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1、第 二 军 医 大 学 细胞生物学 教 案 第 3 次课 授课时间：2008.3.3 教案完成时间： 2008.3.4课程名称细胞生物学年级07级专业层次军海麻本科教 员朱海英专业技术职 务副教授授课方式（大、小班）大班授课题目（章、节）第二章 细胞膜 第五节 细胞膜与物质转运基本教材和主要参考书基本教材：医学细胞生物学 高教出版社，胡以平主编参考书1Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, 4th ed, Garland Publishing Inc., 20022王金发主编，细胞生物学（21世纪高等院校教材，国家理科基地教材），科学出版社,
2、 20033细胞生物学教程http:/教学目的与要求：详细阐明穿膜运输、膜泡运输特点和各种转运方式之间的差别，说出受体的概念和细胞识别的分子基础和作用特点，重点掌握穿膜运输、膜泡运输特点和各种转运方式之间的差别。主要内容与时间安排：第二章 细胞膜及表面（二）第五节 细胞膜与物质转运一、穿膜运输（40min） 二、膜泡运输(35min)小结 5min教研室审阅意见： 教学组长（主讲教员）签名： 教研室主任 签名： 基本内容辅助手段和时间分 配第二章 细胞膜结构与功能 第五节 细胞膜与物质转运 细胞进行各种行使活动,必然要与环境间不断进行着物质交换,细胞膜是物质交换的直接参加者,它有选择地允许或阻
3、止一些物质通过细胞膜的性能称为膜的通透性(permeability),膜选择性通透,对物质进出细胞起着调节作用。是细胞膜的主要生理功能之一,如果细胞膜的选择性通透发生异常,将会产生病理状态,甚至导致细胞死亡。 细胞膜的物质转运有多种机制,概括起来,它要有二大类: 穿膜运输离子和小分子的运输 膜泡运输大分子和颗粒的运输 一、穿膜运输 （一）小分子和离子的穿膜机制细胞膜脂双层的中间部分是疏水性结构，所以细胞膜对大多数极性分子是不通透的屏障，这样可防止细胞内水溶性物质的外溢，另一方面，细胞又形成了一些特殊的转运机制使小分子和离子能够进出细胞，以保证细胞摄入营养和排出代谢废物，这种选择性通透，产生了细
4、胞内和细胞外液之间特定的浓度差，对细胞的各种生理活动是非常重要的。通常采用人工脂双层膜研究细胞膜对小分子和离子的通透性。如果给予足够的时间，任何分子都可以从高浓度向低浓度方向通过人工脂双层膜，但是不同分子通过脂双层的扩散速率不同，主要取决于分子大小和它在脂中的相对溶解度。一般说来，相对分子质量越小，脂溶性越强，通过脂双层速率越快。非极性的小分子如O2(相对分子质量为32)易溶于脂双层中，可以迅速穿过脂双层；不带电荷的极性小分子如CO2（相对分子质量为44）、乙醇（相对分子质量为46）和尿素（相对分子质量为60）也能迅速穿过脂双层膜，但较大的分子如甘油（相对分子质量为92）通过较慢，葡萄糖（相对
5、分子质量为180）则几乎不能通过。水（相对分子质量为18）分子虽不溶于脂中，却能迅速通过脂双层，这是由于水分子非常小，且不带电荷。脂双层对所有带电荷的分子（离子），不管它多么小，都是高度不通透的，这些分子所带的电荷及高度的水合状态防碍他们进入脂双层的疏水区域，Na+,K+对脂双层的通透性仅为水的10-9倍（图2-5-44）。这些特点说明，膜对物质的通透性是由物质本身性质和膜的结构属性共同决定的。可以看出，除了少数溶质如 CO2和O2能够简单扩散通过脂双层外，其他绝大多数溶质都不能直接扩散穿膜转运。生物膜是由脂双层和多种结构功能各异的蛋白质构成的，有些膜蛋白就负责转运特定类型的溶质，这些蛋白就是
