生物膜物质运输省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第三章跨生物膜物质运输

细胞膜是细胞与外环境之间一个选择性通透屏障，它即能保障细胞对基本营养物质摄取，代谢废物排泄和细胞内离子浓度调整，又能维持相对稳定内环境，所以物质跨膜运输对细胞生存和生长至关主要。物质经过细胞膜转运有三种路径：被动运输、主动运输、胞吞和胞吐作用1第1页

细胞内外各种化学物质是不均匀，有一定浓度梯度。依据物质跨膜运输方向和机制，能够将其分为：被动运输（顺着浓度梯度，不消耗能量）1穿过脂双层简单扩散2易化扩散3经过蛋白质组成水溶形通道简单扩散主动运输(逆浓度梯度，消耗能量)2第2页一.溶质能力学扩散是物质由高浓度区域向低浓度区域运动自发过程，它倾向于消除该物质在两区域浓度差。扩散是熵增加驱动放能过程。当物质分子跨膜扩散时，其自由能改变是依赖膜两侧该物质分子浓度梯度。3第3页当非电解质溶质进入细胞时其自由能改变为：△G=RTln[Ci]/[Co]=2.303RTlog10[Ci]/[Co]△G=5.9J/mol×log10[Ci]/[Co][Ci]/[Co]＜1.0，△G＜0，热力学上有利于该溶质内流。例:膜外侧是膜内侧浓度10倍，△G=-5.9J/mol维持10倍差浓度梯度就意味着储存5.9J/mol自由能。当溶质内流，其浓度梯度降低，△G降低，直至平衡，△G=0。4第4页当带电荷电解质跨膜内流时，自由能改变就不但依赖于膜两侧溶质化学浓度梯度，而且还依赖于膜两侧带电荷情况差异造成膜两侧电势梯度。两种跨膜梯度总称电化学梯度。

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当电解质跨膜进入细胞，其自由能改变为：△G=RTln[Ci]/[Co]+ZF△Em跨膜化学浓度梯度和膜电位之间共同作用决定着电解质溶质跨膜扩散方向和能力。6第6页扩散:浓度梯度:CoCi7第7页8第8页

就生物膜而言，溶质能否自发进行扩散还取决于生物膜对某一溶质是否能够通透以及通透能力大小。所以决定生物膜对物质通透能力原因为：驱动力起源：膜两侧电化学梯度差。生物膜对某一溶质通透能力9第9页二.经过脂双层简单扩散

对于一些小非极性疏水性气体分子，如O2、N2及小不带电荷极性分子，如CO2、H2O、乙醇、乙二醇、尿素等能够经过简单扩散方式经过双层脂分子形成膜，这些物质从膜高浓度侧扩散到低浓度一侧，是一个放能过程，不需要消耗代谢能量，自由能在扩散中降低，此过程符合Fick定律。10第10页11第11页12第12页Fick第一定律：D：扩散系数对于一维情况：J

通量：单位时间内经过单位膜面积溶质量13第13页简单扩散几个特征：没有饱和性没有特异性对抑制剂不敏感生物膜对溶质分子简单扩散速率与人工膜一致14第14页cocicm1cm2dJ通透系数膜厚度膜水油分配系数15第15页三.易化（促进）扩散

极性分子，如葡萄糖简单扩散通透系数很小，难以透过生物膜，而实际通透性很大，这需要膜上载体蛋白帮助，称为易化扩散／促进扩散。载体是蛋白质成份，因为易化扩散很多方面很象酶促反应，因而载体也称为通透酶。和简单扩散一样，易化扩散也是顺着浓度梯度扩散。16第16页易化扩散过程：

结合变构释放17第17页CoJmaxJmax/2km易化扩散简单扩散18第18页易化扩散特点：1饱和性2快于简单扩散3对底物特异性4对抑制剂敏感竞争性抑制剂，Jmax不变，K变大非竞争性抑制剂，如蛋白变性剂，Jmax变小，K不变5能够被调整进行易化扩散运输小分子物质：极性小分子：单糖，氨基酸，碱基等19第19页葡萄糖跨膜运输和调控全部动物细胞均利用血液中葡萄糖作为主要能源，葡萄糖顺浓度梯度运输是经典易化扩散。哺乳动物最少有五种不一样形式葡萄糖转运蛋白。红细胞：GLUT1小肠上皮细胞：GLUT2平滑肌、心肌和脂肪细胞：GLUT420第20页胰岛素调整：胰岛素促进肌肉细胞和脂肪细胞摄取葡萄糖21第21页四.离子跨膜扩散---离子通道脂双层组成生物膜关键，因为其高疏水性，对于离子是不通透，不过这些离子跨膜运动和传导，对许多细胞生理功效起关键作用，如神经冲动、细胞分泌、肌肉收缩等。

