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物质的跨膜运输

物质的跨膜运输. 与信号转导. 第一节 细胞膜是选择性半透膜. 人工脂双层对各种分子的相对通透性. 人工膜对各类物质的通透率: 脂溶性越高通透性越大 ,水溶性越高通透性越小; 非极性分子比极性容易透过, 极性不带电荷小分子,如 H 2 O 、 O 2 等可以透过人工脂双层,但速度较慢; 小分子比大分子容易透过; 分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过; 人工膜对带电荷的物质,如各类 离子是高度不通透 的。. 第二节 小分子物质的跨膜运输. 小分子: 疏水分子如 O 2 、 CO 2 、 N 2 、 磺胺、苯等脂溶性物质。

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物质的跨膜运输

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Presentation Transcript


  1. 物质的跨膜运输 与信号转导

  2. 第一节 细胞膜是选择性半透膜

  3. 人工脂双层对各种分子的相对通透性

  4. 人工膜对各类物质的通透率: • 脂溶性越高通透性越大,水溶性越高通透性越小; • 非极性分子比极性容易透过,极性不带电荷小分子,如H2O、O2等可以透过人工脂双层,但速度较慢; • 小分子比大分子容易透过;分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过; • 人工膜对带电荷的物质,如各类离子是高度不通透的。

  5. 第二节 小分子物质的跨膜运输

  6. 小分子: 疏水分子如O2、CO2、N2、磺胺、苯等脂溶性物质。 小的不带电荷的极性分子如尿素、甘油、H2O、乙醇等。 大的不带电荷的极性分子如葡萄糖、氨基酸等。 • 离子: 钠离子、钾离子、钙离子、氢离子、碳酸根离子、磷酸根离子、镁离子、氯离子等

  7. 根据是否需要ATP的参入,分为: 被动运输(passive transport) :不消耗细胞的代谢能(ATP),顺浓度梯度的运输。 主动运输(active transport):消耗细胞的代谢能(ATP),逆浓度梯度的运输。

  8. 被动运输和主动运输

  9. 一、被动运输 概念:是通过简单扩散或易化(协助)扩散实现物质由高 浓度向低浓度方向的跨膜运转。 特点:运输方向 由高浓度向低浓度 能量消耗 无 膜转运蛋白 无 类型:简单扩散(simple diffusion) 协助扩散(facilitated diffusion)

  10. 简单扩散 扩散现象: • H2O中滴一滴墨水后的扩散现象; • CO、CH4等气体的扩散知识; • 半透膜内外加入不同物质后的渗透现象。 细胞膜有半透膜的特性,膜脂分子间有很小的间隙,部分小分子可直接通过此间隙由浓度高侧向浓度低侧扩散。 注:扩散-----高浓度到低浓度

  11. 1、简单扩散 • 概念:又称为自由扩散(free diffusion)是疏水小分子或 小的不带电荷的极性分子,不需要能量也不需要膜蛋 白参与的跨膜运输方式。 • 特点: • ①沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散; • ②不需要提供能量; • ③没有膜蛋白的协助。 速度决定于:分子的大小,浓度差的大小,脂溶性大小。

  12. 进行简单扩散的分子有: • 非极性小分子:如O2、N2、苯。 • 脂溶性物质:如乙醇、甾类激素、磺胺类等。 • 带电荷的极性小分子:如CO2、H2O、甘油、尿素等 。

  13. 2、协助扩散 概念:也称促进扩散,是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助 下顺浓度梯度(或电化学梯度)的跨膜运输。 特点:①转运速率高; ②存在最大转运速率; ③有膜转运蛋 白参与,有特异性。 膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。 载体蛋白(carrier protein):通过构象变化运输物质 通道蛋白(channel protein):形成通道、运输物质

  14. 膜转运蛋白的特点 • 载体蛋白有与转运物质特异性结合的位点,相当于结合在细胞膜上的酶,所以有通透酶的称号。 • 通道蛋白横跨膜形成亲水通道,允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。

  15. 通道蛋白: 概念:通道蛋白(channel protein)是横跨质膜的亲水性通道,允许适 当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过,又称为离子通道。 特征:一是离子通道具有选择性;二是离子通道是门控的。 类型:通道蛋白形成通道:持续开放(如水通道) 间断开放(闸门通道) 配体闸门通道:配体与受体结合,通道开放。 电压闸门通道:膜电位变化,启动通道开放。 离子闸门通道:特定离子浓度变化,启动通道。 进行通道扩散的分子有:离子、神经递质

