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1、第九章 小分子物质的跨膜运输 Membrane Transport of Small Molecules,膜的屏障作用,钾离子浓度： 膜内比膜外 高1020倍!,膜的组成和结构,如果膜是单纯的脂双层,合成的 脂双层,那么可以经膜运输的只是很少几种物质, 这些物质的性质是?,脂溶性的物质，如一些苯、甾类激素等 一些气体分子，如O2、N2、CO2等。 不带电荷的极性小分子，如乙醇、尿素等。,能通透的,不能通透的,不带电荷的极性分子， 如葡萄糖、氨基酸等。 离子。 带电荷的非极性分子。,-疏水, -极性/不带电,而生物膜能选择性地允许多种物质通过,葡萄糖：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、多
2、糖的原料,氨基酸：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、蛋白质的原料,无机离子：有机体的食物（人胃和小肠腔） 有什么作用？ 渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶,一、单纯扩散（simple diffusion）,考虑到扩散速率的差异，实际上可以自由经脂双层扩散的物质只有2类： 1、疏水（脂溶性）小分子（脂溶性愈小，扩散愈慢）氧、苯 2、不带电的极性小分子（质量愈大，扩散愈慢）乙醇、甘油 葡萄糖、氨基酸、无机离子不能通过单纯扩散完成跨膜运输,第一节 跨膜运输的原理 Principles of membrane transport,物质的电、化学跨膜梯度,顺浓度梯度、不耗能、无蛋白参与,二、膜蛋白介
3、导的运输 （membrane protein-mediated transport）,对于生物膜来说， 葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子都能跨膜运输。 这些运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白被称为膜运输蛋白。 膜运输蛋白分成2类： 1、载体蛋白 (carrier protein) 2、通道蛋白 (channel protein),顺着或逆着物质的浓度梯度进行,转运具有特异性,分布于各种膜上的运输蛋白,螺旋 真核细胞和细菌的跨膜蛋白主要是螺旋结构,疏水脂双层,筒 限于线粒体和叶绿体外膜的跨膜蛋白,运输方向和电化学梯度,顺着所运物质的电化学梯度，不需要能量,逆着所运物质的电化学梯度，需要能量,Elect
4、ricochemical gradient,根据有无能量的偶联，运输 可分为主动运输和被动运输,2、被动运输 (passive transport) 不需能量 易化扩散 所有通道蛋白和一部分载体蛋白,1、主动运输 (Active transport) 需消耗能量 载体蛋白,主动运输和被动运输,载体蛋白,通道蛋白,carrier,channel,各种离子,离子、氨基酸、 单糖、核苷酸等,与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。,形成跨膜的充水通道 让所运物质通过。,运输原理,运输特点,所运物质,主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢,被动运输，与所运物质互相作用较弱，
5、运输速度较快,原理（机制）： 载体蛋白经历了一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。,一、载体介导运输的原理和特点,第二节 载体蛋白介导的运输,特点： 1.与酶-底物反应类似 特异性结合位点 特征性结合常数 2.运输方式 单一运输 偶联运输,同向运输 反向运输,载体介导运输的方式,单一运输,同向运输,反向运输,偶联运输,一些重要的载体蛋白及其转运的物质,载体介导的被动运输,血糖浓度升高后脂肪细胞反应,葡萄糖的单一运输蛋白,载体介导的主动运输,偶联载体,ATP驱动泵,光驱动泵,钠-钾离子泵,问题：为什么Na+ -K+泵 又叫 Na+ -K+ATP酶,细胞能量
