细胞生物学教学课件第4章 物质跨膜运输

随堂考试1.载体蛋白和通道蛋白的异同点是什么？2.为什么物质跨膜运输过程中的转运蛋白称为“泵”？3.钠钾泵和钙泵都是什么类型的泵？其结构有什么特点？4.什么是ABC超家族？其结构和功能是什么？5.哪些细胞器上存在质子泵？6.信号介导的胞吞作用是如何进行的？,第四章物质的跨膜运输,Chapter4Transportacrossbio-membranes,第一节质膜的物质运输,质膜物质运输,穿膜运输,膜泡运输,主要是离子和一些小分子的运输,主要是一些大分子和颗粒物质的运输,一、穿膜运输,影响通透性的因素：,(1)脂溶性：(2)分子量：(3)带电性：(4)亲水性：,膜转运蛋白,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。细胞膜上存在两类主要的转运蛋白：载体蛋白（carrierprotein）通道蛋白（channelprotein）,载体蛋白（carrierprotein）,多次跨膜的蛋白分子通过构象改变转运物质，具有高度的选择性与酶的性质相似-通透酶（permease）性质介导被动运输与主动运输。,通道蛋白（channelprotein）,跨膜蛋白，具有离子选择性（大小、电荷和形状）转运速率高，比载体蛋白转运速率快1000倍以上，电化学梯度无饱和值离子通道是门控的，受膜电位、化学信号或压力刺激,机械门通道,电位门通道,配体门通道,胞外配体,胞内配体,三类离子通道的模式图解,第一节质膜的物质运输,内耳听觉毛细胞上的不动纤毛：,简单扩散(simplediffusion)不需消耗细胞的代谢能，也不需要专一的载体分子，只要膜两侧物质保持一定浓度差，即可发生这种物质运输。运输的速率与物质浓度差成正比。简单扩散的物质穿膜运动符合于物理化学规律。,1.简单扩散,(一)、被动运输,第一节质膜的物质运输,转运蛋白,2.协助扩散（被动运输）,第一节质膜的物质运输,自由扩散与协助扩散的动力学曲线对比图解,人类基因组10多种葡萄糖转运蛋白12次跨膜的螺旋,Ser、THr、Asp和Glue残基侧链可结合葡萄糖。其转运方向取决于葡萄糖的浓度。,葡萄糖转运蛋白(GLUT),水孔蛋白(AQP),Tetramericprotein,6-helicesforeachsubunit,2-nm长，直径为0.28nmAsn-Pro-Ala模式有关植物上种子萌发、细胞伸长、气孔运动及受精过程的水分运输与此有关,肾小管、额头、唾液、眼泪，200种,主动运输中，离子和代谢物逆其电化学梯度进行运输，需消耗细胞代谢能，故又称代谢关联运输(metabolicallylinkedtransport)。主动运输需要有跨膜载体蛋白的协助，这些载体蛋白起泵的作用，有选择性地运输专一物质。,(二)、主动运输,第一节质膜的物质运输,直接靠水解ATP来驱动的主动运输称为初级主动运输(primaryactivetransport),协同运输(cotransport)是指一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种溶质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者协同进行。不直接靠水解ATP来驱动的主动运输称为次级主动运输(secondaryactivetransport),主动运输的类型,ATP驱动泵,协同转运蛋白,第一节质膜的物质运输,光驱动泵,同向运输(symport)：两种溶质的运输方向相同，如细胞对葡萄糖的吸收，即是与Na+同向穿膜；反向运输(antiport)：两种溶质的运输方向相反，如红细胞清除组织中CO2时，即是在肺中释放出HCO3-，而纳入Cl-的过程。,第一节质膜的物质运输,所谓泵(pump)即是指能驱动离子或小分子以主动运输的方式穿过生物膜的跨膜蛋白(transmembraneproteins)。能驱动离子穿膜的跨膜蛋白称为离子泵(ionpump)，它具有ATP酶活性(可水解ATP并利用其能量进行穿膜运输)。