  16. 配体门通道 表面受体与细胞外的特定物质(配体ligand)结合,引起门通道蛋白发生构象变化,结果使“门”打开 乙酰胆碱受体

  17. 电位门通道 电位门通道(voltage gated channel)是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时,或对其他刺激引起膜电位变化时,致使其构象变化,“门”打开。

  18. 钾电位门通道 S4 段上的正电荷可能是门控电荷,当膜去极化时(膜外为负,膜内为正),引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面,通道蛋白构象改变,“门”打开,大量K+外流,此时相当于K+的自由扩散。

  19. 通道蛋白介导的被动运输

  20. 例如:神经---肌肉兴奋,不到1秒钟的时间内完成,这一过程包括四种通道顺次开放:例如:神经---肌肉兴奋,不到1秒钟的时间内完成,这一过程包括四种通道顺次开放: A、刺激-神经冲动-神经末梢,膜去极化,电压闸门通道钙离子通道开放,钙离子进入神经末梢,刺激乙酰胆碱(ACH)分泌到突触间隙中; B、ACH与突触后肌细胞膜上的受体结合,配体闸门钠离子通道开放,钠离子进入肌细胞,肌细胞膜去极化; C、肌细胞膜上电压闸门钠离子通道开放,更多的钠离子进入肌细胞,肌细胞膜进一步去极化,产生动作电位,扩散到肌细胞膜; D、肌浆网上的离子闸门通道钙离子通道开放,钙离子进入细胞质,引起肌肉收缩。

  21. 载体蛋白(carrier protein) • 协助(易化)扩散:葡萄糖、氨基酸、核苷酸等分子量较大,属不带电荷的极性分子,不能扩散通过脂双分子层,没有相应通道,必须通过膜上载体蛋白的协助才能通过膜,故名协助扩散。 • 协助扩散特点:高浓度低浓度;不消耗细胞代谢能;有载体帮助,当载体蛋白处于饱和状态时,速度最大。

  22. 载体蛋白(carrier protein)是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合,通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。

  23. 载体蛋白的构象变化介导溶质A易化扩散(被动运输)载体蛋白的构象变化介导溶质A易化扩散(被动运输)

  24. 二、主动运输 概念:主动运输(active transport)是指由载体蛋白介导的 物质逆浓度梯度(或化学梯度)的由浓度低的一侧向 浓度高的一侧的跨膜运输方式。 特点: ①运输方向; ②膜转运蛋白; ③消耗能量。 主动运输所需能量的来源主要有: 1. ATP直接提供能量(Na+-K+泵、 Ca2+泵)2. ATP间接提供能量3. 光能驱动

  25. 主动运输所需能量的来源

  26. 进行主动运输的物质: • 各种离子(如钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子、钙离子等)。 • 葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子 。 根据能量来源不同分为两种形式: • 载体蛋白介导的主动运输(ATP直接供能) • 离子梯度驱动的主动运输(ATP间接供能)

  27. 1、载体蛋白介导的主动运输 进行主动运输的载体又称“离子泵” *膜上运输钠和钾离子的载体称“钠钾泵”或“钠钾ATP酶”。 *下面以“钠钾泵”为例介绍载体蛋白介导的主动运输过程 和特点: 钠---钾泵的组成: • 大亚基(100000DN): 外侧:1、钾结合位点 2、鸟苯苷结合位点 内侧:1、钠结合点 2、ATP结合点 • 小亚基(45000DN):与大亚基结合,作用不明。

  28. Na+-K+ATP PUMP 1.3Na+结合到结合位点上 2.酶磷酸化 3.酶构象变化 5.2K+结合到位点上, 酶去磷酸化 6.2K+释放到细胞内,酶 构象恢复原始状态。 4.3Na+释放到细胞外

  29. 1.3Na+结合到结合位点上 2.酶磷酸化  3.酶构象变化,3Na+释放到细胞外  4.2K+结合到位点上 5.酶去磷酸化  6.2K+释放到细胞内,酶构象恢复原始状态。