6、“膜转运蛋白”。这些跨膜转运蛋白为特殊的物质提供专有的跨膜通道，例如，一些通道为Na+而不为 K+开放，一些为 K+而不为 Na+开放，还有一些通道对葡萄糖开放而不对氨基酸开放。质膜或细胞器膜中的转运蛋白准确地决定什么溶质能进入细胞或细胞器。因此，每种类型的膜各有其自身的一套特殊的转运蛋白。膜转运蛋白分为两类，一类是载体蛋白（carrier protein），它的一侧与溶质结合，经过载体构象的变化，把溶质转运到膜的另一侧。利用这种方式转运的溶质，既可以是小的有机分子，也可以是无机离子。另一类是通道蛋白(channel protein)，与载体蛋白不同，它在膜上形成极小的亲水孔，溶质能扩散通过该
7、孔。很多细胞膜上有水通道蛋白（aquaporins）,水分子可以迅速通过膜，比通过磷脂双层快得多；最典型的通道蛋白是离子通道，能介导无机离子通过。从本质上说，两种转运蛋白都具有横跨脂双层的多肽链，即它们是一种多次穿越的跨膜蛋白。一般认为多肽链来回穿越脂双层形成一个连续的由蛋白质衬砌的道路，该通路选择性地允许小的亲水分子穿越膜，而不直接接触脂双层疏水性的内部。另一方面，两种蛋白质的不同之处在于，通道蛋白主要根据大小和电荷决定某些离子和分子能否通过，假如通道处于开放状态（通道的开放受到某些因素的控制），那么足够小的并带有适当电荷的分子才能通过；而载体蛋白只允许与自身蛋白质结构相适合的，也就是说能够
8、与自身很好地结合的分子或离子通过，同时伴随自身结构的变化，这种专一性结合使这类需要载体蛋白参与的物质转运有了选择性（图2-5-45）。膜转运蛋白的存在解决了膜物质转运活动“工具问题”，那么另一个重要的问题是控制物质转运方向的因素是什么？倘若存在一条小的通路，分子自动从浓度高的区域向浓度低区域迁移，即“顺浓度梯度”转运，就像“下坡”一样，这种迁移是被动的，不需要消耗代谢能，消耗的是存在于浓度梯度中的势能。当然，这是针对像葡萄糖等不带电荷的溶质转运而言，对带电荷的溶质，决定其转运方向的除了浓度梯度外，还有跨膜电压也是溶质转运的驱动力之一，两者合称为该溶质的“电化学梯度”，这个梯度决定了被动跨膜转运
9、的方向。当细胞外的溶质浓度高于细胞内，并且质膜中存在合适的通道和载体蛋白，则该溶质将以被动转运（passive transport）方式自发地穿过膜进入细胞内，转运蛋白没有消耗能量。然而，如果一种溶质要逆着浓度梯度移动，这时不但需要转运蛋白的参与，还需要消耗能量（多数是指ATP）以驱动这种类似“上坡”的转运。这种跨膜转运溶质的过程称为主动转运(active transport)，也称代谢关联运输（metabolically linked transport），只有某些特殊类型转运蛋白具有利用某些能源做主动转运的能力（图2-5-46）。在我们理解了细胞的跨膜物质运输的基本原则之后，我们将溶质的穿
10、膜运输方式加以总结，如图2-5-46所示。细胞是一个复杂的生命体，由于膜的结构千差万别，需要穿膜转运的溶质的性质又是各不相同，甚至同一种物质进出不同的细胞的方式也是不同的，这就决定了运输方式的复杂性。以下我们将常见的几种运输方式加以详细介绍。 穿膜运输的基本类型可分为被动运输和主动运输两种类型: (1)简单扩散(Simple Diffusion) 这是最简单的运输方式,是指脂溶性物质和一些气体分子、顺浓度梯度,直接经类脂层的扩散,扩散的速率与浓度梯度成正比,还与物质的脂溶性有关。 水虽然也难溶于脂,但由于它分子极小,不带电荷,能通过膜上的许多3.5-8A的微孔自由地迅速扩散穿膜。 绝大多数的极
