小分子物质的跨膜运输-细胞生物学VIP

第九章小分子物质的跨膜运输MembraneTransportofSmallMolecules,第一节跨膜运输的原理,第二节载体蛋白介导的运输,第三节通道蛋白介导的运输,第四节离子导体（略）,如果膜是单纯的脂双层,可以经膜运输的只是很少几种物质,这些物质的性质是?-疏水,-极性/不带电,合成的脂双层,膜两侧奇特的离子分布,钾离子浓度：膜内比膜外高1020倍!,生物膜能选择性地允许多种物质通过,葡萄糖：有机体的食物（人小肠腔）细胞的能量来源、多糖的原料,氨基酸：有机体的食物（人小肠腔）细胞的能量来源、蛋白质的原料,无机离子：有机体的食物（人胃和小肠腔）有什么作用？渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶,离子跨膜运输的作用：细胞渗透压的维持Maintenanceofosmolarity,问题：胞内溶质浓度高，如果不控制渗透压平衡，水将进入，结果造成细胞胀破,解决方案把离子打出去,细胞内外的渗透压由大分子、小分子和离子构成,离子跨膜运输的作用：神经冲动(电信号)的播散,Propagationofelectricsignals,第一节跨膜运输的原理Principlesofmembranetransport,一、单纯扩散simplediffusion二、膜蛋白介导的运输membraneprotein-mediatedtransport,一、单纯扩散,对于单纯脂双层（黑膜）来说，如果不考虑扩散时间，不带电小分子都可以顺其浓度梯度跨越脂双层。实际上可以自由经脂双层扩散的物质只有2类：1、疏水（脂溶性）小分子（脂溶性愈小，扩散愈慢）氧、苯2、不带电的极性小分子（质量愈大，扩散愈慢）乙醇、甘油所以，葡萄糖、氨基酸、无机离子不能通过单纯扩散完成跨膜运输,疏水分子和少量不带电极性小分子可以扩散过脂双层,二、膜蛋白介导的运输,对于生物膜来说，各种极性、带电小分子都可以跨越脂双层。所以，葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子都能实现跨膜运输（顺着或逆着其浓度梯度）。这些运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白被称为膜运输蛋白。膜运输蛋白分成2类：1、载体蛋白(carrierprotein)2、通道蛋白(channelprotein),载体蛋白,通道蛋白,carrier,channel,各种离子,离子、氨基酸、单糖、核苷酸等,与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。,形成跨膜的充水通道让所运物质通过。,运输原理,运输特点,所运物质,主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢,被动运输，与所运物质互相作用较弱，运输速度较快,分布于各种膜上的运输蛋白,水孔蛋白,血管加压素,什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能？,1,234567,多次跨膜蛋白,螺旋真核细胞和细菌的跨膜蛋白主要是螺旋结构,疏水脂双层,筒限于线粒体和叶绿体外膜的跨膜蛋白,主动运输和被动运输Activetransport&passivetransport,1、被动运输不需能量,易化扩散所有通道蛋白和一部分载体蛋白帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜下坡,2、主动运输需消耗能量载体蛋白将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜上坡,主动运输和被动运输,电化学梯度和运输方向,1、被动运输所运物质若不带电,顺其化学梯度所运物质若带电,顺其电化学梯度,2、主动运输逆着所运物质的电化学梯度,Electricochemicalgradient,电化学梯度和运输方向,第二节载体蛋白介导的运输,一、原理和特点二、偶联载体三、ATP驱动泵四、运输蛋白超级家族（略）,一、载体介导运输的原理和特点,原理（机制）：载体蛋白经历了一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。,一、载体介导运输的原理和特点,一、载体介导运输的原理和特点,特点：1.与酶-底物反应类似特异性结合位点特征性结合常数2.