生物膜与物质运输

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

生物膜的组成外周蛋白膜内在蛋白(单跨膜螺旋)与脂质共价连接的外周蛋白极性磷脂头部膜内在蛋白(多跨膜螺旋)固醇脂双层糖蛋白的寡糖链糖脂非极性脂肪酰链生物膜流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)

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被动运输(passivetransport)：顺浓度梯度方向的跨膜运送物质。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(passivetransport)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：①去除水合层中与水分子相互作用；②通过溶解性较差的溶剂扩散。

过程需要高能量∆G‡。协助扩散(facilitateddiffusion)或被动转运(passivetransport)：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(PassiveTransport)

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(glucosetransporter,GluT1)结构模型GluT1：红细胞膜内在蛋白(Mr45000)，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：5mM，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②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GluT4①GluT4贮存在细胞内的囊泡膜上。③当胰岛素水平下降，GluT4通过胞吞作用重新从质膜上移回胞内，形成囊泡。④小囊泡与内涵体融合。⑤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。GluT4Ⅰ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*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-bicarbonateexchanger)又称阴离子交换蛋白(anionexchange(AE)protein)氯离子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主动运输(activetransport)：物质逆浓度或逆电化学梯度的运输，需要供给能量(needstoprovideenergyfromsurrounding)

G=2.3RTlg(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。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。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+的同向运输一、被动运输与主动运输P-型V-型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JensSkou1957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-EnzⅡ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EnzⅠ转运蛋白向细胞内释放2个K+EnzⅠ与Na+亲和力高；P-EnzⅡ与K+亲和力高

Na+K+ATP酶特异性抑制剂——类固醇衍生物乌本苷(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100nmol/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酶二、小分子物质的运输F-型ATP酶(F-typeATPases)是可逆的、ATP驱动的质子泵F-型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theFoF1ATPase/ATPsynthaseReversibilityofF-typeATPases二、小分子物质的运输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(multidrugtransporter,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物种编码ABC转运蛋白的基因数量人类48酵母31果蝇56大肠杆菌80脂质翻转酶维生素B12的转入蛋白ATP结合区两种酶的结构：同源二聚体，在细胞质一侧有：2个ATP结合区NBDs(nucleotidebindingdomains)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。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(MembraneFusion)过程在一些生物进程中发挥核心作用四、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(channelformer)移动性离子载体(mobileionc