1、,刘艳平 中南大学生命科学学院细胞生物学系,第四章 细胞膜与物质运输,Cell Membrane and Membrane Transport,第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,简单扩散 膜运输蛋白介导的穿膜运输,易化扩散主动运输离子通道水通道,一、膜的选择通透性和简单扩散,1.易于通过膜的物质：脂溶性物质不带电荷小分子物质2.不易通过膜的物质：带电荷物质大分子物质,（一）膜的选择通透性,高浓度,低浓度,（二）简单扩散(simple diffusion)?,脂质双分子层,电化学梯度,不需要消耗能量和不依靠专一膜蛋白,使物质顺浓度梯度从膜的一侧转运到另一侧的运输方式。,条件:溶质在膜两侧保持一
2、定的浓度差；溶质必须能透过膜。,脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和H2O等通过简单扩散方式 。,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,膜运输蛋白（membrane transport protein） 负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。,(一)基本概念,1.膜运输蛋白的定义,载体蛋白（carrier protein） 与特定溶质分子结合，通过构象改变进行物质转运， 介导被动运输和主动运输。通道蛋白（channel protein） 在膜上形成亲水孔道，贯穿脂双层，介导特定离子转运，仅介导被动运输。,2.膜运输蛋白的类型,3.被动运输和主动
3、运输,被动运输（passive transport）： 物质由高浓度向低浓度方向的膜转运，不需要消耗细胞的代谢能。主动运输（active transport）： 载体蛋白介导，利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运。,被动运输与主动运输,在特异性的载体蛋白介导下，一些非脂溶性（或亲水性）的物质顺电化学梯度的穿膜转运，不消耗细胞的代谢能。,(二) 易化扩散 (facilitated diffusion),特点：具有选择性、特异性转运速率远高于简单扩散具有饱和性，存在最大转运速度,简单扩散与易化扩散的动力学曲线比较,(三) 主动运输 ？,ATP驱动泵 （ATP直接提供能量） 协同运输（AT
4、P间接提供能量）,主动运输,载体蛋白，消耗代谢能量，物质从低浓度处向高浓度处的运输。,1. ATP驱动泵 特点：属穿膜蛋白，在膜的胞质侧有ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将物质从低浓度向高浓度转运，常称之为“泵”。具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。,类型：,P-型离子泵：驱动阳离子穿膜转运，如钠钾泵。V-型质子泵：将H+从胞基质中逆电化学梯度转运。,F-型质子泵：如线粒体ATP酶，使H顺浓度梯度 运动，合成ATP，在能量转换中起 重要作用。ABC转运体：运输小分子物质，如糖、氨基酸等， 有底物特异性。,A. P-型离子泵 B. V-型质子泵 C. F-型
5、质子泵 D. ABC转运体,Na+-K+泵(Na+-K+-ATP酶),Na+-K+泵的抑制剂,Na+-K+泵的结构,Na+-K+泵的工作机制,Na+-K+泵的功能,Na+-K+泵的结构,亚基（小亚基）：糖蛋白，有组织特异性。,亚基（大亚基）：穿膜蛋白，实际上是Na+-K+ATP酶，具有载体和酶的双重作用。,ATP,ADP,激发酶活性,构象改变,构象改变,去磷酸化,构象改变,Na+-K+泵的工作机制,Na+-K+泵的工作机制,Na+-K+离子浓度梯度的作用？,维持渗透压平衡为某些物质的吸收提供驱动力提供细胞代谢必要的离子浓度产生和保持膜电位,Na+-K+泵的功能？,水解一个ATP分子，可向细胞外
6、输出3个Na+，转入2个K+ ，形成Na+-K+离子浓度梯度。,Na+-K+泵的抑制剂,Na+-K+泵在神经细胞和肌肉细胞中特别活跃，这种泵对强心苷类化合物特别敏感，其外端可与乌本苷或毛地黄苷结合，导致酶活性受到抑制。酶受到抑制时，失去维持离子的生理浓度的功能，引起细胞膨胀，甚至破裂。,2.协同运输, 特点由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度中的能量。通过Na+-K+泵（或H+泵）消耗ATP维持这种离子电化学浓度。,共运输、对向运输, 类型,共运输（symport）： 物质运输方向与离子转移方
