跨膜转运课件

1、第五章 物质的跨膜运输细胞质膜是细胞和细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对营养物质的摄取，保障代谢产物的排除，又能调节细胞内离子浓度，使细胞保持相对稳定的内环境。第1页，共43页。细胞质膜是选择性通透屏障脂溶性分子和小的不带电的分子能以简单扩散的方式通过。对多数水溶性分子和离子的透过需要膜转运蛋白。结果：活细胞内外的离子浓度明显不同：细胞内高钾，低钠。细胞内的pH值为7.2，细胞外的pH值为7.4，即细胞内H+离子浓度略高于细胞外。水相油相水相第2页，共43页。第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输第3页，共43页。膜转运蛋白：是内在（整合）膜蛋白。辨别溶质（转运底物）的方式的不同

2、载体蛋白：溶质需与载体蛋白上的结合部位相适合，通过载体蛋白构象变化运输物质。通道蛋白：根据溶质的大小和电荷来辨别可否通过，形成通道、运输物质第4页，共43页。不同的膜上分布着不同的载体蛋白，与膜的功能相关，每种都是高度选择性的：细胞质膜-转运糖、氨基酸、核苷酸；线粒体内膜-丙酮酸、ATP。有的是被动运输，多数是主动运输，见表5-2。载体蛋白及其功能载体蛋白通过构象改变介导溶质的被动运输的模型第5页，共43页。载体蛋白又称为通透酶（permease），无催化功能。底物的特异性：一种载体蛋白只能转运一种类型的底物。具有饱和动力学特征：当达到饱和时，增加底物浓度不能增高转运速率。可被底物类似物竞争性

3、抑制：抢占结合位点。可被抑制剂非竞争性抑制：改变载体蛋白结合位点构象，不再与底物结合。对pH有依赖性。载体蛋白的特征第6页，共43页。通道蛋白及其功能少数形成非选择性通道，如孔蛋白。绝大多数形成离子选择性通道，又称为离子通道。其选择性依赖于通道的直径和形状以及电荷，不需要与溶质结合。具有极高的转运速率，接近自由扩散的理论值。驱动力来自跨膜的电化学梯度，运输的方向顺电化学梯度进行。没有饱和值。并非连续性开放而是门控的，构象的改变受控于细胞信号。离子通道的特征：第7页，共43页。通道蛋白的分类：根据激活信号电压门控通道（voltage-gated channel)：跨膜电位梯度的变化致使其构象变化

4、，从而使通道打开或关闭。配体门控通道（ligand-gated channel) ：细胞内、外的配体与通道蛋白结合，引起通道蛋白发生构象变化，从而使通道打开或关闭。应力激活通道（stress-activated channel) ：感受应力（摩擦力、压力等）而改变构象，启动通道开放，形成离子流。第8页，共43页。配体门控通道乙酰胆碱受体是由4种不同的亚单位组成，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。第9页，共43页。二、被动运输与主动运输被动运输概念：是通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运转。特点：运输方向由高浓度向低浓度 能量

5、消耗 无类型：简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion）第10页，共43页。(一)简单扩散 通透性决定于：分子的大小，脂溶性（极性）大小。概念：是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子的跨膜运输方式。溶解在膜脂中，从膜脂一侧扩散到另一侧，最后进入水相。特点：沿浓度梯度扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。第11页，共43页。人工膜对各类物质的通透率脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很

6、难透过；人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。第12页，共43页。（二）水孔蛋白水分子简单扩散的速率很低，不能满足特殊组织和功能的需要，人们推测膜上有水通道。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。是内在膜蛋白；存在于特异性组织细胞；是水分子快速跨膜转运通道；只允许水分子通过。第13页，共43页。（三）协助扩散概念：是极性分子和无机离子在膜转运蛋白（如葡萄糖载体）协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。载体蛋白介导的协助扩散的特点：转运速率比简单扩散高； 存在最大转运速率，饱和性； 有底物特异性。第14页，共43页。（四）主动