运输方式单一运输偶联运输,同向运输反向运输,载体介导的被动运输,葡萄糖的单一运输蛋白,被动运输-葡萄糖载体,血糖浓度升高后脂肪细胞反应,-更多的葡萄糖载体进行被动运输,将糖摄入,载体介导的主动运输,能量来源sourcesofenergy:离子梯度驱动力通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的上坡偶联载体2.ATP驱动泵ATP水解提供能量3.光驱动泵光提供能量(细菌),载体介导的主动运输,偶联载体,ATP驱动泵,光驱动泵,二、偶联载体coupledcarrier,Na+驱动的同向运输载体H+驱动的同向运输载体(略)Na+驱动的反向运输载体(略)载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能,Na+驱动的同向运输载体与糖摄入Na+-drivensymporterandglucoseuptake,胞质侧,构象A:结合位点向胞外侧开放,葡萄糖和Na+结合于各自位点.Na+顺其电化学梯度糖逆其电化学梯度,构象B:载体经历构象变化,结合位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+离开各自位点,由此两者被运入细胞.糖经历主动运输,能量来自Na+梯度.,小肠上皮细胞顶面Na+驱动的同向葡萄糖运输载体,肠腔,上皮下组织间隙,偶联载体,小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖运输载体,肠腔,上皮下组织间隙,主动运输蛋白(偶联载体),被动运输蛋白,小肠上皮细胞载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能,主动运输,逆糖梯度,被动运输,顺糖梯度,肠腔,组织间液,三、ATP驱动泵ATP-drivenpump,Na+-K+泵Ca2+泵H+泵,许多载体蛋白依赖Na+离子梯度驱动力完成主动运输,那么Na+离子梯度又是如何建立起来并得到维持的呢?Na+离子不停地进入细胞,怎样把它们送回细胞外呢?,Na+-K+泵Na+-K+pump,存在于几乎所有动物细胞膜上,利用ATP水解供应能量,建立和维持Na+梯度。又称Na+-K+ATP酶(Na+-K+ATPase),Na+,我是大力士,K+,泵,细胞能量1/32/3耗费于此!,问题：为什么Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶,Na+-K+泵组成和作用Compositionandeffect,3个Na+出细胞,2个K+入细胞,逆电化学梯度运输!,Na+-K+泵组成和作用,组成:一个大的多次跨膜蛋白,为催化亚基,自身是ATP酶,能将ATP水解成ADP一个小的糖蛋白(功能未明)催化亚基的胞质面有Na+和ATP结合位点,外表面有K+或乌本苷结合位点整个分子能可逆地磷酸化和去磷酸化作用:每水解1分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+,Na+-K+泵作用机制,胞外侧,胞质侧,Na+-K+泵作用机制,1.Na+结合至催化亚基2.ATP水解成ADP,催化亚基被磷酸化3.催化亚基构象变化,Na+被运出细胞4.K+结合至催化亚基5.催化亚基去磷酸化6.催化亚基构象恢复,K+被运入细胞,箭毒杀人-对ATP酶的抑制偶联对排钠摄钾的抑制,细胞胀破,ATP酶能将ATP水解成ADP乌本苷是一种箭毒苷,是ATP酶抑制剂在催化亚基的胞外面有结合位点,与K+竞争性结合至催化亚基。乌本苷的ATP酶抑制作用发生在依赖K+的去磷酸化步骤。排钠摄钾运输与ATP水解紧密偶联Na+-K+泵又叫Na+-K+ATP酶,Na+-K+泵作用的直接效应,建立和维持细胞外高钠、细胞内高钾的特殊离子梯度,Na+-K+泵作用的间接效应,通过维持Na+梯度维持渗透压平衡,调节细胞容积细胞外离子的数量2.保证一些物质的主动运输所需能量把进入细胞的Na+送回细胞外。3.参与形成内负外正的膜电位3个Na+出、2个K+入（什么是膜电位membranepotential）go,问题：胞内溶质浓度高，如果不控制渗透压平衡，水将进入，结果造成细胞胀破,动物细胞解决方案：把离子打出去,用乌本苷处理,细胞很快肿胀破裂,乌本苷,back,小肠上皮细胞底侧面Na+-K+泵的作用,肠腔,上皮下组织间隙,主动运输蛋白(偶联载体),被动运输蛋白,back,名词：P型运输ATP酶PtransportATPase,泵的两种状态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志,这类离子泵叫作P型运输ATP酶。