,1、ATP驱动泵,第一节质膜的物质运输,水解ATP驱动离子和小分子跨膜运输的跨膜蛋白-ATP驱动泵根据其结构和功能分：P-型、V-型质子泵、F-型质子泵和ABC超家族,P-型离子泵：形成磷酸化中间体2个独立的催化亚基，具有ATP结合位点具有2个小的调节亚基（一般）在转运离子时，催化亚基发生磷酸化和去磷酸化作用，改变泵的离子构象，实现离子跨膜运输。,Na+的运出和K+的运进相互偶联、协同进行,1）Na+-K+泵,Na+-K+泵（即Na+-K+ATP酶）在Na+、K+、Mg2+存在时，能把ATP水解成ADP和磷酸，同时把Na+和K+以反浓度梯度的方向进行运输：,Na+和K+等有些离子在细胞内外的浓度差别很大：,细胞内：K+很高，Na+很低质膜外：Na+很高，K+很低,第一节质膜的物质运输,亚基为大亚基：120kDa，具有ATP酶活性，其胞质端有Na+和ATP结合部位，其胞外端有K+和乌本苷(ouabain)结合部位。亚基是糖基化的多肽，具有组织特异性，帮助内质网内合成的亚基折叠。50KD。,当把亚基与亚基分开时，亚基的酶活性即丧失。,磷酸化和去磷酸化可引起分子发生构象交替变化，发挥泵的作用。,Na-K泵结构及其功能图解,Na+-K+ATP酶分子为跨膜蛋白，由、两个亚基构成,第一节质膜的物质运输,Na+-K+泵对离子的运输属于逆浓度梯度的主动运输，需要消耗细胞的能量，能量的直接来源是ATP。细胞内约有1/3的ATP是用来维持这种离子浓度梯度的。此状况的维持有着重要生理意义。其主要作用如下：,(1)维持细胞膜电位(2)调节渗透压(3)物质吸收(为次级主动运输供能),第一节质膜的物质运输,细胞对葡萄糖的吸收是与Na+的同向穿膜运输,真核细胞胞质溶质中游离Ca2+很低(10-7mol/L)，而胞外Ca2+却很高(10-3mol/L)，形成了外高内低Ca2+梯度。,2）钙泵（分布于细胞质膜和细胞器膜）,第一节质膜的物质运输,Ca2+不仅参与引起肌肉收缩活动，而且还在许多细胞反应中起细胞内信使的作用。,细胞质溶质中的Ca2+低浓度，要靠一种称为钙泵的Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase)来维持。,第一节质膜的物质运输,钙泵分子量1000KD，在结构和功能上与Na+-K+泵的亚基为大亚基同源，含有10个跨膜螺旋，其中3个螺旋与跨越脂双层的中央通道相连。消耗一个ATP，运输2个Ca2+。,钙泵也通过磷酸化与去磷酸化进行泵吸活动循环。,3）质子泵,存在于植物、真菌和细菌细胞中的一种重要的离子泵，对H+浓度梯度的维持具有重要意义。P-质子泵：载体蛋白利用ATP使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、H+-K+泵（分泌胃酸）。形成磷酸化中间体。V-型质子泵：动物细胞溶酶体、液胞膜上，逆电化学梯度积累质子。膜泡质子泵F型质子泵：线粒体内膜、叶绿体类囊体和细菌质膜上，顺电化学梯度，将释放的能量与ATP合成酶藕联。H+-ATP合成酶。几种跨膜和胞质同侧亚基，只转运质子，并且在转运过程中不形成磷酸化中间体。,第一节质膜的物质运输,FourtypesofATP-poweredpumps,溶酶体中酸性pH值的维持机制溶酶体膜上的质子泵利用ATP提供的能量不断把H+抽取到溶酶体中，使溶酶体中的酸度保持在pH5.0,酸性水解酶,第一节质膜的物质运输,在动物细胞的溶酶体膜上也存在，参与维持溶酶体内的酸性环境，为酸性水解酶创造一最适pH以便发挥酶活性进行细胞内消化功能。,4）ABC转运器ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名ABC转运器。每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。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。