7、运输概念：主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或电化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。特点： 运输方向； 膜转运蛋白； 消耗能量进行主动运输的物质：各种离子（如钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子、钙离子等）。葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子 。第15页，共43页。主动运输能量的来源不同： 1. ATP间接提供能量(耦联/协同转运蛋白)： 同相/反相转运蛋白，同时转运两种溶质，一种(Na+ 或 H+)形成电化学梯度为另一种分子运输提供驱动力。 2. ATP直接提供能量（ATP驱动泵）：是ATP酶。 3. 光能驱动：在细菌中，对溶质的主

8、动运输与光能的输入相耦联。第16页，共43页。氨基酸是指含有氨基的羧酸。生物体内的各种蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。 氨基酸残基第17页，共43页。蛋白质的四级结构 亚基第18页，共43页。第二节 离子泵和协同运输ATP驱动泵：也称ATP酶，催化ATP水解而释放能量；是整合膜蛋白，载体蛋白。在膜的原生质表面有ATP结合位点。根据结构和功能特性可分为4类：P-型离子泵，P-型质子泵，V-型质子泵， F-型质子泵，和ABC超家族。 转运离子转运小分子转运H+离子，即质子转运Na+,K+,Ca2+等第19页，共43页。（一）钠钾泵：也叫Na+-K+ATP酶构成与分布：由2个亚基、2个亚基组成的4

9、聚体，分布于动物细胞的质膜上。功能：逆浓度梯度和电化学梯度泵出Na+,泵入K+,维持细胞内低Na+高K+的离子环境，对神经冲动的传播和维持细胞的渗透平衡时非常重要。一、P-型离子泵:2个催化亚基，ATP结合位点，磷酸化和去磷酸化，泵蛋白构象改变，实现离子的跨膜转运。第20页，共43页。Na+-K+ATP PUMP1. 3Na+结合到结合位点上2. ATP水解；亚基磷酸化3. 亚基构象变化4. 3Na+释放到细胞外5. 2K+结合；去磷酸化6. 2K+释放到细胞内， 亚基 构象恢复原始状态。工作原理：E-enzyme 酶；E1,E2:酶的不同构象第21页，共43页。每一循环消耗一个ATP；转运出

10、三个Na+，转进两个K+。 是一种基本的、典型的主动运输方式。Na+-K+泵的作用：维持细胞的渗透压，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。第22页，共43页。又称Ca2+-ATP酶。构成：1个多肽构成的整合膜蛋白，每个泵单位含有10个跨膜螺旋。分布：细胞质膜和内质网膜上。肌细胞的肌质网膜上。（二）钙泵（Ca2+ pump ）第23页，共43页。工作原理：1. 2Ca2+与位点结合2. ATP水解；磷酸化3. 构象改变，破坏Ca2+结合位点并释放Ca2+到膜的另一侧4. 去磷酸化第24页，共43页。每消耗一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 功能：于细胞膜和内质网膜

11、上，它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。在肌细胞的肌质网膜上，在肌质网内储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩运动是至关重要的。钙泵占膜整合蛋白的80%以上。第25页，共43页。二、质子泵1、P-type：利用质子泵自磷酸化发生构象的改变向细胞外转移质子，如植物细胞、真菌和细菌的质膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵。 2、V-type：由多亚基构成，位于动物细胞溶酶体膜、破骨细胞和肾小管细胞的质膜以及植物细胞、真菌和细菌液泡膜上，故又称膜泡质子泵(vacuolar proton pump) 。其水解ATP产生能量，但不发生磷酸化。将H+从细胞质基质

12、泵入细胞器，以维持基质的pH中性和细胞器内的pH酸性。3、F-type：由多亚基构成，位于细菌质膜，线粒体内膜和植物细胞的类囊体膜上。顺H+浓度梯度转运质子。利用释放的能量合成ATP，也叫H+-ATP合成酶。第26页，共43页。三、ABC 超家族ABC超家族（ABC superfamily）:分布广泛，庞大的蛋白家族，有两个跨膜结构域和两个原生质侧的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。ATP驱动泵：水解ATP，逆浓度梯度摄取营养。转运底物：在细菌质膜上-氨基酸、多糖、磷脂、多肽、甚至蛋白质；在哺乳类细胞质膜上-磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其它小分子。特异性

