胞底侧面小

12、肠上皮细胞底侧面Na+- K+泵的作用泵的作用 肠腔肠腔 上皮下上皮下 组织间隙组织间隙 小肠上皮细胞底侧面小肠上皮细胞底侧面不依赖不依赖Na+的葡萄糖运输载体的葡萄糖运输载体 载体介导的主动运输载体介导的主动运输 能量来源 sources of energy: 1. ATP驱动泵驱动泵 ATPATP水解提供能量水解提供能量 2.2.离子梯度驱动力离子梯度驱动力 通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的 上坡上坡 3.3.光驱动泵光驱动泵 光提供能量光提供能量( (细菌细菌) ) 第三节第三节 通道蛋白介导的运输通道蛋白介导的运输 一、通道介导运

13、输的原理和特点一、通道介导运输的原理和特点 原理（机制）： 通道蛋白形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物通道蛋白形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物 质顺其电化学梯度通过。所运物质主要是离子质顺其电化学梯度通过。所运物质主要是离子 （ Na+ 、K+ 、Ca 2+ ）。 与简单充水孔道不同： 1. 离子选择性：种类、大小 2. 门控性：开关 一、通道介导运输的原理和特点一、通道介导运输的原理和特点 特点： 被动运输 速率很高，存在特异性。 受调控 门控 - 电压、递质、cAMP/cGMP 1. gated- voltage-gated, transmitter-gated 二、几种重要的通道蛋白二、几

14、种重要的通道蛋白 水通道水通道 K+通道与静息电位通道与静息电位 Na+通道与动作电位（略） K+通道与动作电位（略） Ca 2+通道与动作电位（略） 乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电电 信号转换信号转换 水孔蛋白水孔蛋白 血管加压素血管加压素 1. K+通道与静息电位 静息电位静息电位: -70mV,: -70mV,主要由主要由 钾离子膜平衡电位构成钾离子膜平衡电位构成 胞内高钾，化学梯度驱使其逸出胞内高钾，化学梯度驱使其逸出 胞内多阴离子，电梯度吸引其驻留胞内多阴离子，电梯度吸引其驻留 胞质侧 K+通道与静息电位 提供K+自由跨膜的途径，其平衡电位造成 膜静

15、息电位（ -70mV ）。 使K+能被固有阴离子吸引于胞内，然后在 Na+ - K+泵作用下维持在胞内的高浓度。 存在于所有细胞膜上，不需要特异刺激就 可打开，所以被叫作K+逸漏通道。 K+ channel and resting potential 离子选择性(种类、大小) 是如何形成的？ 细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白 入口：带负电氨基酸集中分布，赋予通道对阳离子的选择性入口：带负电氨基酸集中分布，赋予通道对阳离子的选择性 K+通道蛋白结构 细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白 中心滤器：羧基氧精确排布中心滤器：羧基氧精确排布, ,接纳无水接纳无水K K+ + , , 赋予通道对赋予

16、通道对K K + + / Na / Na+ +的选择性的选择性 离子通道对电兴奋性细胞有特别重要的意义， 是神经冲动传导和肌肉收缩的基础。 突触膜上分布着离子通道突触膜上分布着离子通道突触突触(synap) 5. 乙酰胆碱受体与神经肌接头的乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学化学-电信号转换电信号转换 神经细胞神经细胞 肌肉细胞肌肉细胞 乙酰胆碱乙酰胆碱 乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体 乙酰胆碱受体与神经肌接头的乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学化学-电信号转换电信号转换 乙酰胆碱受体: 在神经肌接头处分布于肌细胞膜上在神经肌接头处分布于肌细胞膜上 研究最多, 来源丰富电鱼肌肉 在离子通道蛋白中, 第一个

17、被纯化、鉴定出氨基酸序 列、在人工脂双层上重建、克隆基因, 其三维结构了解。 乙酰胆碱: 神经递质神经递质, ,位于神经细胞内突触小泡中位于神经细胞内突触小泡中 神经肌接头: 运动神经元与骨骼肌之间的特化突触运动神经元与骨骼肌之间的特化突触 乙酰胆碱受体结构 乙酰胆碱受体结构乙酰胆碱受体结构 5条肽链组成的糖蛋白五聚体 每条肽链折叠成4个螺旋穿越膜层 其中2条是相同肽链,上面各有1个乙酰胆碱结合位点 当2分子乙酰胆碱结合上五聚体时, 就引发其构象变 化, 造成通道开放。 神经肌接头处乙酰胆碱被释放后将被降解。一旦乙 酰胆碱与受体（即五聚体）解离, 构象恢复, 通道将 关闭。 乙酰胆碱受体: 递