7、向相同，如：小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。,小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图,小肠上皮细胞顶端质膜中的Na+/葡萄糖协同运输蛋白，运输2个Na+的同时转运1个葡萄糖分子，使胞质内产生高葡萄糖浓度；质膜基底面和侧面的葡萄糖易化扩散运输蛋白，转运葡萄糖离开细胞，形成葡萄糖的定向转运。Na+-K+泵将回流到细胞质中的Na+转运出细胞，维持Na+穿膜浓度梯度。,对向运输（antiport）： 物质运输方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的pH值。,壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用,主要的载体蛋白类型, 逆电化学梯度运输
8、。 需要能量。能量来源主要有： 通过水解ATP获得能量 离子浓度梯度 都由载体蛋白介导。,3.主动运输的特点？,(四) 离子通道高效转运各种离子,1.离子通道的特点介导被动运输，双向；对离子有高度选择性；转运速率高；多数不持续开放，受“闸门”控制。,2.离子通道的类型配体门控通道（ligand-gated channel） 电压门控通道（voltage-gated channel） 应力激活通道 （stress-activated channel）, 配体门控通道,离子通道型受体与胞外特定配体结合后构象改变，“闸门”打开，允许某种离子快速穿膜转运。如乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道。, 电压门
9、控通道, 电压门控通道,膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化，使通道开放，离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭。电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等。包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。, 应力激活通道,通道蛋白感受应力作用，引起构象改变而开启“闸门”，离子通过通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道,能感受声波震动。,（五）水通道介导水的快速转运,1.定 义： 细胞膜上由水孔蛋白（aquaporin，AQP）形成的转运水分子的通道。,1988年，P.Agre(美国)发现水孔蛋白， 200
10、3年获得Nobel Prize,2.分类： 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0AQP10）。 AQP1、2、4、5、6、0：专一性通透水分子 AQP3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子 AQP8：功能尚不明确,囊泡转运(vesicular transport):定义：大分子和颗粒物质进出细胞由膜包围，形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程。,第三节 大分子和颗粒物质的囊泡转运,发生位点：质膜及胞内各种膜性细胞器之间的物质运输。作用：促进细胞内外物质交换、信息交流等。,胞吞作用（Endocytosis）,胞吐作用（Exocytosis）,耗能,一、胞吞作
11、用,定义：指大分子或颗粒物质附着于细胞表面后，质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡， 脱离质膜进入细胞内的转运过程 ，又称入胞作用或内吞作用。,2.吞噬作用,1.吞饮作用,3.受体介导的胞吞作用,类型： 根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同：,胞吞作用,1.吞饮作用,细胞摄取细胞外液及其中的可溶性物质的过程,不分青红皂白,细胞分布： 常见于巨噬细胞、 白细胞、 毛细血管内皮细胞、 肾小管内皮细胞、 小肠上皮细胞等。,定义：细胞质膜内陷，非特异性摄入溶质或液体 的过程，形成的小囊泡称胞饮体或胞饮泡。,胞吞作用,2.吞噬作用,细胞摄入颗粒物质，如细菌、衰老细胞等进行胞内消化的过程 (原生生物、白细
12、胞）,有的放矢,细胞分布：具有吞噬功能的细胞。 中性粒细胞 单核细胞 巨噬细胞功能：在机体防御系统中 发挥重要作用 。,定义：细胞膜凹陷或形成伪足，摄入直径大 于250nm的颗 粒物质（如细菌）的过程，形成的小囊泡称吞噬体或吞噬泡。,巨噬细胞吞噬衰老红细胞,细胞通过膜上的受体介导摄入特定的大分子的过程。,（2）受体：位于细胞表面的糖蛋白或糖脂分子（识别、转换、效应部）,（1）配体：被转运的物质/信号分子,3.受体介导的胞吞作用,（3）有被小窝和有被小泡：主要由网格蛋白构成（牵拉内陷）,3.受体介导的胞吞作用,衔接蛋白adaptin,（4）网格蛋白的1条轻链、1条重链组成二聚体。3个二聚体形成三
