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1、for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability.,革命性地发现让人们理解了细胞在分子水平上感受氧气的基本原理，主要是通过对低氧诱导因子（HIF1）水平调节机制进行的深入研究。这一重大发现揭示了生命中最重要的适应性机制之一，为人类理解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础，也有望为对抗贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平道路。,Part,05,细胞膜,Cell Membrane,生物膜的功能,1. Define the boundaries of the cell and its organe
2、lles. 2. Serve as loci for specific functions. 3. provide for and regulate transport processes. 4. contain the receptors needed to detect external signals. 5. provide mechanisms for cell-to-cell contact, communication and adhesion.,Transport processes within an eukaryotic cell,第二节 细胞膜与物质的跨膜转运,Cell m
3、embrane and Material Transport,概 述,与细胞膜有关的物质运输活动包括两类： 穿膜运输（transmembrane transport）：小分子和离子 膜泡运输（transport by vesicle formation）：大分子和颗粒物质,一、穿膜运输（transmembrane transport）,穿膜运输（transmembrane transport）是小分子物质和离子穿过细胞膜的运输方式。 根据是否消耗细胞代谢能，穿膜运输可分为： 被动运输(passive transport) 主动运输(active transport),被动运输（passive
4、transport）指物质从浓度高的一侧，穿过膜运输到浓度低的一侧，即顺浓度梯度穿膜扩散，不消耗细胞代谢能的运输方式。 依据是否需要膜运输蛋白的协助，可分为： 简单扩散(simple diffusion) 离子通道扩散（ionic channel diffusion） 易化扩散(facilitated diffusion),指不需要消耗细胞代谢能，不依靠膜运输蛋白，顺浓度梯度运输小分子物质的运输方式。 特点： 顺浓度梯度运输 不消耗细胞的代谢能 不依靠膜运输蛋白（直接穿过膜的脂双层）,（一）简单扩散(simple diffusion),能直接穿过脂双层的物质主要有： 一些气体和脂溶性物质，如：
5、O2 、 CO2、乙醚、氯仿、甾类激素等。 不带电荷的极性小分子物质，如：H2O、尿素、甘油等，但速度较慢。,人工膜对各类物质的通透率： 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； 非极性分子比极性分子容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O等可以透过人工脂双层，但速度较慢； 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,决定扩散速度的因素： 浓度梯度； 通过物质的分子大小； 通过物质在脂质中的相对溶解度。,Na、K、Ca2+等极性很强的水化离子，借助膜上的离子通道由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。 离子通道为膜上的跨膜蛋白。包
6、括三类： 电压闸门通道（voltage-gated channel） 配体闸门通道（ligand-gated channel） 机械闸门通道（mechanical-gated channel）,（二）离子通道扩散（ionic channel diffusion）,门通道（gated channels）： 是一类不持续开放的，受“闸门”控制的通道；特定的刺激可引起这类通道短时间开放使溶质通过，所以形象地称之为“门通道” 。,这类通道依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变， 从而将门打开。,1. 电压闸门通道（voltage-gated channel）,这类通道在细胞
7、内外的特定配体与其表面受体结合时，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开 。,2. 配体门通道(ligand-gated channel),这类通道在细胞内外的机械压力发生改变时，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开 。,3. 机械闸门通道（mechanical-gated channel）,离子通道蛋白介导的离子转运的主要特征： 转运速度很快 ； 高度的选择性； 都是被动运输。,一些非脂溶性的物质，需要借助细胞膜上的载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式。 特点： 顺浓度梯度运输 不消耗细胞的代谢能 依靠膜载体蛋白协助 葡萄糖、氨基酸、核苷酸等物质的运输，需载体蛋白的介导。 例：葡萄
8、糖载体蛋白介导红细膜上葡萄糖的被动转运。,（三）易化扩散(facilitated diffusion),葡萄糖的被动运输,2014年，37岁的颜宁在Nature发表了重量级文章，解析了人体葡萄糖转运蛋白的结构，这是生物科学届世界范围内几十年未解的难题，一时声名大噪。 2015年进一步获得了具备更多构象的GLUT3结合底物和抑制剂的超高分辨率结构，从而清晰揭示了葡萄糖跨膜转运这一基本细胞过程的分子基础。,载体蛋白介导的易化扩散具有以下主要特征： 高度特异性； 饱和现象； 可抑制性。,水是一种极性小分子，不溶于脂，但穿膜速度很快。 1992年转运水的特异性通道蛋白被发现，Aquaporin1，目前
