生物化学：第21章 生物膜与物质运输

1、第21章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输 二、小分子物质的运输 三、生物大分子的跨膜运输 四、离子载体 五、生物膜运输的分子机制,第21章 生物膜与物质运输,生物膜的组成,第21章 生物膜与物质运输,第21章 生物膜与物质运输,第21章 生物膜与物质运输,能量转换 氧化磷酸化(线粒体)、光合磷酸化(叶绿体) 信息识别与传递 生物信号 (G-蛋白偶联受体和第二信使、视觉、 嗅觉、味觉的信号传导、致癌基因、肿瘤抑制基因等) 物质运输 生物膜具有通透性和高度选择性,生物膜功能：,一、被动运输与主动运输,第21章 生物膜与物质运输,被动运输(passive transport)：顺浓度梯度方

2、向的跨膜运送物质。 物质的运输速率既依赖于膜两侧运送物质的浓度差，又与被运送物质的分子大小、电荷和在脂双层中的溶解度有关。,例：1. 带电或极性物质 转运蛋白 2. 红细胞葡萄糖转运 葡萄糖转运蛋白（GluT1） 3. 红细胞的Cl-和HCO3-转运 阴离子交换蛋白,在膜蛋白协助下的被动运输 (passive transport),与水结合的溶质,无转运蛋白的简单扩散,有转运蛋白的简单扩散,转运蛋白,一、被动运输与主动运输,第21章 生物膜与物质运输,带电或极性物质 转运蛋白,溶质的简单扩散被选择性渗透障碍所阻止。 极性或带电的溶质： 去除水合层中与水分子相互作用； 通过溶解性较差的溶剂扩散。

3、 过程需要高能量G。,协助扩散(facilitated diffusion)或被动转运(passive transport)：极性化合物和离子的跨膜通道是由膜蛋白组成的，降低转运的活化能。 转运蛋白(transporters)或穿透酶(permeases),红细胞葡萄糖转运蛋白介导被动运输(Passive Transport),葡萄糖进入红细胞是通过葡萄糖特异性转运蛋白的协助扩散来实现的。,红细胞的葡萄糖转运蛋白(glucose transporter, GluT1)结构模型,GluT1：红细胞膜内在蛋白(Mr 45 000)，有12个疏水片段，形成12个跨膜螺旋，,螺旋片段表面上极性和非极性

4、氨基酸残基的分布，形成两亲性螺旋,5-6个两亲性螺旋边边相加，极性面向内，构成跨膜通道，Glc与极性氨基酸残基形成氢键。,血浆葡萄糖浓度：5 mM，葡萄糖扩散速度是未催化扩散的5万倍,一、被动运输与主动运输,第21章 生物膜与物质运输,糖尿病人的葡萄糖转运缺陷,GluT4：肌肉和脂肪中的葡萄糖转运的蛋白，能被胰岛素激活。,摄入葡萄糖过量,肌糖原,心肌 骨骼肌,三酰甘油,脂肪细胞,当胰岛素与受体结合，囊泡移到膜表面并与其融合，从而增加质膜表面GluT4数量。,胰腺释放胰岛素,这些细胞膜含有葡萄糖转运蛋白GluT4, GluT4贮存在细胞内的囊泡膜上。,当胰岛素水平下降，GluT4通过胞吞作用重新

5、从质膜上移回胞内，形成囊泡。,小囊泡与内涵体融合。,内涵体出芽形成小囊泡，以备胰岛素水平升高时，重新移到细胞表面。,GluT4,型糖尿病人不能释放胰岛素，导致肌肉和脂肪组织对葡萄糖的吸收率很低，后果血糖增高。,一、被动运输与主动运输,第21章 生物膜与物质运输,*GluT2：将肝糖原分解的葡萄糖转运出肝细胞。能够根据胞内葡萄糖增加相应增加葡萄糖向外转运速率。,氯离子与碳酸氢根离子的协同转运(Cotransport),氯离子与碳酸氢根离子交换蛋白(chloride-bicarbonate exchanger) 又称阴离子交换蛋白 (anion exchange (AE) protein),氯离子