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至今，科学家已判定出各种离子通道，它们是由膜内在蛋白围成含有被动转运功效水溶性通道。多数离子通道是搞选择性,一个离子通道只允许一个特定类型离子自由扩散，这种蛋白质称为离子通道蛋白。特点：需载体蛋白帮助驱动力为电化学梯度无饱和现象非常快23第23页离子通道分类按转运离子分类：

Na+通道,K+通道,Ca2+通道，Cl-通道，阳离子通道，阴通道按门控机制来分类：

电压门控通道配体门控通道机械门控通道24第24页25第25页五.生物膜对水通透性半透膜:

水分子能快速透过生物膜，而极性溶质分子几乎不透过生物膜，所以可把生物膜看作半透膜（溶剂可透膜而溶质不透膜）。渗透:

水经过半透膜现象叫作渗透。水从溶质浓度低一侧向溶质浓度高一侧渗透，水净流动直到膜两侧溶质浓度相等时才停顿。26第26页水净流动是膜两侧溶液渗透压存在差异引发。渗透压：半透膜隔开纯水和含有溶质溶液之间压强差。膜两侧溶液渗透压不一样时，水从低渗一侧向高渗一侧净流动。

27第27页Van’tHoff定律计算渗透压Π=CRTΠ：渗透压，PaC:浓度，mol/LT：绝对温度等渗溶液，高渗溶液，低渗溶液

0.15mol/LNaCl红细胞，不一样细胞不一样28第28页J为水通量，A为膜表面积，dV/dt细胞体积膨胀速率K：渗透系数水渗透作用：JπoutπinJ=dv/dt=kA(π)29第29页六.主动运输生物膜两侧环境往往维持着不对称性，从而建立一定浓度梯度，这对于细胞有其生理意义。被动运输过程都是顺着浓度梯度进行，其结果使这种不对称性消除。故而需要一个逆浓度梯度运输来将其平衡，从而不对称性得以维持。这种逆浓度梯度运输就是主动运输。如同易化扩散，主动运输也需要蛋白质参加;与易化扩散不一样，主动运输需要消耗能量。30第30页细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突369443913498520

离子不对称分布对细胞兴奋、肌肉收缩、物质跨膜运输、渗透压平衡、蛋白质合成等生理功效非常主要。31第31页按能量起源分类：ATP驱动主动运输电子传递链驱动主动运输

（线粒体高能电子释放能量）协同输运

（能量起源于另一个物质浓度梯度）

32第32页1.ATP驱动主动运输（ATP-drivenactivetransport）

这类主动运输都需要水解ATP来为物质逆浓度梯度运输提供能量，推进这类运输蛋白质本身都是ATPase，这些ATPase又被称为“泵”。33第33页

早期研究证实了这些泵存在，用2.4二硝基苯酚抑制有氧代谢，ATP生成受阻，细胞内离子浓度逐步靠近外环境中离子浓度，最终细胞死亡。

34第34页每个细胞需要利用有效能量一部分来维持Na+、K+、Ca2+跨细胞膜浓度梯度，比如：神经和肾细胞用于运输离子能量大于ATP产能25%；人红细胞运输离子能量大于ATP产能50%；细胞还利用离子顺其跨膜浓度梯度输运时释放能量，同时使另一个分子逆其跨膜浓度梯度运输。35第35页ATP驱动离子泵分类：P类：运输离子，离子泵Na+-K+ATPaseNa泵,Ca2+--ATPaseCa泵（质膜和内质网）

经过蛋白磷酸化，改变构象。F类和V类：运输H离子，不包含蛋白磷酸化过程。ABC运输载体超家族：运输小分子和离子。36第36页37第37页（a）P型泵两个α亚基和两个β亚基，运输离子过程，必须一个亚基被磷酸化及构型改变，耦联Na+、K+、Ca2+经过膜。

38第38页

P类离子泵主要包含:质膜Na+/K+ATPase，质膜Ca2+ATPase和内质网Ca2+ATPase，存在于胃上皮等酸分泌细胞H+/K+ATPase.

