第5部分跨膜運(yùn)輸教學(xué)課件

1、第5部分跨膜運(yùn)輸教學(xué)課件內(nèi)容提要第一節(jié)、被動(dòng)運(yùn)輸一、簡單擴(kuò)散二、協(xié)助擴(kuò)散第二節(jié) 主動(dòng)運(yùn)輸一、鈉鉀泵二、鈣離子泵三、質(zhì)子泵四、ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)器五、協(xié)同運(yùn)輸?shù)谌?jié)、膜泡運(yùn)輸?shù)幕靖拍钜弧⑼淌勺饔枚?、胞飲作用三、外排作用四、穿胞運(yùn)輸五、胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸估計(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2/3。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。 Membrane Transport Proteins第一節(jié) 被動(dòng)運(yùn)輸一、簡單擴(kuò)散也叫自由擴(kuò)散（free diffusion）：沿濃度梯度（

2、或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；不需要提供能量；沒有膜蛋白協(xié)助。通透性P=KD/t ， K為分配系數(shù)， D為擴(kuò)散系數(shù)，t為膜的厚度。人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層;人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。二、協(xié)助擴(kuò)散也稱促進(jìn)擴(kuò)散（facilitated diffusion）。特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)運(yùn)速率高； 運(yùn)輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系； 特異性；飽和性。 載體：離子載體、通道蛋白。 （一）離子載體（ionophore）疏水性小分子，可溶于雙脂層。分為：可動(dòng)離子載體和通道離子載體。纈氨霉素能轉(zhuǎn)運(yùn)K+； DNP和

3、FCCP可轉(zhuǎn)運(yùn)H+；離子霉素、A23187可轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。短桿菌肽A，15個(gè)疏水氨基酸構(gòu)成，2分子形成一跨膜通道，有選擇的使單價(jià)陽離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過。Gramicidin Aan antibiotic that acts as an ion pore.（二）通道蛋白（channel protein）跨膜親水性通道，允許特定離子順濃度梯度通過，又稱離子通道。有些通道長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，稱為門通道（電位門通道、配體門通道、環(huán)核苷酸門通道、機(jī)械門通道）。Ion Channels-or-1、配體門通道(ligand gated ch

4、annel) 特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起通道構(gòu)象改變， “門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿受體；和陰離子通道，如氨基丁酸受體。Ach受體由4種亞單位（2）組成。Nicotinic acetylcholine receptorThree conformation of the acetylcholine receptor2、電位門通道(voltage gated channel)特點(diǎn)：膜電位變化可引起構(gòu)象變化，“門”打開。結(jié)構(gòu)：四聚體，每個(gè)單體跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，由同一個(gè)遠(yuǎn)祖基因演化而來。Voltage gated K+ chan

5、nel K+電位門有四個(gè)亞單位，每個(gè)亞基有6個(gè)跨膜螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣折疊 (P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道內(nèi)襯，大小允許K+通過。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器K+ channel 4th subunit not shownIon-channel linked receptors in neurotransmission神經(jīng)肌肉接點(diǎn)由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時(shí)，可使肌細(xì)胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動(dòng)作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng) Ca2+通道打開，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。3、環(huán)核苷酸門通道CNG結(jié)構(gòu)與鈉電位門通道相似。細(xì)胞內(nèi)的C

6、末端較長，有環(huán)核苷酸的結(jié)合位點(diǎn)。分布于化學(xué)和光感受器中。如氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道，引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，最終形成嗅覺或味覺。4、機(jī)械門通道感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。目前比較明確的有兩類機(jī)械門通道，一類對牽拉敏感，為2價(jià)或1價(jià)的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主，幾乎存在于所有的細(xì)胞膜。另一類對剪切力敏感 ，僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。5、水通道1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破

7、裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。2003年，美國科學(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 第二節(jié) 主動(dòng)運(yùn)輸特點(diǎn)：逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；需要能量；都有載體蛋白。能量來源：協(xié)同運(yùn)輸中的離子梯度動(dòng)力； ATP驅(qū)動(dòng)的泵通過水解ATP獲得能量；光驅(qū)動(dòng)的泵利用光能運(yùn)輸物質(zhì)，見于細(xì)菌。一、鈉鉀泵構(gòu)成：由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATP酶，分布于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜。工

8、作原理：對離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程，所以叫做P-type離子泵。每個(gè)周期轉(zhuǎn)出個(gè)鈉離子，個(gè)鉀離子。Na+-K+ATP PUMPNa+-K+ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition鈉鉀泵的作用：維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞體積；維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；維持細(xì)胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。 二、鈣離子泵作用：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、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵

9、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%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+ exchanger），屬于反向協(xié)同運(yùn)輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。Ca+ ATPaseMaintains low cytosolic Ca+Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca+ ATPase Conformation change三、質(zhì)子泵1、P-type：如植物細(xì)胞膜上的H+泵、動(dòng)物胃表皮細(xì)胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。 2、V-type：存在于各類小泡膜上，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位

10、于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。3、F-type：利用質(zhì)子動(dòng)力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。Four types of ATP-powered pumps四、ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABC transporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATP binding cassette），故名。一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。Mammalian MDR1 proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR （multidrug

11、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)。五、協(xié)同運(yùn)輸cotransport靠間接提供能量完成主動(dòng)運(yùn)輸。所需能量來自膜兩側(cè)離子的濃度梯度。動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。分為：同向協(xié)同（symport）和反向協(xié)同（antiport）。1、同向協(xié)同（symport）如小腸細(xì)胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。某些細(xì)菌對乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）如Na+驅(qū)動(dòng)的Cl-HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。 Glucose is absorbed bysymport第三節(jié) 膜泡運(yùn)輸?shù)幕靖拍钫婧思?xì)胞通過內(nèi)吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。因貨物包被在囊泡中，又稱膜泡運(yùn)輸。 細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等。一、吞噬作用細(xì)胞