《分子 细胞与组织教学课件》10.质膜和小分子物质的穿膜运输.ppt

跨种属的杂交能实现吗？为什么？,“兔鸭”,rolling leukocytes,中性粒细胞怎样从血管中到炎症组织中去？,我们的细胞如何构建成组织？,细胞内外、细胞器内外的分子组成为什么不同？,钙离子浓度：细胞膜外是细胞膜内的一万倍！,钙离子浓度：光面内质网内是细胞质基质内的数千倍！,细胞膜（质膜）决定了细胞的体积，既是细胞与外界环境隔绝的屏障，又是细胞与外界环境交流的媒介。,？思考： 什么性质的分子能够组成细胞膜,细胞膜（cell membrane）质膜（plasma membrane） 生物膜 (biomembrane) 质膜（plasma membrane） 细胞内膜 （internal membrane） 质膜和细胞内膜具有共同的结构和相近的功能，统称生物膜。,第十章 质膜和小分子物质的穿膜运输,第一节 质膜 掌握：1. 生物膜的化学成分及其特点 2. 生物膜的结构模型 熟悉：1膜脂的结构和特点 2膜蛋白在质膜主要功能中的作用 了解：1. 膜蛋白的移动性,电镜下的质膜两暗夹一明，5-10nm，表面不光滑。,电镜下的细胞膜是不光滑的,一、质膜的化学组成和结构,一、膜脂,二、膜蛋白,三、膜糖,神经髓鞘膜： 脂类75 线粒体内膜： 蛋白质75 一般膜： 脂类50、蛋白质4050、 糖110,膜脂双 分子层,膜蛋白,膜蛋白,寡聚多糖,糖蛋白,糖脂,生物膜结构的流动镶嵌模型 Fluid Mosai Model,*生物膜结构的流动镶嵌模型,脂质分子排成双层构成生物膜的骨架 蛋白质分子以不同方式镶嵌或连接于 脂双层上，膜糖连接于膜蛋白和膜脂。 3. 膜两侧结构是不对称的 4. 膜脂和膜蛋白具有一定的流动性,一、脂质双层构成生物膜的骨架,生物膜上的脂质 膜脂（membrane lipids）,生物膜的基本骨架 脂质双层,使水溶性物质不能自由通过,为膜蛋白提供环境,(2)胆固醇（cholesterol）可多达与磷脂等量 (3)糖脂 （glycolipid）非胞质面,磷脂酰胆碱、,鞘磷脂,外侧：,磷脂酰丝氨酸(-),磷脂酰乙醇胺、,内侧：,(1)磷脂（phospholipid）含量最高,1. 膜脂的种类和分子结构,都是亲水脂分子：有一个亲水端和一个疏水端，与水和脂质都能作用。,磷脂（磷脂酰胆碱）的分子结构,极性的头部 （亲水磷脂 酰碱基等）,非极性尾部 （脂肪酸的 疏水烃链）,强硬的平面 甾环结构,极性的头部 （亲水）,非极性 尾部 （疏水 烃链）,胆固醇的分子结构,极性的头部 （亲水糖基）,糖脂的分子结构,非极性尾部 （疏水烃链）,亲水脂分子在水环境中：亲水端(极性的头部)向着水，疏水端（非极性的尾部）藏在内部。,2. 膜脂分子的排列特性,(1)脂分子团,(2)脂双层,(3) 脂质体,脂分子团,脂双层,脂质体,3. 膜脂的流动性,磷脂分子在膜上的运动,横向扩散,翻转,旋转,尾部摆动,1. 磷脂尾部不饱和脂肪酸对膜流动性的影响,2. 胆固醇对膜流动性的影响,不饱和脂肪酸含量 愈高,膜流动性愈 大。,胆固醇排列于磷脂之间，坚硬 的甾环结构使膜稳定性增加。,1.两个单层上膜脂分布不同（如磷脂头部种类） 2.糖脂全部分布于非胞质单层（质膜外侧或内膜腔面）,4. 脂双层的不对称性,糙面内质网的酶保证膜脂双层中脂类分子数量的平衡和种类的不对称分布。,膜脂的运输,膜泡运输 糙面内质网 高尔基体，溶酶体， 质膜。 磷脂交换蛋白 糙面内质网 线粒体，过氧化物酶体。,磷脂交换蛋白,5.膜脂的更新,细胞的体积和细胞器的体积保持着动态平衡,二、膜蛋白穿越或联结于脂双层，承担多种功能,生物膜上的蛋白质 膜蛋白（membrane proteins）,生物膜的大部分功能由膜蛋白完成：运输，催化，连接，识别，接受信号等,1. 膜蛋白的存在方式,膜蛋白的存在方式多种多样：肽链以螺旋穿越脂双层 或以片层卷成筒状贯穿脂双层，或者与脂双层中的脂类 或其它蛋白结合。