细胞生物学第五章物质的跨膜运输

本章重点:1、掌握膜转运蛋白的类型和特点2、掌握物质的跨膜运输方式及其特点3、理解膜泡运输的功能及其机制,第五章物质的跨膜运输,表51典型哺乳动物细胞内外离子浓度比较,第一节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,细胞内外离子浓度差建立的两种机制:,载体蛋白：1膜转运蛋白通道蛋白：2脂双层的疏水性特征,载体蛋白(carrier),多次跨膜蛋白，通过与特定的溶质分子结合，发生一系列构像改变介导溶质分子跨膜运动。,特点：1、有特异的结合位点，有高度的选择性2、有饱和动力学特征3、存在竞争性抑制和非竞争性抑制剂抑制,P103表：5-2,A,B,.通道蛋白(ChannelProtein）,*横跨质膜的亲水性通道，不需要与溶质分子结合，允许适当大小的离子、分子顺浓度梯度通过。又称离子通道。(大小、电荷),1转运速率高：高1000倍以上,3离子通道是门控的，受蛋白质的构像调节。,*通道蛋白具有的3个显著特征：,2没有饱和值：,根据激活信号不同,离子通道又区分为：电压门通道、配体门通道、应力激活通道和环核苷酸门通道等。,钾泄漏通道,电压门通道,配体门通道（胞外受体）,配体门通道（胞内受体）,结构为2的梅花状通道样结构。,乙酰胆碱受体（存在于肌肉细胞,配体门通道）：,Na+,K+,应力激活通道,细胞感受各种各样的机械力刺激，将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应的过程。,听觉毛状细胞的应力激活通道作用原理,水通道,水扩散通过人工膜的速度很低,推测膜上有水通道,年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28(28KD).,目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有种，被命名为水通道蛋白（水孔蛋白,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。,被动运输：简单扩散、协助扩散,二被动运输与主动运输,膜泡运输：胞吞作用、胞吐作用（大分子、颗粒物质）,主动运输：,小分子物质,5.2.1被动运输,5.2.1.1简单扩散,1）特点：沿浓度梯度（电化学梯度)方向扩散（由高到低)不需细胞提供能量没有膜蛋白协助,概念：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。不需要能量。,疏水分子,小的不带电的极性分子,大的不带电的极性分子,离子,O2CO2N2苯,水尿素甘油,葡萄糖蔗糖,H+,Na+,K+,Ca2+,Cl-,Mg2+HCO3-,人工合成的脂双层,2）、分子穿膜的通透性,沿浓度梯度减小方向扩散，不需细胞提供能量，需特异的膜转运蛋白协助转运，以加快运输速率。,5.1.1.2协助扩散,1).特点,协助扩散与简单扩散的相比具有以下特征：,1）需要膜蛋白的帮助，转运速率高;,2）存在最大转运速率;在一定限度内运输速率同物质浓度成正比.,3）有特异性即与特定溶质分子相结合，结构相似的分子扩散速度不同。,4）受各种因素的抑制：酶的竞争性抑制，蛋白质变性剂的抑制等。,5.2.2主动运输,1)特点：,物质由低浓度到高浓度一侧的跨膜运输即逆浓度梯度(逆化学梯度)运输。,b.需细胞提供能量,c.具有载体蛋白,光能,电化学梯度,光驱动泵,ATP驱动泵,偶联转运蛋白：同向转运蛋白反向转运蛋白,2)基本类型:,由ATP直接提供能量的主动运输,由ATP间接提供能量的主动运输,光能驱动的主动运输,5.2.2.1ATP驱动泵（ATPase）介导的主动运输,ATP驱动泵,P-型离子泵,V-型质子泵,F-型质子泵,ABC超家族主要转运小分子,转运离子,按结构和功能：,依靠ATP水解提供能量，逆浓度梯度转运溶质分子的跨膜蛋白。具有ATP结合位点和ATP酶活性。,P-型离子泵,特点：至少有两个独立的催化亚基，并具有ATP结合位点；和两个调节亚基（结构）ATP水解与跨膜运输耦联,特异性地逆浓度梯度运输离子；（功能）通过亚基磷酸化和非磷酸化作用，改变泵蛋白的构象，实现离子跨膜转运。(转运机制),类型：,Na+K+离子泵,Ca2+ATPase(钙离子泵),P-型质子泵,Na+-K+ATPase离子泵：,Na+-K+ATPase是由两个大亚基(催化亚基)和两个小亚基(调节亚基)组成；是跨膜蛋白。亚基在细胞质面有ATP结合位点，Na+结合位点；细胞外侧有K+结合位点或乌本苷结合位点。,Na+-K+泵作用：维持细胞的渗透平衡，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。