細胞生物學(xué)第五章 物質(zhì)的跨膜運輸課件

第五章、物質(zhì)的跨膜運輸1、理解兩種類型膜轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運物質(zhì)的原理與特點。2、理解和掌握以鈉鉀泵的工作原理。3、理解協(xié)同運輸是一種間接耗能的主動運輸過程的原理。4、掌握受體介導(dǎo)的胞吞作用的運輸過程和原理。5、了解兩種形式胞吐作用的過程。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝还?jié)、膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)跨膜運輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白膜的不透性：細胞膜能進行某些脂溶性分子和不帶電小分子的簡單運輸，而對絕大多數(shù)溶質(zhì)分子和離子是高度不通透的。膜轉(zhuǎn)運蛋白：某些陰、陽離子在細胞內(nèi)外的分布有差異，而膜又是脂溶性屏障，故這種差異的形成還需要由一套膜轉(zhuǎn)運蛋白來運轉(zhuǎn)，尤其是很多有機小分子和帶電荷的無機離子。膜轉(zhuǎn)運蛋：一類稱載體蛋白（carrierProteins），如轉(zhuǎn)運葡萄糖分子的膜蛋白；另一類稱通道蛋白（channelProteins），它可形成親水的通道，允許一定大小和一定電荷的離子通過。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸1、載體蛋白

載體蛋白的類型：P103：表5-2。載體蛋白的運輸特點是：①與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運；②對所轉(zhuǎn)運的物質(zhì)具有高度選擇性；③載體蛋白又稱為通透酶:對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程具有被類似物競爭性抑制、具有競爭性抑制等酶的特性。但它不對轉(zhuǎn)運分子作任何共價修飾。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Thecarrierprotein,theGlucosetransporter(GluT1)intheerythrocytePM,alterconformationtofacilitatethetransportofglucose.Facilitatediffusion:Protein-mediatedmovement,movementdownthegradient細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸2、通道蛋白通道蛋白(channelprotein)是一類橫跨質(zhì)膜，它們都是通過疏水的氨基酸鏈進行重排，形成水性通道，允許適宜的分子通過。通道蛋白只參與被動運輸，轉(zhuǎn)運速度高，無飽和性。其運輸特點是：①離子選擇性：不同離子有不同的通道蛋白。③門控性：電壓門通道、配體門通道、應(yīng)力激活通道等。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（1）、電壓門通道：特點：細胞內(nèi)或細胞外特異離子濃度或電位發(fā)生變化時，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（2）、配體門通道：特點：受體與細胞外的配體結(jié)合，引起門通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門”打開。又稱離子通道型受體?？煞譃殛栯x子通道，如乙酰膽堿（Ach）、谷氨酸和五羥色胺受體，和陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受體。Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一個結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個α亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Nicotinicacetylcholinereceptor細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Threeconformationoftheacetylcholinereceptor細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（3）、應(yīng)力激活通道細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（4）、水通道水?dāng)U散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5分鐘內(nèi)破裂。細胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者MacKinnon同獲諾貝爾化學(xué)獎。目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸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)毎にǖ?，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。

PeterAgreRoderickMacKinnon

細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸二、被動運輸與主動運輸（一）、簡單擴散也叫自由擴散（freediffusion）特點：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸人工膜對各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越?。环菢O性分子比極性容易透過，極性不帶電荷小分子，如H2O、O2等可以透過人工脂雙層，但速度較慢；小分子比大分子容易透過；分子量略大一點的葡萄糖、蔗糖則很難透過；人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如各類離子是高度不通透的。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（二）、協(xié)助擴散

也稱促進擴散特點：①比自由擴散轉(zhuǎn)運速率高；②運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；飽和性。載體：離子載體和通道蛋白兩種類型。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Twoclassesofmembranetransportproteins

Carrierproteinsareresponsibleforboththepassiveandtheactivetransport.Channelproteinsare

onlyresponsibleforpassivetransport.細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（三）、主動運輸主動運輸?shù)奶攸c是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；②需要能量；③都有載體蛋白。主動運輸所需的能量來源主要有：①由ATP直接或間接供能；②光驅(qū)動的泵利用光能運輸物質(zhì)，見于細菌。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸?shù)诙?jié)、離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運離子泵：一種APTase，可以通過水解APT供能，逆濃度梯度轉(zhuǎn)運離子或某些小分子?？煞譃橐韵滤姆N：

