第五章-物质的跨膜运输

第五章-物质的跨膜运输第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、脂双层的不透性与膜转运蛋白二、小分子物质的跨膜运输类型第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、脂双层的不透性与膜转运蛋白细胞内最丰富的阳离子是K+，细胞外最丰富的阳离子是Na+。离子浓度差异分布由脂双层的疏水特征和膜转运蛋白的活性来调控。膜转运蛋白（membranetransportprotein）即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质，包括载体蛋白（transporter,carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）两类。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一（一）载体蛋白及其功能载体蛋白（carrierproteintransporter）:一种与特异的溶质结合，并通过自身构象的改变介导物质跨膜转运的蛋白。特性：

a)不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。b)载体蛋白具有底物专一性。

c)载体蛋白对转运的分子不作任何共价修饰。d)载体蛋白即可介导被动运输，又可介导主动运输。第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的模型注意：载体蛋白对转运的分子不作任何共价修饰。第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一载体蛋白的举例第6页，共42页，2023年，2月20日，星期一（二）通道蛋白及其功能通道蛋白（channelprotein）：通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运。包括3种类型：离子通道（ionchannel）、孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。离子通道的三个特征（p69-70)第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一3种类型的离子通道示意图A：电压门通道B、C：配体门通道D：应力激活通道激活信号的不同。第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、小分子物质的跨膜运输类型简单扩散（simplediffusion）被动运输（passivetransport）主动运输（activetransport）第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一1、简单扩散（simplediffusion）定义：小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，既不需要细胞供能，也不需要膜转运蛋白的协助。电化学梯度（electrochemicalgradient）：离子的电荷和浓度的总差异，决定物质在两个区域之间的运动扩散能力。扩散速率与该物质的性质有关：分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、被动运输（passivetransport）定义：在膜转运蛋白的协助下，物质从高电化学势或高浓度一侧向低电化学势或低浓度一侧的跨膜运输形式，又称协助扩散（facilitateddiffusion）。转运物质：水分子、糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等。转运蛋白：Glucosetransporter;

水孔蛋白。第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一水孔蛋白（AQP1）分布与结构A：豚鼠质膜电镜照片B：水孔蛋白（AQP1）C：水孔蛋白一个亚基（由3对同源的跨膜α螺旋组成）D：一个亚基三维结构的示意图第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一部分水孔蛋白举例第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、主动运输（activetransport）定义：由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的方式。它是一种需要消耗能量的物质跨膜运输过程。3种类型：

ATP驱动泵（ATP-drivenpump）；

协同转运蛋白（cotransporter

，由ATP间接供能）；

光驱动泵（light-drivenpump）。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一主动运输3种类型第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一第二节ATP驱动泵与主动运输一、P型泵二、V型质子泵和F型质子泵三、ABC超家族四、离子跨膜转运与膜电位第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一4种类型的ATP驱动泵前3种转运离子，后一种转运小分子。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一一

、P型泵P型泵（P-typepump）：由于这类转运泵水解ATP使自身形成磷酸化（phosphorylation）的中间体，因此称为P型泵。大多数P型泵都是离子泵。可分：

Na+-K+泵（

Na+-K+pump）；Ca2+泵（Ca2+pump）；

P型H+泵（P-typeH+pump）等。第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一Na+-K+泵又称Na+-K+ATPase，能水解ATP，使α亚基磷酸化或去磷酸化，将3个Na+泵出细胞，而将2个K+泵入细胞的膜转运载体蛋白。钠钾泵需要钠和ATP在细胞膜的内侧，而钾在膜外；每消耗一分子ATP，转运3个钠和2个钾；只有动物细胞有钠钾泵。第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一Na+-K+泵的结构（A）与工作模式（B）Na+依赖性的磷酸化和K+依赖性的去磷酸化引起Na+-K+泵构象发生有序变化每个工作循环消耗1个ATP分子，可以逆着电化学梯度泵出3个Na+和泵入2个K+。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一小肠上皮细胞吸收葡萄糖的示意图一般动物细胞要消耗1/3（神经细胞消耗2/3）的总ATP供Na+-K+泵工作以维持细胞内高K+低Na+Na+-的离子环境。

Na+-K+泵主要生理功能：（1）维持细胞膜电位；（2）维持动物细胞渗透平衡；（3）吸收营养（见左图）。第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一肌质网Ca+泵转运Ca+前（A）和后（B）的工作模型

N:核苷酸结合部位P:磷酸化部位A:活化部位Ca2+泵和P型H+泵（略）第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、V型质子泵和F型质子泵V型质子泵（V-typeprotonpump）：广泛存在于动物细胞的胞内体膜、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜，以及植物和真菌细胞的液泡（首字母为V）膜上。

V型质子泵H+将从细胞质基质中泵入细胞器。F型质子泵（F-typeprotonpump，F1F0-ATPase）：广泛存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上（F为Factor的首字母）。

