细胞膜的分子生物学物质的跨膜运输ppt课件

第五章、物质的跨膜运输 （Membrane Transport）,细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力。 细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。,膜运输机制:被动运输与主动运输,有三个主要的差异: 起始条件不同、运输方式不同、产生的结果不同。,第一节 小分子物质的跨膜转运,一、小分子 离子：阴离子 CL- 阳离子 Na+, K+, Mg+, Ca2+, H+ 非极性小分子：O2 极性小分子：CO2, 乙醇， 尿素，类固醇激素 其他：甘油， 葡萄糖，氨基酸,细胞膜是选择性半透膜，对离子选择性通透，产生了细胞内外的电位差，用以传导电信号。 小分子物质通过细胞膜的转运主要有三种方式 简单扩散（simple diffusion） 易化扩散（facilitated diffusion） 主动运输（active transport）, 简单扩散（simple diffusion）/被动扩散,影响因素： 分子量越小 脂溶性越强 非极性比极性分子 过脂双层膜速率越快 特点： 沿浓度梯度扩散 高-低 不需要提供能量 不需要膜蛋白协助,人工膜对各类物质的通透率： 脂溶性越高通透性越大； 小分子比大分子易透过； 非极性分子比极性容易透过； 极性不带电荷的小分子可透过脂双层; 膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的,二、易化扩散,也称促进扩散（facilitated diffusion）。 特点： 转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性。 载体：离子载体、通道蛋白。, 膜转运蛋白 小分子跨膜转运的载体或通道 载体蛋白(carrier protein) 通道蛋白(channel protein),载体蛋白（carrier protein）,载体蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。,红细胞膜上的葡萄糖转运,1.载体蛋白介导的被动转运(易化扩散) 特点类似于酶-底物反应 结合溶质分子具有特异性 结合溶质分子具有饱和性 达到饱和状态时转运速率最大(Vmax) 每种载体对各自溶质均有一结合常数(Km) 结合可被竞争性或非竞争性抑制剂阻断,不同的运输形式 单向运输（uniport） 协同运输（coupled transport） 同向运输（symport） 对向运输（antiport）,通道蛋白及其功能,通道蛋白（channel proteins）：存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质，其跨膜部分形成亲水性的通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过，通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。,多数通道蛋白是多次跨膜的离子通道，具有两个显著的特征： 具有离子选择性，而且转动速率高，净驱动力是溶质跨膜的电化学梯度； 离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。,机制 在膜上特异性刺激控制下，闸门短暂地开放，随即关闭。 配体闸门通道：信号分子 电压闸门通道：跨膜电位变化 有些通道长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门通道（电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道）。,1、配体门通道(ligand gated channel),特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构 象改变， “门”打开，又称离子通道型受体。 分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通 道，如氨基丁酸受体。 Ach受体由4种亚单位（2）组成。,乙酰胆碱受体,2、电位门通道(voltage gated channel),结构：四聚体，每个单体跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。 特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。,钾电位门通道,3、环核苷酸门通道,分布于化学和光感受器中。 如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。,4、机械门通道,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。 另一类对剪切力敏感 ，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。,5、水通道,长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释 。 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ）。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，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。,三.载体蛋白介导的主动运输,主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度 高的一侧的跨膜运输方式。 主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；都有载体蛋白。,能量来源 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 协同运输中的离子梯度动力,Na+-k+泵 ATP直接供能,对向运输 将Na+逆电化学梯度运出细胞 将k+逆电化学梯度运入细胞 其动力是自身ATP水解供能Na+-k+-ATP酶,由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。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。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 。 存在：一切动物细胞的细胞膜上，植物细胞、真菌、细菌上没有。,每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。 Na+-K+泵作用是：维持细胞的渗透性，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。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,钠钾泵机制,（2）钙泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能,通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），这种浓度差由钙泵维持。 