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1、第五章 物质的跨膜运输,细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除，又能调节细胞内的离子浓度，使细胞维持相对稳定的内环境。物质通过细胞膜的转运主要有三种途径:被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。,第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白 活细胞内外的离子浓度是明显不同的，Na+是细胞外最丰富的阳离子，而K+是细胞内最丰富的阳离子。这种离子差异对于细胞的存活和功能至关重要。细胞内外的离子差别分布主要由两种机制所调控：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性；二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。除了脂溶性
2、分子和不带电荷的分子能以简单扩散方式通过外，脂双层对绝大多数溶质分子和离子是高度不透的。几乎所有小的有机分子和带电荷的无机离子的跨膜转运，都需要依靠一套特殊的膜转运蛋白。膜转运蛋白可分为两类:一类是载体蛋白，另一类是通道蛋白。二者之间的主要不同在于它们以不同的方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷进行辨别。载体蛋白只容许与其结合部位相符合的溶质分子通过，且其每次转运都发生自身构象的改变。,典型动物细胞内外离子浓度的比较,*表中给出的Ca2+和Mg2+的浓度是游离存在于胞质溶胶中的浓度；Mg2+在细胞中的总浓度 为2mM，Ca2+则是1-2mM.但它们大多是与蛋白质结合在一起的，Ca2+则
3、存在于细胞器中。*指细胞内存在的带负电的有机分子，它们不能通过细胞质膜。,(一)载体蛋白及其功能 载体蛋白是几乎所有类型的生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。细胞的不同的膜各含有一套与该膜功能相关的不同的载体蛋白，如质膜有输入营养物质的载体蛋白，线粒体内膜具有输入丙酮酸和ADP以及输出ATP的载体蛋白。载体蛋白和酶一样有特异性结合位点，可同特异性底物(溶质)结合，具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子或离子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征。与酶不同的是载体蛋白对转运的溶质分子不作任何共价修饰。,(二
4、)通道蛋白及其功能 通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道。对离子的选择性依赖于离子通道的直径和形状以及通道内衬带电荷氨基酸的分布，所以它不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。目前发现的通道蛋白已有100余种，普遍存在于各种类型真核细胞的质膜以及细胞内膜上。有些通道蛋白在革兰氏阴性细菌的外膜、线粒体或叶绿体的外膜上形成非选择性的通道(如孔蛋白)，但绝大多数的通道蛋白是形成有离子选择性的、门控的跨膜通道，也称为离子通道。,与载体蛋白相比，离子通道具有3个显著特征:一是具有极高的转运速率。转运动力来自溶质的浓度梯度和跨膜电位差两种力的合力，即跨膜的电化学梯度，运输的方向顺电化学梯度进行
5、；二是离子通道没有饱和值；三是离子通道并非连续性开放而是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，受控于适当的细胞信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在应答膜电位变化、化学信号或压力刺激后，跨膜的离子通道才能开启。根据激活信号的不同，离子通道又区分为电压门通道、配体门通道和应力激活通道。,二、被动运输与主动运输 被动运输是指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，不需要细胞提供代谢能量。(一)简单扩散 小分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入另一侧，其结果是分子沿着浓度梯度降低的方向转运。疏水的小分子或小
6、的不带电荷的极性分子进行跨膜转运时，不需要细胞提供能量以及膜转运蛋白的协助，因此称为简单扩散。不同的小分子物质跨膜转运的速率(取决于分子大小和分子的极性)差异极大。,不同物质透过人工脂双层的能力,(二)水孔蛋白：水分子的跨膜通道 水孔蛋白(AQP)是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织细胞中，提供了水分子(只容许水分子)快速跨膜通道。,(三)协助扩散 协助扩散是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的跨膜转运，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。但在协助扩散中，物质跨膜转运需要特异的膜转运蛋白“协助”，从而使其转运
7、速率增加，转运特异性增强。协助扩散具有以下的特征:1、协助扩散比简单扩散转运速率高。2、与酶催化反应相似，存在最大转 运速率(Vmax)。3、不同载体蛋白对溶质的亲和性不 同，具转运特异性溶质的偏好性。,(四)主动运输 主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。转运的溶质分子其自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相耦联。根据主动运输过程所需能量来源的不同，可分为由ATP直接提供能量(ATP驱动泵)、间接提供能量(耦联转运蛋白)和光能驱动三种基本类型。主动运输普遍存在于动植物细胞和微生物细胞中。,1、ATP驱动泵：ATP驱动泵是A