F型质子泵常利用质子动力势合成ATP。第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、ABC超家族定义：ABC超家族（ATPbindingcassettesuper-family）又叫ABC转运蛋白，也是一类ATP驱动泵，利用ATP水解释放的能量将糖、氨基酸、磷脂、胆固醇、肽和其它多种小分子物质进行跨膜转运。ABC转运蛋白是分布最广的一类转运蛋白，从细菌到人类都有。4个“核心”结构域：2个跨膜结构域（T），每个含6个跨膜α螺旋，形成底物运输的通路并决定底物的特异性；2个凸向胞质侧的ATP结合域（A），具有ATPase活性。第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一原核细胞（A）和真核细胞（B）ABC超家族结构与工作示意图工作模式：（1）ATP结合前，ABC转运蛋白的底物结合位点暴露于一侧（原核细胞胞外一侧或真核细胞胞内一侧）；（2）ATP结合，ATP结合域二聚化并转运底物到ABC转运蛋白通路的另一侧内；（3）ATP水解及ADP解离，ATP结合域解离（恢复原状），同时释放底物。第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一每种ABC转运蛋白对于底物或底物的某些基团有特异性。与疾病的关系：

有些ABC转运蛋白能够将抗生素或其它亲脂性抗癌药物泵出细胞，赋予细胞抗药性；

遗传病囊性纤维化（肺、汗腺和胰腺等中）的发生也是ABC转运蛋白突变引起。第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一四、离子跨膜转运与膜电位膜电位（membranepotential）：细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位（restingpotential）：可兴奋细胞在其不受外来刺激时测得的膜电位差（-30~-70mV）。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，这种现象又称极化（polarization）。动作电位（activepotential）：指细胞在刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位。第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一静息电位的形成：动物细胞质膜对K+的通透性大于Na+是产生静息电位的主要原因。

静息膜允许K+通过开放的非门控的渗漏通道顺电化学梯度流向胞外，产生外正内负的静息电位。动作电位的形成：极化（静息）（K+渗漏出）→去极化（Na+通道流入）→反极化（Na+通道关闭，K+通道流出）→再极化（K+通道流出）→超极化（K+通道关闭）（见图5-12）。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一第三节胞吞作用与胞吐作用定义：p79分布：真核细胞作用：大分子（蛋白质、多核苷酸及多糖等）和颗粒物质的跨膜运输。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、胞吞作用的类型(1)胞饮作用（pinocytosis）(2)吞噬作用（phagocytosis）特征物质胞吞泡的大小转运方式胞吞泡形成机制胞饮作用溶液小于150nm连续的过程网格蛋白和接合素蛋白吞噬作用大颗粒大于250nm受体介导的信号触发过程微丝和结合蛋白区别:第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一胞吞作用的类型第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一（1）吞噬作用吞噬作用（phagocytosis）：针对胞外生物大分子和颗粒性物质的胞吞作用。在原生生物中，吞噬作用是摄取食物的一种方式；在高等多细胞生物体中，吞噬作用往往发生于巨噬细胞和中性粒细胞，其作用不仅仅是摄取营养物，主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一抗体诱发的吞噬作用胞吞泡（endocyticvesicle）:胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡，称胞吞泡；吞噬体（phagosome）：通过吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬体。第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一（2）胞饮作用胞饮作用（pinocytosis）：针对胞外生物大分子或液体物质的胞吞作用。可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用和非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用4种类型。

胞饮作用可分为受体介导型（具有专一性和浓缩性）和非受体介导型。第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一网格蛋白（clathrin）：又称笼形蛋白，是一类包被蛋白，由3个二聚体（1条重链和1条轻链）组成三腿蛋白（triskelion），作为包被的结构单位，组装形成多面体笼形结构。当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下，逐渐形成直径50~100nm的质膜凹陷，即网格蛋白包被小窝（clathrin-coatedpit）。衔接蛋白（adaptin）：对转运分子有特异性选择作用，它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号，从而通过网格蛋白包被泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输。发动蛋白（dynamin）：一种小G蛋白，在深陷的包被小窝的颈部组装成环，水解与其结合的GTP，引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡。第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一通过网格蛋白包被膜泡介导的选择性运输示意图被转运分子→受体→内化→网格蛋白包被膜泡→脱包被膜泡→胞内体（分选）→被转运分子到溶酶体降解，受体返回质膜第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一受体介导的胞吞作用

受体（receptor）：受体是任何能与特定信号分子（配体）结合的（膜）蛋白分子，通常导致细胞摄取反应或细胞信号转导。受体介导的胞吞作用（receptormediatedendocytosis）：通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子的途径。被转运的大分子物质与细胞表面互补性的受体结合，形成受体-配体复合物并引发细胞质膜局部内化作用，然后小窝脱离质膜形成有被小泡而将物质吞入细胞内。胞内体（endosome）：动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是转运由胞吞作用新摄取的物质到溶酶体中降解。第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一LDL（低密度脂蛋白）通过受体介导的胞吞作用进入