物质的跨膜运输——翟中和细胞生物学资料PPT学习教案

1、会计学1物质的跨膜运输物质的跨膜运输翟中和细胞生物学翟中和细胞生物学资料资料组分组分细胞内浓度细胞内浓度/（mmol . L-1）细胞外浓度细胞外浓度/（mmol . L-1）阳离子阳离子Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+7 10-8 （pH7.2）4 10-8 （pH7.4）阴离子阴离子Cl-5-15110固定的固定的阴离子阴离子高高0典型哺乳类细胞内外离子浓度的比典型哺乳类细胞内外离子浓度的比较较第1页/共50页第2页/共50页修饰修饰载体蛋白载体蛋白-通透酶（通透酶（permease）：）：既可被底既可被底物类似物竞争性地抑制，又可被某种抑制剂

2、非竞争性抑制以及对物类似物竞争性地抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依有依赖性等。赖性等。第3页/共50页浓度梯度转运质子。浓度梯度转运质子。第4页/共50页第5页/共50页第6页/共50页.第7页/共50页第8页/共50页第9页/共50页物质的物质的跨膜运输跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一是细胞维持正常生命活动的基础之一 第10页/共50页第11页/共50页 疏水的小分子疏水的小分子或小的不带电荷的或小的不带电荷的极性分子进行跨膜极性分子进行跨膜转运时，不需要细转运时，不需要细胞提供能量，也无胞提供能量，也无需膜蛋白的协助，需膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。因此称为简单扩

3、散。 不同小分子物质跨不同小分子物质跨膜转运的速率差异极膜转运的速率差异极大大不同分子的通透不同分子的通透系数有很大区别。系数有很大区别。人工脂双层膜对不人工脂双层膜对不同分子的相对透性同分子的相对透性 不同分子通过人工不同分子通过人工脂双层膜渗透系数脂双层膜渗透系数第12页/共50页第13页/共50页第14页/共50页第15页/共50页第16页/共50页学奖。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10种，被命名为水通道蛋白（种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）第17页/共50页第18页/共50页第19页/共50页概念：概念：u 各种

4、极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运。的跨膜转运。u 该过程不需要细胞提供能量，这与简单扩散相同，因该过程不需要细胞提供能量，这与简单扩散相同，因此两者都称为被动运输。此两者都称为被动运输。u 但在但在协助扩散协助扩散中，物质跨膜转运需要特异性的膜转运中，物质跨膜转运需要特异性的膜转运蛋白蛋白“协助协助” ，从而使其转运速率增加，转运特异性增，从而使其转运速率增加，转运特异性增强。强。第20页/共50页 用红细胞和肝细用红细胞和肝细胞设计葡萄

5、糖摄取实胞设计葡萄糖摄取实验，发现由验，发现由GLUT蛋蛋白所介导的细胞对葡白所介导的细胞对葡萄糖的摄取表现酶动萄糖的摄取表现酶动力学基本特征，与简力学基本特征，与简单扩散相比极大地提单扩散相比极大地提高了摄入速率。高了摄入速率。第21页/共50页实验还发现，不同的载体蛋白具有的实验还发现，不同的载体蛋白具有的转运特异性溶质的偏好性。转运特异性溶质的偏好性。第22页/共50页Fig. Fig. 驱动主动运输的三种类型驱动主动运输的三种类型第23页/共50页Fig. NaFig. Na+ +-K-K+ +泵的结构与工作模式示意图泵的结构与工作模式示意图1. 由由ATP直接提供能量的主动运输直接提

6、供能量的主动运输钠钾泵钠钾泵ATPATP催化位点催化位点结构：结构：（MW=120,000DaMW=120,000Da）+ +（MW=50MW=50,000Da000Da）NaNa+ +-K-K+ +泵泵功能：维持细胞内低功能：维持细胞内低Na+高高K+的离子环境的离子环境存在：一切动物细胞的细胞膜上，植物细胞、真菌、细存在：一切动物细胞的细胞膜上，植物细胞、真菌、细菌上没有。菌上没有。第24页/共50页1. 由由ATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输钙泵和质子泵钙泵和质子泵结构：与结构：与NaNa+ +-K-K+ +泵的泵的亚基同源亚基同源 MW=100,000DaMW=100,

7、000Da， 每一泵单位中有每一泵单位中有1010个跨膜个跨膜螺旋螺旋，其中，其中3 3个螺个螺 旋与跨越脂双层的中央通道相连。旋与跨越脂双层的中央通道相连。CaCa2+2+泵泵功能：在肌质网内储存功能：在肌质网内储存Ca2+调节肌细胞的收缩与舒张调节肌细胞的收缩与舒张工作原理：工作原理：Ca2+泵：是由泵：是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白。个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白。 Ca Ca2+2+泵工作与泵工作与ATPATP的水解相偶联，每消耗一个的水解相偶联，每消耗一个ATPATP分子转运出两个分子转运出两个CaCa2+2+。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将。钙泵主要

