物质的跨膜运输细胞生物学课件

物物质的跨膜运的跨膜运输细胞胞生物学生物学第一节第一节 膜转运蛋白与膜转运蛋白与物质的跨膜运输物质的跨膜运输细胞进行的物质运输有三种不同的范畴：细胞运输(cellular transport)这种运输主要是细胞与环境间的物质交换胞内运输(intracellular transport)是真核生物细胞内膜性细胞器与细胞内环境进行的物质交换跨细胞运输(transcellular transport)这种运输是物质穿越细胞的运输物质通过质膜的三种主要途径物质通过质膜的三种主要途径n被动运输被动运输n主动运输主动运输n胞吞作用与胞吐作用胞吞作用与胞吐作用人工脂分子的透性人工脂分子的透性疏水分子：疏水分子：疏水分子：疏水分子：OO2 2、NN2 2、苯苯苯苯小的不带电荷的极性分小的不带电荷的极性分小的不带电荷的极性分小的不带电荷的极性分子：水、尿素、甘油子：水、尿素、甘油子：水、尿素、甘油子：水、尿素、甘油大的不带电的极性分子：大的不带电的极性分子：大的不带电的极性分子：大的不带电的极性分子：葡萄糖、蔗糖等葡萄糖、蔗糖等葡萄糖、蔗糖等葡萄糖、蔗糖等离子：离子：离子：离子：NaNa+、HH+、KK+、HCOHCO3 3 、CaCa 、ClCl一、脂双层的不透性和膜转运蛋白在活细胞中质膜对物质在活细胞中质膜对物质的的通透有高度的通透有高度的选择性选择性细胞膜细胞膜n与人工脂双分子膜一样，能通过简与人工脂双分子膜一样，能通过简单扩散透过水、非极性分子；单扩散透过水、非极性分子；n还能透过各种极性分子和无机离子还能透过各种极性分子和无机离子如：核苷酸、糖、氨基酸；如：核苷酸、糖、氨基酸；（一）（一）载体蛋白及其功能载体蛋白及其功能 P68P68膜转运蛋白膜转运蛋白载体蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白脂脂双双层层浓浓度度下下降降（二）（二）通道蛋白通道蛋白v一般认为它是横跨质膜形成的亲水的通道，能使一般认为它是横跨质膜形成的亲水的通道，能使适宜大小的分子及带电荷的溶质通过。适宜大小的分子及带电荷的溶质通过。脂双层脂双层脂双层脂双层亲水部分亲水部分亲水部分亲水部分疏水部分疏水部分疏水部分疏水部分v离子通道压力激活通道压力激活通道压力激活通道压力激活通道细胞内外配体门控细胞内外配体门控电压门控电压门控离子选择性离子选择性:门控性门控性:A.配体门通道配体门通道离子通道型受体离子通道型受体B.电压门通道电压门通道 细胞内外特异离子浓度发生变化时或细胞内外特异离子浓度发生变化时或其它刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，其它刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门门”打打开。开。正常膜电位正常膜电位正常膜电正常膜电位被电流位被电流刺激破坏刺激破坏通道通道关闭关闭通道通道开启开启通道失活通道失活C:压力激活通道压力激活通道机械门通道机械门通道 v各种各样的机械力刺激各种各样的机械力刺激，将机械刺激的信号将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应转化为电化学信号最终引起细胞反应。二、被动运输二、被动运输 1、概念、概念:P71顺浓度梯度；不消耗能量顺浓度梯度；不消耗能量 2、类型、类型:u简单扩散（自由扩散）简单扩散（自由扩散）:顺浓度梯度顺浓度梯度，不耗能，不需要膜蛋白不耗能，不需要膜蛋白。u协助扩散（促进扩散）协助扩散（促进扩散）:顺浓度梯度顺浓度梯度，不耗能，需要膜蛋白。，不耗能，需要膜蛋白。（一）、简单扩散（一）、简单扩散简单扩散简单扩散n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。n通透性P=KD/d，K为分配系数，D为扩散系数，d为膜的厚度。1、简单扩散的限制因素、简单扩散的限制因素 u脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快 u相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散 u物质的带电性:不带电荷的极性分子（二）水（二）水孔蛋白孔蛋白（AquaporinAquaporin，AQPAQP）：水分子的跨膜通道水分子的跨膜通道v19911991年，年，AgreAgre发现第一个水通道蛋白发现第一个水通道蛋白CHIP28 CHIP28（三）、协助扩散（三）、协助扩散 P71特异的膜转运蛋白特异的膜转运蛋白“协助协助”物质转运物质转运促进扩散的速度要快几个数量级具有饱和性:当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高。