P-型離子泵

V-型質(zhì)子泵

F-型質(zhì)子泵

ABC超家族細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸一、P-型離子泵（一）、鈉鉀泵構(gòu)成：由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體，實際上就是Na+-K+-ATP酶，分布于動物細胞的質(zhì)膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+、而與K+結(jié)合。K+與磷酸化酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進兩個K+。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Na+-K+ATPPUMP細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸鈉鉀泵對離子的轉(zhuǎn)運循環(huán)依賴自磷酸化過程（ATP上的一個磷酸基團轉(zhuǎn)移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導(dǎo)致構(gòu)象變化），所以這類離子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：①維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；②維持細胞低Na+高K+環(huán)境，維持細胞的靜息電位（1/10）；③與某些物質(zhì)（如葡萄糖）的跨膜運輸有關(guān)。地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸（二）、鈣泵Maintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Ca2+-ATPase有10個跨膜結(jié)構(gòu)域，膜內(nèi)側(cè)有第一個環(huán)有Ca2+離子結(jié)合位點；第二個上有激活位點，包括ATP的結(jié)合位點。在靜息狀態(tài)，羧基端的抑制區(qū)域同環(huán)2的激活位點結(jié)合，使泵失去功能。Ca2+-ATPase泵有兩種激活機制：[Ca2+]濃度升高Ca2+/鈣調(diào)蛋白復(fù)合物同抑制區(qū)結(jié)合，釋放激活位點，泵開始工作。反之泵處于靜息狀態(tài)。蛋白激酶C使抑制區(qū)磷酸化，從而失去抑制作用；當(dāng)磷酸酶使抑制區(qū)脫磷酸，抑制區(qū)又同激活位點結(jié)合，起抑制作用。Ca2+-ATPase的結(jié)構(gòu)和功能位點細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸二、V-型和F-型質(zhì)子泵V-型質(zhì)子泵：存在于動物細胞內(nèi)體、溶酶體膜以及植物、酵母和其他真菌細胞膜上。利用ATP水解供能從細胞質(zhì)基質(zhì)中逆[H+]轉(zhuǎn)運到細胞器中。F-型質(zhì)子泵：主要存在于線粒體內(nèi)膜等上。

細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸三、ABC超家族ABC：ATP-bindingcassette超家族：一大類家族成員，均在胞質(zhì)側(cè)含2個高度保守的ABC，可通過結(jié)合ATP發(fā)生二聚化并水解結(jié)合的ATP，造成構(gòu)象變化從而轉(zhuǎn)運物質(zhì)（主要是aa、肽等小分子）。MDR1是第一個被發(fā)現(xiàn)的ABC轉(zhuǎn)運器，常在肝癌患者肝中過表達，造成多藥抗性。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸typesofATP-poweredpumps細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸四、協(xié)同轉(zhuǎn)運是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質(zhì)跨膜運動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。動物細胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。根據(jù)物質(zhì)運輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運輸又可分為：同向協(xié)同（symport）與反向協(xié)同（antiport）。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸1、同向協(xié)同（symport）物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入。2、反向協(xié)同（antiport）物質(zhì)跨膜運動的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，如動物細胞常通過Na+/H+反向協(xié)同運輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運H+，以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的PH值。還有一種機制是Na+驅(qū)動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細胞膜上的帶3蛋白。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Glucoseisabsorbedbysymport細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸五、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位1、膜電位靜息電位：細胞在安靜狀態(tài)下于細胞膜上形成的外正內(nèi)負的電位差。形成機理：靜息狀態(tài)下，質(zhì)膜上鉀離子滲透通道對鉀離子通透性高，使胞內(nèi)高濃度鉀例子滲透到胞外，造成胞外大量正電荷和胞內(nèi)負電荷的積累，形成穩(wěn)定的電位差。膜的極化：靜息狀態(tài)下這種外正內(nèi)負的電荷分布我們稱之為膜的極化。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸靜息電位的形成機理細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸動作電位去極化：當(dāng)細胞受到閾（或閾上）值電位刺激后，膜上Na離子通道開放，大量Na離子短時間內(nèi)流使靜息電位減少甚至消失。反極化：隨著Na離子的進一步瞬間內(nèi)流，質(zhì)膜處電位由原來的外正內(nèi)負的靜息狀態(tài)變?yōu)閮?nèi)正外負的動作電位。超極化：隨著動作電位的出現(xiàn)，質(zhì)膜上Na離子通道逐漸失活，而鉀離子電壓閘門通道開放大量外流使膜再度極化，以致于超過原來的靜息電位。超極化使K離子通道關(guān)閉，膜重新回到靜息狀態(tài)。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸動作電位的成因在安靜狀況下受到一次短促的閾刺激或閾上刺激時，膜內(nèi)原來存在的負電位將迅速消失，并且進而變成正電位，由原來的內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負。整個膜內(nèi)外電位變化的幅度應(yīng)是100mV，這構(gòu)成了動作電位變化曲線的上升支；由刺激所引起的這種膜內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)電位的下降，并恢復(fù)到原有的負電位狀態(tài)，這構(gòu)成了動作電位曲線的下降支。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谌?jié)、胞吞作用與胞吐作用真核細胞通過內(nèi)吞作用（endocytosis）和外吐作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。在轉(zhuǎn)運過程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細胞外物質(zhì)的囊泡，因此又稱膜泡運輸。細胞的內(nèi)吞和外排活動總稱為吞排作用（cytosis）。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用。一、胞飲作用與吞噬作用細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸胞飲作用與吞噬作用的區(qū)別胞吞泡的大小不同：150nm、250nm胞飲作用為組成型過程，吞噬作用是一種信號觸發(fā)過程。胞吞泡形成的機制不同：胞飲泡的形成依賴于網(wǎng)格蛋白等的作用。吞噬泡的形成則需要微絲等蛋白的作用。細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸二、受體介導(dǎo)的胞吞作用細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Structureofaclathrin–coatedvesicle細胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運輸Modelforth