物质的跨膜运输.ppt

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 l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。 l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 l载体蛋白普遍存在,是多次跨膜的蛋白分子 l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 l不同的膜具有同其功能相适应的载体蛋白 l载体蛋白是葡萄糖、NaK泵、Ca2抑制泵、H泵等载体 l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 l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。 l离子通道的特点: l1.转运效率极高; l2.没有饱和值; l3.有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道； l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。 l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 ） l限制因素 l脂溶性 l 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； lSize ： l 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； lPolarity l 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H2O、O2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 l1991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Hg2+抑制。 l2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝 尔化学奖。 l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 AgreRoderick 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 GLUT1GLUT12,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 Ca2+泵(Ca2+ 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 l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) l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。 l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 l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。 lNa+-K+泵的作用： l 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。 l 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； l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；Mg2+和少量膜脂有助 提高于其活性。 （二）钙离子泵 l又称Ca2+ATP酶，有约10个跨膜螺旋。 l作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度 10-7M，细胞外10-3M）。 l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Ca2+。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+-Ca2+ exchanger），属于反向协同 运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。 Ca2+ 泵的工作原理：类似于Na+ -K+ 泵 在细胞质面有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个Ca2+， Ca2+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，Ca2+泵构型发生改变，结合Ca2+的转到细胞外侧 被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。 存在位置： Ca2+泵主要存在于所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器 （如内质网、叶绿体核液泡）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+。Ca2+泵在肌质网储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒 张至关重要。 CaCa+ + ATPase ATPase Maintains low cytosolic Ca+ Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca+ ATPase Conformation change Ca2+-ATP酶激活机制 Ca2+/钙调蛋白复合物的作用 当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成活性 复合物，该复合物同细胞质膜的Ca2+-ATP酶的抑制区结合 ，释放激活位点，泵开始工作。（内质网型的Ca2+-ATP酶 没有钙调蛋白的结合域） 蛋白激酶C的作用 蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而解除抑制作用； 由上可以看出，在Ca2+-ATP酶的羧基端有三个功能位点(区 域)同激活位点结合区、同CaM结合区、磷酸化位点。 二、 V-型质子泵和F-型质子泵 （1）V-型质子泵：又称膜泡质子泵，存在于动物细胞胞内体、溶酶体膜 、破骨细胞和某些肾小管的质膜以及植物、酵母和其他真菌细胞液泡 膜上，利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H电化学梯度泵出H进入 细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内pH酸性。 （2）F-型质子泵：又称HATP合成酶（F1F0ATPase），存在于线粒体 内膜、植物细胞类囊体膜和细菌质膜上， H顺浓度梯度运动，所释放 的能量耦联ATP合成。如线粒体磷酸化和叶绿体光合磷酸化 （3）P型离子泵：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化，发生构象的改变来转 移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、 Ca2+离子泵，H+-K+-ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。存在于真 核细胞的细胞膜上。 Four types of ATP-powered pumps 三、ABC 超家族 lABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋 白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。他们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解 后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。 l每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、 氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双 层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义 。 