细胞生物学课件4

1第章物质的跨膜运输膜转运蛋白与物质跨膜运输胞吞作用与胞吐作用离子泵和协同转运44ransmembraneTransportTTransmembranetransport4.1膜转运蛋白与物质的跨膜运输4.1膜转运蛋白与物质的跨膜运输Ì脂双层的不透性Ì膜转运蛋白Ì被动运输与主动运输P101-109TransmembranetransportÌ典型哺乳动物细胞外离子浓度的比较*问题：为什么细胞内外离子差别分布？p101Transmembranetransport4.1.1膜转运蛋白4.1.1膜转运蛋白Ì类型：z载体蛋白（carrierprotein）¾z通道蛋白（channelprotein）Transmembranetransport载体蛋白，carrierprotein载体蛋白，carrierproteinÌ发现：z细菌质膜上：细菌单基因突变Ö半乳糖跨膜运输被阻断Ì性质：z几乎存在于所有生物膜上，多次跨膜的蛋白质分子；z能与特定的溶质分子结合、改变构象；z细胞不同的膜含有各自膜功能相关的载体蛋白。载体蛋白举例：p103表5-2Transmembranetransport载体蛋白，carrierprotein载体蛋白，carrierproteinÌ作用方式：z与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的模型p1022Transmembranetransport载体蛋白，carrierprotein载体蛋白，carrierproteinÌ特征：①与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运；——特异性、高度选择性；②转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征，具有竞争性抑制、非竞争性抑制、对pH有依赖性等酶的特性（故又称通透酶，permease）但不对转运分子作任何共价修饰。Transmembranetransport通道蛋白，channelprotein通道蛋白，channelproteinÌ发现：神经元Ì性质：z普遍存在于真核细胞质膜与内膜；z形成跨膜的离子选择性通道‹依赖离子通道的直径和形状、电荷（不需要与溶质分子结合）Ì分布：z线粒体、叶绿体外膜：孔蛋白z离子通道：p103表5-3Transmembranetransport通道蛋白，channelprotein通道蛋白，channelproteinÌ特征：1、转运速率极高；‹107-108个离子/秒/通道‹比任一载体蛋白最快转运速率高1000倍以上2、离子通道没有饱和值；3、非连续性开放，是门控的(gating)‹电压门通道‹配体门通道‹应力激活通道Transmembranetransport门通道（gatedchannel）门通道（gatedchannel）Mostofthechannelproteinsareionchannels,includingthreetypes,withionchannelsthattheycanbeopenedandclosed:Gatingp104Transmembranetransport电压门通道,voltagegatedchannel电压门通道,voltagegatedchannelKK+channelchannelTransmembranetransport配体门通道，ligandgatedchannel配体门通道，ligandgatedchannel烟碱乙酰胆碱受体3Transmembranetransport神经肌肉接头处离子通道的作用神经肌肉接头处离子通道的作用神经肌肉接点由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。Transmembranetransport水通道（waterchannel）水通道（waterchannel）Ì1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD）；Ì2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖;Ì2007年3月，中科院上海应用物理所方海平课题组破解水分子如何进细胞。TransmembranetransportÌ主动运输Ì膜泡运输Ì被动运输大分子物质的转运小分子物质的转运Transmembranetransport4.1.2被动运输，passivetrnsport4.1.2被动运输，passivetrnsportÌ是指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转运Ì方式：z简单扩散，simplediffusionsimplediffusionz协助扩散，facilitateddiffusionp104TransmembranetransportDiffusionofsmallmoleculesacrossphospholipidbilayers简单扩散，simplediffusion简单扩散，simplediffusionPermeabilityofsmallmoleculesthroughsyntheticlipidbilayers.Transmembranetransport简单扩散，simplediffusion简单扩散，简单扩散，simplediffusionsimplediffusionÌ概念：z疏水小分子或小的不带电荷的极性分子进行跨膜转运时，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，因此称为简单扩散Ì特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜转运蛋白的协助Ì通透性：P=KD/dÌ思考并比较：扩散与渗透p1054Transmembranetransport*水孔蛋白，aquaporin，AQP*水孔蛋白，aquaporin，AQPTransmembranetransport*水孔蛋白，aquaporin，AQP*水孔蛋白，aquaporin，AQPP107图5-4Transmembranetransport*水孔蛋白，aquaporin，AQP*水孔蛋白，aquaporin，AQPÌ4个亚基组成的四聚体（6个α螺旋/亚基）Ì对水分子高度特异性z通道内高度保守的氨基酸残基侧链与水分子形成氢键z孔径狭窄。