6、1/32/3耗费于此!,胞浆,胞外,钠-钾离子泵作用机制,Na+ -K+泵 作用机制,1. Na+结合至催化亚基 2. ATP水解成ADP, 催化亚基被磷酸化 3. 催化亚基构象变化, Na+被运出细胞 4. K +结合至催化亚基 5. 催化亚基去磷酸化 6. 催化亚基构象恢复, K +被运入细胞,作用机制,钠钾ATP酶在未磷酸化前吸钠排钾， 吸钠后促进磷酸化， 磷酸化后吸钾排钠， 吸钾后促进脱磷酸化。,Na+ -K+泵 作用的直接效应,建立和维持 细胞外高钠、细胞内高钾 的特殊离子梯度,Na+ -K+泵 作用的间接效应,通过维持Na+梯度 维持渗透压平衡, 调节细胞容积* 细胞外离子的数量
7、2.参与形成内负外正的膜电位* 3个Na+出、2个K +入 （什么是 膜电位membrane potential） 3.保证一些物质的主动运输所需能量*,问题：胞内溶质浓度高，如果不控制渗透压平衡，水将进入，结果造成细胞胀破,解决方案 把离子 打出去,细胞内外的渗透压由大分子、小分子和离子构成,离子跨膜运输的作用：细胞渗透压的维持 Maintenance of osmolarity,箭毒杀人,乌本苷是一种箭毒苷, 是ATP酶抑制剂 在催化亚基的胞外面有结合位点, 与K +竞争性结合至催化亚基。 乌本苷的ATP酶抑制作用发生在依赖K +的去磷酸化步骤。,用乌本苷处理, 细胞很快肿胀破裂,乌本苷,
8、back,离子跨膜运输的作用：膜电位是神经冲动(电信号) 播散 的基础,back,Na+驱动的同向运输载体 与 糖摄入 Na+ -driven symporter and glucose uptake,胞质侧,构象A:结合位点向胞外侧开放, 葡萄糖和Na+结合于各自位点. Na+顺其电化学梯度 糖逆其电化学梯度,构象B:载体经历构象变化,结合位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+离开各自位点,由此两者被运入细胞. 糖经历主动运输,能量来自Na+梯度.,肠腔,上皮下 组织间隙,偶联载体,离子跨膜运输的作用：提供主动运输所需的能量,名词：P型运输ATP酶 P transport ATPase,泵的两种状
9、态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志, 这类离子泵叫作P型运输ATP酶。 (P指phosphorylation, 磷酸化) 包括,Na+-K+泵 Ca 2+泵 一部分H+泵,Ca2+泵,维持胞浆的低Ca2+浓度,返回,P型运输ATP酶：Ca 2+泵结构,左： Ca 2+在非磷酸化状态进入结合位点,右：ATP水解导致P结构域磷酸化,进 而导致A结构域位置变化，导致4号 和6号螺旋重排，结果原有结合位点 被破坏,使Ca 2+面向另一侧被释放。,二、偶联载体 coupled carrier,Na+驱动的同向运输载体 H+驱动的同向运输载体 (略) Na+驱动的反向运输载体 (略) 载体蛋白的不对称分布
10、与上皮细胞的吸收功能,小肠上皮细胞底侧面Na+- K+泵的作用,肠腔,上皮下 组织间隙,小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖运输载体,载体介导的主动运输,能量来源 sources of energy: 1. ATP驱动泵 ATP水解提供能量 2.离子梯度驱动力 通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的上坡偶联载体 3.光驱动泵 光提供能量(细菌),第三节 通道蛋白介导的运输,一、通道介导运输的原理和特点,原理（机制）： 通道蛋白形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物质顺其电化学梯度通过。所运物质主要是离子（ Na+ 、K+ 、Ca 2+ ）。,与简单充水孔道不同： 离子选择性：种类、大小 2.
