细胞生物学第五章-物质的跨膜运输ppt课件

.,第五章物质的跨膜运输,MembraneTransport,.,了解：膜转运蛋白的类别和特点、胞饮作用与吞噬作用。掌握：被动运输与主动运输的特点、4类ATP驱动泵的特点、受体介导的胞吞作用。重点：被动运输与主动运输的特点、离子泵、受体介导的胞吞作用。难点：组成型胞吐作用和调节性胞吐作用的特点。,.,.,第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输,.,脂双层的不透性-屏障barrier,脂溶性分子和小的不带电荷的分子高度不透：大多数溶质分子、离子,.,.,黑膜试验,.,不同分子通过无膜蛋白的人工脂双层,.,细胞内外离子差别分布两种机制：一套特殊的膜转运蛋白的活性。质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。,.,膜转运蛋白,载体蛋白（carrierprotein）结合部位相适合,通道蛋白（channelprotein）溶质大小和电荷,.,载体蛋白(carrierprotein)被动转运（passive）顺浓度梯度或电化学梯度主动运输（active）逆浓度梯度或电化学梯度通道蛋白(channelprotein)被动转运,.,载体蛋白（carrierprotein）,载体蛋白是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。,红细胞膜上的葡萄糖转运,.,通道蛋白（channelprotein）,通道蛋白是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子选择性通道（ion-selectivechannel）。特征：一离子通道具有选择性、极高的转运速率；二离子通道没有饱和值；三离子通道是门控的。,.,.,.,机制在膜上特异性刺激控制下，闸门短暂地开放，随即关闭。配体门通道：小分子-构象电压门通道：跨膜电位变化应力激活通道：应力改变构象-电信号内耳听觉毛细胞,.,.,电压门通道voltage-gatedionchannels,.,应力激活通道stressactivatedionchannel,.,被动运输与主动运输,.,被动运输（passivetransport）：通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。,.,简单扩散（simplediffusion）/被动扩散,影响因素：分子量越小脂溶性越强非极性比极性分子过脂双层膜速率越快特点：沿浓度梯度扩散高-低不需要提供能量不需要膜蛋白协助,.,（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道,.,.,水孔蛋白（aquaporin，AQP）由4个亚基组成的四聚体，每个亚基都有6个跨膜螺旋组成水分子快速跨膜运动的通道,.,.,（三）协助扩散,极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量。特异性的膜转运蛋白“协助”,.,特点：转运速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。,.,.,葡萄糖载体（glucosetransporter，GLUT）高度同源的氨基酸序列，12次跨膜的螺旋丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）,.,.,.,载体蛋白介导的被动转运(协助扩散)特点类似于酶-底物反应结合溶质分子具有特异性结合溶质分子具有饱和性达到饱和状态时转运速率最大(Vmax)每种载体对各自溶质均有一结合常数(Km)即V12Vmax时溶质的浓度结合可被竞争性或非竞争性抑制剂阻断不同点:载体蛋白对被转运溶质无共价修饰可改变过程的平衡点；,.,不同的运输形式单向运输（uniport）协同运输（coupledtransport）同向运输（symport）对向运输（antiport）,.,.,（四）主动运输,主动运输（activetransport）载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。能量来源,ATP直接供能-初级主动运输,间接提供能量（耦联转运蛋白）,光能驱动,对向转运蛋白,同向转运蛋白,.,.,主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程耦联（协同运输）；都有载体蛋白。,.,第二节离子泵和协同转运,离子泵P-型离子泵V-型质子泵和F-型质子泵ABC超家族,.,.,P-型离子泵都有2个独立的催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小亚基，通常起调节作用。在转运离子过程中，至少有一个催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。,.,Na+-k+泵ATP直接供能,对向运输将Na+逆电化学梯度运出细胞将k+逆电化学梯度运入细胞其动力是自身ATP水解供能Na+-k+-ATP酶,P-型离子泵,.,.,由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。钠钾泵的一个特性是它对离子的转运循环依赖自磷酸化过程。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+泵作用是：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。,.,.,钠钾泵机制,.,（2）钙泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能,通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），这种浓度差由钙泵维持。位置：质膜和内质网膜上每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。