11、性物质及大一不带电荷的分子,如:葡萄糖、aa、核苷酸等都不能以简单扩散的方式进出细胞。 (2)离子通道扩散(ionic Channel): Na+、K+、Ca2+等离子是极性很强的水化离子,不仅体积增大了,而且还受膜上电荷的干扰,难以直接穿过脂双层分子,但离子的穿膜运输速度很快,研究认为,膜上有运送离子的特异通道离子通道,它是由贯穿膜全层的-螺旋蛋白所构成,称为通道蛋白,其中心孔道表面是一些亲水基因,对离子有高度亲和力,允许适当大小的离子顺浓度梯度瞬间大量通过(几豪秒),有的通道是持续开放,有的是间断开放的。 间断开放的通道的韧带开放或关闭,是受通道闸门所控制的,而闸门现了解是通道蛋白上的带电
12、部分或某些特异的基因所构成的,一般有这样两类: 一类是电压闸门通道:闸门的开闭受膜电位变化所控制,常以选择性通过的离子而命名。如:Na、K、Ca通道等。在正常情况下,膜两侧有一定电位差(外正离子浓度高,内负离子浓度高)膜处于极化状态,接受某种剌激后,膜电位消失(去极化)时,就引起电压闸门开放,特定离子瞬间从高低浓度大量流入或流出,电位差又恢复了,闸门即迅速自动关闭。 另一类配体闸门通道:闸门的开闭受化学物质调节,如细胞外的神经递度等化学物质(配体)与通道蛋白上的特异部位结合,引起蛋白质构象改变,导致闸门反应性开放,离子迅速流入(高低),闸门也随即关闭,如以神经递质命名的乙酰胆碱通道等。 可见,
13、各种闸门开放时间极短暂,一个通道离子的流入可引起在第二个通道的开放,此后又可影响其他通道开放。例如:在神经肌肉连接系统、神经冲动引起肌肉的收缩,整个反应在不到一秒的时间内完成,但却关系到四个不同部位的离子通道闸门按一定的顺序开放和关闭,见书P105。 现已知各种离子通道有10余种,此种扩散不仅是可兴奋细胞功能活动的基础,而且对于非兴奋细胞同样具有重要意义。 小结:离子通道扩散、不水消耗代谢能,将离子从高低顺浓度梯度转运,有选择性、门控性、瞬间完成大量转运。 (3)易化扩散(Facilitated Diffusion),又称帮助扩散 是指非脂溶性(极性)物质如葡萄糖、aa、核苷酸、离子等,不能以
14、简单扩散方式进出细胞,它们穿过细胞膜需要借助于一定载体(Carrier)的帮助。 载体是镶嵌于膜上的与某种物质运输有关的跨膜蛋白,称为载体蛋白(Carrier protein),不同物质有不同的载体蛋白,凡是溶质分子借助载体,顺浓度梯度的,不消耗代谢能的穿膜运输称为易化扩散or帮助扩散。 易化扩散具有以下几个特点: 有高度特异性:载体蛋白分子上有结合位点,能特异地与某种物质进行暂时性可逆地结合,一种载体只运送一种溶质。 通过载体易位机制转运:当某一溶质分子与某特异的载体蛋白结合后,蛋白分子构象发生可逆性变化而实现将物质从膜的高浓度一侧运至低浓度的另一侧,同时,随着构象变化,载体与溶质的亲合力也
15、改变,于是,物质与载体分离而被释放,载体又恢复原来构象,如此反复循环使用。 载体的饱和性:转运速率不完全与浓度差成正比,在载体未饱和时,同浓度差成正比,当达到一定水平后就不再受溶质浓度的影响,扩散维持在一定水平。 为什么？ 因为膜上载体蛋白的数量是一定的,是相对恒定的。 2.主动运输(Active Transport) 人们早就发现,有些离子在细胞内外的浓度差别很大,如大多数动物和人的细胞,K浓度在细胞内很高,是细胞外的7倍 Na 浓度则细胞内很低，低于细胞外25倍 这种浓度差的维持有重要的生理意义,如形成膜电位,调节细胞渗透压等,那么,细胞是怎样维持这种浓度差的？研究认为,细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力,在这种转运过程中,除了需要借助膜上载体蛋白外,还要消耗代谢谢能(分解ATP)、细胞这种利用代谢能未驱动物质逆浓度梯度转运的运输,称为主动运输。(1
