生物膜与物质输运

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1、生物膜与物质输运,生物膜的功能,导言,细胞通过细胞膜与环境或通过细胞内膜与胞桨进行物质交换称物质跨膜输运 跨膜输运的意义 维持细胞内成分与外界的差别 保持细胞内生理环境的稳定 跨膜输运具有选择性 营养物质进入细胞 中间产物留在细胞 废物排出细胞,1. 物质跨膜转运的能力学,假设物质在膜两侧的浓度分别为C1和C2 物质在膜两侧的自由能 分别为 1 = + RTlnC1 2= + RTlnC2式中： 为物质的标准自由能R为气体常数T为绝对温度 两侧自由能 (free energy)差为 G = 2 - 1 = RTln(C2/C1,物质跨膜转运的能力学,根据热力学原理，一个过程可以自发进行，G 0

2、 G = RTln (C2/C1） 0 C2 C1 即物质只能由高浓度向低浓度方向扩散即沿浓度梯度的方向扩散, 这种输运称被动输运 （passive transport) 欲使物质逆浓度梯度方向输运，输运必须与另一个过程耦联，使得整个过程 G 0) 如0, 则ZF0, 跨膜电位对G 的贡献为正，不利于跨膜输运 如0, 则ZFCi 物质的脂水分配系数为k, k=Cm/Cw， Cme= kCwe, Cmi=kCwi 膜的厚度 = l, 跨膜浓度梯度 = (CmeCmi)/l 据Fick定律J = D(dC/dx)= D(CmeCmi)/l= Dk(CeCi)/l= P(CeCi)P为通透系数，代表

3、膜对物质通透性大大小,简单扩散的特征,设细胞内该物质浓度很低，Ci0, 则物质进入细胞的初始扩散速率J0 = PCe即 J0与Ce成正比，这就是简单扩散的动力学特征,简单扩散的动力学特征,决定通透性大小的因素,P = Dk/l 脂溶性 脂溶性越大，k越大，P越大 分子大小 分子越大，D越小，P越小 分子水化程度 分子水化程度越高，脱水所需能量越大，P越小 脂双层对极性分子通透性很小， 对离子几乎不通透 温度 温度越高，脂双层流动性越大，D越大，P越大,Permeability,Membranes are impermeable to certain molecules.How do these

4、 molecules enter the cell?,3. 蛋白质介导跨膜输运,蛋白介导的跨膜输运,被动输运 (passive transport) 由电化学梯度驱动，沿梯度方向输运 载体（carrier) 通道 (channel) 主动输运 （active transport) 由物理或化学能驱动，逆电化学梯度方向输运 ATP驱动 电化学梯度驱动 光驱动,载体介导的跨膜输运的特征,动力学特征细胞膜上载体数目有限，转运速率具有饱和性J为转运速率 Jmax为最大转运速率 C为浓度 Km为亲和常数，即速率达Jmax/2时的C,载体介导物质跨膜输运的 动力学特征,载体介导的跨膜输运的特征,饱和性 载

5、体的数量有限 特异性 载体可区分不同种类的分子 糖和氨基酸的D型和L型 拮抗性 载体可输运结构类似的化合物 这些化合物相互拮抗,拮抗阻断剂的类型,结构与被输运物质相似 结合于相同位点 4，6-亚乙基葡萄糖阻断葡萄糖输运 结构与被转运物质不同 根皮素（phloretin) 阻断糖转运蛋白 Ouabain 阻断Na/K泵 河豚毒素(tetrodotoxin)阻断Na通道,被动输运,被动输运是沿电化学梯度方向的输运 (downhill) 由蛋白质分子介导 载体（carrier) 通道 (channel),载体 （Carrier）,载体蛋白(carrier proteins, 或 permeases

6、or transporters): 与待转运物质结合 引起构像变化并将其转运到膜的另一侧,通道 （Channel）,通道蛋白(Channel Protein) 与待转运物质的相互作用较弱 形成跨越脂双层的充水性孔道 当孔道开启时，允许特定大小和特定电荷的溶质通过 无机离子 H2O,Water-filled pore that allows ions of certain charge and size to pass through,水的跨膜输运,水能通过细胞膜 水通过细胞膜的现象称为渗透（osmosis) 水的跨膜输运是被动输运,渗透压,当跨膜浓度CA 胞内浓度时 （高渗溶液 hyperto

7、nic solution）水向胞外移动 细胞皱缩 当胞外浓度 胞内浓度时 (低渗溶液，hypotonic solution)水向胞内移动 细胞膨胀,水的跨膜扩散,细胞膜上有促进水通透的蛋白质-水通道（water channel) 水通道由 P.Agre 于1990发现 水通道的三维结构已由电子晶体学和X-射线晶体学解出 P.Agre 因此获得2003年Nobel化学奖,P.Agre的实验,水通道（AQP1) 的三维结构 (Sui et al, Nature 414, 872, 2001),水通道的结构,水通道的选择性,通道的最狭窄处（constriction area) 的直径为2.8A 分子

8、通过时必须脱水 脱水的分子需形成配位复合物，补偿脱水消耗的能量 H2O与周围基团形成氢键 可通过通道 离子不能形成等效配位复合物 不能通过通道,水通道的选择性,为什么质子（H3O+) 不能通过？,通道的中央有带正电 的氨基酸 静电排斥作用将带正 电荷H3O+阻挡,通道还含有带负电的 氨基酸 静电排斥作用将带 负电的离子阻挡,水通道的结构 （wrong!) (from Lodish et al, Molecular Cell Biology, 4th addition, 2000),水的跨膜输运与医学,肾脏是人体排泄废物的器官 水，离子和小分子从血液经肾过滤后排出 24小时经肾过滤的液体-原初尿

