第5章 物质的跨膜运输-3版

上课了！,细胞生物学,生命科学与技术学院张晓军教授,第五章物质的跨膜运输,脂双层的不透性和膜转运蛋白物质跨膜运输的类型被动运输与主动运输的比较,第一节脂双层的不透性和膜转运蛋白,载体蛋白通道蛋白载体蛋白与通道蛋白的异同,一、载体蛋白（carrierproteins）,结构:多次跨膜的整合性膜蛋白机制:通过构象的改变介导与之结合的溶质分子的跨膜转运特征:介导被动运输与主动运输如同酶具有特异性结合位点,具有高度的选择性转运过程具有类似于酶与低物作用的饱和动力学特征与酶不同对转运的溶质分子不作任何的共价修饰一次只能与膜一侧的一种溶质结合,经构象变化转运溶质载体蛋白-通透酶（permease）,载体蛋白的类型,介导被动运输(易化转运蛋白)不与能量释放体系相偶联，主要介导协助扩散（易化扩散），物质跨膜运动可以在任一方向发生。介导主动运输（激活转运蛋白）ATP驱动泵蛋白:离子泵的主要成分,由ATP直接水解供能，单方向逆着浓度梯度运送离子。协同转运蛋白：利用储存在一种溶质（离子）电化学梯度中的自由能来转运另外一种溶质，单方向逆着浓度梯度运送离子。光驱动泵蛋白:利用光能，单方向逆着浓度梯度转运质子。,二、通道蛋白（channelproteins）,离子通道蛋白（ionchannelproteins）孔蛋白（porin)水通道蛋白（水孔蛋白）（aquaporin,AQP),（一）离子通道蛋白ionchannelproteins,离子通道的发现通道蛋白的结构通道蛋白的特征离子通道的类型,离子通道的发现,1955年，剑桥大学AlanHodgkin和RichardKeynes提出细胞膜上存在离子通道。20世纪80年代后期，马克思普朗克研究所的BertSakmann和ErwinNeher发明了检测单个离子通道的离子流的技术，膜片钳记录技术，获得了最后的证据。,膜片钳记录技术,结构,通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道。对离子的选择性依赖于通道的直径和形状以及通道内衬带电荷氨基酸的分布。它所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。,特征,只介导被动运输。具有极高的转运速率高。离子通道没有饱和值。离子通道是双向的,允许离子以两个方向通过,而离子的净通量取决于电化学梯度。通道打开时，同时结合膜两侧的离子。是非连续性开放,而是门控的（gated)，以开启构象或关闭构象而存在。,类型,电压门通道（voltage-gatedchannel）配体门通道（ligand-gatedchannel）应（压）力激活通道（stress-activatedchannel）,（二）孔蛋白,存在部位：革兰氏阴性细菌外膜线粒体外膜叶绿体外膜特征：非选择性通道,第二节物质跨膜运输的类型,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一被动运输（passivetransport）（非耗能运输）主动运输（activetransport）（耗能运输）胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）（耗能运输）,载体蛋白与通道蛋白的异同,膜转运蛋白,通道蛋白,载体蛋白,激活转运蛋白：与能量释放体系相偶联易化转运蛋白：不与能量释放体系相偶联,机制：打开时，可以同时结合膜两侧的溶质，溶质通过时不发生构象改变,机制：一次只能与膜一侧的一种溶质相结合，以自身构象改变完成溶质跨膜转运,类型,类型,离子通道蛋白水通道蛋白孔蛋白,电压门通道配体门通道应力激活通道,一、被动运输（passivetransport）,特点运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白类型简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）,(一)简单扩散（simplediffusion）,特点：运输物质：小分子物质（脂溶性、不带电）运输方向：沿着浓度梯度降低的方向跨膜动力：物质的浓度梯度能量消耗：不需要消耗细胞提供代谢能量膜转运蛋白：不需要膜转运蛋白的协助,(一)简单扩散（simplediffusion）,溶质跨膜的两种途径溶质直接穿过脂双层该途径要求溶质必须能够在跨膜时溶解到脂双层中。溶质穿过亲水性的跨膜孔（并防止与脂双层分子接触）,决定通透性的因素其通透性主要取决于分子的大小和分子的极性：小分子比大分子容易穿膜非极性分子比极性分子容易穿膜脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小带电荷的离子跨膜需要更高的自由能,为什么具有极性的水分子容易穿膜？可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜质运动而产生的间隙的缘故。从相临的磷脂分子之间滑过去。但是，速度缓慢。水分子快速跨膜运动是以何种方式实现的？水孔蛋白,(三)水孔蛋白（aquaporin,AQP),水孔蛋白的发现水孔蛋白的结构水孔蛋白的选择性水通道的活性调节,水孔蛋白的发现,长期以来,普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高,很难以简单扩散来解释。例如，将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。,1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28KD的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28(Channel-Formingintegralmembraneprotein)。1991年得到CHIP28的cDNA序列，Agre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，并于5分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究者RoderickMacKinnon共享2003年的诺贝尔化学奖。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有10种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）,水孔蛋白的结构,水孔蛋白是由四个亚基组成的四聚体。每个亚基由6个跨膜螺旋组成，相对分子质量为28000。