《物质的跨膜运输》PPT课件.ppt

第五章 物质的跨膜运输,被动运输主动运输胞吞与胞吐作用,物质的跨膜运输,膜转运蛋白与物质的跨膜运输离子泵和协同运输胞吞作用与胞吐作用,第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输,脂双层的不透性和膜转运蛋白被动运输与主动运输,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；对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类APT驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以扩散的方式运输溶质。,1.载体蛋白（carrier protein）及其功能,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。,图示载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型,浓度梯度,相同点：特异性，有特异的结合位点；有饱和动力曲线；受抑制剂的影响。不同点：可改变过程的平衡点；不对溶质分子作任何共价修饰。,载体蛋白和酶的异同点：,2.通道蛋白（channel protein）,(1)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。(2)特征：具有极高的转运速率；没有饱和值 离子通道是门控的(其活性由通道开或关两种构象调节)。(3)类型：电压门通道（voltage-gated channel）配体门通道（ligand-gated channel）应力激活通道（stress-activated channel）,A.电压门通道,B.配体门通道,C.压力激活通道,应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm,电压门控离子通道：铰链细胞失水,二、被动运输与主动运输,简单扩散水孔蛋白协助扩散主动运输,被动运输,概念：被动运输（passive transport）是通过简单扩散或 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；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。类型：简单扩散（simple diffusion）协助扩散（facilitated diffusion）,（一）简单扩散(simple diffusion),1.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。,2.特点：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在水和油中的分配系数（K）及扩散系数（D）来计算：P=KD/t（t为膜的厚度）,小的非极性分子,游离的无机离子,疏水分子,大的非极性分子,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。,（二）水通道（水孔蛋白）,水扩散通过人工膜的速率较低，人们推测膜上有水通道。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28 KD），他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,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：转运速率高；存在最大转运速率(vmax),km=1/2vmax；有膜转运蛋白参与，有特异性。,（三）协助扩散(facilitated diffusion),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（或电化学梯度）的由浓度低的一侧向 浓度高的一侧的跨膜运输方式。特点：运输方向；膜转运蛋白；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（ATP驱动泵）2.ATP间接提供能量（耦联转运蛋白）3.光能驱动,耦联转运蛋白 ATP驱动泵 光驱动泵,电化学梯度,第二节 离子泵和协同转运,ATP驱动泵,P-型离子泵：Na+K+泵、钙泵、H+泵V-型质子泵F-型质子泵ABC超家族,Four types of ATP-powered pumps,（一）钠钾泵（Na+-K+-ATP酶）结构和作用机制 作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息 电位。,寡糖,Na+-K+泵的结构,1.钠钾泵（Na+-K+-ATP酶）的结构,2.Na+-K+泵的作用机制,（二）钙泵（Ca2+-ATP酶）及其他P-型离子泵,1.钙泵（Ca2+-ATP酶）,Ca2+-ATP酶主动运输的构象变化模型,2.质子泵 可分为三种:,（三）ABC超家族,哺乳动物多药抗性蛋白1,1.概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随 另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。2.能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。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。3.类型：共运输（同向协同（symport）对运输（反向协同（antiport）,(三)协同转运,小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图,The difference between animal and plant cells to absorb nutrients,（四）物质的跨膜运输和膜电位,膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。动作电位（active potential）：细胞在刺激作用下的膜电位。极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。,第三节 膜泡运输 胞吞作用和胞吐作用,膜泡运输完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输（bulk transport）。根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）,（一）胞吞作用,概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。类型：胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用（phagocytosis）,1.胞饮作用,特点：胞吞物为液体和溶质；形成的胞吞泡小（直径小于150nm）；连续发生的组成型过程；网格蛋白和结合素蛋白。,有被小泡,胞饮作用示意图,细胞膜膜外蛋白膜内蛋白胞饮物胞饮泡膜,通过网络蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图,（转运分子-配体）,（转运分子受体）,（网格蛋白：轻链和重链组成包被的结构单位）,配体（Ligand）是通常本身具有特别的生物活性，并且能和受体(receptor)结合，呈现特异性的生物活性分子。,（接合素蛋白）,（膜泡形成）,有被小窝,2.吞噬作用,特点：胞吞物为大分子和颗粒物质；形成的胞吞泡大（直径大于250nm）；信号触发过程；微丝和结合蛋白。作用：防御侵染和垃圾清除工。,包涵素：分子量为180，000道尔顿的蛋白质，包裹在“被覆窝”的细胞质表面上，与受体介导的对低密度脂蛋白(LDL)、胰岛素及其他配体的内摄作用有关,胞饮作用和吞噬作用的区别 特 征 物质 胞吞泡的大小 转运方式 胞吞泡形成机制胞饮作用 溶液 小于150nm 连续的过程 网格蛋白和接合素蛋白吞噬作用 大颗粒 大于250nm 受体介导的信 微丝和结合蛋白 号触发过程,（二）受体介导的胞吞作用,受体介导的胞吞作用：配体和受体结合,网格蛋白聚集,有被小窝,去被的囊泡和胞内体融合,有被小泡,胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。,溶酶体,低密度脂蛋白（low-density lipoproteins,LDL):是胆固醇在肝细胞合成后与磷脂和蛋白质形成的复合物,进入血液，通过与细胞表面的LDL受体结合形成受体-LDL复合物，通过网络蛋白有被小泡的内化作用进入细胞，经脱被与包内体融合。包内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，作用是传输新吞入细胞的物质到溶酶体被降解。,包内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵进包内体腔中，使腔内pH降低，引起LDL与受体分离。包内体以出芽的方式形成运载受体的小泡，返回细胞膜，重复使用。含LDL的包内体与溶酶体融合，LDL被水解，释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。,不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为转胞吞作用。,（三）胞吐作用,1.以动物细胞从胞外选择性摄取低密度脂蛋白LDL为例，说明受体介导的网络（或称笼形）蛋白有被小泡内吞的过程及生理意义。（2002年武汉大学细胞）2.下列物质如何进入细胞并简述其过程：CO2、细菌、LDL。3.叙述细胞物质跨膜转运的类型及其形式的特点。（中山医大2000）,