2022年医学专题—第4篇-细胞膜(2)(1).ppt

第四章 细胞膜（2）,第一页，共五十二页。,细胞膜在细胞生活中具有重要的作用，因为细胞和它环境发生的一切联系和反应，都必须通过膜。如细胞外的物质进入细胞或细胞内的物质排出细胞，以及激素、药物对细胞的作用，信号转换、细胞识别与免疫(miny)等，都是关系到膜的功能问题。膜允许一定物质穿过的性能称为膜的通透性。表示物质通透性的量度称为通透系数（单位为cm/s）。,物质(wzh)的跨膜运输,第二页，共五十二页。,细胞膜对物质的通透性最显著的特点是它的选择性，即有选择性地允许或阻止一些物质通过细胞膜。选择性通透对物质进出细胞起着调节作用。维持了膜内外离子浓度差和膜电位，保证了膜内外渗透压平衡。这对于保持细胞内环境的相对稳定(wndng)及各种生命活动的正常进行，有极其重要作用。细胞膜的物质运输活动可分为两大类型，一种是小分子和离子的穿膜运输，另一种是大分子和颗粒物质的膜泡（跨膜）运输。,第三页，共五十二页。,小分子和离子的穿膜运输又分为(fn wi)：被动运输：简单扩散 易化扩散：通道蛋白介导或载体蛋白介导主动运输：ATP驱动泵：Na+-K+泵，Ca2+泵 偶联（协同）运输：同向转移和异向转移,第四页，共五十二页。,被动运输：是指通过自由扩散或协易化扩散,实现物质顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向(fngxing)的跨膜转运,运动的动力来自物质的浓度梯度,不需要由细胞提供代谢能量。参与被动运输的膜运输蛋白主要有两大类：通道蛋白和载体蛋白，它们统称为转运蛋白。,第五页，共五十二页。,载体蛋白（carrier protein）又称做载体（carrier）通透酶（permease）或转运器（transporter），能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。载体蛋白有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，以自由扩散(kusn)的方式运输物质。通道蛋白（channel protein）与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水的通道，当通道打开时能允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散（被动运输）的方式运输溶质。,第六页，共五十二页。,顺化学(huxu)梯度的被动运输和逆电化学(huxu)梯度进行的主动运输,需要代谢能的输入，不带电荷的小分子能直接通过 脂双层，但是带电荷的分子只能通过通道蛋白或载体蛋白才能表现(bioxin)明显的运送速率。,被动运输 通过单纯扩散，又可通 过协助(xizh)扩散而自发产生,主动运输,简单扩散,通道蛋白介导,载体蛋白介导,被转运的分子,浓度梯度,载体蛋白,通道蛋白,脂双层,第七页，共五十二页。,物质从高浓度向低浓度的穿膜运动，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需要专一的膜蛋白分子协助。简单扩散是一种最简单的运输方式，只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，即可发生这种运输。也叫自由扩散（free diffusing），特点是：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量(nngling)；没有膜蛋白的协助。某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：P=KD/t，t为膜的厚度。,简单(jindn)扩散,第八页，共五十二页。,疏水分子(fnz),小的不带电荷(dinh)的极性分子,大的不带电荷(dinh)的极性分子,离子,人工脂双层对不同种类分子的相对通透性,合成的脂双层,脂溶性物质如苯、醇、甾类激素、以及O2、CO2、2等就是借助于浓度梯度，从高浓度一侧直接穿过脂质双层向低浓度一侧进行扩散。在进行扩散时，所需要的能量来自高浓度物质本身所包含的势能，符合物理学上单纯扩散规律。,第九页，共五十二页。,尿素(nio s)甘油,各种分子通过(tnggu)人工脂双层的通透系数,高通透性,低通透性,第十页，共五十二页。