翟中和細(xì)胞生物學(xué)課件第5章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

1、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸atp驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸胞吞作用與胞吐作用脂雙層疏水脂雙層疏水對(duì)絕大多數(shù)極性分子、離子以及細(xì)胞代謝產(chǎn)物的通透性極低，形成了細(xì)胞的滲透屏障滲透屏障膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為兩類：載體蛋白載體蛋白（carrier protein，transporter）通道蛋白通道蛋白（channel protein）多次跨膜多次跨膜；通過構(gòu)象改變構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與底物（溶質(zhì)）特異性結(jié)合特異性結(jié)合；具有高度選擇性高度選擇性；具有類似于酶與底物作用的飽和動(dòng)力學(xué)特征飽和動(dòng)力學(xué)特征；但對(duì)溶質(zhì)不做任何共價(jià)修飾不同部位的生物膜往往含有各自功能相關(guān)的不同載體蛋白3 種類型：離子通道離子通道、孔

2、蛋白孔蛋白以及水孔蛋白水孔蛋白大多數(shù)通道蛋白都是離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)底物時(shí)，通道蛋白形成選擇性和門控性跨膜通道選擇性和門控性跨膜通道孔蛋白孔蛋白水孔蛋白水孔蛋白離子通道離子通道http:/bragi.gbf.de/bilder/1uun.gif具有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率沒有飽和值離子通道非連續(xù)性開放而是門控的a. 電壓門通道b. 配體門通道（胞外配體）c. 配體門通道（胞內(nèi)配體）d. 應(yīng)力激活通道估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的核基因編碼蛋白的1530%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的總消耗能量的2/3。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白載體蛋白：又稱做載體、通透酶通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器轉(zhuǎn)運(yùn)器

3、。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸通道蛋白通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質(zhì)。通道蛋白主要根據(jù)溶質(zhì)大小和電荷和進(jìn)兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質(zhì)。通道蛋白主要根據(jù)溶質(zhì)大小和電荷和進(jìn)行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當(dāng)電荷的分子或離子行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當(dāng)電荷的分子或離子就能通過；而載體蛋白只允許與其結(jié)合部位相適應(yīng)的溶質(zhì)分子通過，并且就能通過；而載體蛋白只允許與其結(jié)合部位相適應(yīng)的溶質(zhì)分子通過，并且每次轉(zhuǎn)運(yùn)都發(fā)生自身構(gòu)象的變化。每次轉(zhuǎn)運(yùn)都發(fā)生自身構(gòu)象的變化。3 種類型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)輸簡(jiǎn)單擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)主動(dòng)運(yùn)

4、輸輸順電化學(xué)梯度或濃度梯度不需要細(xì)胞提供能量，無需膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助脂雙層對(duì)溶質(zhì)的通透性大小主要取決于分子大小和分子的極性順著電化學(xué)梯度或濃度梯度協(xié)助擴(kuò)散 (facilitated diffusion)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助載體蛋白介導(dǎo)通道蛋白介導(dǎo)12 次跨膜 螺旋通過構(gòu)象改變完成葡萄糖的協(xié)助擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)方向取決于葡萄糖濃度梯度水分子借助質(zhì)膜上的水孔蛋白實(shí)現(xiàn)快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.htmlfig. xenopus oocytes microinjected with aqp1 mr

5、na swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 peter agreroderick mackinnon 調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓以及生理與病理作用/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpgfig . passage of water molecu

6、les through the aquaporin aqp1. because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as h3o+, are deflected. this prevents proton leakage through the channel.載體蛋白所介導(dǎo)、逆著電化學(xué)梯度或濃度梯度3種類型atp 驅(qū)動(dòng)泵（atp直接供能）協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)或偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)（atp間接提供能量）光驅(qū)動(dòng)泵atp 驅(qū)動(dòng)泵通常又稱為轉(zhuǎn)運(yùn)atpase，分為4類p型泵型泵、v型質(zhì)子泵型質(zhì)子泵、

7、f型質(zhì)子泵型質(zhì)子泵和abc超家族超家族2 個(gè) 催化亞基，具有atp 結(jié)合位點(diǎn)；2 個(gè) 調(diào)節(jié)亞基至少有一個(gè) 催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化反應(yīng)，改變轉(zhuǎn)運(yùn)泵的構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)泵水解atp 使自身形成磷酸化的中間體 p-型離子運(yùn)輸泵的作用機(jī)理 p型泵的主要特點(diǎn)型泵的主要特點(diǎn):都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運(yùn)輸有關(guān)的功能，包括所有與運(yùn)輸有關(guān)的功能，包括atp的水解、磷酸化和離子的水解、磷酸化和離子的跨膜運(yùn)輸。的跨膜運(yùn)輸。 na+-k+atpna+-k+atp酶的分子結(jié)構(gòu)：酶的分子結(jié)構(gòu)： 兩種亞基組成的二聚體。兩種亞基組成的二聚體。 亞基具有亞基具有