l正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运 蛋白，是哺乳动物细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分 子的转运蛋白。其在肝、小肠和肾等器官细胞质膜分布丰富，能将天 然毒物和代谢废物排除体外。 Mammalian MDR1 protein 第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（ multidrug resistance protein, MDR），该基因通常在肝 癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约 40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。 ABC转运器还与病 原体对药物的抗性有关。 ABC转运蛋白主要包括 糖蛋白、多药耐药性相关蛋白和乳腺癌耐药蛋白等 意义 1. 在生物医学和毒理学研究领域,对ABC转运蛋白基因表达调控机制的 深入研究,将发现新的逆转药物作用靶点,并进行新一代抗MDR肿瘤药 物的研制; 对靶向蛋白的药物和内外源毒素转运机制进行深入研究,将揭 示药物作用和代谢的动力学机制以及内外源毒素影响细胞命运代谢的动 力学机制。据此可提高药物的疗效和发展治疗相关疾病的新药物与方法。 2.在水产养殖业中，研究ABC 转运蛋白对有毒重金属、持久性有机污染 物、藻类毒素等的外排作用,可以筛选和克隆鱼体内与有毒污染物的吸收、 分布、转化和排泄等相关的基因，为发现相关疾病的新治疗方法和培育 抗毒物积累的经济鱼类品系提供研究平台。 四、协同转运（cotransport） l是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 l物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度 梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na+K+泵（或 H+泵）消耗ATP实现的。 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。 l根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运 输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport ）。 l1、同向协同（symport） l物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖 的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴 随着H+的进入。动物细胞的葡萄糖和氨基酸就是与Na+ 同 向协同运输。 l2、反向协同（antiport） l物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞 常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞 内的PH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即 Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细 胞膜上的带3蛋白。 H+ 与Na+ 的反向协同。 Glucose is absorbed by symport 五、离子跨膜转运与膜电位 l基本概念 （1)膜电位：在安静状态下细胞膜 两侧各种带电物质形成的电位差 的总和，称跨膜静息电位或称静 息电位或膜电位。一般为-70- 30mv之间。 离子流与动作电位的关系图 电压门Na+通道的开放导致质膜除极化 A.动作电位的产生和膜电位改变； B.动作电位产生的过程中，膜通透性改 变与离子通道的开闭（） （2）极化状态：安静时，细胞膜两侧的电位呈外“+” 内“-”状态，称膜的极化状态（polarization）。 （3）除极化：阈刺激或阈上刺激使膜对Na+的通透性增 加，Na+顺浓度梯度及电位差内流，使膜除极化，形成 动作电位的上升支。 （depolarization）； （4）再极化： Na+通道失活，而 K+通道开放，K+外流 ，形成动作电位的下降支，也叫复极化。 （5）超极化： K+流出，质膜再度极化，以致超过原来 的静息电位，向内负值方向增大变化，称作膜的超极 化（hyperpolarization）。 第三节 胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis） 真核细胞通过胞吞与胞吐作用完成大分子与颗粒物质的跨膜运输， 如：蛋白质、多核苷酸、多糖等。需要消耗能量，使膜融合与断裂， 完成吞、吐大分子或颗粒物质的任务，又称膜泡运输、批量运输。细 胞内的膜泡转运分为胞吞作用与胞吐作用 作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运 输(bulk transport）。属于主动运输。 一、胞吞作用:胞饮作用与吞噬作用 二、受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用 三、胞吐作用 胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。 胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别 细菌 伪足 形成后的内涵体 成熟溶酶体 由溶酶体融解 由高尔基体复合体 形成囊泡携带溶酶体 吞噬细胞的液泡 胞饮泡是通过网格蛋白有被小泡（clathrin coated vesicle ）介导配体与细胞之间的选择性运输，其中接合素蛋白（ adaptin）负责受体介导的胞饮作用； 吞噬泡的形成则需要有微丝及其结合蛋白的帮助。动物组织 中的巨噬细胞和血液中的中性粒细胞具有吞噬功能，在防御 微生物的浸染和清除衰老细胞或细胞碎片起重要作用。 l受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用 lLDL受体介导的胞吞作用 l低密脂蛋白的吸收： l胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低 密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL），释放到血 液中。 lLDL颗粒的质量为3106Da，芯部含有被长链脂肪酸酯化 胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，并 且还有一个较大的Apo-B蛋白（配体）。 二、受体介导的胞吞作用 （recepterrecepter mediated mediated endocytosisendocytosis） l当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成 LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。 l受体与LDL颗粒结合后，形成有被小泡； l进入细胞质的有被小泡随即脱掉网格蛋白衣被， 成为平滑小泡，同早期胞内体融合，胞内体中pH 值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期胞内体 将LDL送人溶酶体。 l在溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游 离的胆固醇而被利用。 l受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制 被转运的大分子物质（配体）与细胞表面的受体结合 形成复合物在质膜处网格蛋白的参与下形成有被小窝 （coated pits）小窝深陷脱离质膜形成有被小泡 (coated vesicle)网格蛋白脱离有被小泡去被的囊 泡与胞内体（endosome）融合含有配体的胞内体与溶 酶体融合。 l受体回收途径： l大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如 LDL受体； l有些进入溶酶体，在那里被消化，如表皮生长 因子（EGF）