细胞生物学第五章物质的跨膜运输.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,一、脂双层的不透性与膜转运蛋白 （一）细胞质膜内外离子分布的不均匀性 产生的机制： 1、取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性。 如：钠泵、钾泵、钙泵等 2、取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。 脂双层形成疏水性分子和离子的渗透屏障，对绝大多数溶质分子和离子是高度不透的。,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,一、脂双层的不透性与膜转动蛋白 （二）细胞质膜转动蛋白的种类 脂双层的不透性使得多数物质的跨膜转运需要特定的膜转运蛋白。 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein）,1、载体蛋白 有多个跨膜结构域的膜蛋白质分子。 状态A与状态B这两种构象的转变是随机发生的，不依赖于是否有溶质与之结合或是否完全可逆。,1、载体蛋白 特点： （1）具有高度选择性 载体上的特异性结合位点只能与特异性底物（溶质）结合，通常一种载体只能转运一种类型的分子。 （2）具有饱和动力学特征 能被底物类似物竞争性抑制、或被某种抑制剂非竞争性抑制类似酶的特征，故有人称载体蛋白为通透酶（permease）。 （3）对转运的溶质分子不作任何共价修饰,载体蛋白举例,2、通道蛋白 最早离子通道是在神经元膜上发现的。 通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道，介导无机离子的跨膜运输，又称离子通道。 对离子的选择依赖于离子通道的直径和形状，以及通道内衬带电氨基酸的分布，其介导的被动运输并不需要溶质与通道蛋白结合。 类型：非选择性通道（如孔蛋白）革兰氏阴性菌的外膜、线粒体及叶绿体膜。 选择性通道绝大多数真核细胞膜，为门控通道。,2、通道蛋白 门控离子通道的类型： （1）电压门 控通道(voltage-gated channel) 跨膜结构域随膜电位变化而位移，从而使通道关闭或开启。 （2）配体门控通道(ligand-gated channel) 膜内外小分子配体与通道蛋白结合引起通道蛋白变构，从而使通道关闭或开启。 （3）应力激活通道(stress-activated channel ) 通道蛋白感应应力而变构，从而开启通道形成离子流，产生电信号。,离子通道的三种类型,电压门控离子通道：铰链细胞失水,原理：含羞草的叶柄基部和复叶基部,都有一个膨大部分,叫作 叶枕。叶枕细胞 （铰链细胞）受刺激时，其膜钙离子门控通 道打开，钙内流，产生AP，致使铰链细胞的液泡快速失水而 失去膨压，从而叶枕就变得瘫软,小羽片失去叶枕的支持,依次 地合拢起来。,应力激活的离子通道：2X1013N，0.04nm,2、通道蛋白 离子通道的特征： （1）具有极高的转运速率 比载体转运速率高1000倍以上；带电离子的跨膜转运动力来自跨膜电化学梯度。 （2）离子通道没有饱和值 离子浓度增大，通过率也随之增大。 （3）离子通道是门控的，并非连续开放 离子通道的开与闭受控于适当的细胞信号。,通道蛋白举例,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,二、物质的跨膜运输 类型： 被动运输（passive transport） 简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion） 主动运输（active transport）,Figure 11-1 The relative permeability of a synthetic lipid bilayer to different classes of molecules. The smaller the molecule and, more important, the fewer hydrogen bonds it makes with water, the more rapidly the molecule diffuses across the bilayer.,The protein-free lipid bilayers are highly impermeable to ions.,If uncharged solutes are small enough, they can move down their concentration gradients directly across the lipid bilayer by simple diffusion. Most solutes can cross the membrane only if there is a membrane transport protein to transfer them. Passive transport, in the same direction as a concentration gradient. Active transport, is mediated by carrier proteins, against a concentration gradient, require an input of energy.,Diffusion of small molecules across phospholipid bilayers,Figure 11-2 Permeability coefficients (cm/sec) for the passage of various molecules through synthetic lipid bilayers. The rate of flow of a solute across the bilayer is directly proportional to the difference in its concentration on the two sides of the membrane. Multiplying this concentration difference (in mol/cm3) by the permeability coefficient (cm/sec) gives the flow of solute in moles per second per square centimeter of membrane. A concentration difference of tryptophan of 10-4 mol/cm3 (10-4/10-3 L = 0.1 M), for example, would cause a flow of 10-4 mol/cm3 x 10-7 cm/sec = 10-11 mol/sec through 1 cm2 of membrane, or 6 x 104 molecules/sec through 1 microns2 of membrane.,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,二、物质的跨膜运输 (一)被动运输 指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输。 