第五章跨膜转运

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。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：v 活细胞内外的离子浓度明显不同：细胞内高钾，低钠。v 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。水相油相水相第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 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1. 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。2. 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 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 。载体蛋白的特征通道蛋白及其功能v 少数 形成 非选择性 通道，如 孔蛋白 。v 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。1. 具有 极高的转运速率 ，接近自由扩散的理论值。2. 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 。3. 没有饱和值 。4. 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：通道蛋白的分类： 根据激活信号1.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， 从而使通道 打开或关闭。2.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。3.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。 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。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消耗 无类型：简单扩散（ simple diffusion）协助扩散（ facilitated diffusion）(一 )简单扩散l 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。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。（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。（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。（四）主动运输概念：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 。 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，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联。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。 氨基酸残基氨基酸残基蛋白质的四级结构 亚基亚基第二节 离子泵和协同运输转运离子转运小分子转运 H+离子，即质子转运 Na+,K+,Ca2+等（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。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:酶的不同构象每一循环 消耗一个 ATP；转运 出三个 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。 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：v 细胞质膜和内质网膜 上。v 肌细胞的肌质网膜 上。（二）（二） 钙泵（ Ca2+ pump ）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. 去磷酸化每 消耗一个 ATP分子，泵出 2个 Ca2+。 功能：v于 细胞膜和内质网膜 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+。v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。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 。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 ：是载体蛋白， 每一种 ABC转运器只转运一种或一类底物。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。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。v 动物细胞中常常利用膜两侧 Na+浓度梯度来驱动。v 植物细胞和细菌常利用 H+浓度梯度来驱动 。 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（