39第39页P类离子泵“P”字表示磷酸化，即在泵作用中，ATP水解，输运蛋白磷酸化引发其构象改变，改变载体蛋白对被输运离子亲和力，使离子被输运。40第40页Na+/K+ATPase:质膜上，4个亚基生理功效：建立离子浓度梯度41第41页Na+/K+ATPase工作过程：42第42页（b）F型、V型泵结构彼此相同，比P型泵更复杂。F型：在细菌质膜和真核细胞线粒体和叶绿体。利用H+跨膜电化学梯度，促使质子从非胞浆面“顺坡”流向胞浆面，释放自由能被利用合成ATP。相反，假如把F型质子泵组装到人工脂质体中，在外加ATP条件下，质子能够经过F型离子泵进行逆电化学梯度跨膜运动。43第43页V型泵：用于维持植物细胞液泡和动物细胞溶酶体膜、破骨细胞等浆膜上，利用ATP水解释放能量，使质子逆电化学梯从胞浆泵入到细胞器腔中，酸化这些腔，保持低pH值。44第44页（c）ABC运输载体超家族：

在从细菌到人广泛搜寻中，发觉100各种ABC超家族型输运蛋白质。共同特点：有ATP结合位点运输物质有特异性，包含氨酸、糖、无机离子、多糖。这类蛋白与免疫系统相关，与细胞抗药性相关，因长久服药，有些ABC输运载体在细胞中大量表示，把这些药品泵出细胞，使细胞产生抗药性。45第45页

全部ABC蛋白含有一个共同结构：2个跨膜区，形成被转运分子通道，每个区含六个跨膜α螺旋2个胞浆中ATP结合区。46第46页

各种ATP驱动泵都有一个或多个ATP结合点，总在膜胞浆面，即使这些蛋白被称为ATP酶，但只在运输离子或其它分子时，它们才使ATP水解成ADP和Pi。因为ATP水解与运输功效紧密耦联，磷酸键贮存能量被充分利用，使离子或其它分子逆其电位或浓度梯度移动。这么就保持住细胞内、外Na+、K+、Ca++、H+浓度梯度。47第47页2.电子传递链驱动主动运输

电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，这是线粒体氧化磷酸化偶联作用关键步骤。在线粒体内膜上，复合物I（NADH脱氢酶）、复合物III（细胞色素bc1）、复合物IV(细胞色素c氧化酶)作为质子泵将质子泵至膜间隙。48第48页49第49页质子驱动力（proton-motiveforce）

电子沿着线粒体内膜呼吸链传递过程中，释放出来自由能驱动质子从基质逆浓度梯度跨膜进入膜间隙，产生了线粒体内膜两侧质子浓度梯度。线粒体内膜两侧电化学势包含两方面：线粒体内膜两侧质子浓度梯度，即pH梯度；和膜两侧电位梯度。其总能势称为质子驱动力（Δp，单位为mV）。50第50页51第51页

电子传递反应、光照射、或ATP水解产生能量以这种电化学梯度形式贮备。52第52页

3.协同输运(Cotransport)

能量来自膜两侧离子浓度梯度。一个离子顺浓度梯度输运，释放出来自由能驱动另一个离子或分子逆浓度梯度输运。同向协同：物质运输方向与离子移动方向相同，如小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸。（Na+从细胞外进入细胞内，葡萄糖从细胞外进入细胞内）53第53页逆向协同：物质运输方向与离子移动方向相反,如细胞Na+/H+交换以提升细胞内pH值（Na+从细胞外进入细胞内，H+从细胞内运出细胞）54第54页GlucoseNa+H+Na+细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突36944391349852055第55页例1.Na+/葡萄糖同向运输662个氨基酸蛋白质氨基和羧基末端在胞浆中14个跨膜α螺旋C末端5个α螺旋形成葡萄糖通路蛋白质剩下部分可能是使结合Na+转运耦联所需蛋白质在胞外侧有2个Na+离子和一个葡萄糖分子结合位点，结合它们后蛋白质构像发生改变，Na+离子和一个葡萄糖同时释放到胞内，蛋白质恢复原状。56第56页57第57页58第58页59第59页在肾小管上皮细胞有第二种Na+/葡萄糖同向运输蛋白，它是使一个Na+和一个葡萄糖分子同向运输蛋白质，有很高运输速率，但葡萄糖浓度梯度不太大，细胞内比细胞外约高100倍，是该上皮细胞重吸收葡萄糖功效。60第60页例2

Na+/Ca2+反向输运

心肌细胞中

Na+/Ca2+反向输运蛋白功效是由Na+顺浓度梯度进入细胞时释放能量，驱动Ca2+逆浓度梯度运出细胞，降低心肌收缩力。运进3个Na+，运出一个Ca2+。细胞外Ca2+离子浓度比细胞内大10000倍。