特点： 动力：膜内外物质的浓度梯度 不需要细胞供代谢能量,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,二、物质的跨膜运输 (一)被动运输 1、简单扩散 疏水小分子或小的不带电的极性分子依据热运动沿浓度梯度从膜的一侧通过细胞质膜进入另一侧的过程。 过程： 膜 外 脂双层 膜 内 物质 溶解于膜脂 物质 特点：小分子与非极性分子易穿膜,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/d d为膜的厚度,水分子的跨膜运输,1、简单扩散 极性水分子可简单扩散通过细胞质膜，但转运速率较慢。 2、水分子的跨膜通道水孔蛋白 肾小管对水分子的重吸收、眼泪及唾液的分泌要求水分子快速跨膜运输。 1988年在人体细胞膜上发现，不久在植物细胞膜与液泡膜上证实了存在一种分子量为28000D的通透水分的膜内在蛋白水通道蛋白(water channel protein)或称为水孔蛋白(aquaporins,AQPs),水孔蛋白的结构,由4个亚基组成的四聚体；每亚基由3对同源的跨膜螺旋（1-4、2-5、3-6）组成,水孔蛋白的特点,只允许水而不允许离子或其他小分子溶质通过通过。 原因： 1、跨膜结构域中高度保守的氨基酸残基（Arg、His及Asp）侧链与通过的水分子形成氢键 2、4个亚基围成非常狭窄的孔径。,水分子 通过水孔蛋白,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,二、物质的跨膜运输 (一)被动运输 2、协助扩散 各种极性分子和无机离子，以及细胞代谢产物等顺其浓度梯度或电化学梯度跨膜转运，无需细胞提供能量，但需膜转运蛋白“协助”。,葡萄糖载体蛋白家族,人类基因组编码12种与糖转运相关的载体蛋白GLUT1GLUT12，构成GLUT。 GLUT家族特点： （1）高度的同源序列 （2）均有12次跨膜的螺旋 （3）跨膜结构域主要由疏水性氨基酸组成 有些螺旋带有Ser、Thr、Asp和Glu残基，可与葡萄糖-OH形成氢键葡萄糖结合位点。,The carrier protein, the Glucose transporter (GluT1 ) in the erythrocyte PM, alter conformation to facilitate the transport of glucose.,Facilitate diffusion: Protein-mediated movement, movement down the gradient,葡萄糖载体蛋白家族,GLUT协助葡萄糖转运的特点： （1）比简单扩散转运率高得多 （2）具有酶动力学基本特征，存在最大转运速率（Vmax）。可用Km值（达到最大转运速率一半的葡萄糖浓度）来衡量某物质的转运速率。如GULT2的Km20mmon/L、 GULT1的Km 1.5mmon/L （3）不同的GULT蛋白对溶质的亲和力不同，且具有转运特异性溶质的偏好性。如GULT5偏好于转运果糖。,第一节 膜转动蛋白与物质的跨膜运输,二、物质的跨膜运输 (二)主动运输 由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧跨膜转运的方式。 需与某种释放能量的过程耦联（耗能） 主动运输的三种类型： （1）ATP驱动泵 （2）耦联转运蛋白（同向与反向转运蛋白使两种不同溶质同时转运，其中一种是顺浓度梯度转运） （3）光驱动泵（如细菌的菌紫红质利用光能驱运H+的转运）,Cells carry out active transport in three main ways,Couple the uphill transport of one solute across membrane to the downhill transport of another. Couple uphill transport to the hydrolysis of ATP. Mainly in bacteria, couple uphill transport to an input of energy from light.,第二节 离子泵和协同转运,ATP 驱动泵分类： P-型离子泵 转运离子泵 V-型质子泵 F-型质子泵 转运小分子泵：ABC超家族,Direct active transport depends on four types of transport ATPases,The four classes of ATP-powered transport proteins: “P” type stands for phosphorylation; ABC (ATP-binding Cassette) superfamily, bacteriahumans. Two transmembrane (T) domains and two cytosolic ATP-binding (A) domains,第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 2个独立的亚基（绝大多数还有2个亚基通常只起调节作用，而不直接参与转运）。 亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白构象，实现离子的跨膜转运。 