5-物质的跨膜运输

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 物质的跨膜运输,第一节 膜转运蛋白与,物质的跨膜运输,第二节 离子泵与协同转运,第三节 胞吞作用与胞吐作用,第一节 脂双层的不透性与,物质的跨膜运输,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白,据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占,核基因编码蛋白的,1530%,，,细胞用在物质转运方面的能量达细胞,总消耗能量的,2/3,。,细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：,载体蛋白,（,carrier protein,）和,通道蛋白,（,channel protein,）。,载体蛋白又称做载体（,carrier,）、通透酶（,permease,）和转运器（,transporter,），有的需要能量驱动，如：各类,ATP,驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素,(,一种可动离子载体,(mobile ion carrier),插入脂质体后，能特异性运输,K,+,使运输速率提高,100 000,倍。,),。,通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有,通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质,。,(,一,),载体蛋白及其功能,载体蛋白普遍存在,是多次跨膜的蛋白分子,载体蛋白与特定的溶质分子结合,具有,高度选择性,(,特异性,),、,饱和动力学、底物竞争性,等特征，,通过改变载体蛋白构象,介导跨膜转运,不同的膜具有同其功能相适应的载体蛋白,载体蛋白是葡萄糖、,Na,K,泵、,Ca,2,抑制泵、,H,泵等载体,载体蛋白,既参与,被动的物质运输,，,也参与主动的物质运输,。,载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型,图示：,膜上的载体蛋白以两种构象状态存在：,A,溶质结合位点在,膜外侧,暴露,B,溶质结合位点在,膜内侧,暴露,两种构象状态的转变是,随机,发生的，不依赖于是否有溶质结合和是否完全可逆，,顺浓度梯度,进入细胞,(,二,),通道蛋白,及其功能,是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。,离子通道的特点,:,1.,转运效率极高,;,2.,没有饱和值,;,3.,有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；,有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为,门通道,（,gated channel,）。主要有,4,类：电位门通道、配体门通道、应力激活通道、,环核苷酸门通道,(,如,cAMP,门控阳离子通道,),。,二、被动运输与主动运输,（一）简单扩散（,simple diffusion,）,（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道,（三）协助扩散（,Facilitated diffusion,）,（四）,主动运输,（,active transport,）,物质的,跨膜运输,是细胞维持正常生命活动的基础之一。,简单扩散,(simple diffusion),又称自由扩散,(Free diffusion),。它不要膜蛋白的帮助,也不消耗,ATP,仅靠膜两侧保持一定的浓度差,通过通透发生的物质运输。,某种物质对膜的通透性（,P,）可以根据它在油和水中的分配系数（,K,）及其扩散系数（,D,）来计算：,P=KD/t,t,为膜的厚度。,（一）简单扩散（,simple diffusion,）,限制因素,脂溶性,细胞质膜的通透性具有选择性。,脂溶性越高通透性越大,，,水溶性越高通透性越小；,Size,：,质膜的通透性孔径不会大于,0.5-1.0nm,，,能够扩散的最小分子是水分子。,小分子比大分子容易透过,；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；,Polarity,极性物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。,非极性分子比极性容易透过,，,极性不带电荷小分子，如,H,2,O,、,O,2,等可以透过人工脂双层，但速度较慢；,（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道,水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。并且,水分子不溶于脂,并具有极性,理应不能自由通过质膜,但实际却是很容易通过膜。原因是,:,The plasma membranes of many cells contain proteins,called,aquaporins,that allow the passive movement of water from one side to the other.,such as cells of the kidney tubule and plant roots,1991,年,Agre,发现第一个水通道蛋白,CHIP28,（,28 KD,），他将,CHIP28,的,mRNA,注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，,5,分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被,Hg,2+,抑制。,2003,年,Agre,与离子通道的研究者,MacKinnon,同获诺贝尔化学奖。,目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有,11,种，被命名为水通道蛋白（,Aquaporin,，,AQP,）。,2003,年，美国科学家彼得,阿格雷和罗德里克,麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter,Agre,Roderick MacKinnon,水孔蛋白,(AQP),水孔蛋白即水分子的跨膜通道，是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织,(,肾小管、脑、唾腺、泪腺等,),细胞中，提供了快速跨膜运动的通道。