第五章+物质的跨膜运输.ppt

第五章物质的跨膜运输,膜转运蛋白与物质的跨膜运输脂双层的不透性和膜转运蛋白被动运输和主动运输离子泵和协同转运P-型离子泵V-型质子泵和F-质子泵ABC超家族协同转运离子跨膜转运与膜电位胞吞作用与胞吐作用胞饮作用与吞噬作用受体介导的胞吞作用胞吐作用,膜转运蛋白与物质的跨膜运输脂双层的不透性,膜转运蛋白载体蛋白:载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶，有特异性结合位点，可同特异性底物（溶质）结合，载体蛋白亦称通透酶（permease）。与酶不同的是酶不能改变反应平衡点，只能增加达到反应平衡的速率，而载体蛋白可以改变过程的平衡点，加快物质沿自由能减少的方向跨膜运动的速率；此外与酶不同的是载体蛋白对转运的溶质分子不作任何共价修饰。,通道蛋白：通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。目前发现的通道蛋白已有100余种。非选择性的通道：细菌、线粒体、叶绿体膜有选择性开关的多次跨膜通道：真核细胞膜的离子通道,离子通道特征转运速率高：是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上高，可达106个离子s。无饱和值：门控性：受控于细胞信号电压门通道配体门通道压力门通道,被动运输（passivetransport）被动运输是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转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。,简单扩散,简单扩散:疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子进行跨膜转运时,不需要细胞提供能量和膜转运蛋白协助。协助扩散：是各种极性分子和无机离子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要特异性膜转运蛋白“协助”,简单扩散与协助扩散的比较,水孔蛋白：水分子的跨膜通道水孔蛋白（aquaporin,AQP）是内在膜蛋白家族，分布于特异性组织细胞中，构成水分子快速跨膜通道。红细胞、肾细胞、泪腺等腺细胞、肺泡上皮、中枢神经细胞等。AQP1是第一个被鉴定的水通道，又称原型分子水通道。它在体内的分布极广，参与多种生理功能，在膜中以四聚体的形式存在，每一单体形成一个功能性的水通道。AQP1的表达可受汞、雌激素等多种因子的调节，并发现它与许多病理生理过程有着直接的关系。,主动运输主动运输（activetransport）是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。主动运输包括ATP直接提供能量（ATP驱动泵）和间接提供能量（耦联转运蛋白）以及光能驱动的主动运输三种基本类型。主动运输普遍存在于动植物细胞和微生物细胞。这些细胞的内外离子浓度是非常不同的，表明细胞膜具有逆浓度梯度进行主动运输的功能。,离子泵和协同转运,P-型离子泵ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵一般的动物细胞要消耗13的总ATP来维持细胞内低Na+、高K+的离子环境，神经细胞则要消耗23的总ATP，这种特殊的离子环境对维持细胞内正常的生命活动，对神经冲动的传递以及对维持细胞的渗透平衡，恒定细胞的体积都是非常必要的。K+和Na+电压门逆浓度与电化学梯度输入和输出的跨膜转运是一种典型的主动运输方式，它是由ATP直接提供能量，通过细胞膜上的Na+一K+泵（Na+K+pump）来完成的。,Na+K+泵由和二个亚基组成，亚基是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na+K+泵又称为Na+K+ATP酶。亚基是具有组织特异性的糖蛋白。其工作模式是在细胞内侧亚基与Na+相结合促进ATP水解。亚基上的一个天门冬氨酸残基磷酸化引起亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，亚基构象再度发生变化将K+泵进细胞，完成整个循环。Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替发生，每秒钟可发生1000次左右构象变化。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。极少量的乌本苷便可抑制Na+K+泵的活性，而Mg2+和少量的膜脂有助于Na+K+泵活性的提高。生物氧化抑制剂如氰化物使ATP供应中断，结果Na+K+泵失去能源以致停止工作。,Na+K+泵存在于一切动物细胞的细胞膜上。动物细胞靠ATP水解供能驱动Na+K+工作，结果造成质膜两侧的K+、Na+不均匀分布，有助于维持动物细胞的渗透平衡。细胞的生命活动需要这种特定和相对稳定的离子浓度。由于质膜对水的可透性，水会从低溶质浓度一侧（高水浓度）向高溶质浓度一侧（低水浓度）运动，这种运动称为渗透。水分子运动的驱动力等于跨膜水压的差异，称为渗透压。在无任何相反压力时，水向细胞的渗透运动将使细胞膨胀甚至破裂。不同细胞用不同的机制解决这种危机。动物细胞借助Na+K+泵维持渗透平衡；植物细胞以其坚韧的细胞壁防止膨胀和破裂，于是能耐受较大的跨膜渗透差异；生活在水中的一些原生动物（如草履虫），通过收缩泡收集和排除过量的水。但对大多数细胞而言，Na+K+泵对保持渗透平衡是十分关键的。,P-型离子泵ATP直接提供能量的主动运输钙泵钙泵（Ca2+pump）又称Ca2+ATP酶，对细胞基本功能具有重要作用。Ca2+泵是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，与Na+K+泵的亚基同源，每一泵单位中有约10个跨膜螺旋。细胞内钙调蛋白与之结合以调节Ca2+泵的活性。Ca2+泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca2+。钙泵主要存在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+（一般细胞内游离Ca2+浓度约107molL，细胞外为103mol/L）。钙泵在肌质网内储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。,H+ATP酶植物细胞、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（H+ATPase），将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度（取代动物细胞Na的电化学梯度），驱动转运溶质进入细胞。例如，细菌细胞对糖和氨基酸的摄入主要是由H+驱动的同向运输完成的。在这一过程中，H+泵的工作也产生细胞周围基质中的酸性pH。在一些光合细菌中，H+电化学梯度由光驱动的H+泵（如细菌视紫红质）活性建立。