8、存在于细胞膜和内质网膜上，它将CaCa2+2+输出细胞或泵入输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离CaCa2+2+。在。在CaCa2+2+处于非处于非磷酸化状态时，磷酸化状态时，2 2个通道螺旋中断形成胞质侧结合个通道螺旋中断形成胞质侧结合2 2个个CaCa2+2+的空穴，的空穴，ATPATP在胞质侧与其结合位点结合，伴随在胞质侧与其结合位点结合，伴随ATPATP水解使相邻结构域天冬氨酸残基水解使相邻结构域天冬氨酸残基磷酸化，从而导致跨膜螺旋重排。跨膜螺旋的重排破坏磷酸化，从而导致跨膜螺旋重排。跨膜螺旋的重排破坏CaCa2+2+结

9、合位点并结合位点并释放释放CaCa2+2+进入膜的另一侧。进入膜的另一侧。第25页/共50页质子泵质子泵功能：建立功能：建立H+电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞种类种类（1 1）P P型质子泵：结构型质子泵：结构与与NaNa+ +-K-K+ +泵和泵和CaCa2+2+泵结构类似，在转运泵结构类似，在转运H H的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。（2 2）V V型质子泵：存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，型质子泵：存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，转运转运H H+ +过程中

10、不形成磷酸化的中间体，称过程中不形成磷酸化的中间体，称v v型质子泵，其功能是从型质子泵，其功能是从细胞质基质中泵出细胞质基质中泵出H H+ +进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性pHpH和细胞器内的酸性和细胞器内的酸性pHpH。 （3 3）H H+ + - ATP - ATP酶酶: :存在于线粒体膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜存在于线粒体膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，以相反的方式发挥生理作用上，以相反的方式发挥生理作用H H+ +顺浓度梯度运动，将所释放顺浓度梯度运动，将所释放能量与能量与ATPATP合成偶联起来：合成偶联起来：线粒体氧化磷酸化线粒体氧

11、化磷酸化叶绿体光合磷酸化叶绿体光合磷酸化第26页/共50页3.光驱动泵光驱动泵 光驱动泵主要在细菌细胞中发现，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联。第27页/共50页第28页/共50页同向转运 反向转运第29页/共50页第30页/共50页第31页/共50页第32页/共50页第33页/共50页胞吞作用胞吞作用液体物质胞饮泡固体物质吞噬泡胞吞泡胞吞泡1. 胞吞作用的类型胞吞作用的类型胞吞作用：胞吞作用：是通过细胞质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡，将是通过细胞质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡，将 外界物质裹进并输入细胞的过程。外界物质裹进并输入细胞的过程。第34页/共50页第35页/共50页第36页/共50页第3

12、7页/共50页第38页/共50页第39页/共50页第40页/共50页第41页/共50页载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型第42页/共50页同向转运同向转运Fig. 小肠上皮细胞吸小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图：收葡萄糖示意图：葡萄糖分子通过葡萄糖分子通过Na+驱动的驱动的同向转运方式进入上皮细同向转运方式进入上皮细胞；再经载体介导的协助胞；再经载体介导的协助扩散方式进入血液；扩散方式进入血液；Na+-K+泵消耗泵消耗ATP维持维持Na+在质在质膜两侧的电化学梯度。膜两侧的电化学梯度。第43页/共50页第44页/共50页第45页/共50页转运物转运

13、物接合素蛋白接合素蛋白转运物受体转运物受体有被小泡有被小泡细胞质基质细胞质基质脱包被转运泡脱包被转运泡脱包被脱包被GTP结合蛋白（结合蛋白（dynamin）网格蛋白包被网格蛋白包被膜泡形成膜泡形成有被小泡有被小泡 配体与膜上受体结合配体与膜上受体结合网格蛋白聚集在膜下一侧逐渐形成网格蛋白聚集在膜下一侧逐渐形成质膜凹陷（网格蛋白有被小窝）质膜凹陷（网格蛋白有被小窝）小分子小分子GTP （dynamin）在）在深陷有被小窝颈部组装成环深陷有被小窝颈部组装成环dynamin蛋白水解与其结合的蛋白水解与其结合的GTP引起颈部缢缩引起颈部缢缩脱离质膜脱离质膜形成网格蛋白有被小泡形成网格蛋白有被小泡几秒种后网格蛋白脱离有被小泡返回质膜附近重复使用几秒种后网格蛋白脱离有被小泡返回质膜附近重复使用脱包脱包被的囊泡与早胞内体融合被的囊泡与早胞内体融合将转运分子与部分胞外液体摄入细将转运分子与部分胞外液体摄入细胞胞通过网格蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图通过网格蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图第46页/共50页LDLLDL受体受体接合素蛋白接合素蛋白胞吞作用胞吞作用脱包被脱包被网格蛋白有被小泡网格蛋白有被小泡胞内体胞内体溶酶体溶酶体转运至转运至胆固醇等胆固醇等溶酶体溶酶体LDL受体受体返回质膜返回质膜细胞质基质细胞质基质动物细胞通过受体介导的胞动物细胞通过受体介导的胞吞作用