(P指phosphorylation,磷酸化)包括,Na+-K+泵Ca2+泵一部分H+泵,P型运输ATP酶,从一种Ca2+泵的最新研究获知P型运输ATP酶共有相似结构:1.含10个跨膜螺旋,其中3个排成中央通道。2.在非磷酸化状态形成面向一侧的离子结合位点,ATP也在该侧结合,导致相邻结构域磷酸化,磷酸化后的构象打破原有结合位点状态,使离子面向另一侧被释放。,P型运输ATP酶：Ca2+泵结构,左：Ca2+在非磷酸化状态进入结合位点,右：ATP水解导致P结构域磷酸化,进而导致A结构域位置变化，导致4号和6号螺旋重排，结果原有结合位点被破坏,使Ca2+面向另一侧被释放。,V型运输ATP酶:ATP合成酶和H+泵,位于线粒体内膜和叶绿体类囊膜上，结构完全不同于P型运输ATP酶，由多个亚基组成涡轮状。正常情况下逆向工作：不是水解ATP泵运离子，而是利用H+跨膜梯度驱动ATP合成，即作为ATP合成酶。（H+跨膜梯度何来）可以双向工作，既是ATP合成酶又是H+泵,四、运输蛋白超级家族,各种运输ATP酶同属于ABC运输蛋白超级家族，因为结构中都含2个ATP结合匣（ATPBindingCassette）。,ABC运输蛋白超级家族,ABC运输蛋白超级家族,与医学密切相关的例子：肿瘤细胞膜多药耐药蛋白-在肿瘤细胞膜上过度表达,泵出各种药物,造成非选择性耐药内质网膜-将抗原肽从胞质输入内质网腔,这些肽段经加工将被递呈于质膜表面.,第三节通道蛋白介导的运输,一、原理和特点二、几种通道蛋白及其功能三、神经肌肉传导中的通道激活,一、通道介导运输的原理和特点,原理（机制）：通道蛋白形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物质顺其电化学梯度通过。所运物质全部是离子（Na+、K+、Ca2+）。,与简单充水孔道不同：离子选择性：种类、大小门控性：开关,一、通道介导运输的原理和特点,一、通道介导运输的原理和特点,特点：被动运输速率很高受调控门控-电压、递质gated-voltage-gated,transmittergated,离子通道对电兴奋性细胞有特别重要的意义，是神经冲动传导和肌肉收缩的基础。,突触膜上分布着离子通道,突触synap,离子通道的作用不仅限于电兴奋性细胞。它们普遍存在于所有动物细胞质膜上，并且在植物和微生物上也有作用。请看,二、几种通道蛋白,K+通道与静息电位Na+通道与动作电位（略）K+通道与动作电位（略）Ca2+通道与动作电位（略）乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换,1.K+通道与静息电位,静息电位:-70mV,主要由钾离子膜平衡电位构成,胞内高钾，化学梯度驱使其逸出胞内多阴离子，电梯度吸引其驻留,胞质侧,K+通道与静息电位,提供K+自由跨膜的途径，其平衡电位造成膜静息电位（-70mV）。使K+能被固有阴离子吸引于胞内，然后在Na+-K+泵作用下维持在胞内的高浓度。存在于所有细胞膜上，不需要特异刺激就可打开，所以被叫作K+逸漏通道。,K+channelandrestingpotential,K+通道蛋白结构细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白,入口：带负电氨基酸集中分布，赋予通道对阳离子的选择性,K+通道蛋白结构细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白,中心滤器：羧基氧精确排布,接纳无水K+,赋予通道对K+/Na+的选择性,跨膜运输,5.乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换,神经细胞,肌肉细胞,乙酰胆碱,乙酰胆碱受体,上图:静息状态,下图:激活状态,突触小泡,乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换,乙酰胆碱受体:在神经肌接头处分布于肌细胞膜上研究最多,来源丰富电鱼肌肉在离子通道蛋白中,第一个被纯化、鉴定出氨基酸序列、在人工脂双层上重建、克隆基因,其三维结构了解。