13、：是载体蛋白，每一种ABC转运器只转运一种或一类底物。第27页，共43页。Mammalian MDR1 proteinMDR1 （multidrug resistance protein1，多药抗性蛋白1）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，在癌细胞内该基因常过度表达。水解ATP，并将脂溶性药物（抗肿瘤药物）逆浓度梯度从细胞质内转运到细胞外，降低细胞内药物浓度，产生抗药性。第28页，共43页。 四、协同转运（cotransport）是一类由Na+-K+泵或H+泵与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP完成的主动运输方式。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯

14、度来驱动。根据物质（葡萄糖、氨基酸）运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，可分为： 同向转运（symport）与反向转运（antiport）。第29页，共43页。1、同向协同（symport）物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。载体蛋白有两个结合位点，同时与Na+和特异的氨基酸或葡萄糖分子结合，进行同向转运。2、反向协同（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。如动物细胞分裂时，常通过Na+/H+反向协同运输的方式来向细胞外转运H+，以调高细胞内的PH值。第30页，共43页。第三节 胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocy

15、tosis）大分子与颗粒性物质的跨膜运输膜泡运输:转运过程中，物质包裹在囊泡中。批量运输：同时转运一种或多种数量不等的大分子与颗粒性物质。属于主动运输：消耗能量第31页，共43页。 胞吞作用（endocytosis)：内吞作用，入胞作用通过细胞质膜内陷形成囊泡(胞吞泡），包裹外界物质（如营养物质）并将之输入细胞的过程。胞饮作用（pinocytosis）:胞吞物为溶液。吞噬作用（phagocytosis）：胞吞物为颗粒，如微生物。胞饮与吞噬作用的3点区别：吞噬作用在多细胞动物体内，只见于某些特化细胞，如巨噬细胞，中性粒细胞。第32页，共43页。胞吞作用非特异性胞吞作用受体介导的胞吞作用：胞饮和吞

16、噬第33页，共43页。受体介导的胞饮作用大分子转运物(ligand)与细胞质膜上互补受体(receptor) 结合。网格蛋白/笼状蛋白（clathrin)聚集在膜下的一侧，通过结合素蛋白（adaptin) 与跨膜受体结合，形成复合物。细胞质膜逐渐凹陷，形成有被小窝(clathrin coated pit)。发动蛋白/动力素 (dynamin) 在颈部组装成环。dynamin水解GTP并引起颈部缢缩，形成有被小泡(clathrin coated vesicle)脱离细胞质膜。有被小泡脱包被，并与早期胞内体融合，将转运物与部分胞外液体以及膜上受体摄入细胞。第34页，共43页。第35页，共43页。受

17、体介导的胞吞作用受体的去向：大部分受体返回原来的质膜区域；有些受体被溶酶体消化降解；有些受体被运至质膜的不同结构域，转胞吞作用。 第36页，共43页。 特点是一种选择性浓缩机制：大量摄入大分子物质，避免大量摄入胞外液体。是大多数动物细胞摄取特定大分子的有效途径。受体介导的胞吞作用第37页，共43页。（三）胞吐作用：将分泌泡或膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞。组成型胞吐途径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。所有真核细胞，连续分泌过程转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面用于质膜更新（膜脂、膜蛋白），胞外基质组分，营养或信号分子。第38页，共43页。调节性途径 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、神经递质）时，分泌囊泡才移至细胞膜处，与其融合将分泌物排出。 特化的分泌细胞 储存刺激释放 产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）第39页，共43页。第40页，共43页。五、离子的跨膜转运与膜电位膜电位：离子的跨膜运输在造成膜两侧的浓度差的同时也造成电位差，这些电位差的总和称为膜电位。静息电位：细胞在静息状态下的膜电位称静息电位,是细胞质膜内外相对稳定的电位差，由质膜上相对稳定的离子流形成。质膜内为负值，质膜外为正值，这