种类： Na+-K+ pump (Na+-K+ -ATPase)；Ca2+ pump (Ca2+ - ATPase)；H+ pump (H+ - ATPase)；H+-K+ pump (H+-K+ - ATPase),第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 1、 Na+-K+ pump (Na+-K+ -ATPase) 2个亚基与2个亚基组成的四聚体； 亚基在膜内外各有与Na+结合位点和与K+结合的位点。 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。,The Na+-K+ ATPase -A coupling active transport to ATP hydrolysis.,The Na+-K+ ATPase requires K+ outside, Na+ and ATP inside, and is inhibited by ouabain（乌本苷）. The ratio of Na+:K+ pumped is 3:2 for each ATP hydrolyzed. The Na+-K+ ATPase is a P-type pump.This ATPase seruentially phosphorylates and dephosphory- lates itself during the pumping cycle. The Na+-K+ ATPase is found only in animals.,A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase,A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase,第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 2、Ca2+ pump (Ca2+ - ATPase) 两类： （1）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+； （2）钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系（antiporter），通过钠钙交换来转运钙离子。,第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 2、Ca2+ pump (Ca2+ - ATPase) 肌质网膜上的Ca2+泵： 1000个AA组成；与Na+-K+ pump 的亚基同源；10个跨膜螺旋；胞质侧有2个Ca2+结合位点和ATP结合位点。,第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 2、Ca2+ pump (Ca2+ - ATPase),ATP水解，使得ATP结合位点相邻结构域天冬氨酸磷酸化，导致 跨膜螺旋重排而破坏钙的结合位点，使钙离子释放入膜的另一侧。,第二节 离子泵和协同转运,一、P-型离子泵 3、另外 P-type punps: 包括H+ 和 H+/K+ ATPases （1）H+ pump 在控制细胞内pH值 过程起关键作用。 （2）H+/K+ ATPases 存在于哺乳动物胃壁泌酸细胞膜上，能将高达0.16N的盐酸进入胃腔，而将K+泵出。,第二节 离子泵和协同转运,二、V-型质子泵和F-型质子泵,第二节 离子泵和协同转运,二、V-型质子泵和F-型质子泵 1、V-type： 位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。 2、F-type： 是由许多亚基构成的管状结构，H沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。 F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。,第二节 离子泵和协同转运,三、ABC超家族 4个核心结构域： 2个跨膜结构域（T），形成分子跨膜通道； 2个胞质侧ATP结合域（A）。 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,第二节 离子泵和协同转运,四、协同转运 是一种由Na+-K+ pump 或H+ pump与载体蛋白协同作用，通过间接消耗ATP所完成的主动运输形式。 动物细胞- Na+-K+ pump 植物、真菌、细菌- H+ pump 分为同向转运和逆向转运,Sugars, amino acids, and other organic molecules into cells:,葡萄糖与钠离子的同向协同转运,Na+-linked symporters import amino acids and glucose into many animal cells,Na+-linked antiporter exports Ca+ from cardiac muscle cells,Medicine,Ouabain and digoxin increase the force of heart muscle contraction by inhibiting the Na+/K+ ATPase. Fewer Ca+ ions are exported,The difference between animal and plant cells to absorb nutrients,五、离子跨膜转运与膜电位,K+ gradients maintained by the Na+-K+ ATPase are responsible for the resting membrane potential.,Resting state: All Na+ and K+ channels closed. Depolarizing phase: Na+ channels open,triggering an action potential. Repolarizing phase: Na+ channels inactivated, K+ channels open. Hyperpolarizing phase: K+ channels remain open, Na+ channels inactivated.,B. The action potential: The changes in ion channels and membrane potential.,The sequence of events during synaptic transmissio