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1、第五章 跨膜运输,MEMBRANE TRANSPORT,细胞质膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透性屏障。既保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除，又能调节细胞内离子浓度，使细胞维持相对稳定的内环境。,一、膜转运的基本原理,1、细胞内外的离子浓度差异很大 Na+是细胞外最丰富的带正电荷离子（阳离子） K+是细胞内最丰富的带正电荷离子（阳离子）,一、膜转运的基本原理,2、脂质双分子层对于溶质和离子是不可渗透的 脂质双分子层内部的疏水性导致包括离子在内的亲水性分子不能自由通过。 其扩散速度主要取决与分子的大小和溶解性（脂溶性）。,人工脂双层,疏水小分子,不带电荷的极性小分子,不带电荷
2、的极性大分子,离子,人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。 没有膜转运蛋白,一、膜转运的基本原理,3、膜转运蛋白 分为两类：载体蛋白和通道蛋白 区别：辨别溶质的方式,载体蛋白 只容许与蛋白质上结合部位相适合的分子或离子通过。以改变自身构象而转运分子穿过膜。,通道蛋白 主要根据大小和电荷进行辨别。,一、膜转运的基本原理,4、溶质通过被动运送或主动运送穿过膜,简单扩散,被动转运,主动转运,4.1 简单扩散 （simple diffusion）,也叫自由扩散（free diffusion）： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白协助。 通透性P=KD/t ， K为在油
3、和水中的分配系数， D为扩散系数，t为膜的厚度。,扩散：物质分子由高浓度区域往低浓度区域移动，直到均匀分布的现象。,水分子进出细胞是一种扩散吗？ 答案：是扩散，水总体的移动方向： 水分子多水分子少（顺浓度梯度）,4.2 被动运输 （passive transport）,也称协助扩散（facilitated diffusion）。指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式。 特点： 转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性；不需要细胞提供代谢能量，转运的动力来自物质的电化学梯度或浓度梯度。 载体：膜转运蛋白。,特点： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需
4、要能量； 都有载体蛋白。 能量来源： 协同运输中的离子梯度动力； ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,4.3 主动运输 （active transport）,物质跨膜运输三种方式的比较,不需要,需要,需要,不消耗,不消耗,消耗,O2、CO2、甘油等脂溶性物质,血浆中葡萄糖 进入红细胞,K+进入红细胞 Na+出红细胞,二、载体蛋白及其功能,除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子能以简单扩散的方式直接进入脂双层外，其它小有机分子穿越膜都需要载体蛋白。,高度选择性,二、载体蛋白及其功能,1、浓度梯度和电势驱动的被动转运 浓度梯度，如：葡萄糖载体,二、载体蛋白及
5、其功能,1、浓度梯度和电势驱动的被动转运 电化学梯度,膜电位 质膜的胞质面常处于负电位,跨膜电压与浓度同向 如：Na+,跨膜电压与浓度反向 如：K+,二、载体蛋白及其功能,2、主动转运使溶质逆其电化学梯度迁移,偶联的转运蛋白 “上坡”与“下坡” 离子梯度动力,电化学梯度,ATP驱动泵 “上坡”与ATP水解,光驱动泵(细菌) “上坡”与光能输入,3、钠钾泵 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： 对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出个钠离子，个钾离子。,3、钠钾泵 ATP驱动的Na+泵把ATP
6、水解为ADP，从而把Na+转运到细胞外。同时它把Na+的向外转运与K+的向内转运偶联起来。,钠的电化学梯度,钾的电化学梯度,3、钠钾泵 细胞外的Na+就像是堵在高水坝后面的大量的水。,胞外Na+处于电化学梯度的“上坡”储能,3、钠钾泵循环型,磷酸化驱动构象变化，Na+的释放到胞外,泵恢复到原来构象，K+的释放到胞内,10 ms 哺乳动物 一个循环3个Na+ 2个K+,钠钾泵的作用： 维持细胞的渗透性，保持细胞体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,4、钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度。Ca
7、2+能与细胞内多种分子紧密结合，改变其活性，且常被用于引发细胞内其他事件的信号，如肌细胞的收缩。 位置：质膜、内质网膜。 类型： P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。,4、钙离子泵,骨骼肌细胞,四个不同功能的结构域组成的单分子蛋白质。,肌浆网桨,胞质溶胶,天冬氨酸,核苷酸结合结构域,激活结构域,Ca2+结合腔,5、偶联转运蛋白,任何溶质的跨膜梯度都能被用来驱动第二种分子的主动转运。如钠钾泵里Na+梯度。,单向转运,同向转运,对向转运,偶联转运,如：被动的葡萄糖转运蛋白,同向转运 葡萄糖-Na+同向转运蛋白利用Na+电化学梯度驱动葡
8、萄糖的摄入。,6、H+梯度驱动膜转运,植物、真菌（包括酵母）和细菌利用H+的电化学梯度驱动溶质转运到细胞内。质膜泵将H+泵出细胞，产生H+梯度。,三、离子通道和膜电位,通道蛋白：跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度通过。 水通道：允许不带电荷的水分子快速通过。 离子通道：与无机离子的转运有关。 有些通道长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门通道。,1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，
