细胞膜物质跨膜运输课件

第四章细胞膜及物质的跨膜运输membraneandmembranetransport细胞膜（cellmembrane）：20世纪50年代后期，Duck大学的Robertson首次在电子显微镜下观察到细胞质膜的3层结构。是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜。生物膜：细胞质膜和细胞内膜统称为生物膜。

单位膜（unitmembrane）：电镜下，生物膜呈现的“暗-明-暗”的三层结构，叫单位膜

线粒体、叶绿体不属于内膜系统

1.含有自身DNA,功能活动和装配受到核DNA和自身DNA的共同调控，而内膜系统则不含DNA,功能活动和装配完全受核DNA的控制；

2.各种内膜之间可通过出芽和融合的方式进行交流，而线粒体和叶绿体不参加这种方式的交流。第一节生物膜的化学组成和分子结构Chemicalcompositionandmolecularstructureofmembrane第二节物质的跨膜运输membranetransport第三节质膜的特化结构和功能Specialstructuresandtheirfunctiononmembrane一胞膜的化学组成（一）膜脂：生物膜上的脂类统称膜脂。包括：磷脂、胆固醇和糖脂。是兼性分子。即它们有一个亲水的极性头部和一个疏水的非极性尾部组成。

1磷脂：是最重要的脂类

磷脂酰碱基胆固醇cholesterol

3糖脂：头部是糖基，尾部是烃链。半乳糖脑苷脂神经节苷脂（二）膜蛋白：

2镶嵌蛋白或内在蛋白：70%--80%与膜结合紧密，用去垢剂使膜崩解后才可分离。是膜功能的主要承担者。1外周蛋白或外在蛋白：20%--30%，表面，水溶性，通过非共价键与膜内在蛋白亲水部相连。1.Asingleahelix2.Multipleahelice3.bbarrel4.Viaamphipathicahelix5.Viaacovalently-linkedlipid6.ViaanoligosaccharidelinkertoPtdinst7,8.NoncovalentassociationwithothermembraneproteinsIntegralmembraneproteinsvsperipheralmembraneproteins二、Charactersofmembrane

生物膜的流动性生物膜的不对称性（一）生物膜的流动性（fluidity）1、膜脂分子的运动（流动性）：2、膜蛋白的分子运动（1）膜的侧向运动：人、鼠细胞融合实验（2）膜蛋白流动的区域性（3）胆固醇对膜流动性的作用：

运动方式：1、膜脂分子的运动（流动性）：侧向运动旋转运动左右摆动翻转运动（2）膜蛋白流动的区域性（3）胆固醇对膜流动性的作用：

胆固醇的板面结构特点决定了：

①有效阻止磷脂分子尾部碳氢链的相互聚集，从而降低了膜的流动性；②抑制了因温度变化而引起的相变，防止低温时膜流动性的突然降低。

生物膜的分子结构模型前序

1895年，Overton发现溶于脂类的物质容易穿膜，推测膜由脂类物质组成；

1925年，Gorter和Grondel将红细胞膜的脂类抽提出来，在水面上铺展发现聚拢后的面积为原来红细胞表面积的两倍；

1933年发现一些小分子易穿膜，推测膜上有一些小孔便于亲水性分子通过。夹层学说（双分子片层模型）

海胆卵实验：卵细胞表面张力比纯油低0.1N/cm21-3N/cm2

1935年，DanielliandDavson提出：细胞膜由连续的双层脂类分子组成，内外两侧蛋白质以静电作用与脂质分子相吸附，亲水头部在膜的内外两侧，尾部两两相对在中央；生物膜的分子结构模型生物膜的分子结构模型单位膜模型：20世纪50年代由英国伦敦大学的Robertson发现：动物,植物,微生物的细胞膜都呈现三层式结构：“暗－明－暗”，厚7.5nm.