,1单次跨膜2多次跨膜3桶,*整合膜蛋白破坏脂双层方可获得(第14种) *脂质锚定的膜蛋白通过脂质分子连接脂双层(第5、6种) *周围膜蛋白 轻柔分离即可获得(第7、8种),膜蛋白的不对称性,（1）非跨膜蛋白在膜上的定位不对称,（2）糖链只存在于多肽链的非胞质面一端 （3） 二硫键只存在于多肽链的非胞质面一端,到,这些不对称均在 糙面内质网中造成,细胞质,膜蛋白的存在方式与功能有关 两侧有作用:跨膜蛋白 运输蛋白、受体 单侧有作用,但需牢固位于膜上:跨膜蛋白 连接蛋白 单侧有作用,较松散联结于膜上:周围膜蛋白 细胞外基质成分,2.膜蛋白的结构,（2） 筒 barrel 片层卷成筒状,（1） 螺旋 helix,膜蛋白也是亲水脂分子亲水又亲脂 疏水氨基酸疏水区域 (hydrophobic) 亲水氨基酸亲水区域 (hydrophilic),（3） 糖基化（寡糖链在非胞质面）,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,(1) 膜蛋白是移动的、 可扩散的，但不翻转。,3.膜蛋白的移动性,(2) 膜蛋白的移动是受限的，膜蛋白有区域性分布。,小 肠 上 皮 细 胞,肠腔,上皮下组织间隙,“膜流”,质膜和细胞内膜的成分一直在不断地交换，不断地生成及消亡。,蛋白聚糖,1. 膜糖类的存在方式,连接于膜蛋白和膜脂（形成糖脂、糖蛋白、蛋白聚糖）,糖蛋白,糖脂,糖基,三、膜糖类位于膜的非胞质面（细胞的外侧面或细胞器 的内腔面） ，功能是识别和保护。,2. 膜糖类的功能,(1)形成“细胞外衣”（糖萼）- 保护,真核细胞表面富含糖类的外围区域,与膜蛋白和膜脂相连的膜糖类 + 黏附于膜上的糖蛋白和蛋白聚糖,ABO血型糖蛋白结构,差异所在,(2)特异的糖基和规则的糖链排列 - 识别,霍乱毒素被小肠上皮细胞识别,三种膜脂分子共同特点是什么？,1.都是亲水脂分子，即含有一个亲水末端（极性端）和一个疏水末端（非极性端）的分子。 2.都有一定的流动性。 3.在膜上的分布是不对称的。,小分子物质 大分子物质,物质运输,信息交流,细胞膜对于外界既是屏障（脂质双层） 又是沟通中介（膜糖、膜蛋白）,细胞膜的功能?,识别，黏附 接收和转导信号,组织构建（细胞连接）,运动,细胞连接,第二节 质膜主要功能之一： 介导小分子穿膜运输 掌握：1. 膜运输蛋白的种类 2. 跨膜运输的机制和特点 3. Na-K-ATP酶的工作原理 4. 离子通道的概念和主要离子通道的名称 熟悉：1. Na+非依赖的葡萄糖运输转运体的工作模型 2. Na+依赖的葡萄糖运输转运体的工作模型 了解：1. Na-K-ATP酶的直接和间接效应 2. 运输蛋白超家族的概念 3. 钙泵和质子泵的主要功能 4. 水通道的概念,（一）绝大多数小分子物质要由膜蛋白运输过膜,不需要膜蛋白的作用，而自由透过生物膜的脂双层， 这种跨膜运输形式称为单纯扩散。,进行单纯扩散的物质不需要膜蛋白的帮助，也不消耗ATP，只靠膜两侧保持一定的浓度差就可以通过生物膜。,一、穿膜运输的原理,合成的 脂双层,能单纯扩散的（permeable） 气体分子，如O2、N2、CO2 疏水小分子，如苯 不带电的极性小分子， 如水、乙醇、尿素等。,不能单纯扩散的（impermeable） 不带电荷的极性小分子， 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,生物膜能允许多种物质通过,这些物质由特殊的膜蛋白运输，称为 膜运输蛋白（membrane transport proteins）。,如葡萄糖、氨基酸、核苷酸、离子等。,（二）膜运输蛋白分为转运体和通道两类,转运体蛋白 (transporter protein),通道蛋白 (channel protein),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,膜运输蛋白的分类,各种离子、水,离子、氨基酸、 单糖、核苷酸等,运输特点,运输对象,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，运输速度较快。,膜运输蛋白的运输形式： 主动运输和被动运输,1.被动运输（易化扩散） 不需能量/所有通道蛋白和一部分转运体蛋白/帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜下坡,浓度梯度,转运体蛋白,通道蛋白,单纯扩散,被运输物质,被动运输,主动运输,2.