,不同物质(wzh)透过人工脂双层的能力,第十一页，共五十二页。,水分子不溶于脂,并具有极性,理应不能自由通过质膜,但实际却很容易通过膜。原因是膜上有小孔，称为水通道蛋白（aquaporins），膜蛋白的亲水基团嵌在小孔表面，因此水可以通过质膜自由进出细胞(xbo)。水分子通过水通道的移动方向由膜两侧的渗透压决定，从低的一侧向高的一侧移动，直到两侧渗透压完全平衡。,水通道(tngdo),第十二页，共五十二页。,借助于载体蛋白进出细胞的运输方式。有些物质尽管在膜两侧存在浓度差，但还必须借助细胞膜上的运输蛋白的帮助才能通过细胞膜。凡是借助于跨膜蛋白并顺浓度梯度进行物质运输而不消耗代谢能的方式称为协助扩散。大多数代谢所需的物质，尤其是不溶于脂类的物质。如糖、氨基酸、金属离子等都以这种方式进行运输。其运输特点是：比自由扩散转运速率高；存在最大转运速率；在一定限度内，运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。这是因为膜上载体蛋白的结合位点已达饱和；有特异性，即与特定溶质结合。根据运输蛋白性质不同又可分为(fn wi)通道蛋白协助扩散和载体蛋白协助扩散。,易化（帮助(bngzh)）扩散,第十三页，共五十二页。,载体(zit)蛋白是膜上与特定物质运输有关的跨膜蛋白或镶嵌蛋白。当它与被运输的物质结合时，构象发生变化，把被装运物质从膜的一侧移至膜的另一侧，载体(zit)与溶质分离后，又恢复到原有的构象。,载体(zit)蛋白,载体蛋白以两种构象存在，A：溶质的结合点露在脂的外侧；B：相同的结合点露在膜的另一侧，这两种构象的变化是随即的、可逆的。如果(rgu)在膜外侧的溶质浓度高，则A结合溶质转为B构象，携带溶质进入细胞；反之，如果膜内的浓度高，则B结合溶质转向A，将溶质输出细胞。,第十四页，共五十二页。,载体蛋白为内在蛋白，当一端与溶质特异性结合后，形成结合复合体，而引起载体蛋白的构象变化。载体和被运输物质的复合物发生180度的旋转，从而把物质运输到膜的另一侧，这种运输要求载体分子的直径要与膜的厚度大致(dzh)相符。被运输的物质一旦在膜的一侧与一个小的载体分子结合上，则载体分子可横移至的膜另一侧，在将被运输物质时放出去成为穿梭式运输。,载体运输(ynsh)的三种方式,移动(ydng),旋转,构型变化,第十五页，共五十二页。,人红细胞有葡萄糖的载体蛋白，由内外四个亚基组成复合体。当葡萄糖分子与外侧两个亚基结合时，引起它的构象变化，就将葡萄糖甩入膜的中部，而后与内侧的两个亚基结合，通过构象变化，再将葡萄糖甩入细胞内。红细胞膜上约有5万个葡萄糖载体，其最大传送速度每秒180个葡萄糖分子。协助扩散的速率仅在一定范围(fnwi)内同物质的浓度成正比。细胞膜上特定载体蛋白的数量是相对恒定，当所有载体蛋白的结合部位都被占据，载体处于饱和状态时，运输速率达到最大值。,第十六页，共五十二页。,通道蛋白（channel protein）是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有两种：1.处于开放状态(zhungti)的通道 如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。2.闸门通道（gated channel）仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时（几毫秒的时间）的开放和关闭。Na+、K+、Ca2+等是极性很强的水化离子，很难直接穿过细胞膜的脂双层，但离子的穿膜转运速率很高，可以在数毫秒内完成，靠膜上其它转运系统运转，则不能如此快速，因此就推测膜上存在着运送离子的特异通路“门”通道。,通道(tngdo)蛋白,第十七页，共五十二页。,离子通道具有两个显著特征：第一个特征是具有离子选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度选择性，且转运速率高，是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。离子的净通量取决于电化学梯度。第二个特征是离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象(u xin)所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。