具有高度的选择性:如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。1、协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点、协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点：（四）、主动运输（一）概念：由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度的跨膜转运方式。主动运输主动运输n特点：逆浓度逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量能量；都有载体载体蛋白。n能量来源：协同运输中的离子梯度离子梯度动力；ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；光光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。主动运输类型浓度梯度浓度梯度光驱泵蛋白光驱泵蛋白ATP-ATP-驱动泵蛋白驱动泵蛋白偶联载体偶联载体第二节 ATP驱动泵和主动运输nATP驱动泵分类：nP型离子泵nV型质子泵nF型质子泵nABC超家族P型离子泵(P74)n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。（一）、钠钾泵（一）、钠钾泵动物细胞的质膜动物细胞的质膜 n n是是是是NaNa+-K-K+ATP ATP酶酶酶酶 ,由由由由2 2个大亚基、个大亚基、个大亚基、个大亚基、2 2个小亚基组成个小亚基组成个小亚基组成个小亚基组成的的的的4 4聚体聚体聚体聚体.NaNa+电化学梯度电化学梯度细胞外细胞外K K+电化学梯度电化学梯度K K+结合位点结合位点胞质溶胶胞质溶胶NaNa+结合位点结合位点一、P型离子泵v工作原理工作原理:细胞外细胞外胞质胞质溶胶溶胶ATPATP将泵蛋将泵蛋白磷酸化白磷酸化K K+的结合使的结合使泵蛋白去磷泵蛋白去磷酸化酸化细胞必须进行渗透压调节细胞必须进行渗透压调节(P75)细胞以不同的方式避免被涨破细胞以不同的方式避免被涨破nNa+-K+泵的作用泵的作用：n维持细胞的渗透性维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；n维持低Na+高K+的细胞内环境；n维持细胞的静息电位；静息电位；n吸收营养。乌苯苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。（二）、钙泵（二）、钙泵(P75)(P75)及其他及其他P型离子泵CaCa2+2+ATPATP酶酶酶酶 H+泵(P76)植物细胞、真菌和细菌细胞质膜H+ATP酶酶，建立跨膜的，建立跨膜的H+电化学梯度，驱动电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞转运溶质进入细胞质子泵质子泵n1、P-type：如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。n2、V-type：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶溶酶酶体体膜膜、内内体体、植物液泡膜植物液泡膜上。n3、F-type：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜细菌质膜、线粒体内膜线粒体内膜、类囊体膜类囊体膜上。P-型泵型泵V-型泵型泵定子定子定子定子转子转子转子转子 F-型泵：型泵：HH+-ATP酶酶酶酶 三、三、ABC 超家族超家族nABC超超家家族族（ABC superfamily）最最早早发发现现于于细细菌菌，属属于于一一个个庞庞大大的的蛋蛋白白家家族族，每每个个成成员员都都有有两两个个 高高 度度 保保 守守 的的 ATP结结 合合 区区（ATP binding cassette），故名），故名ABC转运器。转运器。Mammalian MDR1 protein第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein,MDR），约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。Four types of ATP-powered pumps四、协同运输（四、协同运输（cotransport)cotransport)偶联转运偶联转运概念概念:特点：特点：靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。