例：肌质网（sarcoplasmicreticulum）上的钙离子泵，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。,.,.,（3）H+/K+-ATP泵,.,（4）质子泵（H泵）ATP直接供能,存在位置：植物细胞、真菌和细菌细胞作用方式：从胞质中主动将H泵出细胞，建立和维持跨膜的H电化学梯度,.,V-型质子泵和F-型质子泵,V-型质子泵存在：溶酶体膜动物细胞胞内体植物液泡膜上功能：利用ATP水解产生能量逆H+电化学梯度将H+泵入细胞器（维持质膜的中性；细胞器酸性）转运H+时不产生磷酸化中间体,.,F-型质子泵存在：细菌质膜线粒体内膜叶绿体内囊体膜功能：H+顺浓度梯度运动将所释放的能量与ATP合成相偶联H+-ATP合成酶,.,.,ABC超家族,几百种不同的转运蛋白，30%40%同源ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基因具有特异性核心结构域2个跨膜结构域2个胞质侧ATP结构域,.,.,.,多药抗性转运蛋白（multidrug-resistance，MDR）MDR1秋水仙碱长春花碱,.,协同转运,由Na+-K+泵（H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式，又叫做耦联运输。能量：离子浓度梯度电化学梯度,.,同向转运（symport）：物质运输方向与离子转移方向相同。反向转运（antiport）：物质运输方向与离子转移方向相反。,.,糖、氨基酸和其他有机分子跨膜转运,.,小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图,.,离子梯度驱动的主动转运(对向)调节细胞内pH,Na+-H+交换载体Cl-HCO3-交换载体例：红细胞膜band蛋白Na+-与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流,.,Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同转运的示意图A动物细胞Na+驱动的同向转运；B植物细胞H+驱动的同向转运,.,离子跨膜转运与膜电位,静息电位：细胞在静息状态下的膜电位动作电位：在外界刺激作用下产生的行驶通讯功能的快速变化的膜电位极化：静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值。,.,小分子物质的跨膜转运,小分子离子：阴离子CL-阳离子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+非极性小分子：苯、N2、O2极性小分子：CO2,乙醇，尿素，类固醇激素，甘油，H2O其他：葡萄糖，氨基酸,总结,.,小分子物质通过细胞膜的转运主要有三种方式简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）主动运输（activetransport）,.,第三节胞吞作用与胞吐作用,大分子物质的囊泡转运,.,膜性囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为膜泡转运。根据物质的运输方向：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）共同特点：双向、特异、有序、化学修饰,.,胞吞作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输吞噬（phagocytosis）由专门的吞噬细胞完成,大的颗粒,直径250nm，最终到达溶酶体被降解。吞饮（pinocytosis）摄入液体和小溶质分子进行消化，直径150nm。,一、胞饮作用与吞噬作用,.,.,.,吞噬过程,吞饮过程,.,.,需要微丝骨架及其结合蛋白的参与,.,.,胞吞作用受体介导的胞吞作用非特异性的胞吞作用,.,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。,受体介导的胞吞作用受体-配体结合而引发的胞饮作用,.,胞吞泡的形成：配体和受体结合,网格蛋白聚集,有被小窝,去被的囊泡和胞内体融合,有被小泡,胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。,受体介导的胞吞作用,溶酶体,.,受体介导的胞吞作用,网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到胞内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。,.,大分子物质运输中的三种有被小泡网格蛋白（clathrin）冷冻蚀刻技术发现，有被小凹和小泡上的外被呈网格样结构，这种物质由几种蛋白组成，其中一种就是网格蛋白。网格蛋白在进化上高度保守，分子由3条重链和3条轻链形成三足结构，许多三足结构再组装成六边形或五边形的网格样结构。网格蛋白位于转运小泡的表面，大大提高了小泡的表面张力。,.,.,.,胆固醇,低密度脂蛋白（low-densitylipoprotein，LDL）,.,.,.,不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为转胞吞作用。,.,.,三、细胞胞吐作用1.胞吐作用的途径组成型途径(constitutivepathwayofsecretion)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。调节性途径(regulatedpathwayofsecretion)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。,.,2.基本过程3.组成性分泌途径几乎存在于所有细胞中调节性途径主要存在于特化的分泌细胞中4.胞吐作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输5.功能补充质膜更新所需