9、（ primary urine ）达170升 只有1升最后以尿的形式排出体外,水的跨膜输运与医学,原初尿经过肾小管70%的水经水通道AQP1重新吸收 在肾小管的末端，又有10%的水经水通道AQP2重新吸收 Antidiuretic hormone (vasopressin) 刺激AQP2向肾小管壁细胞膜的转运，从而促进水从尿的吸收 缺失该激素时，患有 diabetes insipidus 的病人一天的排尿量多达10-15升.,水的跨膜输运与医学,痢疾毒素引起水从血液输运到肠道 从体内排出 引起失水 导致死亡由痢疾毒素导致的失水的简单治疗 简单补充水或生理盐水无济于事 补充 葡萄糖 + NaCl

10、 + H2O 原理： 肠道细胞膜上具有Na/葡萄糖输运系统 将Na/葡萄糖从肠道输运到血液中 导致水产生渗透梯度 水从肠道输运到血液,State A: 结合位点暴露于膜的外表面 State B: 结合位点暴露于膜的内表面,蛋白构像在两者之间随机转换:完全可逆无论溶质结合与否都发生因此，输运方向决定于浓度梯度或电化学梯度,载体介导的被动转运机制,载体介导的被动输运 - Glut1,Glut1 是一个葡萄糖输运载体 Glut1 将糖从血液中输运到细胞中 输运沿浓度梯度进行 输运过程可逆 血液到细胞 细胞到血液 例：饥饿时，肝细胞合成葡萄糖，输送到血液,葡萄糖输运蛋白的结构,Glut 1 输运葡萄糖

11、的模式,载体介导的被动扩散,哺乳动物存在多种载体系统 糖 氨基酸 碱基 甘油 分子经代谢被消耗以保证浓度梯度 代谢中间产物没有载体系统 保证代谢中间体的合成，利用仅限于特定区域 代谢产物的排出由载体承担,主动输运 （Active Transport）,主动输运是逆电化学梯度方向的输运 (uphill) 由载体蛋白称为泵（pumps）介导 与代谢能紧密耦联 ATP 跨膜离子梯度 物理能，如光能 注意： 载体有被动输运，也有主动输运方式 通道总是被动输运方式,主动输运,每种载体蛋白可有一个或多个特定溶质结合位点 经历可逆的构像变化使溶质结合位点交替暴露于膜的两侧,被动输运的方向是沿电化学梯度方向,

12、主动输运的方向是逆电化学梯度方向,主动输运,对主动输运而言，载体必须与能源耦联(Fig 11-4)，使得自由能改变 G 0 细胞有三种方式进行主动输运 (Fig. 11-8),将一个溶质的上坡输运与另一个溶质的下坡输运耦联,将上坡输运与ATP水解耦联,将上坡输运与物理能（如光能）耦联,Single solute,Simultaneous transport of 2nd solute,载体的工作方式,载体可以下列方式工作: 单载体（Uniporters）: 将单一溶质从膜的一侧输运到另一侧 耦联载体（Coupled carriers）： 同向输运 （Symport）同时沿同一方向输运第二个溶质

13、 反向输运（Antiport）沿相反方向输运第二个溶质 (Fig. 11-9),主动输运与被动输运的耦联,在细胞中，主动输运常常与被动输运耦联 使得载体利用贮存在一个溶质跨膜电化学梯度的能量来输运另一个溶质 一个溶质沿电化学梯度输运释放的自由能作为能源驱动另一个溶质逆电化学梯度输运的泵 耦联可以两种方式工作 同向输运 （Symport） 反向输运 （Antiport）,主动输运与离子梯度的耦联,哺乳动物细胞，利用ATP作能源，将Na泵出细胞，形成跨质膜Na电化学梯度 该电化学梯度为第二个溶质的跨膜主动输运提供驱动力 例：小肠和肾细胞对糖和氨基酸的吸收， 就是通过Na的同向输运系统 Na 梯度越

14、大，溶质进入细胞越快 (Fig 11-10),载体在state A and state B 之间随机转换,对Na+ 和glucose协同结合 (结合其中一个引起构像变化， 促进对另一个的结合）,由于 Na+ 在胞外浓度高，使 Glucose 易于与 A state结合,Na+ 和glucose 进入细胞 的机会 (通过AB 转换) 远大于它们离开细胞的机会,结果是 Na+ 和 glucose 进入细胞,Na+ 梯度驱动 糖的主动输运,Na+ 由ATP驱动 泵出细胞，形成梯度,载体蛋白的不对称分布,上皮细胞 （epithelial cells）, 如从肠道吸收营养的细胞，载体蛋白在质膜上是不对称分布的 这种分布使得被吸收溶质能跨细胞输运 (transcellular transport),载体蛋白的不对称分布,Na依赖性输运蛋白分布于肠道表面区域（apical absorptive domain） 负责将营养物质运进细胞 建立营养物的跨细胞膜梯度 Na不依赖性输运蛋白分布于肠道基底区（ basolateral domains） 负责将营养沿浓度梯度运出细胞到细胞外液中 (Fig.11-12）,