第四节课物质跨膜运输

物质的跨膜运输

MembraneTransport授课教师：刘亚联系方式：liuya1972@163.com第五章10/15/20231教学安排

计划学时：2学时

主要内容：膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输

ATP驱动泵与主动运输胞吞作用与胞吐作用

讲授重点：膜转运蛋白主动运输10/15/20232§1膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输脂双层的选择通透性10/15/20233细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的1/3(神经细胞可达2/3）。两类主要转运蛋白：载体蛋白(carrierprotein)：又称做载体、通透酶和转运器。通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。10/15/20234二、膜转运蛋白(membranetransportprotein)（一）载体蛋白(carrierprotein)：通透酶(permease)

多次跨膜蛋白通过构象改变进行跨膜转运

高度特异性，可饱和性，存在竞争性及非竞争性抑制剂不同部位生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白10/15/2023510/15/20236（二）通道蛋白3种类型：离子通道、孔蛋白(porin)、水孔蛋白(AQP)

离子通道:与离子泵共同调节细胞内离子浓度及跨膜电位

选择性高：通道直径、形状、通道内荷电氨基酸分布

3个特征（与载体蛋白比）转运速率高：接近自由扩散理论值（顺电化学梯度）没有饱和值门控

配体门通道(ligand-gatedchannel)

电压门通道(voltage-gatedchannel)

应力激活通道(stress-activatedchannel)10/15/202371.配体门通道(ligandgatedchannel)

特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变，“门”打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。Ach受体由4种亚单位（α2βγδ）组成。10/15/20238Nicotinicacetylcholinereceptor10/15/20239环核苷酸配体门通道CNG结构与钠电位门通道相似。细胞内的C末端较长，有环核苷酸的结合位点。分布于化学和光感受器中。如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。10/15/2023102.电位门通道(voltagegatedchannel)特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。结构：四聚体，每个单体跨膜6次。Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。10/15/202311VoltagegatedK+channelK+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠(P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器10/15/202312K+channel4thsubunitnotshown10/15/202313Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。10/15/2023143.应力激活通道(stress-activatedchannel)感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道对牵拉敏感:为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜对剪切力敏感:仅发现于内皮细胞和心肌细胞10/15/20231510/15/2023164.水通道/水孔蛋白质(aquaporin,AQP)1989年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD)广泛存在于各物种细胞质膜：细菌、动物、植物AQP1对水分子高度特异：两个半跨膜区的Asn-Pro-Ala中Asn所带正电荷排除了质子的通过有些AQP不局限于水分子：AQP7于甘油、AQP8于尿素10/15/202317水孔蛋白分布与结构示意图10/15/2023182003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。PeterAgreRoderickMacKinnon

10/15/2023195.孔蛋白(porin)分布：G-菌及线粒体和叶绿体外膜跨膜区由β-折叠片层形成柱状亲水通道选择性低能通过较大分子：5X10310/15/202320三、小分子物质跨膜运输类型根据是否需要膜转运蛋白及能量，分为：简单扩散(simplediffusion)、被动运输(passivetransport)和主动运输(activetransport)。10/15/202321（一）简单扩散(simpleduffusion)

特点

顺电化学梯度无需能量无需载体蛋白通透性取决于分子大小与极性

P=KD/tP:通透性

K:油/水分配系数

D:扩散系数

t:膜厚度10/15/202322（二）被动运输(passivetransport)又称协助扩散(facilitateddiffusion)。

特点

顺电化学梯度

需转运蛋白不需能量

转运的物质：极性小分子、无机离子10/15/202323§2主动运输与ATP驱动泵一、主动运输(activetransport)特点逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。能量来源协同运输中的离子梯度动力；ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。10/15/202324一、P-型泵(P-typepump)

2个α催化亚基（结合ATP），2个β调节亚基，水解ATP形成磷酸化中间体，称作P-型泵。（一）Na+-K+泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATPase，分布于动物细胞的质膜。工作原理：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出３个Na+，２个K+。10/15/202325Na+-K+ATPPUMPNa+依赖性的磷酸化与K+依赖性去磷酸化引起Na+-K+泵构象有序变化

1000次/秒每循环消耗1分子ATP，泵出3个Na+，泵入2个K+10/15/202326Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition10/15/202327维持细胞的渗透性，保持细胞体积；维持低Na+高K+的细胞内环境；维持细胞的静息电位。钠钾泵的作用地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。10/15/202328（二）钙离子泵作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。位置：质膜、内质网膜。类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。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。10/15/202329Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange10/15/202330二、质子泵P-type：如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。V-type：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。F-type：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。10/15/202331三、ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名。一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。10/15/202332MammalianMDR1proteinABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。10/15/2023334种类型ATP驱动泵10/15/202334四、协同运输(cotransport)靠间接提供能量完成主动运输动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。分为同向协同（symport）反向协同（antiport）10/15/202335同向协同（symport）：偶联物运输方向相同如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随