,2T(transmembrane)domain,eachhas6-helixformpathwaysfortransportedsubstance,2A(ATP-bindingdomain)30-40%homologyformembranes,ABC运输蛋白的结构模式：2个跨膜结构域，每个结构域有6个跨膜的螺旋，形成跨膜运输通道，决定运输的特异性。2个胞质侧的ATP结合域。,第三节细胞生理学技术,(microelectrode),（三）离子跨膜运输与膜电位物质跨膜运输的结果造成了膜两侧电位差的变化。膜电位的测量：微电极,膜电位（membranepotential)：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和静息电位（restpotential)：细胞在静息状态下的膜电位动作电位(activepotential)：在刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位极化(polarization)：静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，外为正值，这种现象叫极化。除极化(depolarization)：膜静息电位减小乃至消失的现象超极化(hyperpolarization)：超过原来的静息电位，这种现象称为超极化,批量运输(bulktransport)。,二、膜泡运输,物质进出细胞的运输过程中始终由膜包围，在细胞质内形成小膜泡；运输量大。,第一节质膜的物质运输,在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。这种运输方式可转运一种或一种以上的大分子和颗粒性物质，因此也有人称之为批量运输（bulktransport）。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,膜泡运输,(endocytosis),(exocytosis),第四节质膜的物质运输,内吞作用,外排作用,（一）内吞作用,第一节质膜的物质运输,(endocytosis):,第一节质膜的物质运输,根据内吞物质的性质及膜泡的大小不同，内吞作用可分为二类：,液体物质或较小颗粒,较大固体颗粒物质(如细菌等),内吞,吞噬作用(phagocytosis):,胞饮作用(pinocytosis):,吞噬泡直径250nm.,胞饮泡直径150nm.,。,质膜上的受体参与了细胞内吞过程，而且起了不可缺少的作用。,受体介导的胞吞作用(receptor-mediatedendocytosis)。,第一节质膜的物质运输,配体可分为四大类:.营养物,如转铁蛋白、低密度脂蛋白(LDL)等;.有害物质,如某些细菌;.免疫物质,如免疫球蛋白、抗原等;.信号物质,如胰岛素等多种肽类激素等。,可与细胞外专一信号分子（配体）结合，并引起细胞发生反应的质膜蛋白,网格蛋白分子在有被小泡形成过程中被循环利用的模式图解,网格蛋白,有被区,质膜,胞外区,胞质,有被小泡,光滑小泡,网格蛋白,有被小窝形成,有被小泡形成,衣被组装,参加不同类型受体介导内吞的受体有25种以上，有些受体只有同配体结合以后才能向有被小窝处集中。,有被小泡的形成,第一节质膜的物质运输,形成配体-受体复合物,可能是网格蛋白牵引和胞内微丝作用所致,质膜,有被小泡,光滑小泡,晚期内吞体,运输小泡,细胞经有被小泡以LDL颗粒的形式吸收胆固醇的过程图解,酸性环境：LDL与LDL受体分离,LDL颗粒中的蛋白质分子可为LDL颗粒与LDL受体的结合提供结合位点：,第一节质膜的物质运输,胆固醇的吸收,胆固醇是构成膜的一种脂类成分，动物细胞通过受体介导内吞吸收所需的大部分胆固醇。血液中胆固醇与1个蛋白质(500kD)结合成颗粒(3103kD)低密脂蛋白(low-densitylipoproteins,LDL)。LDL颗粒的芯部含有约1500个胆固醇分子，外由一脂单层(由800个磷脂分子和500个未酯化胆固醇分子组成)包围。,第一节质膜的物质运输,外排作用(Exocytosis),与内吞作用运输方向相反的膜泡运输过程,（二）外排作用(Exocytosis),组成型的外排途径（constitutiveexocytosis