Transmembranetransport协助扩散（facilitateddiffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）Ì是各种极性分子和无机离子（如糖、氨基酸、核苷酸、细胞代谢物等）通过膜转运蛋白协助，顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜转运过程；Ì特点：z顺浓度梯度运输；z不需要消耗能量；z需膜转运蛋白协助——特异性；z转运速率快。Transmembranetransport协助扩散（facilitateddiffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）Ì简单扩散与协助扩散存在最大转运速率不同载体蛋白对溶质的亲和性不同Transmembranetransport4.1.3主动运输,activetransport4.1.3主动运输,activetransportÌ是由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式Ì特点：z逆浓度梯度或电化学梯度z需载体介导：特异性＋可变性z消耗能量‹能量来源：①协同运输中的离子梯度动力；②ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。p1085Transmembranetransport4.1.3主动运输,activetransport4.1.3主动运输,activetransportÌ类型：zATP驱动泵——ATP直接提供能量z偶联转运蛋白——间接提供能量z光驱动泵——光能驱动P108图5-7Transmembranetransport*ATP驱动泵*ATP驱动泵Ì是ATP酶（ATPase）Ì4种类型：P-型、V-型、F-型、ABC超家族Ì直接利用水解ATP产生的能量实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动Ì转运离子数：10-1000/秒Ì又称初级主动运输。Transmembranetransport*偶联转运蛋白*偶联转运蛋白Ì类型：z同向转运蛋白(symporter)z反向转运蛋白(antiporter)Ì使一种离子或分子逆浓度梯度的运动与一种或多种不同离子顺浓度梯度的运动偶联起来——协同转运蛋白Ì转运分子数：102-104Ì又称次级主动运输。Transmembranetransport*光驱动泵*光驱动泵Ì主要发现于细菌细胞Ì对溶质的主动运输与光能的输入相偶联。Transmembranetransport4.2离子泵和协同转运4.2离子泵和协同转运ÌATP驱动泵的类型zP-型离子泵zV-型质子泵zF-型质子泵zABC超家族：转运小分子转运离子Transmembranetransport6Transmembranetransport4.2.1P-型离子泵4.2.1P-型离子泵Ì结构：z2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；z2个小的β亚基——调节作用Ì转运过程：z至少一个α亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子跨膜转运。Transmembranetransport4.2.1P-型离子泵4.2.1P-型离子泵ÌNa+-K+泵TransmembranetransportNa+-K+泵的活动模型Na+-K+泵的活动模型TransmembranetransportNa+-K+泵的作用Na+-K+泵的作用Ì产生、维持膜电位；Ì维持渗透平衡（控制胞内溶质浓度——低Na+高K+，改变渗透压），保持细胞容积恒定。Transmembranetransport钙泵钙泵Ì钙泵——位于细胞膜、肌浆网膜Ì使细胞内Ca2+保持低浓度Ì可作为ATPase（P型），也可作为对向运输器（Na+-Ca2+交换器）Transmembranetransport钙泵钙泵ÌCa2+-ATPase：z约1000氨基酸残基构成10次穿膜的α螺旋z氨基序列类似Na+-K+-ATPase的大亚基Ì工作原理：z肌细胞去极化，Ca2+释放（肌浆网→细胞质），刺激肌肉收缩；zCa2+泵将细胞质中的Ca2+泵至肌浆网z整个周期伴随磷酸化、去磷酸化过程z每水解1个ATP分子，可转运2个Ca2+进入肌浆网。7Transmembranetransport4.2.2V-型质子泵与F-型质子泵4.2.2V-型质子泵与F-型质子泵转运质子，转运过程中不形成磷酸化的中间体功能H+-ATP合成酶（F1F0-ATPase）膜泡质子泵其它名称H+顺浓度梯度运动，与ATP合成偶联起来利用ATP水解供能，逆浓度梯度，从胞质泵H+入细胞器作用方式含有几种不同的跨膜和胞质侧亚基结构细菌质膜、线粒体内膜、叶绿体类囊体膜动物细胞：内体、溶酶体膜、破骨细胞膜、肾小管细胞膜植物、酵母、真菌等分布F-型质子泵V-型质子泵项目Transmembranetransport4.2.3ABC超家族4.2.3ABC超家族ÌABCsuperfamilyÌABCtransporterÌABC=ATP结合盒式蛋白ATP-bindingcassettetransporterTransmembranetransport4.2.3ABC超家族4.2.3ABC超家族Ì最早发现于细菌，为一个庞大的蛋白家族，每个成员都有2个高度保守的ATP结合区，它们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧Ì每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质；ÌABC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。Transmembranetransport4.2.3ABC超家族4.2.3ABC超家族Ì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