13、脚蛋白复合体。,3.受体介导的胞吞作用,多个三脚蛋白复合体形成篮网结构,有被小窝与有被小泡的形成,定义：细胞通过受体的介导摄取细胞外特异性蛋白质或其他化合物的过程。为细胞提供了高效、选择性地摄取细胞外大分子物质的方式。 特点：具有选择性和高效性。,受体介导的胞吞作用,3.受体介导的胞吞作用以LDL摄取为例,胆固醇低密度脂蛋白（LDL）,Low Density Lipoprotein，LDL,胆固醇,膜,类固醇激素,LDL受体介导的LDL胞吞过程,受体向有被小窝集中与LDL结合，有被小窝凹陷、缢缩形成有被小泡进入细胞；有被小泡迅速脱去外被形成无被小泡；无被小泡与内体融合，在内体酸性环境下LDL与
14、受体解离；受体经转运囊泡返回质膜，被重新利用。含LDL的内体与溶酶体融合，LDL被分解释放出游离胆固醇。,二、胞吐作用,定义： 细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程称为胞吐作用，也称为外排作用或出胞作用。,胞吐作用分为两种类型：连续性分泌（constitutive secretion）调节性分泌（regulated secretion）,连续性分泌和调节性分泌,(一) 连续性分泌,定义：连续性分泌途径指分泌蛋白在糙面内质网合成后，转运至高尔基复合体修饰、浓缩、分选、装入分泌膜泡，随即被运送到细胞膜，与质膜融合，将分泌物排出的过程。分布：普遍存在于所有的动物细
15、胞中,(二)调节性分泌,定义：调节性分泌途径是指分泌蛋白合成后被储存于分泌囊泡内，只有当细胞接受到细胞外信号的刺激，才能启动胞吐过程，将分泌物释放到细胞外。分布：存在于分泌激素、酶、神经递质的特化细胞中。,胞吐作用的生理意义,补充因内吞作用减少的细胞膜及一些膜上的特异成分（如膜表面受体），以补充和更新细胞膜；分泌各种物质，构成细胞表面、细胞外基质，或为其它细胞提供营养物质、信号。,第四节 细胞膜异常与疾病,一、细胞膜异常与肿瘤 二、膜转运系统异常与疾病 三、膜受体异常与疾病,膜表面负电荷增加、纤粘连蛋白减少、出现微绒毛、变形足,一、细胞膜异常与肿瘤,对外源凝集素凝集力增强，易发生聚集现象,凝集
16、素受体增加,细胞迁移能力增强,接触抑制消失、细胞增殖失控,外被糖链短缺、出现异常抗原和受体,变化后果,异常变化,二、膜转运系统异常与疾病,细胞膜上与物质转运有关的转运蛋白结构缺陷或功能异常，会导致所转运的物质不能被正常转运。,1.胱氨酸尿症 由于转运胱氨酸及二氨基氨基酸（赖氨酸、精氨酸及鸟氨酸）的载体蛋白缺陷，原尿中四种氨基酸重吸收发生障碍。尿中高浓度胱氨酸析出成结晶，形成尿路结石，引起肾损伤。,（一）载体蛋白异常与疾病,2.肾性糖尿 由于患者肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷，引起葡萄糖重吸收障碍，出现血糖正常情况的肾性糖尿。,（二）离子通道蛋白缺陷与疾病,囊性纤维化（cystic
17、fibrosis,CF）： 一种遗传性离子通道蛋白异常疾病。相关基因：引起CF的相关基因囊性纤维跨膜转导调节子（CFTR）定位于染色体7q31。,病因：CFTR是位于细胞质膜上一个受cAMP调节的氯离子通道。CFTR异常导致细胞向外转运Cl减少，分泌的黏液水化不足,粘度增大，造成纤毛摆动困难，不能向外排除分泌物而易于引发细菌感染。,临床症状：慢性咳嗽、大量粘痰及反复发作的难治性肺部感染。长期慢性腹泻、吸收不良综合征、生长发育迟缓等。,Cell Membrane and Membrane Transport,细胞表面信号转导或物质运输过程由于膜受体数量增减或结构上的缺陷所引起的疾病称为受体病（r
18、eceptor disease） 。,三、膜受体异常与疾病,编码LDL受体的基因突变(AD)。LDL受体异常主要包括：受体缺乏和受体结构异常。,家族性高胆固醇血症,细胞膜上LDL受体缺陷示意图,由于细胞不能摄取LDL颗粒，引起血液中胆固醇浓度升高并在血液中沉积，患者会过早地发生动脉粥样硬化和冠心病 。,思考题 1.真核细胞生命活动中质膜有哪些重 要功能。 2.试述细胞膜的化学组成与膜功能的 关系。 3.比较离子通道蛋白和载体蛋白介导 的物质运输有何异同 。,4.细胞膜的特性有哪些？有何生物学意 义？试用流动镶嵌模型解释生物膜的 特性。 5.试述物质运输的几种运输方式？ 6.以Na+K+泵为例，说明物质的主动运 输过程。 7.以LDL为例，说明受体介导的胞吞作 用。,