8、atpatp酶的活性；酶的活性； 亞基是具有組織特異性的糖蛋白。亞基是具有組織特異性的糖蛋白。figure 11-14 molecular biology of the cell ( garland science 2008)由2 個(gè) 和2 個(gè) 亞基組成四聚體烏苯苷（烏苯苷（ouabain）用作強(qiáng)心劑的原理？）用作強(qiáng)心劑的原理？泵入2k+結(jié)合3na+磷酸化泵出3na+結(jié)合2k+ 去磷酸化鈉鉀泵工作的特性：p-type：依賴自磷酸化來轉(zhuǎn)運(yùn)離子的離子泵。 鈣泵 質(zhì)子泵它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個(gè)蛋白質(zhì)家族。a.維持細(xì)胞膜電位b.維持動(dòng)物細(xì)胞滲透平衡c.吸收營(yíng)養(yǎng) 動(dòng)物細(xì)胞對(duì)葡萄糖或氨基酸等有機(jī)物吸

9、收的能量由蘊(yùn)藏在na+ 電化學(xué)梯度中的勢(shì)能提供 植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌通常利用質(zhì)膜上的h+-atpase 形成的h+ 電化學(xué)梯度來吸收營(yíng)養(yǎng)物na+/k+ 泵具有三個(gè)重要作用泵具有三個(gè)重要作用: 一是維持了細(xì)胞一是維持了細(xì)胞na+離子的平衡，抵消了離子的平衡，抵消了na+離子的離子的滲透作用滲透作用;二是在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)二是在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)na+離子濃度梯度的同時(shí)，離子濃度梯度的同時(shí)，為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸泵提供了驅(qū)動(dòng)力為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸泵提供了驅(qū)動(dòng)力;三是三是na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。 地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制

10、其活性；地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；mg2+和少量膜脂有助和少量膜脂有助提高于其活性。提高于其活性。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中低ca2+ 濃度的維持主要得益于質(zhì)膜或細(xì)胞器膜上的鈣泵每消耗1 分子atp 從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)泵出 2 個(gè)ca2+作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7m，胞外10-3m）。位置：質(zhì)膜質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：p型離子泵型離子泵，每分解一個(gè)atp分子，泵出2個(gè)ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。植物細(xì)胞、真菌(包括酵母)和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上雖然沒有na+-k+ 泵， 但有p 型h+ 泵(h+-atpase)p 型h+ 泵將 h+ 泵出細(xì)胞，建立和維

11、持跨膜 h+ 電化學(xué)梯度h+/k+ atpasecontrol of acid secretion in the stomachv 型質(zhì)子泵廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞的胞內(nèi)體膜、溶酶體膜，破骨細(xì)胞和某些腎小管細(xì)胞的質(zhì)膜，以及植物、酵母及其他真菌細(xì)胞的液泡膜上 （v 為vesicle）轉(zhuǎn)運(yùn) h+ 過程中不形不形成磷酸化的中間體成磷酸化的中間體維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) ph 中性和細(xì)胞器內(nèi) ph 酸性f 型質(zhì)子泵存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類 囊體膜上（f 為factor 的第一個(gè)字母）轉(zhuǎn)運(yùn) h+ 過程中不形成磷酸化的中間體f 型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動(dòng)力型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成勢(shì)合成atp，又稱作 h+-at

12、p合成酶 動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^ 動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞不僅結(jié)構(gòu)有所差別，載體蛋白也有所動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞不僅結(jié)構(gòu)有所差別，載體蛋白也有所不同。不同。動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上有動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上有na+-k+ atpase，并通過對(duì)，并通過對(duì)na+、k+ 的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；但是在但是在植物細(xì)胞植物細(xì)胞(包括包括細(xì)菌細(xì)胞細(xì)菌細(xì)胞)的質(zhì)膜中沒有的質(zhì)膜中沒有na+-k+atpase，代之的是，代之的是h+-atp酶，并通過對(duì)酶，并通過對(duì)h+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度，使細(xì)胞外使細(xì)胞外h+的濃度比細(xì)胞內(nèi)高；與此同時(shí)

13、的濃度比細(xì)胞內(nèi)高；與此同時(shí)h+泵在周圍環(huán)境中創(chuàng)建了泵在周圍環(huán)境中創(chuàng)建了酸性酸性ph，然后通過，然后通過h+質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸，將糖和氨質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸，將糖和氨基酸等輸入植物的細(xì)胞內(nèi)。在動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)基酸等輸入植物的細(xì)胞內(nèi)。在動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞的液泡膜上都有胞的液泡膜上都有h+-atp酶，它們作用都一樣，保持這些酶，它們作用都一樣，保持這些細(xì)胞器的酸性。細(xì)胞器的酸性。 abc 超家族也是一類atp 驅(qū)動(dòng)泵廣泛分布于從細(xì)菌到人類各種生物中，是最大的一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過atp 分子的結(jié)合與水解完成小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)4 個(gè)個(gè)“核心核心”結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域2 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)