18、质门控的离子通道 即：自身是通道蛋白, 受乙酰胆碱专一调控而开放 将细胞外的化学信号快速转化为电信号。 乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学-电信号转换 acytylchorlin and chemical-electric signal conversion 三、神经肌肉传导中的通道激活三、神经肌肉传导中的通道激活 1 2 3 4 5 三、神经肌肉传导中的通道激活三、神经肌肉传导中的通道激活 电压门控电压门控Ca Ca 2+ 2+通道 通道 递质门控递质门控NaNa+ +通道通道 电压门控电压门控NaNa+ +通道通道 电压门控电压门控Ca Ca 2+ 2+通道 通道 ？门控？门控Ca Ca 2

19、+ 2+通道 通道 数个毫秒中数个毫秒中, , 至少至少5 5组门控离子通道依次激活组门控离子通道依次激活, ,从从 而实现化学而实现化学- -电信号转换电信号转换, , 完成兴奋完成兴奋- -收缩偶联。收缩偶联。 三、神经肌肉传导中的通道激活三、神经肌肉传导中的通道激活 神经冲动到达末梢，质膜电压门控Ca 2+通道开放， 启动突触小泡释放乙酰胆碱。 乙酰胆碱结合于肌细胞质膜上受体，其自身递质门 控Na+通道开放。 Na+内流改变肌细胞局部膜电位，电压门控Na+通 道开放。 整个膜电位改变，T管处电压门控Ca 2+通道开放。 与T管相邻的肌质网膜上Ca 2+通道开放。 胞质胞质Ca Ca 2+

20、 2+浓度突然升高引发肌纤维收缩。 浓度突然升高引发肌纤维收缩。 箭毒用于外科手术, 而敌敌畏导致痉挛 一种箭毒能阻断乙酰胆碱受体, 使肌肉松弛,用于 手术中。 敌敌畏(有机磷农药)造成乙酰胆碱受体持续激活, 导致肌肉痉挛和昏迷。 乙酰胆碱受体如何将化学信号转变为电信号? 与乙酰胆碱结合而活化 通道开放 阳离子(Na+)内流 局部膜电位差改变 电信号 =细胞外的化学信号转化为电信号 乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换电信号转换 acytylchorlin and chemical-electric signal conversion 电信号产生后肌肉如何反

21、应? 整个膜电位差改变 胞质Ca 2+浓度升高 肌纤维收缩 离子通道的作用不仅限于电兴奋 性细胞。它们普遍存在于所有动物 细胞质膜上，并且在植物和微生物 上也有作用。 本章重点本章重点 疏水分子(如脂类)和少量不带电极性小分子(如 乙醇)可以单纯扩散过通脂双层, 但是机体所需营 养物质小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和无机 离子都由膜蛋白介导跨膜运输。 执行跨膜运输的膜蛋白叫作膜运输蛋白，分成载 体和通道两类。它们在运输机理、特点和对象上 都不同。 动画 基本概念（1） 本章重点本章重点 在跨膜运输中, 被动运输指不需能量的运输, 等于 易化扩散,即膜运输蛋白帮助所运物质顺其电化学梯 度跨越过膜

22、。进行被动运输是所有的通道蛋白和一部 分载体蛋白。 主动运输指需消耗能量的运输，即膜运输蛋白将所 运物质逆其电化学梯度泵运过膜。只有载体蛋白能进 行主动运输。它们偶联的能量来源有3种：离子梯度 驱动力、ATP驱动泵、光驱动泵。 基本概念（2） 载体蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白 carrierchannel 各种离子各种离子 离子、氨基酸、离子、氨基酸、 单糖、核苷酸等单糖、核苷酸等 与所运物质结合与所运物质结合, ,然后然后 自身构象改变将物质自身构象改变将物质 在膜另一侧释放。在膜另一侧释放。 形成跨膜的充水通道形成跨膜的充水通道 让所运物质通过。让所运物质通过。 运输原理运输原理 运输特点