6、与碳酸氢根离子交换蛋白：膜内在蛋白，有12个疏水片段，形成12个跨膜螺旋。 协同运输：转运蛋白调节2种阴离子同时移动。 反向运输(antiport)：两种底物向相反方向移动。 同向运输(symport)：两种底物同时沿相同方向移动。 单向运输(uniport)：只运转一种底物。,分解代谢产生的CO2进入红细胞,碳酸氢根溶解在血浆中,碳酸酐酶,在肺中,在呼吸组织中,CO2离开红细胞并被呼出,碳酸氢根从血浆中进入红细胞,红细胞的另一种协助扩散系统,一、被动运输与主动运输,第21章 生物膜与物质运输,第21章 生物膜与物质运输,主动运输(active transport)：物质逆浓度或逆电化学梯度的

7、运输，需要供给能量 (needs to provide energy from surrounding) G = 2.3 RT lg (C2/C1) + ZF V 如：C2 C1, G 0, 过程不能自发进行，需要供给能量,一、被动运输与主动运输,主动运输特点： 专一性：专一运输特定物质； 运输速度可以达到“饱和”状态； 方向性； 选择性抑制； 需要提供能量。,主动运输需要两个体系： 参与运输的传递体 由酶或酶系组成的能量传递系统,溶质的聚集直接与放热的化学反应偶联。 ATP水解释放能量驱动溶质X逆电化学梯度运动。,一个溶质的耗能运输与另一溶质的释放流动相偶联，释放的能量由初级主动运输提供的。

8、 初级主动转运建立X离子的浓度梯度，X顺电化学梯度移动为第二溶质S逆电化学梯度运动提供能量。,主动转运是一种能量消耗途径。 如太阳光的吸收、氧化反应、ATP分解等。,第21章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输,初级主动运输,次级主动运输,初级主动运输,1. P-型ATP酶的Na+K+的主动协同运输 2. P-型ATP酶的Ca2+泵 3. F-型的ATP合酶 4. ABC转运蛋白：多药物转运蛋白,次级主动运输,1.糖和氨基酸的运送大肠杆菌的乳糖和H+的同向运输 2. 糖和氨基酸的运送小肠上皮细胞的葡萄糖和Na+的同向运输,第21章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输,P-型 V-型

9、 F-型,P：磷酸化,V：液泡,F：能量伴生因子,乳糖和H+的同向运输,第21章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,P-型ATP酶催化Na+与K+的主动协同运输,Jens Skou 1957年发现 Na+K+ATP酶， 2个单体的膜内在蛋白，均跨膜存在。,细胞内Na+的浓度比周围液体环境低，K+则相反。,膜电位,胞外液体或血浆,细胞质,转运蛋白从细胞内结合3个Na+,磷酸化作用形成P-Enz,转运蛋白释放3个Na+到胞外，并结合胞外的2个K+,去磷酸化，产生Enz,转运蛋白向细胞内释放2个K+,Enz与Na+亲和力高；P-Enz与K+亲和力高,Na+K+ATP酶特异性抑制剂类固醇衍生物乌

10、本苷(ouabain，洋地黄的活性成分，用于治疗充血性心力衰竭)。抑制酶使胞内Na+浓度升高，激活Na+-Ca2+反向转运蛋白，使胞内Ca2+浓度升高，从而加强心肌收缩。,电势差是神经细胞中电信号传导的中心。 Na+的浓度差可驱动许多类型细胞中溶质逆浓度梯度的转运。,Na+K+ATP酶,第21章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,P-型Ca2+泵维持胞质中低浓度的Ca2+,细胞质中游离Ca2+浓度是100 nmol/L，远远低于周围介质。,肌细胞中，Ca2+集中在一种特殊的内质网肌质网中， 肌质网膜钙泵(SERCA )：膜内在蛋白，一条肽链10次跨膜， 在胞质中的结构域较大，含有ATP结

11、合区和可逆磷酸化的Asp残基。 磷酸化酶：胞质侧与Ca2+亲和力高的部分暴露出来； 去磷酸化酶：内质网腔侧与Ca2+亲和力低的部分暴露出来。 通过2种形式转换，ATP水解为ADP和Pi，能量用于实现Ca2+的跨膜逆电化学梯度转运。,mmol级的无机磷酸盐(Pi和PiPi) + Ca2+ 钙磷酸盐(难溶),Ca2+需要低浓度水平,质膜钙泵,Ca2+ 泵出 胞外,内质网,细胞质,内质网钙泵,Ca2+ 泵入,内质网,细胞质,肌质网膜钙泵(SERCA ),P-型ATP酶,第21章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,F-型ATP酶(F-type ATPases)是可逆的、ATP驱动的质子泵,F-型

