物质跨膜运输

1、内容提要内容提要 第一节、被动运输第一节、被动运输 一、简单扩散一、简单扩散 二、协助扩散二、协助扩散 第二节第二节 主动运输主动运输 一、钠钾泵一、钠钾泵 二、钙离子泵二、钙离子泵 三、质子泵三、质子泵四、四、abc abc 转运器转运器五、协同运输五、协同运输第三节、膜泡运输的基本概念第三节、膜泡运输的基本概念一、吞噬作用一、吞噬作用二、胞饮作用二、胞饮作用三、外排作用三、外排作用四、穿胞运输四、穿胞运输五、胞内膜泡运输五、胞内膜泡运输 据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的核基因编码蛋白的151530%30%，细胞用在物质转运方面的能量达

2、细胞细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的总消耗能量的2/32/3。 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白载体蛋白（carrier carrier proteinprotein）和）和通道蛋白通道蛋白（channel proteinchannel protein）。）。p102p102 载体蛋白又称做载体（载体蛋白又称做载体（carriercarrier）、）、通透酶通透酶（permeasepermease）和）和转运器转运器（transportertransporter），有的需要能量驱动，如：各类），有的需要能量驱动，如：各类aptapt驱

3、动的离子泵；驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。有的则不需要能量，如：缬氨酶素。 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质以自由扩散的方式运输溶质。 （一）离子载体（一）离子载体（ionophore） 是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是微生物防御或与其它物种竞争的武器。微生物防御或与其它物种竞争的武器。 分为两类：分为两类： 可动离子载体可动离子载体（mobile ion carriermobile ion carr

4、ier） ：如：如缬氨霉素缬氨霉素（valinomycinvalinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓度梯度转运度梯度转运k k+ +。 dnpdnp和和fccpfccp可转运可转运h h+ +。 通 道 离 子 载 体通 道 离 子 载 体 （ c h a n n e l f o r m e rc h a n n e l f o r m e r ） ： 如） ： 如 短 杆 菌 肽短 杆 菌 肽 a a（granmicidingranmicidin），是由），是由1515个疏水氨基酸构成的短肽，个疏水氨基酸构成的短肽，2 2分

5、子形成分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如h h+ +、nana+ +、k k+ +按化学梯度按化学梯度通过膜。通过膜。valinomycingramicidin aan antibiotic that acts as an ion pore.（二）通道蛋白（二）通道蛋白（channel protein） 是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。过，故又称离子通道。 有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅

6、在特定刺激下才打开，有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（又称为门通道（gated channelgated channel）。主要有）。主要有4 4类：电位门通类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。 1 1、配体门通道、配体门通道(ligand gated channel)(ligand gated channel) 特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，构象变化， “ “门门”打开。又称打开。又称离子通道型受体离子通道型受体。 可分为可

7、分为阳离子通道阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和体，和阴离子通道阴离子通道，如甘氨酸和，如甘氨酸和氨基丁酸受体。氨基丁酸受体。 achach受体受体是由是由4 4种不同的亚单位组成的种不同的亚单位组成的5 5聚体蛋白质，形成聚体蛋白质，形成一个结构为一个结构为2 2的梅花状通道样结构，其中的两个的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子亚单位是同两分子achach相结合的部位。相结合的部位。nicotinic acetylcholine receptornicotinic acetylcholine receptorthree conforma

8、tion of the acetylcholine receptor2 2、电位门通道、电位门通道(voltage gated channel) 特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，致使其构象变化，“门门”打开。打开。 k k+ +电位门有四个亚单位，每个亚基有电位门有四个亚单位，每个亚基有6 6个跨膜个跨膜螺旋螺旋(s1-(s1-s6) s6) ，n n和和c c端均位于胞质面。连接端均位于胞质面。连接s5-s6s5-s6段的发夹样段的发夹样折折叠叠 (p(p区或区或h5h5区区) )，构成通道的内衬，大小可允许

9、，构成通道的内衬，大小可允许k+k+通过。通过。 k+k+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为s4s4段段是电压感受器。是电压感受器。 nana+ +、k k+ +、caca2+2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。一个远祖基因演化而来。voltage gated k+ channel 4th subunit not shownion-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由神经肌肉接点由achach门控通道开放而出