,第十八页，共五十二页。,门通道对离子通过有高度选择性，其选择性由通道大小和离子半径决定。例如：1nm K+1nm,Na+0.7nm,Ca2+2nm,只有K+通过。“门”开关的转换(zhunhun)是由于通道蛋白的构象变化。控制、影响门的开关各有其特定的条件。这首先取决于离子直经的大小，其次取决于离子本身所携带的能量能否挤过这个通道。一旦允许通过，它最大转运速度可达到106个离子/秒。,第十九页，共五十二页。,由于细胞内外特定的物质（配体）与特异的通道蛋白（受体）结合，引起门通道蛋白的一种成分发生构象变化，结果门被打开，这类通道称为配体门通道。即闸门(zhmn)的开、关是受化学物质调节，例如谷氨酸与相应的门通道结合使Na+、Ca2+离子通过；而氨基丁酸与相应的门通道结合则使Cl-离子通过膜。再如，神经递质-乙酰胆碱作用于配体门离子通道，激活了通道的离子选择性，构象变化，门打开，Na+、Ca2+离子通过膜；由于这种门控的配体为神经递质，因此也称为递质门通道。,配体门控离子通道,第二十页，共五十二页。,门通道由5个跨膜蛋白亚单位构成。亚单位结合形成一水孔横过脂双层。孔由5个跨膜的螺旋为衬里，由每个亚单位提供(tgng)一个带负电荷的氨基酸侧链在孔的一端，这样只有带正电荷的离子(Na+、K+)能通过。当通道处于关闭构象时，其孔由门的疏水氨基酸侧链关闭；当乙酰胆碱结合时，通道蛋白构象变化，此时，这些侧链移动分开，门开放，允许Na+、K+离子通过膜。,第二十一页，共五十二页。,离子在细胞(xbo)内外的浓度差别很大。如：细胞内外K+浓度比约为 20：1。细胞内外Na+浓度之比约为 1：10。这么大差异K+仍能由胞外进入细胞内，而Na+则由细胞内透到胞外。上述这些明显的浓度差异的形成和维持,不能用被动运输的机制来解释。经过多年的研究认为:细胞具有逆浓度梯度运输物质的能力,也就是说,在这种运输中,细胞膜不仅起被动的屏障作用,而且还有主动运输的作用。主动运输和协助扩散一样需要有载体蛋白参加,不同的是还需要消耗代谢能。细胞膜的这种利用代谢能来驱动物质的逆浓度梯度方向的运输，称为主动运输。,主动(zhdng)运输,第二十二页，共五十二页。,P型离子泵-钠钾离子泵 目前，从各方面的资料证明Na+-K+泵实质上就是Na+-K+ATP酶。是膜中的内在蛋白。它可以逆浓度梯度把细胞(xbo)内Na+泵出细胞外，同时又把细胞外的K+泵入细胞内，建立细胞的电化学梯度。ATP酶由2个亚单位构成，大亚单位为跨膜的催化亚单位（分子量为120KD）；小的亚单位为糖蛋白（分子量为55KD），功能不太明确。在催化亚单位的细胞质侧有Na+和ATP结合部位，外侧面有K+和乌本苷（Na+-K+泵抑制剂）的结合部位，它可反复进行磷酸化和去磷酸化，由此逆浓度梯度将Na+排除细胞外，将K+泵入细胞内。,ATP驱动(q dn)泵,第二十三页，共五十二页。,1.2 在膜内侧Na+与酶结合，激活了ATP酶活性，使ATP酶分解，高能磷酸根与酶结合；3.引起(ynq)酶构象变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧，这种磷酸化酶对Na+的亲合力低，对K+的亲合力高，因而在膜外侧释放Na+；4.而与K+结合，K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，磷酸根很快解离，结果酶的构象又恢复原状。5.6于是与K+结合的部位转向内侧，这种去磷酸化的构象与Na+的亲合力高，与K+亲合力低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合，如此反复进行。构型变化每秒钟可进行1000 次左右。,第二十四页，共五十二页。,应用乌本苷以及抑制生物氧化的药物都能抑制Na+泵，乌本苷的作用是由于它能与Na+-K+ATP酶结合，影响K+与ATP酶特异结合点结合，使Na+泵失去作用。生物氧化剂如氰化物使ATP供应中断，Na+泵失去能源以致停止工作。细胞内约有1/3的ATP是用来供Na+泵活动，维持细胞内、外的离子梯度，这种状态的维持有很重要的生理意义。a.形成跨膜电势，维持胞内高K+，胞外高Na+。由于K+由内向外泄露建立跨膜电势，对电压门通道，神经(shnjng)冲动起传递作用。b.维持渗透压。细胞内生物大分子物质水解，产生电离，带负电荷，从而吸引胞外Na+进入；细胞内Na