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临床上惯用一些药品，比如地高辛，处理充血性心力衰竭。因为这些药品抑制Na+/K+ATPase运输Na+、K+功效，细胞内Na+浓度增加，Na+跨膜浓度梯度降低，因而，Na+/Ca2+反向输运功效效率降低，细胞内Ca2+增加，使心肌收缩力加强。62第62页例3Cl-/HCO3-反向运输

红细胞膜上有带三蛋白（内在蛋白），它将Cl-和HCO3-一对一反向运输，HCO3-顺浓度梯度，无静电荷移动，维持细胞膜运输电中性。63第63页64第64页第二节生物大分子跨膜运输细胞与环境之间，细胞器与胞浆之间广泛、频繁地进行着生物大分子流通。普通而言，生物大分子不能经过上述被动或主动运输过程进行跨膜转运，而需要经过特殊内吞作用或胞吐作用来摄取或分泌生物大分子。有些细胞器上有一些尤其孔道允许一定大小生物大分子经过。65第65页胞吐作用exocytosis内吞作用endocytosis基本分泌路径(constituticsecretorypathway)调整分泌路径(regulatedsecretorypathway)吞噬作用(phagocytosis)胞饮作用(pinocytosis)受体介导吞噬作用(receptor-mediatedphagocytosis)66第66页胞吐作用：基本分泌路径调整分泌路径67第67页68第68页基本分泌路径:囊泡没有特殊靶向信号，许多蛋白质由内质网合成后，连续、成批输送到高尔基体，然后形成包含这些蛋白质囊泡，并经过胞浆连续稳定地输运到质膜，在释放分泌蛋白到胞外同时，囊泡膜蛋白和膜脂补充到质膜上，全部真核细胞都含有基本分泌路径。69第69页二.调整分泌路径

这些分泌囊泡先转运和储存于细胞质膜附近，只有当特殊刺激（激素或电脉冲）作用于细胞后，这些待排囊泡快速移至质膜，将对应分泌蛋白排到细胞外。这类路径主要发生在合成一些尤其分泌蛋白细胞中，如胰岛细胞分泌胰岛素和消化酶，神经细胞分泌神经递质。这类调整分泌囊泡普通由笼形蛋白包被。70第70页内吞作用：吞噬作用（巨噬细胞吞噬细菌和抗原）胞饮作用受体介导内吞作用71第71页三.吞噬作用

经过形成大吞噬体来消化细菌和细胞碎片这么大颗粒。大颗粒首先结合到吞噬细胞表面，这种结合往往借助于特异细胞表面受体，一旦结合到受体，刺激细胞质膜卷席颗粒形成吞噬体进入细胞，然后吞噬体与溶酶体融合，所吞噬颗粒被消化，可利用分子被输运到胞浆，不能消化物质留在溶酶体内，形成残余小体。72第72页73第73页图74第74页四.胞饮作用全部真核细胞都能进行胞饮，这是一个基本连续发生液相吞饮过程。当小面积质膜内陷形成吞饮泡时，少许细胞外液被包裹在小泡中而被摄入胞内。75第75页76第76页五.受体介导内吞作用

大多数动物细胞能选择性从胞外吞饮一些大分子，如一些激素、胆固醇、某些酶和毒素分子。这个过程是由细胞表面受体介导。一旦大分子特异地结合到受体上，受体-大分子复合物聚集到笼形蛋白包被有被小窝中，然后形成笼形蛋白胞被吞噬泡，进入细胞内。77第77页

研究最清楚受体介导内吞作用是哺乳动物细胞摄取胆固醇过程。78第78页

血液中低密度脂蛋白（LDL）颗粒结合较多胆固醇，（每个LDL颗粒约包含1500个胆固醇分子），当动物细胞需要摄取胆固醇参加膜合成时，细胞就产生LDL受体并插入质膜。79第79页

一旦LDL脂蛋白与LDL受体结合，LDL-受体复合物聚集在有被小窝中，然后形成有被小囊进入细胞内。然后脱去胞被与胞内体融合，在胞内体酸性环境中，受体构象发生改变，LDL颗粒与其受体分离并分开包入不一样小囊中。80第80页

所形成含有LDL晚期胞内体与初级溶酶体融合，形成次级溶酶体，在高酸性溶酶体中，LDL被水解释放出游离胆固醇分子，进入胞浆参加新膜合成。而含有LDL受体小囊泡运回质膜，LDL受体再循环使用。81第81页细胞摄取胆固醇过程82第82页