磷脂双分子层构成膜的主体，极性头向外，尾位于中央，内外致密层相当于脂类分子头和蛋白质分子，明：脂类分子的疏水端。单位膜模型的缺陷膜结构并不是静止不变的；各种膜的属性和功能各不相同，并没有不变的同一性；各种膜厚度不一，有的10nm，有的5－6nm；提取膜蛋白的难易程度不同；膜蛋白与脂类的比率不同。流动镶嵌模型Fluidmosaicmodel1972年，SingerandNicolson提出：

①镶嵌性：基本结构由以磷脂双分子层镶嵌蛋白质构成，双层脂分子以尾相对，头朝向膜外水相；②流动性：构成膜的蛋白质和脂类不断发生变化；③不对称性：膜的内外侧的分子结构和性质不同；④蛋白质的极性：膜整合蛋白的极性区在外侧，非极性区在内部。生物膜的分子结构模型Membranetransport物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。小分子物质的穿膜运输大分子物质的膜泡运输第二节小分子物质的跨膜运输被动运输：主动运输：一被动运输（passivetransport）

定义：通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供能量。类型：简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）膜转运蛋白：

载体蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性质； 介导被动运输与主动运输。

通道蛋白（channelproteins）——具有离子选择性，转运速率高；离子通道是门控的；只介导被动运输

膜的通透性：细胞膜允许某些物质穿过的性质。

脂溶性越大的分子越容易透过细胞膜；

小分子比大分子容易穿膜；

带电荷的分子容易穿膜；（一）.选择性通透选择性与简单扩散简单扩散（simplediffusion）

：一些物质不需要膜蛋白的帮助，能顺浓度梯度自由扩散，通过膜的脂双层这种跨膜的运输形式，称为单纯扩散。V（二）膜蛋白介导的被动跨膜运输－协助扩散

协助扩散(facilitateddiffusion)：一些非脂溶性分子（或亲水性）的物质需借助膜上的转运蛋白的帮助，才能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散，这种运输方式称为协助扩散。小分子物质跨膜运输被动运输主动运输简单扩散协助扩散载体蛋白介导通道蛋白介导膜运输蛋白（transportprotein)：介导较大的极性或带电的分子跨膜运输的膜蛋白，称为膜运输蛋白。

1.载体蛋白（carrierprotein）：能与特异性的分子结合，然后通过其自身构象的变化而允许该分子进行跨膜运输的蛋白，叫载体蛋白。

特点：较高的结合特异性；饱和现象；竞争性抑制；主动被动运输葡萄糖载体蛋白由12个α-螺旋，多次跨膜并相互吸引靠拢，形成球形蛋白质分子。

2.通道蛋白（channelprotein）：是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，又称离子通道。运输的特性物质运输的速度快对离子通透具有高度选择性；大多数通道有闸门控制；通道蛋白只介导被动运输

A电压闸门离子通道B配体闸门离子通道A电压闸门离子通道（voltage-gatedchannel)

是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其它刺激引起膜电位变化时，导致其构象变化，门打开。S4段是电压感受器，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。瞬间开放，然后失活，N端的球形结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球体释放，“门”处于关闭状态。

钾离子通道B配体闸门离子通道ligand-gatedchanne

乙酰胆碱受体这类通道在其细胞内外有特定的配体与膜上的受体发生反应，引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化，结果使门打开当受体的两个α亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。

Ach释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。

神经肌肉接点由Ach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Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。

三主动运输

主动运输（activetransport)在介导蛋白的帮助下，使物质逆浓度梯度或电化学梯度跨膜运输，且消耗能量．

类型：离子泵协同运输主动运输的意义保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必需的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中的浓度很低；能够将细胞内的各种物质排到细胞外，即使这些物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高；能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度。主动运输的特点逆浓度梯度；依赖于膜运输蛋白；需要代谢能；具有选择性和特异性1.离子泵（1）组成：是由2个大亚基（α）、2个小亚基（β）组成的4聚体。大亚基：多次穿膜的跨膜蛋白，胞质面具有一个ATP结合位点、三个高亲和Na+接合位点；膜的外表面有两个K+的结合位点和一个哇巴因（乌本苷）的结合位点。通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。乌苯苷能抑制心肌细胞Na+-K+泵的活性；从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。Na+—K+—ATP酶：又称Na+—K+泵，动物细胞中由ATP驱动的将Na＋输出到细胞外同时将K＋输入到细胞内的运输泵。胞内Na+低于胞外10-20倍胞内K+高于胞外10-20倍泵在膜内侧Na+与酶结合激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化与Na+结合的部位转向膜外侧在膜外侧释放Na+、而与K+结合K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状使K+在膜内被释放，而又与Na+结合消耗1ATP，运出3个钠离子，运入2个钾离子Na+-K+泵的作用：维持低Na+高K+的细胞内环境①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②物质吸收；③细胞内高K＋是核糖体合成蛋白质和糖酵解过程中重要酶活动的必要条件；④维持细胞的静息电位。H+—ATP酶：