11、 门控性：开关,一、通道介导运输的原理和特点,特点： 被动运输 速率很高，存在特异性。 受调控 门控 - 电压、递质、cAMP/cGMP gated- voltage-gated, transmitter-gated,二、几种重要的通道蛋白,水通道 K+通道与静息电位 Na+通道与动作电位（略） K+通道与动作电位（略） Ca 2+通道与动作电位（略） 乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电 信号转换,水孔蛋白,血管加压素,1. K+通道与静息电位,静息电位: -70mV,主要由 钾离子膜平衡电位构成,胞内高钾，化学梯度驱使其逸出 胞内多阴离子，电梯度吸引其驻留,胞质侧,K+通道与静息电位,提供K
12、+自由跨膜的途径，其平衡电位造成膜静息电位（ -70mV ）。 使K+能被固有阴离子吸引于胞内，然后在Na+ - K+泵作用下维持在胞内的高浓度。 存在于所有细胞膜上，不需要特异刺激就可打开，所以被叫作K+逸漏通道。,K+ channel and resting potential,离子选择性(种类、大小) 是如何形成的？ 细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白,入口：带负电氨基酸集中分布，赋予通道对阳离子的选择性,K+通道蛋白结构 细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白,中心滤器：羧基氧精确排布,接纳无水K+ , 赋予通道对K + / Na+的选择性,离子通道对电兴奋性细胞有特别重要的意义， 是
13、神经冲动传导和肌肉收缩的基础。,突触膜上分布着离子通道,突触(synap),5. 乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学-电信号转换,神经细胞,肌肉细胞,乙酰胆碱,乙酰胆碱受体,乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学-电信号转换,乙酰胆碱受体: 在神经肌接头处分布于肌细胞膜上 研究最多, 来源丰富电鱼肌肉 在离子通道蛋白中, 第一个被纯化、鉴定出氨基酸序 列、在人工脂双层上重建、克隆基因, 其三维结构了解。,乙酰胆碱: 神经递质,位于神经细胞内突触小泡中,神经肌接头: 运动神经元与骨骼肌之间的特化突触,乙酰胆碱受体结构,乙酰胆碱受体结构,5条肽链组成的糖蛋白五聚体 每条肽链折叠成4个螺旋穿越膜层 其中2条
14、是相同肽链,上面各有1个乙酰胆碱结合位点 当2分子乙酰胆碱结合上五聚体时, 就引发其构象变 化, 造成通道开放。 神经肌接头处乙酰胆碱被释放后将被降解。一旦乙酰胆碱与受体（即五聚体）解离, 构象恢复, 通道将关闭。,乙酰胆碱受体: 递质门控的离子通道 即：自身是通道蛋白, 受乙酰胆碱专一调控而开放 将细胞外的化学信号快速转化为电信号。,乙酰胆碱受体与神经肌接头的 化学-电信号转换 acytylchorlin and chemical-electric signal conversion,三、神经肌肉传导中的通道激活,1,2,3,4,5,三、神经肌肉传导中的通道激活,电压门控Ca 2+通道 递质
15、门控Na+通道 电压门控Na+通道 电压门控Ca 2+通道 ？门控Ca 2+通道,数个毫秒中, 至少5组门控离子通道依次激活,从而实现化学-电信号转换, 完成兴奋-收缩偶联。,三、神经肌肉传导中的通道激活,神经冲动到达末梢，质膜电压门控Ca 2+通道开放，启动突触小泡释放乙酰胆碱。 乙酰胆碱结合于肌细胞质膜上受体，其自身递质门控Na+通道开放。 Na+内流改变肌细胞局部膜电位，电压门控Na+通道开放。 整个膜电位改变，T管处电压门控Ca 2+通道开放。 与T管相邻的肌质网膜上Ca 2+通道开放。 胞质Ca 2+浓度突然升高引发肌纤维收缩。,箭毒用于外科手术, 而敌敌畏导致痉挛,一种箭毒能阻断乙
16、酰胆碱受体, 使肌肉松弛,用于 手术中。 敌敌畏(有机磷农药)造成乙酰胆碱受体持续激活, 导致肌肉痉挛和昏迷。,乙酰胆碱受体如何将化学信号转变为电信号? 与乙酰胆碱结合而活化 通道开放 阳离子(Na+)内流局部膜电位差改变 电信号 =细胞外的化学信号转化为电信号,乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换 acytylchorlin and chemical-electric signal conversion,电信号产生后肌肉如何反应? 整个膜电位差改变 胞质Ca 2+浓度升高 肌纤维收缩,离子通道的作用不仅限于电兴奋性细胞。它们普遍存在于所有动物细胞质膜上，并且在植物和微生物上也有作用。,本章重点,疏水分子(如脂类)和少量不带电极性小分子(如乙醇)可以单纯扩散过通脂双层, 但是机体所需营养物质小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和无机离子都由膜蛋白介导跨膜运输。 执行跨膜运输的膜蛋白叫作膜运输蛋白，分成载体和通道两类。它们在运输机理、特点和对象上都不同。,动画,