,Ca2+ATPase(钙离子泵),作用：维持细胞内较低钙离子浓度（细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M）,位置：质膜和内质网膜，叶绿体，液泡膜,-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。,工作原理：与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。,P-型质子泵,F-型质子泵：是由许多亚基构成的管状结构，利用H顺浓度梯度释放能量合成ATP，也叫ATP合成酶。位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,作用：利用ATP水解，使其自身磷酸化，发生构象的改变来转运质子H+。建立和维持跨膜的电化学梯度，驱动转移物质的运输。,位置：植物细胞膜、胃表皮细胞膜（H+-K+ATP酶,分泌胃酸）。,V-型质子泵：由许多亚基构成，利用水解ATP产生能量（但不发生自磷酸化）逆浓度梯度转移H+。位于溶酶体膜、囊泡膜、植物液泡膜上。,ABC超家族,又称ABC转运器（ABCtransporter）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（ATPbindingcassette），故名ABC转运器。每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，包括离子、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。,结构特点：,2个跨膜结构域（T）：每个T结构域由6个跨膜的螺旋组成，形成运输分子的跨膜通道，并决定底物特异性；2个胞质侧ATP结构域（A）。,MDR1protein,第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），约40%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。,FourtypesofATP-poweredpumps,2H+,4H+,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的电化学梯度。,-同向协同（synport，共运输）：物质运输方向与离子转移方向相同。-反向协同（antiport，对向运输）：物质运动的方向与离子转移的方向相反。,5.2.3协同运输(cotransport),Na+,Na+,H+,H+,动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输,5.4胞吞作用和胞吐作用,-完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输,-膜泡运输,-主动运输,-批量运输,特点：,概念：通过细胞质膜内陷形成囊泡(称内吞泡)将外界物质裹进并输入细胞的过程。,胞饮作用（胞饮泡）,类型：根据内吞泡的大小和内吞物质，分为：,吞噬作用（吞噬泡）,一、胞吞作用,胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别:,类型,内吞泡的大小,转运方式,内吞泡形成机制,胞饮作用,小于150nm,大于250nm,连续发生的组成型过程,需受体介导的信号触发过程,需要笼形蛋白形成包被及接合素蛋白连接,需要微丝及其结合蛋白的参与,吞噬作用,胞饮作用：,细胞连续性的吞入液体分子或极小的液体颗粒物质。（胞饮泡）,吞噬作用：细胞内吞较大而不溶性颗粒物质(或聚集体)，如细胞的残体或整个细胞（如细菌),有特异受体与之结合。（吞噬泡）,在大多数高等动物细胞中是一种保护措施而非摄食的手段。,变形虫和一些单细胞的真核生物从环境中摄取营养。,胞饮泡的形成机理（包被的组装）：,网格蛋白：,180kDa重链35-40kDa轻链,二聚体,包被的基本结构单位：三角蛋白复合体,五边或六边形网格结构,参与有被小泡（包被）形成的蛋白质主要有：网格蛋白(Clathrin)、接合素蛋白(Adaptor)、发动蛋白（Dynamin）。,将受体-配体复合物与网格蛋白相连接的蛋白，是一种在网格蛋白小泡形成中起中介作用的蛋白质。,接合素蛋白,接合素蛋白,网格蛋白,发动蛋白：小G蛋白，通过水解GTP调节包被的收缩，将小泡与质膜割开。,胞饮泡形成的基本过程：,1、配体（被运输的物质）与膜受体结合形成一个小窝；,2、小窝逐渐向内凹陷，与质膜脱离形成一个有被小泡；,3、有被小泡的外被解聚，形成无被小泡，即初级内体；,4、初级内体与胞内体融合，受体与配体脱离；配体胞内体与溶酶体融合，内吞的物质被水解。,非特异性的胞吞作用受体介导的胞吞作用，具有特异性。如；激素、生长因子、淋巴因子、营养物等。,根据胞吞的物质是否有专一性：,低密度脂蛋白(Low-densitylipoproteins,LDL,受体介导的胞吞作用示意图,肝细胞中合成的胆