,乙酰胆碱:神经递质,位于神经细胞内突触小泡中,神经肌接头:运动神经元与骨骼肌之间的特化突触,乙酰胆碱受体:递质门控的离子通道即：自身是通道蛋白,受乙酰胆碱专一调控而开放将细胞外的化学信号快速转化为电信号。,乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion,问题:如何产生电信号?,乙酰胆碱受体如何将化学信号转变为电信号?与乙酰胆碱结合而活化通道开放阳离子(Na+)内流=细胞外的化学信号转化为电信号,乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电信号转换acytylchorlinandchemical-electricsignalconversion,如何产生电信号?Na+通道开放Na+内流局部膜电位差改变电信号,电信号产生后肌肉如何反应?整个膜电位差改变胞质Ca2+浓度升高肌纤维收缩,乙酰胆碱受体结构,5条肽链组成的糖蛋白五聚体每条肽链折叠成4个螺旋穿越膜层其中2条是相同肽链,上面各有1个乙酰胆碱结合位点当2分子乙酰胆碱结合上五聚体时,就引发其构象变化,造成通道开放。神经肌接头处乙酰胆碱被释放后将被降解。一旦乙酰胆碱与受体（即五聚体）解离,构象恢复,通道将关闭。,乙酰胆碱受体结构,1.乙酰胆碱未结合，通道关闭,2.乙酰胆碱结合，通道开放,3.乙酰胆碱结合，通道关闭,=失活,乙酰胆碱受体结构的三种状态,箭毒用于外科手术,而敌敌畏导致痉挛,一种箭毒能阻断乙酰胆碱受体,使肌肉松弛,用于手术中。敌敌畏(有机磷农药)造成乙酰胆碱受体持续激活,导致肌肉痉挛和昏迷。,三、神经肌肉传导中的通道激活,电压门控Ca2+通道递质门控Na+通道电压门控Na+通道电压门控Ca2+通道？门控Ca2+通道,数个毫秒中,至少5组门控离子通道依次激活,从而实现化学-电信号转换,完成兴奋-收缩偶联。,三、神经肌肉传导中的通道激活,1,2,3,4,5,三、神经肌肉传导中的通道激活,神经冲动到达末梢，质膜电压门控Ca2+通道开放，启动突触小泡释放乙酰胆碱。乙酰胆碱结合于肌细胞质膜上受体，其自身递质门控Na+通道开放。Na+内流改变肌细胞局部膜电位，电压门控Na+通道开放。整个膜电位改变，T管处电压门控Ca2+通道开放。与T管相邻的肌质网膜上Ca2+通道开放。胞质Ca2+浓度突然升高引发肌纤维收缩。,本章重点,疏水分子(如脂类)和少量不带电极性小分子(如乙醇)可以自由扩散过通脂双层,但是机体所需营养物质小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸和无机离子都由膜蛋白介导跨膜运输。执行跨膜运输的膜蛋白叫作膜运输蛋白，分成载体和通道两类。它们在运输机理、特点和对象上都不同。,动画,基本概念（1）,本章重点,在跨膜运输中,被动运输指不需能量的运输,等于易化扩散,即膜运输蛋白帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜。进行被动运输是所有的通道蛋白和一部分载体蛋白。主动运输指需消耗能量的运输，即膜运输蛋白将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜。只有载体蛋白能进行主动运输。它们偶联的能量来源有3种：离子梯度驱动力、ATP驱动泵、光驱动泵。,基本概念（2）,载体蛋白,通道蛋白,carrier,channel,各种离子,离子、氨基酸、单糖、核苷酸等,与所运物质结合,然后自身构象改变将物质在膜另一侧释放。,形成跨膜的充水通道让所运物质通过。,运输原理,运输特点,所运物质,主动或被动运输，与所运物质互相作用较强，运输速度较慢,被动运输，与所运物质互相作用较弱，运输速度较快,186页,表8-5,本章重点,Na+驱动的同向运输载体运输葡萄糖的机理是：载体蛋白的结合位点先向胞外侧开放，葡萄糖和Na+结合于各自位点。然后载体经历了构象变化，结合位点向胞质侧开放，葡萄糖和Na+离开各自位点，由此两者被运入细胞.葡萄糖经历主动运输,能量来自Na+梯度驱动力.,载体介导运输举例（1）,本章重点,Na+-K+泵的作用机制是：1.Na+结合至催化亚基2.ATP水解成ADP,催化亚基被磷酸化3.催化亚基构象变化,Na+被运出细胞4.K+结合至催化亚基5.催化亚基去磷酸化6.催化亚基构象恢复,K+被运入细胞Na+-K+泵的作用是：每水解1分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+,载体介导运输举例（2）