8、TP酶，直接利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动。这种主动运输是一种耦联的化学反应，即需要能量过程与释放能量过程相耦联。由于直接利用水解ATP提供能量，所以又称初级主动运输。2、耦联转运蛋白：介导各种离子和分子的跨膜运动。这类转运蛋白分为同向转运蛋白和反向转运蛋白2种基本类型。这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度梯度的运动与一种或多种不同离子顺浓度梯度的运动耦联起来。由于能同时转运两种不同溶质，所以又称为协同转运蛋白。协同转运蛋白所介导的主动运输又称次级主动运输。3、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，如菌紫红质利用光能驱动
9、H+的转运。,第二节 离子泵和协同转运 所有ATP驱动泵都是跨膜蛋白，根据其结构和功能特性可分为4类：P-型离子泵，V-型质子泵，F-型质子泵和ABC超家族。前3种只转运离子，后一种主要是转运小分子。一、P-型离子泵 所有P-型离子泵都有2个独立的催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的亚基，通常起调节作用。在转运离子过程中，至少有一个催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。由于在泵周期中利用ATP水解能，形成磷酸化中间体，故名P-型离子泵。,(一)钠钾泵：Na+K+泵具有ATP酶活性，故又称为Na+K+ATP酶，是由2个亚基和2个亚基组成的四聚
10、体。亚基是糖基化的多肽，不直接参与离子跨膜运动，但帮助在内质网新合成的亚基进行折叠。Na+K+泵的工作模式是：在细胞内侧亚基与Na+结合促进ATP水解，亚基上的一个天门冬氨酸残基磷酸化引起亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，亚基构象再度发生变化，将K+泵进细胞，完成整个循环。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。,Na+/K+ATPase的结构,Na+-K+泵存在于动物细胞的细胞质膜上，一般要消耗1/3的总ATP(神经元则需2/3)来维持细胞内低Na+高K+的离子环境，这种环境对于细胞的正常生命活动、神经冲动的传播、细胞的
11、渗透平衡及恒定细胞的体积都是非常必要的。由于质膜对水的可透性，水会从低溶质浓度一侧(高水浓度)向高溶质浓度一侧(低水浓度)运动，这种运动称为渗透。水分子运动的驱动力等于跨膜水压的差异，称为渗透压。动物细胞借助Na+K+泵维持渗透平衡。,(二)钙泵与其他P-型离子泵：钙泵分布在所有真核细胞的质膜和某些细胞器膜上，Ca2+泵又称Ca2+ATP酶，是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，与Na+K+泵的亚基同源。Ca2+泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗一分子ATP从细胞基质转运出两个Ca2+。钙泵主要将Ca2+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Ca2+。钙泵在肌细
12、胞的肌质网内储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩运动至关重要。植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞其质膜上没有Na+K+泵，而是具有H+泵，将H+泵出细胞，建立和维持跨膜的H+电化学梯度，驱动转运溶质摄入细胞。,Ca2+-ATPase的结构和功能位点,二、V-型质子泵和F-型质子泵 V-型质子泵(膜泡质子泵)广泛存在于动物细胞胞内体、溶酶体膜、某些细胞的质膜或某些真菌、植物的细胞液泡膜上。F-型质子泵(H+-ATP合成酶)存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。两者彼此相似，在功能上都是只转运质子，并且在转运H+过程中泵蛋白不形成磷酸化的中间体。V-型质子泵是利用ATP水解供能从细胞质基质中
13、逆H+电化学梯度泵出H+进入细胞器。F-型质子泵以相反方式发挥生理作用，即H+顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成耦联起来。,V-型质子泵和F-型质子泵,三、ABC超家族 ABC超家族含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布在从细菌到人类各种生物体中，也是一类ATP驱动泵，它们有共同的进化起源。每种ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基团是有特异性的。ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官的细胞质膜上分布丰富，可将天然毒物和代谢废物排出体外。,四、协同转运 协同转运是一类由Na+-K+泵(或H+泵)与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化
14、学梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na+-K+泵(或H+泵)消耗ATP所实现的。动物细胞是利用膜两侧的Na+电化学梯度来驱动的，而植物细胞和细菌常利用H+电化学梯度来驱动。根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同转运又可分为同向转运和反向转运。,同向转运是物质运输方向与离子转移方向相同。完成同向转运的载体蛋白有两个结合位点，必须同时与Na+和特异的被转运分子结合才能进行同向转运。反向转运是指物质跨膜转运的方向与离子转移的方向相反。总之，主动运输都需要消耗能量，所需能量可直接来自ATP或来自离子电化学梯度；同样也需要膜上的特异性载体蛋白，这些载体蛋白不仅具有结构上的特异性(
15、各种特异的结合位点)，而且具有结构上的可变性(构象变化影响亲和力的改变)。细胞运用各种不同的方式通过不同的体系在不同的条件下完成小分子物质的跨膜运动。,同向转运,根据载体对物质转运的能力和方向分为单向运输（uniports）和偶联运输（coupling transport）两种类型,单向、同向和反向运输的比较,五、物质的跨膜转运与膜电位 不同方式的物质跨膜运动，其结果是产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些带有电荷的物质，特别是对离子来说，就形成了膜两侧的电位差。细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和即为膜电位。在静息状态下的膜电位称静息电位；在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变
