细胞生物学第五章、物质的跨膜运输.ppt

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1、第五章、物质的跨膜运输,1、理解两种类型膜转运蛋白转运物质的原理与特点。2、理解和掌握以钠钾泵的工作原理。3、理解协同运输是一种间接耗能的主动运输过程的原理。4、掌握受体介导的胞吞作用的运输过程和原理。5、了解两种形式胞吐作用的过程。,第一节、膜转运蛋白与物质跨膜运输,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白膜的不透性：细胞膜能进行某些脂溶性分子和不带电小分子的简单运输，而对绝大多数溶质分子和离子是高度不通透的。膜转运蛋白：某些阴、阳离子在细胞内外的分布有差异，而膜又是脂溶性屏障，故这种差异的形成还需要由一套膜转运蛋白来运转，尤其是很多有机小分子和带电荷的无机离子。膜转运蛋：一类称载体蛋白（carrie

2、r Proteins），如转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白（channel Proteins），它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。,1、载体蛋白,载体蛋白的类型：P103：表5-2。载体蛋白的运输特点是：与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；对所转运的物质具有高度选择性；载体蛋白又称为通透酶:对物质的转运过程具有被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但它不对转运分子作任何共价修饰。,The carrier protein,the Glucose transporter(GluT1)in the erythrocyte PM,alter

3、conformation to facilitate the transport of glucose.,Facilitate diffusion:Protein-mediated movement,movement down the gradient,2、通道蛋白,通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许适宜的分子通过。通道蛋白只参与被动运输，转运速度高，无饱和性。其运输特点是：离子选择性：不同离子有不同的通道蛋白。门控性：电压门通道、配体门通道、应力激活通道等。,（1）、电压门通道：特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电

4、位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。,（2）、配体门通道：,特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。可分为阳离子通道，如乙酰胆碱（Ach）、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。,Nicotinic acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,Ion-channel linked rece

5、ptors in neurotransmission,（3）、应力激活通道,（4）、水通道,水扩散通过人工膜的速率很低，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

6、构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,二、被动运输与主动运输,（一）、简单扩散也叫自由扩散（free diffusion）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。,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）、协助扩散,也称促进扩散特点：比自由扩散转运速率高；运输速率同物质

7、浓度成非线性关系；特异性；饱和性。载体：离子载体和通道蛋白两种类型。,Two classes of membrane transport proteins,Carrier proteins are responsible for both the passive and the active transport.Channel proteins are only responsible for passive transport.,（三）、主动运输,主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。主动运输所需的能量来源主要有：由 ATP直接或间接供能；光驱动的泵利用光能

8、运输物质，见于细菌。,第二节、离子泵和协同转运,离子泵：一种APTase，可以通过水解APT供能，逆浓度梯度转运离子或某些小分子。可分为以下四种：P-型离子泵 V-型质子泵 F-型质子泵 ABC超家族,一、P-型离子泵,（一）、钠钾泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+-ATP酶，分布于动物细胞的质膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲

9、和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。,Na+-K+ATP PUMP,钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持细胞低Na+高K+环境，维持细胞的静息电位（1/10）；与某些物质（如葡萄糖）的跨膜运输有关。地高辛、乌

10、本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,（二）、钙泵,Maintains low cytosolic Ca+Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca+ATPase Conformation change,Ca2+-ATPase有10个跨膜结构域，膜内侧有第一个环有Ca2+离子结合位点；第二个上有激活位点，包括ATP的结合位点。在静息状态，羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合，使泵失去功能。Ca2+-ATPase泵有两种激活机制：Ca2+浓度升高 Ca2+/钙调蛋白复合物 同抑制区结

11、合，释放激活位点，泵开始工作。反之泵处于静息状态。蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。,Ca2+-ATPase的结构和功能位点,二、V-型和F-型质子泵,V-型质子泵：存在于动物细胞内体、溶酶体膜以及植物、酵母和其他真菌细胞膜上。利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+转运到细胞器中。F-型质子泵：主要存在于线粒体内膜等上。,三、ABC超家族,ABC：ATP-binding cassette超家族：一大类家族成员，均在胞质侧含2个高度保守的ABC，可通过结合ATP发生二聚化并水解结合的ATP，造成构象变化从而转运物质（主要是aa

12、、肽等小分子）。MDR1是第一个被发现的ABC转运器，常在肝癌患者肝中过表达，造成多药抗性。,types of ATP-powered pumps,四、协同转运,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：同向协同（symport）与反向协同（antiport）。,1、同向协同（symport）物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na

13、+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。2、反向协同（antiport）物质跨膜运动的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。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。,Glucose is absorbed bysymport,五、离子跨膜转运与膜电位,1、膜电位静息电位：细胞在安静状态下于细胞膜上形成的外正内负的电位差。形成机理：静息状态下，质膜上钾离子渗透通道对钾离子通透性高，使胞内高浓度钾例子渗透到胞外，造成胞外大量正电荷

14、和胞内负电荷的积累，形成稳定的电位差。膜的极化：静息状态下这种外正内负的电荷分布我们称之为膜的极化。,静息电位的形成机理,动作电位,去极化：当细胞受到阈（或阈上）值电位刺激后，膜上Na离子通道开放，大量Na离子短时间内流使静息电位减少甚至消失。反极化：随着Na离子的进一步瞬间内流，质膜处电位由原来的外正内负的静息状态变为内正外负的动作电位。超极化：随着动作电位的出现，质膜上Na离子通道逐渐失活，而钾离子电压闸门通道开放大量外流使膜再度极化，以致于超过原来的静息电位。超极化使K离子通道关闭，膜重新回到静息状态。,动作电位的成因,在安静状况下受到一次短促的阈刺激或阈上刺激时，膜内原来存在的负电位将

15、迅速消失，并且进而变成正电位，由原来的内负外正变为内正外负。整个膜内外电位变化的幅度应是100mV，这构成了动作电位变化曲线的上升支；由刺激所引起的这种膜内外电位的倒转只是暂时的，很快就出现膜内电位的下降，并恢复到原有的负电位状态，这构成了动作电位曲线的下降支。,第三节、胞吞作用与胞吐作用,真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,一、胞

16、饮作用与吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,胞饮作用,胞饮作用与吞噬作用的区别,胞吞泡的大小不同：150nm、250nm胞饮作用为组成型过程，吞噬作用是一种信号触发过程。胞吞泡形成的机制不同：胞饮泡的形成依赖于网格蛋白等的作用。吞噬泡的形成则需要微丝等蛋白的作用。,二、受体介导的胞吞作用,Structure of a clathrin coated vesicle,Model for the formation of a clathrin-coated pit and the selective incorporation of integral membrane proteins in

17、to clathrin-coated vesicles,关于胞内体,胞内体是跨膜运输的分选站之一（受体的命运）：胞内体膜上有HATP泵，使胞内成酸性，引起受体与转运物分离，受体的去向：1、返回原质膜处（如LDL受体）。2、进入lysosome被消化（如EGF受体）。3、返回质膜非原位处，行跨膜运输至胞外。,三、外吐作用,exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。,外吐作用的两种形式,1 结构性分泌途径（consititutive pathway of secretion）：新合成的分子在高尔基体装入转运小泡，随即很快被带到质膜，并持续不断的分泌出去，普遍存在于所有细胞中2 调节性分泌途径（regulated pathway of secretion）:胞内大分子合成后被储存在特殊的小泡中，当细胞接受胞外信号物质作用后引起胞内变化，包括钙离子浓度升高这些小泡才于质膜融合发生外吐。（分子扣机理）,