10、现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门门na+na+通道和通道和k+k+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 ca2+ca2+通道打开，通道打开，ca2+ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩进入细胞质，引发肌肉收缩。3 3、环核苷酸门通道、环核苷酸门通道 cngcng通道与电压门钾通道结构相似，也有通道与电压门钾通道结构相似，也有6 6个跨膜片段。细个跨膜片段。细胞内的胞内的c c末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。 cngcng通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的

11、通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。转换有关。 如气味分子与化学感受器中的如气味分子与化学感受器中的g g蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生酸环化酶，产生campcamp，开启，开启campcamp门控阳离子通道（门控阳离子通道（camp-gated camp-gated cation channelcation channel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。最终形成嗅觉或味觉。4 4、机械门通道、机械门通道 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机

12、感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导（为机械信号转导（mechanotransduction mechanotransduction ）。）。 目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内

13、皮细胞和心肌细胞。内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。 牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为性、非线性以及无潜伏期。为2 2价或价或1 1价的阳离子通道，有价的阳离子通道，有nana+ +、k k+ +、caca2+2+，以，以ca2+ca2+为主。为主。membrane transport proteins第一节第一节 被动运输被动运输一、简单扩散一、简单扩散 也叫自由扩散（也叫自由扩散（free diffusionfree diffusion）特点：）特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；

14、沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量；不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（某种物质对膜的通透性（p p）可以根据它在油和水中的分）可以根据它在油和水中的分配系数（配系数（k k）及其扩散系数（）及其扩散系数（d d）来计算：）来计算： p=kd/tp=kd/t t t为膜的厚度。为膜的厚度。 人工膜对各类物质的通透率：人工膜对各类物质的通透率： 脂溶性越高通透性越大脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；，水溶性越高通透性越小； 非极性分子比极性容易透过非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如，极性不带电荷小分子，如h h2 2

15、o o、o o2 2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；等可以透过人工脂双层，但速度较慢； 小分子比大分子容易透过小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；糖则很难透过； 人工膜对带电荷的物质，如各类人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透离子是高度不通透的。的。二、协助扩散二、协助扩散 也称促进扩散（也称促进扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）。）。 特点：特点： 比自由扩散转运速率高；比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓运输速率同物质浓度成非线性关系；度成非线性关系； 特异性；饱

16、和性。特异性；饱和性。 载体：离子载体和通道蛋白两种类型。载体：离子载体和通道蛋白两种类型。 三、水通道三、水通道 水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。 19911991年年agreagre发现第一个水通道蛋白发现第一个水通道蛋白chip28 chip28 （28 kd 28 kd ），），他将他将chip28chip28的的mrnamrna注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，液中，卵母细胞迅速膨胀，5 5 分钟内破裂。细胞的这种吸分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被水膨胀

17、现象会被hghg2+2+抑制。抑制。 20032003年年agreagre与离子通道的研究者与离子通道的研究者mackinnonmackinnon同获诺贝尔化同获诺贝尔化学奖。学奖。 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有1111种，被命名种，被命名为水通道蛋白（为水通道蛋白（aquaporinaquaporin，aqpaqp）。）。20032003年，美国科学家彼得年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克阿格雷和罗德里克麦金农，分麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。化学奖。

18、peter agreroderick mackinnon 第二节、主动运输第二节、主动运输 主动运输的特点是：主动运输的特点是： 逆浓度逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；梯度（逆化学梯度）运输； 需要需要能量能量； 都有都有载体载体蛋白。蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有：主动运输所需的能量来源主要有： 协同运输中的协同运输中的离子梯度离子梯度动力；动力； atp atp驱动的泵通过水解驱动的泵通过水解atpatp获得能量；获得能量； 光光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。一、钠钾泵一、钠钾泵 p110 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是

19、na+-k+atp酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： nana+ +-k-k+ +atpatp酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与nana+ +、k k+ +的亲和力发生变化。在膜内侧的亲和力发生变化。在膜内侧nana+ +与酶结合，激活与酶结合，激活atpatp酶活性，使酶活性，使atpatp分解，分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与酶被磷酸化，构象发生变化，于是与nana+ +结合的部位转向膜外侧；这种磷结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对酸化的酶对nana+ +的亲和力低，对的亲和力低，对k k+ +的亲和力高，因而在膜