14、域，分別含6 個(gè)跨膜 螺旋，形成底物運(yùn)輸通路決定底物特異性2 個(gè)胞質(zhì)側(cè)個(gè)胞質(zhì)側(cè)atp 結(jié)合域結(jié)合域，有 atpase 活性atp 分子結(jié)合誘導(dǎo)分子結(jié)合誘導(dǎo) 2 個(gè)個(gè)atp 結(jié)合域二聚化，引起轉(zhuǎn)結(jié)合域二聚化，引起轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白構(gòu)象改變，使底物結(jié)合運(yùn)蛋白構(gòu)象改變，使底物結(jié)合部位暴露于質(zhì)膜的另一側(cè)部位暴露于質(zhì)膜的另一側(cè)mammalian mdr1 proteinabc轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對(duì)藥物的抗性有關(guān)。mdr （multidrug resistance protein ）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞abc轉(zhuǎn)運(yùn)器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。（二）（二）abc 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病

15、multidrug-resistance，mdrcystic fibrosis transmembrane conductance regulator，cftr真核細(xì)胞通過胞吞作用和胞吐作用完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等物質(zhì)包裹在脂雙層膜包被的囊泡中，因此又稱膜泡運(yùn)輸figure 13-1 molecular biology of the cell ( garland science 2008)吞噬作用 （phagocytosis）胞飲作用（pinocytosis）原生生物：攝取食物攝取食物巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞攝取營(yíng)養(yǎng)物，清除清除病原體、衰老、凋亡病原體、衰老、凋

16、亡的細(xì)胞的細(xì)胞吞噬作用是一個(gè)信號(hào)信號(hào)觸發(fā)觸發(fā)的過程幾乎發(fā)生于幾乎發(fā)生于所有類型真核細(xì)胞所有類型真核細(xì)胞中中往往連續(xù)往往連續(xù)攝入溶液及可溶性分子攝入溶液及可溶性分子胞飲泡胞飲泡直徑一般小于吞噬泡直徑一般小于吞噬泡直徑直徑網(wǎng)格蛋白 (clathrin) 由3 個(gè)二聚體組成， 3 個(gè)二聚體形成三腳蛋白復(fù)合體 (triskelion)，是包被的結(jié)構(gòu)單位發(fā)動(dòng)蛋白銜接蛋白網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用分為受體介導(dǎo)的胞吞作用非特異性的胞吞作用ldl是一種球形顆粒的脂蛋白(如圖)，直徑為22nm, 核心是1500個(gè)膽固醇酯；外面由800個(gè)磷脂和500個(gè)未酯化的膽固醇分子包裹,由于外被脂分子的親水頭露在外部，使ldl能

17、夠溶于血液中；最外面有一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為55 kda的蛋白，叫輔基蛋白b100(apolipoprotein b-100), 它能夠與特定細(xì)胞的表面受體結(jié)合。 ldl顆粒結(jié)構(gòu)示意圖 a)由磷脂和未酯化的膽固醇單層構(gòu)成ldl的外膜結(jié)構(gòu), 在外膜上結(jié)合一個(gè)親水的apo-b蛋白,該蛋白可以介導(dǎo)ldl與細(xì)胞表面的受體結(jié)合。(b)四種類型脂蛋白的電鏡照片 家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機(jī)理？1.大部分受體返回它們?cè)瓉淼馁|(zhì)膜區(qū)域2.受體結(jié)合配體在溶酶體被降解3.受體被運(yùn)至細(xì)胞另一側(cè)的質(zhì)膜，完成跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn) (transcytosis) 鐵的運(yùn)輸 所有生長(zhǎng)中的細(xì)胞表面都有鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白的受體所有生長(zhǎng)中的細(xì)胞表面都有

18、鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白的受體, ,在中性在中性phph條件下條件下, ,轉(zhuǎn)鐵蛋白與鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白與鐵結(jié)合, , 然后通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞然后通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。在。在細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi), ,在在內(nèi)體的酸性環(huán)境內(nèi)體的酸性環(huán)境中中, , 轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放出鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放出鐵, , 但是但是轉(zhuǎn)鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然同膜受體結(jié)合蛋白仍然同膜受體結(jié)合, , 并與受體一起回到質(zhì)膜并與受體一起回到質(zhì)膜；當(dāng)細(xì)胞外；當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境變成中性時(shí)環(huán)境變成中性時(shí), , 轉(zhuǎn)鐵蛋白同受體脫離轉(zhuǎn)鐵蛋白同受體脫離, ,并自由地結(jié)合鐵并自由地結(jié)合鐵, , 然然后又開始新一輪循環(huán)。實(shí)際上后又開始新一輪循環(huán)。實(shí)際上, , 轉(zhuǎn)鐵蛋白穿梭于細(xì)胞外液體轉(zhuǎn)鐵蛋白穿梭于細(xì)胞外液體和