12、ATP酶： 在细菌、线粒体和叶绿体的能量贮存反应中处于核心位置。 催化以ATP水解驱动质子逆浓度梯度的跨膜运动； 质子的反方向流动中能驱动ATP的合成。 F-型ATP酶/ATP合酶：多亚基复合物， 膜内在蛋白F0(跨膜通道)，产生ATP。 外周蛋白F1(分子马达)，所用能量由ATP水解释放。 活性在于F1蛋白。 F-型ATP酶的可逆性： ATP驱动的质子转运蛋白也在质子沿电化学梯度流动时催化ATP合成。 氧化磷酸化和光合磷酸化中的作用,the FoF1 ATPase/ATP synthase,Reversibility of F-type ATPases,第21章 生物膜与物质运输,二、小分子

13、物质的运输,ABC转运蛋白利用ATP驱使多底物的主动转运,ABC转运蛋白： 单一底物：特异性针对一种物质 多底物：氨基酸、多肽、蛋白质、金属离子、 脂质、胆汁盐和疏水性化合物、药物,20世纪80年代抗癌药的抗药性研究发现 多药物转运蛋白(multidrug transporter, MDR1)： 癌细胞膜上依赖ATP的转运蛋白，将不同的药物运出细胞，阻止抗癌药物在癌细胞内聚集，具有阻止其抑制细胞生长作用，阻断药物(阿霉素、长春碱等)的治疗。,致病： 囊性纤维变性(遗传性胰腺病) 高密度脂蛋白缺乏症 视网膜变性 贫血症 肝功能衰竭,脂质翻转酶,维生素B12的转入蛋白,ATP结合区,两种酶的结构：

14、 同源二聚体， 在细胞质一侧有： 2个ATP结合区NBDs (nucleotide binding domains) 和2个跨膜区， MsbA一个亚基有6个跨膜片段， BtuCD一个亚基有10个跨膜片段。,第21章 生物膜与物质运输,三、生物大分子的跨膜运输,1. 外排作用胞吐作用 2. 内吞作用胞吞作用 吞噬作用、胞饮作用、受体介导的胞吞作用 3. 蛋白质的跨膜运送 内吞或外排、通过内质网膜、通过线粒体、叶绿体膜,第21章 生物膜与物质运输,三、生物大分子的跨膜运输,从高尔基体上发芽产生小泡,膜融合,胞吐作用,内涵体和溶酶体融合,胞吞作用,精子与卵子融合,病毒感染,与小液泡融合 (植物),细

15、胞分裂两个质膜分离,生物膜的一个显著特征在不破坏其完整性的情况下，与其他膜进行融合。,胞吐作用：细胞通过囊泡的形成并与细胞膜 融合而将胞内物质(液态或固态)排出到细胞外基质的过程。,胞吞作用：质膜凹陷将所摄取的液体或颗粒物质包裹形成泡，质膜融合，形成细胞内的独立小泡。人类和动物的许多细胞均靠胞吞作用摄取物质。主动运输，需要消耗ATP。,分泌物,小泡,膜融合(Membrane Fusion)过程在一些生物进程中发挥核心作用,第21章 生物膜与物质运输,四、离子载体 (ionophores),1. 缬氨霉素 2. “A23187”载体 3. 尼日利亚菌素 4. 短杆菌肽A,与K+结合的肽离子载体缬

16、氨霉素 (Valinomycin，凡林霉素)环形小分子肽，环绕在K+周围，中和正电荷。 这种肽可以携带K+顺浓度梯度穿过细胞膜进入细胞，使其胞内外浓度梯度缩小，破坏跨膜离子梯度。,K+,与K+结合的氧原子,疏水外面,亲水腔,凡林霉素和莫能菌素(monensin，一种Na+载体)都是抗生素，可以通过扰乱次级转运和能量贮存反应来杀死微生物细胞。,离子载体(ionophore)：能够携带离子进入细胞膜的物质。,离子载体分两类： 通道形成体 (channel former) 移动性离子载体 (mobile ion carrier),第21章 生物膜与物质运输,五、生物膜运输的分子机制,1. 移动性载体模型 2. 孔道或通道模型 3. 构象变化假设,蛋白质的跨膜运送,1. 分泌蛋白通过内质网膜的运送 信号肽 (signal sequences)：20个氨基酸残基中有12-14个疏水性残基 信号识别蛋白体(signal recognition particle, SRP) 停泊蛋白(docking protein, DP) 2. 线粒体蛋白的跨膜运送 导肽（leader sequences） Unfolding Refolding,第21章 生物膜与物质运输,Nobel Prize of Physiology or Me