主动运输 需消耗能量/转运体蛋白（泵）/将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜上坡,膜运输蛋白的运输形式： 主动运输和被动运输,转运体蛋白经历一次构象变化，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。,二、转运体蛋白介导的运输,1.与酶-底物反应类似,与所运输物质有特异的结合位点，对所运物质有 结合常数，结合可被竞争性抑制物阻断，但不 改变被运输物的性质。,（一）转运体蛋白介导运输的特点,2.多种运输方式,单一运输,同向运输,反向运输,偶联运输,转 运 体 蛋 白 运 输 的 几 种 形 式,转运体蛋白介导的被动运输,浓度梯度,不需要能量，顺物质的化学浓度梯度运输。,转运体蛋白介导的主动运输,转运体蛋白与一种能源相连，动物细胞中能源形式 : 1. 离子梯度驱动力偶联转运体： 通过偶联运输使一种物质的“下坡” 带动另一种物质的“上坡” 2. ATP驱动力ATP驱动泵: ATP水解提供能量,偶联转运体,ATP驱动泵,电化学梯度,（二）单一转运体,特异地运输一种或一类分子（葡萄糖等亲水小分子） 的转运体蛋白称为单一转运体，特点是顺浓度梯度被动 运输物质，不消耗能量，如葡萄糖运输转运体GLUT。,（三）偶联转运体,利用一种物质的电化学梯度中储存的能量来运输另一种物质的转运体称为偶联转运体，两种物质可以同向或反向运输。,1.Na+梯度驱动的同向运输转运体 摄入葡萄糖,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。,小肠上皮细胞顶面Na+驱动的同向偶联葡萄糖运输转运体,小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖单一运输转运体,小肠上皮细胞的吸收功能依靠两类不同的转运体蛋白,葡萄糖单一运输方式: 被动运输 (大多数细胞从细胞外 摄取葡萄糖的方式),葡萄糖同向运输方式: 主动运输 （肠道、肾脏上皮细胞）,细胞通过转运体蛋白摄取葡萄糖的不同方式,许多载体蛋白依赖Na+离子梯度驱动力完成主动运输, 那么Na+离子梯度又是如何建立起来并得到维持的呢? Na+离子不停地进入细胞,怎样把它们送回细胞外呢?,1.Na+ -K+泵,存在于几乎所有动物细胞膜上,利用ATP水解供应能量, 建立和维持细胞内外的Na+梯度。又称Na+ -K+ ATP酶。,(四) ATP驱动泵保障了大多数 离子的跨膜浓度差,Jens C. Skou,钠-钾离子泵吸钾排钠,1/32/3细胞能量耗费于此!,Na+和K+逆电化学梯度运输!,3个Na+出细胞,2个K+入细胞,Na+ 电化学梯度,K+ 电化学梯度,Na+ - K+ 泵 工 作 原 理,1. 细胞内的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。,胞外侧,胞质侧,Na+ - K+ 泵 工 作 原 理,胞质侧,4. 细胞外的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。,胞外侧,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。 使细胞内外离子的数量平衡 2. 保证一些物质的主动运输所需能量 离子梯度驱动力偶联转运体 3. 参与形成内负外正的膜电位 3个Na+出、2个K+入,2.钙泵、质子泵,溶酶体膜上的质子泵依靠ATP供能来维持溶酶体内的酸性环境,钙泵维持内质网中高钙浓度，与肌肉细胞收缩有关。,（五）ABC运输蛋白超级家族,各种运输ATP酶同属于ABC运输蛋白超级家族，因为结构中都含2个ATP结合匣（ATP Binding Cassette）。,与医学密切相关的例子：,肿瘤细胞膜多药耐药蛋白 (MDR) -在肿瘤细胞膜上过度表达,泵出各 种药物,造成耐药。,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和水，因此又叫 离子通道或水通道。 离子通道（ion channel）是神经冲动传导，肌肉收缩 和蛋白质分泌等生理过程的基础。