20、外侧释放的亲和力高，因而在膜外侧释放nana+ +、而、而与与k k+ +结合。结合。k k+ +与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与是与k k+ +结合的部位转向膜内侧，结合的部位转向膜内侧，k k+ +与酶的亲和力降低，使与酶的亲和力降低，使k k+ +在膜内被释放，在膜内被释放，而又与而又与nana+ +结合。其总的结果是每一循环消耗一个结合。其总的结果是每一循环消耗一个atpatp；转运出三个；转运出三个nana+ +，转进两个转进两个k k+ +。na+-k+atp pumpna+-k+atp pump can

21、catalyze the formation of atp under laboratory condition 钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（atpatp上的一上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做象变化），所以这类离子泵叫做p-typep-type。 nana+ +-k-k+ +泵的作用泵的作用： 维持细胞的渗透性维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；，保持细胞的体积； 维持低维持低nana+ +高高k k+ +的细胞内环境；的细胞内环境； 维持细胞

22、的维持细胞的静息电位静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；mgmg2+2+和少量膜脂有和少量膜脂有助提高于其活性。助提高于其活性。 二、钙离子泵二、钙离子泵 p111 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度1010-7-7m m，细胞外，细胞外1010-3-3m m）。）。 位置：位置：质膜质膜和和内质网膜内质网膜。 类型：类型： p p型离子泵型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个，其原理与钠钾泵相似，每分解一个atpatp分子，泵出分子，泵出2 2个个caca2+2+。位于肌质网上的钙

23、离子泵占肌质网膜蛋白质的。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%90%。 钠钙交换器钠钙交换器（nana+ +-ca-ca2+2+ exchanger exchanger），属于反向协同运输体系，通），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。过钠钙交换来转运钙离子。maintains low cytosolic camaintains low cytosolic ca+ present in plasma and er membranes present in plasma and er membranes model for mode of action for ca+ at

24、pase conformation change 1 1、p-typep-type：利用：利用atpatp自磷酸化发生构象的改变来转移质子，自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的如植物细胞膜上的h h+ +泵、动物胃表皮细胞的泵、动物胃表皮细胞的h h+ +-k-k+ +泵泵（分泌（分泌胃酸）。胃酸）。 2 2、v-typev-type：存在于各类小泡：存在于各类小泡( (vacuolevacuole) ) 膜上，由许多亚膜上，由许多亚基构成，水解基构成，水解atpatp产生能量，但不发生自磷酸化，位于产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶溶酶体膜酶体膜、内体内体、植物液泡膜植物液泡膜

25、上。上。 3 3、f-typef-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成力势合成atpatp，也叫，也叫atpatp合酶，位于合酶，位于细菌质膜细菌质膜，线粒体内膜线粒体内膜和叶绿体的和叶绿体的类囊体膜类囊体膜上。上。三、质子泵三、质子泵 p113四、四、abc abc 转运器转运器 abcabc转运器转运器（abc transporterabc transporter）最早发现于细菌，属于一）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的atpatp结结合区（合区（atp

26、 binding cassetteatp binding cassette），故名），故名abcabc转运器。转运器。 每一种每一种abcabc转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。abcabc转运器还可转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。的发生和功能维护上具有重要的意义。mammalian mdr1 proteinmammalian mdr1 protein第一个被发现的

27、真核细胞的第一个被发现的真核细胞的abcabc转运器是多药抗性蛋白转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein, mdrmultidrug resistance protein, mdr），约），约40%40%患者的患者的癌细胞内该基因过度表达。癌细胞内该基因过度表达。abcabc转运器还与病原体对药物的转运器还与病原体对药物的抗性有关。抗性有关。 four types of atp-powered pumps五、协同运输五、协同运输cotransport p114 是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 物质跨膜运动

28、所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 动物细胞中常常利用膜两侧动物细胞中常常利用膜两侧nana+ +浓度梯度来驱动浓度梯度来驱动。 植物细胞和细菌常利用植物细胞和细菌常利用h h+ +浓度梯度来驱动浓度梯度来驱动。 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输 又 可 分 为 ：输 又 可 分 为 ： 同 向 协 同同 向 协 同 （ s y m p o r ts y m p o r t ） 与）

29、与 反 向 协 同反 向 协 同（antiportantiport）。）。 1 1、同向协同（、同向协同（symportsymport） 物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着的吸收伴随着nana+ +的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着随着h h+ +的进入。的进入。 2 2、反向协同（、反向协同（antiportantiport） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过常通过nana+ +/h/h+ +反向协同运输的方式来转运反向协同运输的方式来转运h h+ +，以调节细胞内以调节细