动物细胞中常常利用膜两侧动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动浓度梯度来驱动。协同运输协同运输分为：同向协同同向协同和反向协同反向协同n1、同向协同、同向协同（symport）n如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。n2、反向协同（、反向协同（antiport）n如Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图葡萄糖浓度：葡萄糖浓度：高高低低低低葡萄糖葡萄糖NaNa+-驱动同向转驱动同向转运将葡萄糖引入运将葡萄糖引入细胞细胞载体蛋白介导载体蛋白介导的被动转运将的被动转运将葡萄糖送出细葡萄糖送出细胞胞小肠肠腔小肠肠腔小肠上小肠上皮细胞皮细胞NaNa+-K-K+泵泵小肠上皮细小肠上皮细胞微绒毛胞微绒毛细胞外体细胞外体液液三、被动运输与主动运输比较主动转运主动转运被动转运被动转运浓度梯度浓度梯度载体蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白被转运的分子被转运的分子简单扩散简单扩散通道蛋白介导通道蛋白介导载体蛋白介导载体蛋白介导第三节第三节 胞吞作用和胞吐作用胞吞作用和胞吐作用v膜泡运输v批量运输v主动运输真核细胞通过内内吞吞作作用用（endocytosis）和外外排排作作用用（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，又称膜泡运输膜泡运输。一、胞吞作用一、胞吞作用细胞外物体（或大分子物质）进入细胞细胞外物体（或大分子物质）进入细胞内的渠道内的渠道胞胞吞吞作作用用胞吞泡胞吞泡胞吞泡胞吞泡胞饮作用胞饮作用胞饮作用胞饮作用吞噬作用吞噬作用吞噬作用吞噬作用胞饮泡胞饮泡胞饮泡胞饮泡吞噬泡吞噬泡吞噬泡吞噬泡1.胞饮作用与吞噬作用n细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。吞噬作用：巨噬细胞正在吞噬死亡的红细胞吞噬作用：巨噬细胞正在吞噬死亡的红细胞伪足边缘伪足边缘吞噬作用：嗜中性细胞正在吞噬分裂中的细菌吞噬作用：嗜中性细胞正在吞噬分裂中的细菌细菌细菌伪足伪足细胞质膜细胞质膜噬中性细胞噬中性细胞n细胞吞入液体或极小的颗粒物质。胞饮作用胞饮作用胞饮作用：卵细胞正在摄取脂蛋白胞饮作用：卵细胞正在摄取脂蛋白1342细胞内细胞内细胞外细胞外网格网格蛋白蛋白脂蛋白球脂蛋白球胞饮泡形成机制胞饮泡形成机制网格蛋白分子网格蛋白分子三角蛋白体三角蛋白体（triskeliontriskelion）三角蛋白体的可三角蛋白体的可能结构组成能结构组成 含三个轻链和三含三个轻链和三个重链个重链 由由3636个三角蛋白体组个三角蛋白体组成的网格蛋白包被成的网格蛋白包被（电镜图）（电镜图）vv网格蛋白网格蛋白网格蛋白网格蛋白v网格蛋白小泡的组装和拆卸衔接蛋白衔接蛋白裸露的转运小泡裸露的转运小泡货物蛋货物蛋白受体白受体出芽形成出芽形成货物蛋白质货物蛋白质网格蛋白网格蛋白小泡形成小泡形成蛋白质包被组装蛋白质包被组装;货物蛋白质选择货物蛋白质选择有被小泡有被小泡发动蛋白发动蛋白脱包被脱包被具选择性具选择性细胞质基质二、受体介导的胞吞作用二、受体介导的胞吞作用细胞吸收胆固醇细胞吸收胆固醇：胆固醇在血管里以胆固胆固醇在血管里以胆固醇酯存在于脂蛋白颗粒醇酯存在于脂蛋白颗粒中，叫做中，叫做“低密度脂蛋低密度脂蛋白（白（LDLLDL，low density low density lipoproteinslipoproteins）”胆固醇胆固醇分子分子胆固醇酯胆固醇酯分子分子磷脂单层磷脂单层蛋白质分子的蛋白质分子的表面突出表面突出一个一个 LDL LDL 颗粒颗粒细胞以受体为媒介输入胆固醇（细胞以受体为媒介输入胆固醇（2 2）受体通过胞吞作用进入细胞后的命运受体通过胞吞作用进入细胞后的命运1 1、再循环、再循环（recyclingrecycling）：受体返）：受体返回到原来的细胞质膜区回到原来的细胞质膜区域域2 2、转包吞作用转包吞作用（transcytosistranscytosis）受体被转运到细胞质膜受体被转运到细胞质膜的不同区域的不同区域3 3、降解、降解（degradationdegradation）：胞内）：胞内体接受水解酶后演变成体接受水解酶后演变成溶酶体溶酶体,受体被降解受体被降解细胞质膜的顶端区域细胞质膜的顶端区域细胞质膜的基部（侧面）区域细胞质膜的基部（侧面）区域胞吞作用胞吞作用转运小泡转运小泡溶酶体溶酶体胞内体胞内体再循环再循环胞吞转运胞吞转运降解降解谢谢！