位置：质膜和内质网膜上 每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 例：肌质网（sarcoplasmic reticulum）上的钙离子泵 ，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。,功能：在肌质网内储存Ca2+调节肌细胞的收缩与舒张 肌质网上的钙离子泵 ，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。,（3）质子泵（H泵） ATP直接供能,存在位置：溶酶体膜上 作用方式：从胞质中主动将H输入溶酶体,植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞其质膜上没有Na + K +泵，而是具有H +泵，将H +泵出细胞，建立跨膜的H +电化学梯度，利用H +电化学梯度来驱动主动转动溶质进入细胞。 分为三种： 1、P-type：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）。 2、V-type：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。 3、F-type：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。,四种ATP驱动的离子泵,四、ABC 转运器（ABC transporter）,最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette）。 一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。,ABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR （multidrug resistance protein ）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。,五、协同运输cotransport,靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。 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+浓度梯度来驱动。 共运输（symport）：物质运输方向与离子转移方向相同。 对向运输（antiport） ：物质运输方向与离子转移方向相反,共运输 对向运输,主动运输与被动运输的比较,1、运输方向 2、跨膜动力 3、能量消耗,第二节 大分子物质的囊泡转运胞吞和胞吐,囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为 囊泡转运。 根据物质的运输方向：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis） 共同特点：双向、特异、有序、化学修饰, 胞吞作用的两种形式： 胞吞作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输 吞噬（phagocytosis） 由专门的吞噬细胞完成,大的颗粒,直径250nm，最终到达溶酶体被降解。 吞饮（pinocytosis） 摄入液体和小溶质分子进行消化，直径150nm。,吞噬过程,吞饮过程,受体介导的内吞作用 受体-配体结合而引发的吞饮作用 特点 所摄入的大分子在质膜上有特异受体 内吞由大分子配体与其受体的识别、结合而激发 受体配体复合物聚集于质膜的有被小窝内， 由有被小泡送至内体。,胞吞泡的形成： 配体和受体结合,网格蛋白聚集,有被小窝,去被的囊泡和胞内体融合,有被小泡,胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。,受体介导的胞吞作用,溶酶体,受体介导的胞吞作用,网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、 溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。,大分子物质运输中的三种有被小泡 网格蛋白（clathrin） 冷冻蚀刻技术发现，有被小凹和小泡上的外被呈网格样结构，由几种蛋白组成，其中一种就是网格蛋白。 网格蛋白在进化上高度保守。 网格蛋白位于转运小泡的表面，大大提高了小泡的表面张力。,（2） COP I衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。 （3） COP II主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COP I的衣被小泡。,不同类型受体的胞内体的分选途径： （1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用； （2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节； （3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。, 胞吐作用 1.胞吐作用的途径 结构性途径(constitutive pathway of secretion) 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。 调节性途径(regulated pathway of secretion) 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）时，分泌囊泡才移至细胞 膜处，与其融合将分泌物排出。,2.结构性分泌途径几乎存在于所有细胞中 调节性途径主要存在于特化的分泌细胞中 3.胞吐作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输 4.功能 补充质膜更新所需的物质 分泌各种分子,胞吐作用,Fig. 细胞组成型和调节型胞吐作用,无论是胞吞作用或是胞吐作用。都是通过膜泡运输的方式进入的，这种动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的。胞吞作用和胞吐作用都涉及到膜的融合，现在已鉴定有膜融合蛋白参与催化，以克服质膜融合过程中的能量障碍。,第三节、细胞膜异常与疾病,膜受体或离子通道蛋白质异常，遗传性疾病： 细胞膜转运系统异常 如肾性糖尿病：Na+驱动的葡萄糖载体蛋白缺失或功能降低，曲小管对葡萄糖分子重吸收有障碍。 原发性高血压：钠钾泵活性异常,细胞膜受体异常 1、遗传性与原发性受体：基因突变导致受体缺乏或结构功能异常引起疾病。 如家族性高胆固醇血症：细胞膜上LDL受体先天缺失或减少；受体与LDL结合部位异常所致， 动脉粥样硬化，引起冠心病。,正常与异常LDL受体示意图,2、自身免疫性受体 患者产生抗体与受体特异性结合，不能与相应配体结合，引起疫病。 如甲状腺功能亢进：促甲状腺素抗体，刺激该激素合成，引起功能亢进。 3、继发性受体病 机体代谢紊乱引起受体功能低下， 如肥胖使胰岛素受体功能降低，导致糖尿病。,细胞膜与肿瘤 肿瘤细胞与正常细胞主要差异体现在细胞膜上， 1、糖蛋白改变：病变细胞膜糖蛋白缺失 2、糖脂改变：糖链缩短 3、表面降解酶的改变 4、出现新抗原 细胞膜损伤 如早老年痴呆症：细胞膜结构改变。,细胞膜在药学中研究与应用,细胞膜与药物跨膜转运: 被动；主动和胞吞作用 药物对细胞膜功能的影响: 1、改变膜的流动性，如麻醉药， 2、改变膜的通透性，如抗真菌药利福平 3、改变膜的结构，如胰岛素