许多病毒颗粒也经过受体介导内吞过程进入细胞。即使细胞本身没有对应病毒受体，不过，细胞膜上一些受体误认了与其配体分子结构相同病毒表面蛋白，从而使病毒有机会结合到细胞表面而被内吞进细胞内。83第83页第三节跨膜运输医学生物学意义一.有几个严重遗传疾病与编码离子通道蛋白基因突变相关，影响离子跨过肌肉和神经细胞质膜运动。比如:细胞囊性纤维化是最常见离子通道遗传病，是上皮细胞离子通道缺点结果。

84第84页L型钙通道蛋白相关基因CACNLIA3发生突变，通道失活功效异常，引发骨骼肌兴奋-收缩偶联减弱，产生肌肉收缩无力而麻痹。有些维持跨膜离子浓度离子泵或运输蛋白质先天异常，对Na、K、Ca离子通透异常，出现先天性球形红细胞，造成溶血性贫血。85第85页许多生物合成细胞毒性物质，破坏膜结构在膜上形成亲水性通路，使离子能自由出入。比如：病源性葡萄球菌产生水溶性蛋白质α毒素，它接触脂质时凝聚成疏水性环六面体，可在膜内形成宽为2nm亲水性孔。河豚毒素阻断钠通道，所以阻断了神经纤维上动作电位传导功效。86第86页硝苯地平抑制钙内流，松弛血管平滑肌，扩张周围小动脉，使血压降低。对物质跨膜运输机制研究有利于对生命活动本质认识，对疾病进行诊疗和治疗。87第87页第四节细胞自稳作用

生物自稳作用是生命最主要特征之一，肌体整体自稳作用是:

细胞自稳作用细胞间组织系统自稳作用两个自稳作用相互作用与协调来到达

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细胞自稳作用意义:各个细胞本身含有调整细胞内环境能力和作用,以有利于实施其生理功效和对应细胞外环境改变.

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细胞自稳作用是各种输运机制以及输运机制相连细胞浆内各种反应整合，所以，比个别输运机制要复杂得多。90第90页一.体积调整：

当淋巴细胞从等渗溶液转到低渗溶液时，细胞发生原初反应是水进入细胞，细胞体积快速膨胀，以到达渗透压平衡，然而，细胞会随之进行体积减小调整，大约10分钟后，细胞体积逐步恢复到靠近原来大小。91第91页

假如这时把细胞又转到等渗溶液中，细胞与前面相反原初反应，水从细胞排出，细胞体积快速缩小，恢复渗透压平衡，随之细胞则进行大约10分钟体积增大调整，使之恢复到靠近原先等渗状态时体积。92第92页许多细胞都能够响应外环境改变，首先快速发生原初反应，造成体积改变，然后再发生调整反应，使细胞体积恢复到原来大小不过，发生调整反应要比原初反应慢得多。93第93页

调整反应是经过溶质浓度改变和随之发生水渗透输运结果。

存在若干不一样路径，以改变细胞内溶质浓度并造成细胞体积改变，如经过细胞内化学合成和降解细胞内溶质或经过改变跨膜输运一些步骤调整胞内溶质浓度。94第94页

当然，不一样细胞采取了不一样调整路径来调整细胞体积。不论哪种调整机制，细胞都必须能够感受到细胞体积改变，或者说存在体积改变感受器。许各种类细胞存在特殊张力门控通道。当细胞体积改变时，细胞质膜发生改变，膜上张力门控通道被打开，离子经过通道流动，调整胞内离子浓度。这种通道对阳离子是通透，但没有很高选择性。另外还存在一些对张力敏感离子泵。还要指出是细胞体积改变，必定引发胞内全部离子浓度改变，所以，一些离子浓度改变会同时作用于其它调控机制，诱导一些赔偿或调控反应。95第95页二.细胞内PH调整

真核细胞胞浆pH受到严格地控制，通常7.0-7.4为适宜，一些病变细胞pH会发生改变。另首先，一些细胞（如酸分泌细胞）或细胞器（如溶酶体）需要特殊pH条件。pH调整是确保细胞内环境自稳主要方面。96第96页细胞内PH主要是经过

各种膜离子转运系统

细胞内缓冲系统来维持。97第97页

细胞内存在着几对主要含有缓冲作用物质，即HCO/HCO、HPO/HPO以及一些蛋白分子。

参加PH调整离子转运系统有：

Na/H反向转运载体

Cl/HCO反向转运载体

Na依赖Cl/HCO反向转运载体

H-ATPAase

98第98页（1）Na/H反向转运载体广泛分布于各类动物细胞。在生理条件下，Na/H反向转运是依赖于向内Na+梯度，把H+转运到细胞外。许多试验证实，Na/H反向转运是可逆，即依赖于主动运输建立质子推进力，把Na+向胞外输运。