《5物质的跨膜运输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5物质的跨膜运输（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 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 物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。 估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。,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
2、。,脂双层的不透性的重要表现：细胞内外离子浓度明显不同，如Na+和K+。离子浓度差异的机制：膜转运蛋白，脂双层的疏水性。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：通过构象变化运输物质通道蛋白：形成通道、运输物质,载体蛋白及其功能,载体蛋白又称为通透酶（permease） 底物的特异性； 具有饱和动力学特征； 可被竞争性抑制剂所抑制。,通道蛋白的特征,具有极高的转运速率； 没有饱和值； 并非连续性开放而是门控的。,通道蛋白及其功能,又称为离子通道（几乎都与离子的转运有关） 配体门控通道：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。 电压门控通道：细胞内或细
3、胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。 应力门控通道：感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等，启动通道开放。,配体门控通道 乙酰胆碱受体是由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。,电压门控通道 K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠 (P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道
4、开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,二、被动运输与主动运输,被动运输 概念：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：运输方向由高浓度向低浓度能量消耗 无类型：简单扩散（s
5、imple diffusion）协助扩散（facilitated diffusion）,(一)简单扩散,概念：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： 沿浓度梯度扩散； 不需要提供能量； 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。,（二）水孔蛋白,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A
6、gre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,（三）协助扩散,概念：也称促进扩散（facilitated diffusion），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；有膜转运蛋白参与，有特异性。,（四）主动运输,概念：主动运输（acti
7、ve 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,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 。,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（耦联转运蛋白） 3. 光能驱动,第二节 离子泵和协同运输,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，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： 对离子
8、的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type,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+泵的作用： 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。,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。 每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。,（二）Ca+ ATPase,1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质
9、子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。 2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,二、质子泵,三、ABC 转运器,ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。 每一种ABC转运器只转
10、运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。,Mammalian MDR1 protein,ABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR （multidrug resistance protein ）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。,四、协同运输（cotransport）,是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 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
11、方向与离子沿浓度梯度的转移方向，可分为：同向运输（symport）与对向运输（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+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。,协同运输包括同向运输和对向运输,五、物质的跨膜转运与膜电位,膜
12、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,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,第三节 胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）,作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输。属于主动运输。胞吞作用 胞吐作用, 细胞胞吞作用的两种形
13、式： 胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）,网格蛋白,（二）受体介导的内吞作用受体-配体结合而引发的吞饮作用特点 所摄入的大分子在质膜上有特异受体 内吞由大分子配体与其受体的识别、结合而激发 受体配体复合物聚集于质膜的有被小窝内，由有被小泡送至内体。,（三） 细胞胞吐作用 组成型胞吐途径 分泌蛋白合成后立即包装入高尔基复合体的分泌囊泡中，然后被迅速带到细胞膜处排出。 所有真核细胞，连续分泌过程 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子） 转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面,调节性途径细胞分泌的蛋白，储存于特定的分泌囊泡中，只有当接受细胞外信号（如激素）时，分泌囊泡才移至细胞膜处，与其融合将分泌物排出。特化的分泌细胞储存刺激释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）,