在质膜或某些细胞器膜上存在的能水解ATP提供能量使H+逆浓度梯度运转的膜蛋白，又称质子泵

在线粒体和叶绿体中的质子泵能参与ADP合成ATP；

在溶酶体膜上的质子泵，则保持溶酶体内高酸度环境。胃壁细胞顶部膜上的H+—ATP酶，能维持胃内容物的酸性。Acidificationofthestomachlumenbyparietalcellsinthegastriclining.Ca2+--ATPase钙离子泵对于细胞是非常重要的，因为钙离子通常与信号转导有关，钙离子浓度的变化会引起细胞内信号途径的反应，导致一系列的生理变化。通常细胞内钙离子浓度显著低于细胞外钙离子浓度2协同运输cotransport：A物质的逆浓度运输依赖于B物质的顺浓度运输，即B物质在经细胞的主动转运后建立了膜两侧的浓度梯度，储存在这一梯度中的能量可与进行耦联转运的蛋白相联系来完成A物质的跨膜运输。

同向协同运输symport如与Na+耦联的葡萄糖或氨基酸的转运

逆向协同运输antiport如Na+-Ca2+和Na+-H+交换体

Na+驱动的Cl--HCO3－交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流Na+-linkedsymportersimportaminoacidsandglucoseintomanyanimalcells小结：小分子跨膜运输不需能量,高浓度→低浓度需能量,低浓度→高浓度不需运输蛋白---简单扩散需运输蛋白---易化扩散载体通道直接利用ATP---ATPase间接利用ATP---协同运输PassivetransportActivetransportSimplediffusion特点：–①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散–②不需要提供能量；–③没有膜蛋白的协助。Facilitateddiffusion特点：①比自由扩散转运速率高；②特异性；饱和性。•载体：离子载体和通道蛋白两种类型。Passivetransport－－不需能量，顺梯度。Activetransport的特点是：–①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；–②需要能量；–③都有载体蛋白。•主动运输所需的能量来源主要有：–①协同运输中的离子梯度动力；–②ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；§4.3大分子和颗粒物质的跨膜运输一、细胞内吞作用endocytosis又叫入胞作用，是通过质膜的变形运动将细胞外物质转运入细胞内的过程。（一）吞噬作用phagocytosis在摄入颗粒物质时，细胞部分变形，使质膜凹陷或形成伪足将颗粒物质包裹摄入细胞。如：原生生物的变形虫、阿米巴

在哺乳动物中，白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害吞噬作用（二）吞饮作用pinocytosis：细胞摄入溶质或液体的内吞作用。溶质接触胞膜→膜下陷→小窝→小泡

液相内吞：非特异性细胞吞入细胞外液的方式

吸附内吞：先吸附到细胞表面，后被摄入细胞内。该方式有一定的特异性，如：阳离子铁蛋白的摄入胞饮作用（三）受体介导的内吞作用receptor-mediatedendocytosis

细胞通过膜上的受体与被摄入的蛋白或化合物结合进而将它们运输到细胞内的过程。

LDL的结构受体介导的低密度脂蛋白(low-densitylipoprotein,LDL)内吞作用LDL受体：是一种糖蛋白，由839个氨基酸组成，5个结构域，N-结构域可识别LDL并与之结合。衣被的化学基础：①

三腿蛋白复合物由三个网格蛋白（clathrin）和三个较小的多肽，另有调节素；②

有许多三腿复合物构成五边形或六边形的网格样结构，覆于有被小泡或有被小窝的胞质面，形成衣被。③

作用：提供钳制脂膜的机械粒，导致有被小窝的下凹；也有助于捕获膜上的特异受体及与之结合的被转运分子。Clathrin衣被小泡的掐断过程Aclathrin-coatedpitonthecytosolicfaceofPM过程：CoatedpitCoatedvesicelLDLparticlesinearlyendosome6minafterbeingaddedtocellsFissionofaCoatedvescle家族型高胆固醇血症：LDL受体缺陷所致。膜受体引起的疾病又叫受体病。常染色体显性遗传疾病，人群发生比例为1:500，其特征为