,V-型质子泵和F-质子泵,V-型质子泵,F-型质子泵,ABC超家族ATP驱动泵，分布广泛，种类众多，特异性转运多种底物，4个核心由2个跨膜结构域和2个胞质侧ATP结构域组成,协同运输协同运输（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所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，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所实现的。动物细胞的协同运输是利用膜两侧的Na+电化学梯度来驱动的，而植物细胞和细菌常利用H+电化学梯度来驱动。,协同运输可分为共运输（symport）和对向运输（antiport）。共运输是物质运输方向与离子转移方向相同，如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物，就是伴随Na+从细胞外流入细胞内而完成的。完成共运输的载体蛋白有两个结合位点，必须同时与Na+和特异的氨基酸或葡萄糖分子结合才能进行共运输。在某些细菌中，乳糖的吸收则伴随H+从细胞膜外进入细胞，每转移一个H+，吸收一个乳糖分子，这些过程也都由特异的载体蛋白来完成。,小肠上皮细胞葡萄糖或氨基酸等有机物,动物、植物细胞由载体蛋白导的协同运输异同点的比较,离子跨膜转运与膜电位离子的物质跨膜运动，形成了膜两侧的电位差。插入细胞微电极便可测出细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，即膜电位。在静息状态下的膜电位称静息电位；在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位称动作电位。静息电位是细胞膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值，这种现象又称极化。在动物细胞中，根据不同生物和不同细胞类型，静息膜电位变化范围在-70mV-30mV之间。,静息电位主要是由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成的。质膜对K+的通透性大于Na+是静息电位产生的主要原因，CI-甚至细胞中的蛋白质分子（一般净电荷为负值）对静息电位的大小也有一定的影响。Na+-K+泵对静息电位的相对恒定起重要的作用。,Na+和K+离子通道都是膜上的电压门离子通道，电压门离子通道在神经细胞电信号的传导中具有重要作用，它们也存在于其他许多细胞中，包括肌肉细胞、卵细胞、原生动物甚至植物细胞。电压门离子通道对膜电位的变化极端敏感，从而控制通道蛋白转换它的关-开构象。在含有许多通道蛋白分子的膜片内，可能发现当膜处于某一电位时，平均10的通道是打开的，而处于另一电位时，90的通道是打开的。,胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）是一种大分子与颗粒性物质跨膜的膜泡运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等。性质：主动运输，需要消耗能量。特点：批量运输，膜的融合与断裂。,胞吞作用：胞饮作用与吞噬作用胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡，将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞饮作用(pinocytosis)：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小，称为胞饮泡，所有真核细胞有此功能。吞噬作用（phagocytosis）：胞吞物为大的颗粒性物质，形成囊泡较大，称为吞噬泡。为原生动物摄取营养，多细胞动物组织的巨噬细胞和中性粒细胞在防御微生物侵染和清除衰老细胞主要方式。,胞饮作用,吞噬作用,胞吞泡与吞噬泡的异同：1胞吞泡的大小不同，胞饮泡小，吞噬泡较大。2胞饮作用连续摄入溶液和分子，吞噬作用通过信号触发过程由特殊的吞噬细胞摄入大的颗粒性物质。3胞吞泡形成机制不同胞饮泡的形成需要网格蛋白（clathrin）等类似蛋白的帮助。吞噬泡的形成则需要有微丝及其结合蛋白的帮助。,网格蛋白组成：重链（180103）和轻链（35103-40103）组成的二聚体，三个二聚体形成组成包被的结构单位三脚蛋白复合物。功能：形成网格蛋白有被小窝（clathrincoatedpit）接合素蛋白（adaptin）它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号（peptidesignal），从而通过网格蛋白有被小泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输。,网格蛋白有被小泡形成配体与膜上受体结合网格蛋白聚集在膜下（接合素蛋白参与*）形成网格蛋白有被小窝并继续深陷GTP结合蛋白（dynamin）在深陷有被小窝的颈部装配成环，并水解与其结合的GTP引起颈部缢缩网格蛋白有被小泡形成网格蛋白便脱离有被小泡返回质膜附近重复使用去被的囊泡与早胞内体（earlyendosome）融合，将转运分子与部分胞外液体摄入细胞。,受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外液摄取特定大分子的有效途径。被转运的大分子物质（配体）首先与细胞表面互补性的受体相结合，形成受体一大分子复合物并扳动内化作用。受体介导的胞吞作用是一种选择浓缩机制，与非特异性的胞吞作用相比，使特殊大分子的内化效率增加1000多倍。,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新摄入的物质到溶酶体被降解。胞内体是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。胞内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵进胞内体腔中，使腔内的pH降低，引起配体与受体分离。胞内体以出芽的方式形成运载受体的小囊泡，返回细胞质膜，受体重复使用。,受体介导的胞吞作用过程中受体的分选：大部分受体返回它们原来的质膜结构域，属循环再利用；进入溶酶体，在那里被消化，称为受体下行调节；被运至质膜不同的结构域，称作跨细胞的转运。,胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。组成型胞吐途径：存在于所有真核细胞中，形成连续分泌泡具有连续性。在质膜更新、胞外基质组分形成及营养成分或信号分子扩散到胞外等方面发挥作用。调节型胞吐途径：是分泌细胞特有的胞吐途径，形成调节性分泌泡，不具连续性。当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。,组成型胞吐途径,调节型胞吐途径,分泌物的分选：分选信号存在于蛋白本身，而蛋白的分选可能主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定。在激素、神经递质或其他物质的作用下向细胞外分泌，常常是通过Ca2+浓度的增加而启动分泌。除此之外，还存在一种不依赖于Ca2+的途径。,膜融合：转运的囊泡