  30. Na+-K+泵的作用: • 产生和维持膜电位; • 为葡萄糖、氨基酸的主动运输创造条件 ; • 维持细胞的渗透压,例如:当肾小管细胞间隙钠过高时会导致细胞内水分外渗,细胞内缺水,人会感到口渴而饮水多。

  31. Ca++ ATPase • 钙泵(Ca2+ pump )又称Ca2+-ATP酶。 • 钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上,它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来,以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。 • 钙泵在肌质网内储存Ca2+ ,对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。

  32. Ca++ ATPase Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca++ ATPase Conformation change

  33. 膜上有许多进行主动运输的载体: • Na+-K+ATP酶 • Ca2+ATP酶 • H+ ATP酶 • Na+-H+交换载体 • Cl---HCO3-交换载体等

  34. 2、离子梯度驱动的主动运输 • 主动运输的能量不是由ATP直接提供,而是由储存在膜上离子梯度中的能量来驱动的。 • 这类运输进行时,一种物质的运输必须依赖另一种物质的同时运输,故称为协同运输。

  35. 协同运输(cotransport) • 是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 • 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度,而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 • 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。 • 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。 • 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向,协同运输又可分为:同向运输(symport)与对向运输(antiport)。

  36. 协同运输包括-同向运输和对向运输

  37. 协同运输 两种物质同时相向转运,称对向运输(逆向协同运输) 如: Na+--K+ Na+—H+ Cl-—HCl3- • 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中,乳糖的吸收伴随着H+的进入。 两种物质同时同向转运,称同向运输(同向协同运输) 如: Na+--G Na+--aa 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。还有一种机制是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。 浓度差+电位差→电化学梯度 动物细胞中,Na+的电化学梯度通常是驱动另一种分子 主动运输的能量,如Na+梯度驱动G、aa的主动运输

  38. 进入血液,运输到全身细胞 细胞膜结构的方向性, 决定其物质运输功能 的方向性。

  39. 物质通过细胞膜的运输 单运输 (被动或主动运输) 协同运输 (主动运输):同向运输 对向运输

  40. 图示

  41. (被动运输) 膜转运蛋白 单运输 协同运输 通道蛋白 载体蛋白 同向运输 对向运输 (被动运输+主动运输)

  42. 3.主动运输的特点 • 逆浓度梯度(逆电化学梯度)运输 • 需要能量(由ATP直接供能)或与释放能量的过程偶联(协同运输) • 都有载体蛋白

  43. 4.主动运输所需的能量的直接来源 • ATP 驱动的泵通过水解ATP 获得能量 • 协同运输中的离子梯度动力; • 光驱动的泵利用光能运输物质,见于细菌。

  44. 三 、物质的跨膜转运与膜电位 • 膜电位:对带电物质的跨膜运输在造成其浓度差的同时也造成其电位差,这些电位差的总和称为膜电位 • 静息膜电位:阴阳离子通过跨膜运输达到一个精确的平衡状态,此时的膜电位称为静息膜电位 • 动作电位:细胞受到刺激时,电压闸门钠离子通道通过运输离子使静息膜电位发生改变,此时的膜电位称为动作电位

  45. 极化现象:细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值,这个状态称为极化极化现象:细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值,这个状态称为极化 • 去极化:离子的转运使静息电位降低乃至消失的过程称为去极化

  46. 第三节 细胞表面受体与信号传导

  47. 一、受体与配体的识别是信号转导的基础 • 细胞通讯(cell communication)是指一个细胞发出的信息可通过介质传递到另一个细胞,通过受体的识别和信号传递作用引起细胞产生相应的生物效应。 细胞通讯有三种方式: (1)细胞通过信号分子进行相互通讯; (2)细胞间直接接触相互通讯; (3)细胞间通过间隙连接相互通讯。 路径:细胞识别  信号跨膜传递  生物效应。

  48. (一)配体为细胞外的信号分子 配体是细胞外的信号分子,如:激素、药物、神经递质、毒素等。 *脂溶性配体:为疏水小分子,可通过细胞膜与核膜,进而与胞质内及核内受体结合形成配体-受体复合物,直接调节基因的转录活性。 *水溶性配体:不能穿过靶细胞的细胞膜或核膜,必须与细胞膜上的特异受体结合,由受体将信号转换为细胞可识别的胞内信号。

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