9、被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,水通道蛋白,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,1、离子通道是离子选择性的和门控的,离子选择性：依赖离子通道的直径和形状，以及在通道内衬里带电氨基酸的分布,羰基氧原子的选择性滤器,细菌的K+通道,1、离子通道是离子选择性的和门控的,不连续开放性,通道只有在开放构象的情况下能够形成跨膜亲水孔。通道孔在选择性滤器处狭窄到刚好是原子大小，从而决定其离子选择性。,捕虫草：启动离子通道开放并由此引发电信号，导致膨压迅
10、速关闭叶片（半秒）。,2、离子通道在开放和关闭状态间随机进行快速切换,膜片钳技术 1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann发明 用特制的玻璃微吸管吸附于细胞表面，使之形成密封，被孤立的小膜片面积为m量级，内中仅有少数离子通道；或把吸管吸附的膜片从细胞膜上分离出来。然后对该膜片实行电压钳位，可测量单个离子通道开放产生的pA（10-12安培）量级的电流。 检测通过单个通道分子开放或关闭时的电流,3、离子通道的开放和关闭受外界刺激影响,3.1 电压门控通道：由膜电位控制开闭,特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。 结构：四聚体，每个单体跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+电
11、压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。,膜电位 细胞具有的跨越其质膜的电位差。 脂双层任何一边的离子分布都可以产生膜电位。膜电位是由接近膜的一薄层（小于1 nm）离子产生，这列离子通过对膜另一边带相反电荷的离子的电吸引而处于应有的位置上。,膜两侧电荷正好平衡，膜电位=0,少数阳离子（红色）从右到左穿过膜， 产生电荷差，从而产生膜电位,Voltage gated K+ channel,K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠 (P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器,K+ chan
12、nel,4th subunit not shown,电压门控离子通道应答膜电位 动物在神经细胞传播电信号中起主要作用 植物能使电信号在植物中传播,含羞草的关叶反应 叶片被触动后，电压门控通道打开，产生电脉冲。电脉冲到达每片小叶底部特化的铰链细胞时，细胞迅速失水，引起小叶下垂。,3、离子通道的开放和关闭受外界刺激影响,3.2 配体门控通道：,特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变， “门”打开，又称离子通道型受体。 分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如氨基丁酸受体。 Ach受体由4种亚单位（2）组成。,3、离子通道的开放和关闭受外界刺激影响,3.3 应力激活通道：,特点：开放
13、受控于施加至通道的机械力。 例如：耳内听觉毛细胞,耳内听觉毛细胞 声音振动打开应力激活通道，引起离子流进毛细胞从而产生电信号，传递到听觉神经，再传递给大脑。,听觉毛细胞,静纤毛,不倾斜约束,倾斜约束,4、神经细胞的离子通道和信号转导,细胞体,树突,轴突,轴突的末端分支,神经末梢,信号传递方向,信号传递形式：由跨越神经元质膜的电位变化组成。,模式动物 枪乌贼,电极能插入枪乌贼的大轴突中,动作电位 动作电位：一种电兴奋的传播波。足够强的局部电刺激引发质膜的电活性暴发，并沿着轴突膜迅速传播，在全程中不断自动更新而得以维持。 特点：信号不减弱，高速100 m/s 通常由电压门控Na+通道介导 （至少三
14、种构象）,膜处于静息状态（高度极化），关闭构象最稳定,膜去极化时， 开放构象较为稳定，开放可能性高,膜去极化时， 非活化构象最稳定，短暂开放后变失活,离子流表征动作电位的升高和降低,膜电位,刺激电流,一个短暂的电流脉冲激发动作电位,Na+通道,动作电位能够沿轴突传播。,神经末梢电信号转换为化学信号 信号从神经末梢传递到靶细胞（其它神经元或肌细胞）。 电信号不能通过，以一种称为神经递质的小信号分子的形式被转化为化学信号。 神经递质储存在突触小泡中，以胞吐的方式释放。,突触前神经末梢,突触后神经细胞的树突,突触后膜,突触间隙,突触小泡,突触前膜,神经末梢电信号转换为化学信号 动作电位抵达神经末梢时
15、，质膜的电压门控Ca2+通道被打开，Ca2+流入，刺激突触小泡与质膜融合，将神经递质释放。,靶细胞递质门控通道把化学信号转变为电信号 神经递质与靶细胞突触后膜的神经递质受体结合，导致靶细胞膜电位的变化，引发细胞产生动作电位。,神经递质受体,膜电位变化（电信号）,神经元能接受兴奋性输入和抑制性输入,兴奋性输入：激活Na+或Ca2+离子通道，膜去极化，产生动作电位,抑制性输入：激活Cl-离子通道，膜维持极化,兴奋性神经递质,抑制性神经递质,递质门控离子通道是精神药物的重要靶点 治疗失眠、忧虑、抑郁和精神分裂症所用的药物多作用于脑内突触，其中许多通过神经递质门控离子通道相结合而作用。 如：安定、三唑
16、苯二氮和羟基安定之类的巴比妥酸盐和镇静剂，能与抑制性神经递质GABA门控Cl-通道结合，使得通道容易被GABA打开，从而细胞对GABA的抑制效应更敏感。 而抗抑郁症药物普鲁扎克阻断兴奋性神经递质5-羟色胺的摄取。,在突触处，突触前细胞的神经末梢把电信号转变为化学信号，而突触后细胞再把化学信号转换为电信号。,一个神经元上有几千个神经末梢突触,神经元必须组合信号、解释信号和记录信号 化学突触,四、 膜泡运输的基本概念,真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。 因货物包被在囊泡中，又称膜泡运输。,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等。,一、吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,二、胞饮作用,包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。,三、外排作用,四、穿胞运输 在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：