每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔。中央孔的直径稍大于水分子的直径，约0.28nm，水孔长约为2nm。,水孔蛋白的选择性,源于通道内高度保守的氨基酸残基侧链与通过的水分子形成氢键。源于非常狭窄的孔径。,水通道的活性调节,通过磷酸化使AQP的活性增强。通过膜泡运输改变膜上AQP的含量。如血管加压素(抗利尿激素)对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节。通过调节基因表达，促进AQP的合成。,(三)协助扩散（facilitateddiffusion）,特点运输物质：极性小分子、无机离子（非脂溶性物质）运输方向：顺着浓度梯度降低的方向跨膜动力：物质的浓度梯度能量消耗：不需要消耗细胞提供代谢能量膜转运蛋白：需要特异性的载体蛋白的协助（易化转运蛋白）,协助扩散与简单扩散的动力学比较协助扩散比简单扩散转运速率高。膜转运蛋白协助的结果与酶催反应相似,存在最大的转运速率膜转运蛋白的数量有限。在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和。膜转运蛋白对转运的溶质分子具有特异性。能分辨D型和L型的立体异构体；离子类型,葡萄糖转运蛋白例子,由于它们属于被动运输，没有与能量释放体系相耦联，所以易化转运蛋白可以在两个方向上同等介导溶质的运动。净通量的方向仅仅取决于溶质在膜两侧的相对浓度。例如，为了维持有利于葡萄糖持续扩散进入细胞的梯度，进入细胞的葡萄糖被磷酸化，从而降低细胞内的葡萄糖的浓度。,易化转运蛋白的活性可被调节,二、主动运输（activetransport）,特点：运输物质：离子、小分子膜转运蛋白：需要膜转运蛋白的协助（激活转运蛋白）运输方向：逆着浓度梯度或电化学梯度（吸能过程）能量消耗：需要消耗细胞提供代谢能量（放能过程）,三种基本类型,由ATP直接供能量的主动运输ATP驱动泵（与ATP水解偶联的主动运输）由ATP间接供能量的主动运输协同运输（与离子梯度偶联的主动运输）利用光能的离子主动运输光驱动泵,ATP驱动泵,P-型离子泵(phosphorylation)钠钾泵(动物细胞)氢钾泵(动物细胞)钙泵（Ca2+-ATP酶）(动物细胞)P-型质子泵(植物细胞)V-型质子泵(vacuolarprotonpump)F-型质子泵(H+-ATP合成酶，Factor)ABC超家族(ATP-bindingcassette),离子跨膜转运与膜电位,静息电位动作电位：动作电位形成动作电位以冲动形式进行传播神经传递:跃过突触间隙,协同运输（cotransport）,结构由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。类型与机制同向转运:Na+/葡萄糖协同转运蛋白反向转运:Na+/H+交换器,维持适当的细胞质pH值比较,嗜盐菌光驱动质子泵,三、胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）,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（bulktransport）。属于主动运输。过程胞吞作用胞吐作用,（一）胞吞作用,胞饮作用吞噬作用,胞吞作用,液体物质胞饮泡,固体物质吞噬泡,胞吞泡,1.胞吞作用的类型,2.胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,3.受体介导的胞吞作用包被的组装胞内体（endosome）及其分选作用LDL受体介导的胞吞作用,（二）胞吐作用,组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）defaultpathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）特化的分泌细胞储存刺激释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的囊泡与靶膜的识别与融合,协助扩散与简单扩散的动力学比较,电压门控K+通道,概念,Na+K+离子泵就是Na+K+ATP酶，是膜中的内在蛋白。它可以将细胞内的Na+泵出细胞外，同时又将细胞外的K+泵入细胞内。,结构,由和两个亚基组成亚基的分子量为120KD，是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶的活性亚基的分子量为50KD，具有组织特异性的糖蛋白,工作模式,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+离子泵出细胞外。同时细胞外的K+离子与亚基上的另一个位点结合使其去磷酸化引起亚基构象再度发生变化，将细胞外的K+泵入细胞内，完成整个循环。每一循环消耗一个ATP分子，转运三个Na+离子和两个K+离子。,生物学意义,调节渗透压：有助于维持动物细胞的渗透平衡，保持细胞的体积。物质吸收：细胞外高浓度的Na+代表大量的能量储备。细胞正常代谢的必要条件：细胞的生命活动需要这种特定和相对稳定的离子环境。保持膜电位：维持细胞的静息电位。,动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输异同点的比较,初级主动运输次级主动运输,在血清中，胆固醇主要以胆固醇脂的形式从肝脏转运到外周器官。由于胆固醇脂不容于体液（水），所以，在运输过程中需要与水溶性载体低密度脂蛋白结合。外周组织细胞可以通过胞吞作用吸收低密度脂蛋白，从而吸收其上运载的胆固醇脂。,低密度脂蛋白（LDL）的结构,LDL,未脂化的胆固醇（500个）磷脂（800个）脱辅基蛋白B-100（与LDL受体结合）胆固醇脂（1500个）,外壳,胆固醇脂肪酸,LDL是一种大的球形颗粒，直径22nm,300KD,LDL受体的结构,LDL受体是一个单链跨膜糖蛋白，相对分子质量1.610，由839个氨基酸残基组成5个结构域：配基结合区：大约300个氨基酸残基，识别LDL表面特异的载脂蛋白从而与LDL结合。与表皮生长因子同源区：约300个氨基酸残基，与受体的循环过程有关。糖基化区：58个氨基酸残基，有O-连接的糖链，可能介导受体在膜上的正确定位跨膜区：22-25个氨基酸残基胞内区：约50个氨基酸残基，是受体结合到笼形蛋白包被凹陷的识别信号（将这一序列添加到普通的细胞膜蛋白的胞质结构域，该蛋白就会经笼形蛋白包被囊泡被细胞吸收）,LDL进入细胞的方式,这是通过“受体介导的胞吞作用”这一过程来完成的。,LDL受体介导的胞吞作用,胆