,三、通道蛋白介导的运输,The Nobel Prize in Chemistry 2003,(一) 通道蛋白介导运输的特点,1.选择性：种类、带电性、大小 2.门控性：受跨膜电压、机械刺激、信号分子的调控 3.被动运输，不需要消耗能量。 4.速率很高,（二）离子通道,K+通道与静息电位（略） Na+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（信号分子）,乙酰胆碱受体与神经肌接头（运动 神经元与骨骼肌之间的特化突触）的化学- 电信号转换,神经细胞,肌肉细胞,乙酰胆碱（神经递质）,乙酰胆碱受体 （通道蛋白）,静息状态，通道关闭,受体激活，通道开放，Na+ 内流，肌肉细胞收缩,突触小泡,（三）2水通道（aquaporin，AQP）又叫水孔蛋白 大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，但需要快速运输大量水时需要通过水通道蛋白，它能够让水自由通过，但是不允许离子或是其他的小分子通过。,快速运输水的通道蛋白，肾脏、大脑、晶状体分布特别多。,血管加压素,肾小管,哺乳动物肾脏对尿液的重吸收,水孔蛋白（水通道）,水孔蛋白（水通道）,水孔蛋白（水通道）,水孔蛋白（水通道）,哺乳动物肾脏对尿液的重吸收,请比较小肠上皮细胞的两类葡萄糖运输蛋白,运输方式,名称,存在部位,运输能量,作用,Na+驱动的同向 葡萄糖运输蛋白,不依赖Na+的 葡萄糖运输蛋白,小肠上皮细胞顶面,小肠上皮细胞底侧面,同向偶联运输 Na+和葡萄糖,Na+梯度驱动力,不需要,单一运输葡萄糖,将葡萄糖逆浓度主动运输至细胞内，是小肠上皮细胞从肠腔吸收营养的方式。,将葡萄糖顺浓度被动运输至上皮下间质，是小肠上皮细胞将营养输送到全身的方式。,请比较“Na+驱动的同向运输转运体”和“Na+ -K+泵”,运输方式,名称,存在部位,运输能量,作用,Na+驱动的同向运输转运体,Na+ -K+泵,小肠或肾小管上皮细胞膜等,所有动物细胞膜,同向偶联运输 Na+和其它物质,Na+梯度驱动力,ATP,反向偶联运输Na+和K+,将其它物质逆浓度主动运输至细胞内。,建立和维持细胞外高钠、细胞内高钾的特殊离子梯度。,细胞膜的物质运输机制和类型,运输机制 运输类型 特点 运输物质,小分子和离子的运输,大分子及颗粒的运输,主动 运输,膜 泡 运 输,单纯扩散 通道蛋白 运输 转运体蛋白运输,（1）（2）同上 通过转运体蛋白,（1）（2）同上 通过通道蛋白,（1）高浓度低浓度 （2）不消耗能量 （3）通过脂质双分子层,（1）以膜泡形式运输 （2）耗能,O2、 N2、苯、乙醇、 甾类激素、磺胺类 H2O、甘油等 离子、 H2O 离子、氨基酸、 葡萄糖等 离子、氨基酸、 葡萄糖等 激素、抗体、细菌等,（1）低浓度高浓度 （2）消耗能量 （3）通过转运体蛋白,跨膜运输,被动 运输,*都是多次跨膜蛋白 *每种运输蛋白只运输某些特定物质 *活性和数目受到多种因素调控,运输小分子的膜运输蛋白特点：,思考题,生物体内除了膜脂以外还有哪些脂质？ 在功能上与膜脂有什么区别？,2.为什么是膜脂分子构成生物膜的骨架？,3.为什么生物膜是脂质双层而不是单层？ 4.为什么生物膜不让水溶性物质自由通过？,思考题,5. 在细胞一生不同的阶段，膜脂在膜上的分布 始终能保持不对称吗？为什么？ 6. 膜脂不对称分布的意义在哪里？ 7. 请举一个疾病的例子说明膜糖的识别作用,8.生物膜的3种化学成分及其共有特点是什么？ 9. 阐述生物膜结构的液态镶嵌模型 10.如果膜只是单纯的脂双分子层，可以经膜运输的物质应具备哪些特性？,思考题,11.生物膜能允许更多的物质通过，为什么?,14. Na+ -K+泵 作用的直接效应是什么？这一作用是如何实现的？,思考题,13.细胞膜、各种细胞器膜能通过的物质种类 相同么？为什么？,12.什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能？,15.想象一下，当你吃完饭后,你的小肠上皮细胞如何运用小分子物质跨膜运输原理,分别将食物中的营养物质葡萄糖、氨基酸、核苷酸、脂肪、盐分和水吸收进来？（只考虑从肠腔运入小肠上皮细胞）。 16.为什么口服补液必须含有糖和盐？,思考题,我叫黄心智,