,水孔蛋白结构及其亚基示意图,A.,水孔蛋白由,4,个亚基组成的四聚体；,B.,每个亚基由,3,对同源的跨膜,螺旋组成；,C.,水孔亚基三维结构，中间球形分子为水分子,（,三）,协助扩散,（,facilitated,diffusion,）,协助扩散,：,也称,促进扩散，,是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，不需要细胞提供能量，但,需膜转运蛋白的协助,。,肠道,葡萄糖载体,紧密连接,运输蛋白促使葡萄糖的扩散,哺乳类动物的细胞利用,血糖,作为主要能源，人类基因组编码,12,种与,糖转运,相关的载体蛋白,GLUT1,GLUT12,构成葡萄糖载体蛋白家族，都具有高度同源的氨基酸序列，均含有,12,次跨膜的,螺旋。,多肽跨膜段由疏水性氨基酸残基组成，,螺旋带有,Ser,（丝）,、,Thr,（苏）,、,Asp,（天）,和,Glu,（谷）,残基，侧链同葡萄糖羟基形成氢键和结合位点，完成葡萄糖的协助扩散。,（四）主动运输（,active transport,）,主动运输是由,载体蛋白,所介导的物质,逆浓度梯度或电化学梯度的跨模转运方式，需要消耗能量,。,根据主动转运过程所需能量来源的不同可归纳为由,ATP,直接提供能量（,ATP,驱动泵）、间接提供能量（耦联转运蛋白）,以及,光能驱动的主动运输,三种基本类型,。,图示：,A.ATP,驱动泵,B.,偶联转运蛋白,C.,光驱动,偶联转运,ATP,驱动泵,光驱动泵,电化学梯度,1,、,ATP,驱动泵：又称,初级,主动运输，是,ATP,酶，直接利用水解,ATP,提供能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动。,2,、耦联转运蛋白：又称,次级,主动运输、,协同转运,，由耦联转运蛋白介导使一种离子或分子逆浓度梯度的运输与一种或多种不同离子顺浓度梯度的运输耦联起来。,3,、光驱动泵：对溶质的主动运输与光能的输入相偶联。,几种常见的主动运输泵,Na,+,-,驱动的葡萄糖泵 肾和肠细胞的表面质膜,Na,+,-H,+,交换泵 动物细胞的质膜,Na,+,-K,+,泵 大多数动物细胞的质膜,Ca,2+,泵,(Ca,2+,ATPase,),真核细胞的质膜,H,+,泵,(H,+,ATPase,),植物、真菌和某些细菌,的质膜,H,+,泵,(H,+,ATPase,),动物细胞的溶酶体膜、,植物细胞的液泡膜,细菌视紫菌素 某些细菌的质膜,动物细胞和植物细胞 主动运输的比较,动物细胞质膜上有,Na,+,-K,+,ATPase,，,并通过对,Na,+,、,K,+,的运输建立细胞的电化学梯度；,植物细胞质膜中没有,Na,+,-K,+,ATPase,，,代之的是,H,+,-ATP,酶，并通过对,H,+,的运输建立细胞的电化学梯度,(,细菌、真菌也是如此,),；,在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都,有,H,+,-ATP,酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性,。,第二节 离子泵与协同转运,根据,泵蛋白,的结构与功能特性，,ATP,驱动泵,可分为,4,类,：,P,型,离子,泵,、,V,型质子泵、,F,型质子泵和,ABC,超家族,一、,P-,型离子泵,二、,V-,型离子泵和,F-,型离子泵,三、,ABC,超家族,四、协同转运,P-type,：利用,ATP,自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的,H,+,泵、动物胃表皮细胞的,H,+,-K,+,泵（分泌胃酸）。,（一）钠钾泵,（二）钙泵,一、,P-,型离子泵,（一）钠钾泵,(,Na,+,-K,+,ATP,酶,),构成,：,由两个大亚基,(,亚基,),和两个小亚基,(,亚基,),组成；,亚基是跨膜蛋白，在细胞质面有,ATP,结合位点，细胞外侧有乌本苷,(,ouabain,),结合位点,;,在,亚基上有,Na,+,和,K,+,结合位点。,分布于动物细胞的质膜。,工作原理,：,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。在膜内侧,Na,+,与酶结合，激活,ATP,酶活性，使,ATP,分解，酶,亚基,Asp,残基被磷酸化，构象发生变化，于是与,Na,+,结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对,Na,+,的亲和力低，对,K,+,的亲和力高，因而在膜外侧释放,Na,+,、而与,K,+,结合。,K,+,与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与,K,+,结合的部位转向膜内侧，,K,+,与酶的亲和力降低，使,K,+,在膜内被释放，而又与,Na,+,结合。其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,+,。,钠,-,钾泵的结构,Na,+,-K,+,ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition,钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（,ATP,上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做,P-type,。,Na,+,-K,+,泵的作用：,维持膜的离子梯度差和,渗透性,，调节细胞的体积和驱动某些细胞中的糖和氨基酸的运送。,维持膜电位，保持低,Na,+,高,K,+,的细胞内环境，成为可兴奋性细胞，如肌肉和神经细胞等的活动基础。一旦离子通道开放，电位逆转，就形成了神经冲动或肌肉收缩；,地,高辛、乌本苷等强心剂作用机理,：抑制心肌细胞,Na,+,-K,+,泵的活性，从而降低钠钙交换器效率,使内流钙离子增多,加强心肌收缩,因而具有强心作用；,Mg,2+,和少量膜脂有助提高于其活性。,（二）钙离子泵,又称,Ca,2+,ATP,酶，有约,10,个跨膜,螺旋。,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度,10,-7,M,，细胞外,10,-3,M,）。,类型：,属于,P,型离子泵,，其原理与钠钾泵相似，每分解一个,ATP,分子，泵出,2,个,Ca,2+,。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的,90%,。,钠钙交换器,（,Na,+,-Ca,2+,exchanger,），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,Ca,2+,泵的工作原理：类似于,Na,+,-K,+,泵,在细胞质面有同,Ca,2+,结合的位点，一次可以结合两个,Ca,2+,，,Ca,2+,结合后使酶激活，并结合上一分子,ATP,，伴随着,ATP,的水,解酶被磷酸化,，,Ca,2+,泵构型发生改变，结合,Ca,2+,的转到细胞外侧,被释放，此时