23、运输特点 所运物质所运物质 主动或被动运输，与主动或被动运输，与 所运物质互相作用较强，所运物质互相作用较强， 运输速度较慢运输速度较慢 被动运输，与被动运输，与 所运物质互相作用较弱，所运物质互相作用较弱， 运输速度较快运输速度较快 186页页, 表表8-5 本章重点本章重点 Na+驱动的同向运输载体运输葡萄糖的机理是： 载体蛋白的结合位点先向胞外侧开放，葡萄糖和Na+ 结合于各自位点。然后载体经历了构象变化，结合位 点向胞质侧开放，葡萄糖和Na+离开各自位点，由此 两者被运入细胞. 葡萄糖经历主动运输,能量来自Na+梯度驱动力. 载体介导运输举例（1） 本章重点本章重点 Na+ -K+泵的

24、作用机制是： 1. NaNa+ +结合至催化亚基 2. ATPATP水解成ADPADP, 催化亚基被磷酸化磷酸化 3. 催化亚基构象变化, NaNa+ +被运出细胞 4. K K + +结合至催化亚基 5. 催化亚基去磷酸化去磷酸化 6. 催化亚基构象恢复, K K + +被运入细胞 Na+ -K+泵的作用是： 每水解1分子ATP, 泵出3个Na+, 泵入2个K+ 载体介导运输举例（2） 本章重点本章重点 通道介导运输举例（1） K+通道对膜电位形成有重要作用。因K+化学梯度 驱使其离开细胞，而其电梯度吸引其留在胞内， K+通道提供K+自由跨膜的途径，其平衡电位造成 膜静息电位。 K+通道存在

25、于所有细胞膜上，不需要特异刺激就 可打开，所以被叫作K+逸漏通道。 本章重点本章重点 乙酰胆碱受体是一种递质门控的离子通道，能将 神经肌接头处的化学信号快速转换成电信号，作 用机制是： 与神经细胞释放的化学递质乙酰胆碱结合而活化， 造成通道开放，阳离子(Na+)内流，改变了肌肉细 胞的膜电位，最终导致肌肉收缩 通道介导运输举例（2） 1.1.解释下列名词解释下列名词: : 膜运输蛋白 载体蛋白 通道蛋白 主动运输 被动运输 离子梯度驱动力 ATP驱动泵 偶联载体 同向运输 反向运输 P型运输ATP酶 2.2.为什么乙酰胆碱受体能在神经肌接头将化学信号为什么乙酰胆碱受体能在神经肌接头将化学信号

26、转换成电信号？转换成电信号？ 思考题 第一部分 思考题 第二部分 肠上皮细胞肠上皮细胞 肠腔肠腔 1 1、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中，、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中， 三种膜运输蛋白如何完成各自任务。三种膜运输蛋白如何完成各自任务。 同向运输偶联载体/单一运输载体/ATP驱动泵 肠上皮细胞肠上皮细胞 肠腔肠腔 2 2、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中，、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中， 三种膜运输蛋白如何完成各自任务。三种膜运输蛋白如何完成各自任务。 同向运输偶联载体/单一运输载体/ATP驱动泵 肠上皮细胞肠上皮细胞 肠腔肠腔 2 2、试解释在小肠上皮细胞吸

27、收葡萄糖的过程中，、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中， 三种膜运输蛋白如何完成各自任务。三种膜运输蛋白如何完成各自任务。 同向运输偶联载体/单一运输载体/ATP驱动泵 肠上皮细胞肠上皮细胞 肠腔肠腔 2 2、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中，、试解释在小肠上皮细胞吸收葡萄糖的过程中， 三种膜运输蛋白如何完成各自任务。三种膜运输蛋白如何完成各自任务。 同向运输偶联载体/单一运输载体/ATP驱动泵 2 2、想象一下，当你吃完饭后、想象一下，当你吃完饭后, ,你的小肠上皮细你的小肠上皮细 胞如何运用小分子物质跨膜运输原理胞如何运用小分子物质跨膜运输原理, ,分别将分别将 食物中的营养物质葡萄糖、氨基酸、核苷酸、食物中的营养物质葡萄糖、氨基酸、核苷酸、 脂肪、盐分和水吸收进来？（只考虑从肠腔运脂肪、盐分和水吸收进来？（只考虑从肠腔运 入小肠上皮细胞）。入小肠上皮细胞）。 Na+ -K+泵 Na+ -K+ pump 存在于几乎所有动物细胞膜上, 利用ATP水 解供应能量, 建立和维持Na+梯度。又称 Na+ -K+ ATP酶酶 (Na+ -K+ ATPase) 我是大力士我是大力士 Na+ -K+泵泵 组成和作用 Composition and effect 3个个Na+出细胞出细胞2个个K+入细胞入细胞 逆电化学梯度运输! 单