9、已发现13种水通道蛋白。用AQPs代表水通道。 AQPs没有门控性、饱和性和膜电位依赖性 有些AQPs除作为水的特殊通道外，还转运其它物质，如氨基酸、糖等。,（四）水通道扩散,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,主动运输（active transport）通过消耗细胞代谢能，将物质从低浓度一侧向高浓度一侧运输，即逆浓度梯度运输的过程叫主动运输。 特点：逆浓度梯度或电化学梯度运输、要消耗细胞的代谢能、需运输蛋白的帮助。 影响因素：细胞代谢状态。 分类：离子泵由
10、ATP直接提供能量； 伴随运输由ATP间接提供能量。,离子泵：是膜上的一种能将离子逆浓度梯度转运的载体蛋白，实质是一种ATP酶。 离子泵具有载体和酶的两重作用。 种类： 钠钾泵 钙泵（Ca2+-ATP酶） 质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶,（五）离子泵（ion pump）,以Na+K+泵（ Na+K+ pump)为例说明离子泵的作用机制。,组成 大亚基：跨膜蛋白，具有ATP酶活性，是催化亚单位。在细胞质侧有Na+和ATP结合的部位，外侧有K+和乌本苷结合的部位。 小亚基：具有组织特异性的糖蛋白，功能不详。,作用过程 是通过ATP水解供能驱动泵构型改变来完成的。 每水解一分子A
11、TP所释放的能量可泵出3个Na+ ，泵入2个K+。 应用乌本苷能抑制Na+K+泵 。,Na+K+泵,Na+-K+泵的作用： 维持细胞的渗透压，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境； 维持细胞的膜电位； 驱动糖与氨基酸等的主动运输。,是一类靠细胞代谢能间接提供能量完成的主动运输方式。 物质跨膜运输所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 物质逆浓度梯度跨膜运输需同时伴有离子的顺浓度梯度运输，故名伴随运输。,（六）伴随运输（cotransport）,分类： 共运输（同向协同运输）(symport) 对运输（反向协同运输）(antiport),同
12、向协同运输举例：葡萄糖的协同运输,二、膜泡运输（ Transport by Vesicle Transport）,通过膜包裹被转运物形成膜囊泡进行物质转运的方式，称为膜泡运输。 是大分子和颗粒物质的运输方式。 分类: 胞吞作用 胞吐作用 均需消耗代谢能。,是指细胞膜局部发生内陷，将外来的大分子或颗粒物质包裹成小囊泡，最终脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。 类型： 吞噬作用 胞饮作用 受体介导的内吞作用,（一）胞吞作用（endocytosis）,是指细胞内吞较大的颗粒物质或大分子复合物的过程。 吞噬作用形成的囊泡较大，称为吞噬体 (phagosome)。 作用过程：以细菌的吞噬为例说明。,1.吞噬
13、作用(phagocytosis),是指细胞内吞液体和溶质或极微小颗粒物质的过程 。 胞饮作用形成的囊泡较小，称为胞饮小体或胞饮小泡(pinocytic vesicle) 。 作用过程：,2.胞饮作用(pinocytosis),通过特异性受体配体结合而引发的吞饮作用，称为受体介导的内吞作用。 是一种特异、高效地摄取细胞外大分子的方式 。 举例：细胞对胆固醇的摄取,3.受体介导的内吞作用（receptor mediated endocytosis）,被吞物质与特异受体结合； 受体配体复合物在有被小窝(coated pit)聚集； 衔接蛋白adaptin、笼蛋白clathrin、动力素dynamin
14、协助质膜内陷； 形成有被小泡； 笼蛋白迅速脱离形成无被小泡； 与内体融合，受体回到质膜，内吞物与溶酶体融合。,特点： 吸收速度快，具有选择性浓缩作用。 运输物质： 已发现25种受体参与不同大分子的胞吞作用，如胰岛素、某些病毒、低密度脂蛋白（LDL）和转铁蛋白等。,是细胞以小泡方式向外界环境排除物质的过程。 这是一种与胞吞作用方向相反的外排过程 。 运输物质：细胞分泌产生的激素、酶类及未消化的残渣等。 作用过程：,（二）胞吐作用（exocytosis）,穿膜运输,膜泡运输,被动运输,主动运输,胞吞作用,胞吐作用,简单扩散,易化扩散,离子泵,伴随运输,吞噬作用,胞饮作用,受体介导的胞吞作用,离子通
15、道,电位门通道,配体门通道,同向运输,对向运输,机械门通道,第三节 膜转运系统异常与疾病,AbnormalMembrane Transport Systemsand Disease,膜转运蛋白结构、功能异常或缺损，会引起相应物质转运缺陷，而导致膜转运系统异常疾病。 膜转运蛋白基因突变或表达异常是引起遗传性膜转运异常疾病的原因。,是一种影响小肠上皮和肾小球对氨基酸转运能力的遗传性膜转运异常疾病。 临床表现：以肾结石引起的肾功能损伤为主。 发病机制：氨基酸转运子1基因突变近端肾小管上皮细胞及空肠粘膜转运胱氨酸及二碱基氨基酸（赖、精、鸟）的载体蛋白异常氨基酸转运障碍尿中排出过量 胱氨酸不易溶于水，所
16、以排出过量时，易形成结晶，造成尿路结石。 因氨基酸丢失，可影响生长发育，导致矮小体型和智力低下。,一、胱氨酸尿症（cystinuria）,属遗传性膜转运异常疾病。 发病机制：基因突变导致肾小管上皮细胞膜转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷，肾近曲小管对葡萄糖的再吸能力下降，从而引起糖尿，发生肾性糖尿病。,二、肾性糖尿病（renal glycosuria）,属遗传性膜离子通道异常疾病。 临床表现：呼吸系统主要表现为反复支气管感染和气道阻塞症状。 发病机制：患者的上皮细胞氯离子通道调节有缺陷；呼吸道黏膜上皮的水、电解质跨膜转运有障碍。,三、囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）,是由19号染色体上相应基因突变使细胞膜上的低密度脂蛋白（LDL）受体缺陷引起的遗传性疾病。 临床表现：动脉粥样硬化、黄瘤。 发病机制：,四、家族性高胆固醇血症（familial hypercholesterolemia）,LDLR基因突变LDL受体缺陷失去对HMG-CoA还原酶合成的抑制作用胆固醇合成不受抑制，胆固醇酯也不能形成游离胆固醇过多高胆固醇血病。 LDL受体缺陷包括了数量减少、