16、化的膜电位称动作电位。静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差，主要是由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成的，质膜内为负值，质膜外为正值，这种现象又称极化。动物细胞质膜对K+的通透性大于Na+是静息电位产生的主要原因。Na+-K+泵对静息电位的相对恒定起重要的作用。,（1）静息电位形成条件：安静时细胞膜两侧存在离子浓度差（离子不均匀分布）安静时细胞膜主要对K+通透。也就是说，细胞未受刺激时，膜上离子通道 中主要是K+通道开放，允许K+由细胞内流向细胞外，而不允许Na+、Ca2+由 细胞外流入细胞内。（2）形成机制：K+外流的平衡电位即静息电位，静息电位形成过程不消耗能量。（3）特征：静息电
17、位是K+外流形成的膜两侧稳定的电位差。,动作电位形成机制,Na+和K+离子通道都是膜上的电压门离子通道，它们的开关变化应答于膜电位的变化，或者说电压门通道打开的概率由膜电位控制。电压门离子通道在神经细胞电信号的传导中具有重要作用，它们也存在于其他许多细胞中，包括肌肉细胞、卵细胞、原生动物甚至植物细胞。电压门离子通道有特殊的带电荷的蛋白结构域，称为电压感受器，对膜电位的变化极端敏感，从而控制通道蛋白转换它的关 开构象。,当细胞接受刺激信号(电信号或化学信号)超过一定阈值时，Na+通道打开，引起大量Na+瞬间流入细胞内，致使静息膜电位减小乃至消失，即为质膜的除极化过程。当细胞内Na+进一步增加达到
18、Na+平衡电位，形成瞬间的内正外负的动作电位，称质膜的反极化，动作电位随即达到最大值。只有达到一定的刺激阈，动作电位才会出现，这是一种全或无的正反馈阈值。细胞质膜膜电位具有重要的生物学意义，特别是在神经、肌肉等可兴奋细胞中，是化学信号或电信号引起的兴奋传递的重要方式。,第三节 胞吞作用与胞吐作用 真核细胞的各种膜性囊泡对于完成细胞与环境和胞内各细胞器之间物质、信号交流等生命活动有着重要作用。按照膜泡的总体运动方向，可将膜泡转运分为胞吞途径和胞吐途径。真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等。在转运过程中，物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中，因此又称
19、膜泡运输。这种形式的物质跨膜运输过程涉及膜的融合与膜泡分离，因此也需要消耗能量，属于主动运输。,一、胞饮作用与吞噬作用 胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡(胞吞泡)，将外界物质裹进并输入细胞的过程。根据形成的胞吞泡的大小和胞吞物质，胞吞作用又可分为两种类型:胞吞物若为溶液，形成的囊泡较小，则称为胞饮作用。若胞吞物为大的颗粒性物质(如微生物和细胞碎片)，形成的囊泡较大，则称为吞噬作用。胞饮作用形成的胞吞泡又称胞饮泡，吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬泡。,胞饮作用与吞噬作用主要有3点区别。1、胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径一般小于150nm，而吞噬泡直径往往大于250nm。2、胞饮作用是连续摄入溶液及可溶性
20、分子，是一种连续发生的组成型过程。吞噬作用首先需要被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，传递信号到细胞内并起始应答反应，因此是一个信号触发过程。3、胞吞泡形成机制不同。胞饮泡的形成需要网格蛋白或这一类蛋白的帮助。吞噬泡的形成则需要有微丝及其结合蛋白的帮助。吞噬作用是很多原生动物摄取营养的一种方式，但在多细胞动物体内，只有某些特化细胞，如组织中的巨噬细胞和血液中的中性粒细胞才具有吞噬功能，它们在防御微生物的侵染和清除衰老细胞或凋亡细胞方面起重要作用。,二、受体介导的胞吞作用 根据胞吞的物质是否有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞
21、通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子的有效途径。被转运的大分子物质(配体)首先与细胞表面互补性的受体相结合，形成受体一大分子复合物并引发细胞质膜局部内化作用，首先是该处质膜部位在网格蛋白参与下形成有被小窝，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡。有被小泡经脱被作用并与胞内体融合。受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制,既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。在细胞胞吞过程中，胞内体被认为是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。,胞饮作用,吞噬作用,
22、三、胞吐作用 胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。所有真核细胞都有从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程，通过这种组成型的胞吐途径，新合成蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新，从而确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。真核细胞中特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径，这些分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。,囊泡与靶膜的识别与融合,N-乙基顺丁烯二酰亚胺-敏感蛋白,NSF连接蛋白,真核细胞无沦是通过胞吞作用摄取大分子还是通过胞吐作用分泌大分子，都是通过膜泡运输的方式进行的，并且转运的囊泡只与特定的靶膜融合，从而保证了物质有序地跨膜转运。,下课了！,哈哈，,
