第五章物质的跨膜运输

第五章物质的跨膜运输MEMBRANETRANSPORT•细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢废物的排除和细胞内离子浓度的调节，又能使细胞维持相对稳定的内环境。因此，物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。内容提要•第一节、被动运输•一、简单扩散•二、协助扩散•第二节、主动运输•一、钠钾泵•二、钙离子泵•三、质子泵四、ABC转运器五、协同运输第三节、膜泡运输的基本概念一、吞噬作用二、胞饮作用三、外排作用四、穿胞运输•据估计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2/3。•细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）。–载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。–通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。MembraneTransportProteins第一节被动运输被动运输（passivetransport）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。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量，可分为简单扩散和协助扩散。一、简单扩散•也叫自由扩散（freediffusion）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没有膜蛋白的协助。•某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：•P=KD/t•t为膜的厚度。•人工膜对各类物质的通透率：•脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；•非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；•小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；•人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。二、协助扩散•也称促进扩散（facilitateddiffusion）。•特点：⑴比自由扩散转运速率高；⑵运输速率同物质浓度成非线性关系，存在最大运转速率；⑶特异性；⑷细胞膜上存在膜转运蛋白，饱和性。•膜转运蛋白：载体蛋白（或离子载体）和通道蛋白两种类型。（一）离子载体（ionophore）•离子载体（ionophore），是疏水性小分子，可溶于双脂层，提高转运离子的通透率，是以被动运输方式运输离子。•分为两类：–可动离子载体（mobileioncarrier）：如缬氨霉素（valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓度梯度转运K+。DNP（2,4-二硝基酚）和FCCP（羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼）可转运H+。–通道离子载体（channelformer）：如短杆菌肽A（granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。ValinomycinGramicidinAanantibioticthatactsasanionpore.（二）通道蛋白（channelprotein）•是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。•目前发现的通道蛋白已有100余种，有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；•有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gatedchannel）。主要有4类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。•离子通道的显著特征：1.具有离子选择性；对转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s；驱动带电荷的溶质跨膜转运的净驱动力有两种，一种是溶质的浓度梯度，另一种是跨膜电位差；2.离子通道是门控制的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。离子通道在神经元与肌细胞冲动传递过程中起重要作用。IonChannels----or----1、配体门通道(ligandgatedchannel)•特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。•可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。•乙酰胆碱（Ach）受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位。NicotinicacetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptor2、电位门通道(voltagegatedchannel)•特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。•K+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)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。•K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。•Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。VoltagegatedK+channelK+channel4thsubunitnotshownIon-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。3、环核苷酸门通道•CNG通道与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段。细胞内的C末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。•CNG通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。–如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gatedcationchannel），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。4、机械门通道•感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导（mechanotransduction）。•目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。•牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。5、水通道•水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。•1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD），他将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，5分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。•2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。•目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（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。PeterAgreRoderickMacKinnon水通道的活性调节可能具有以下途径：通过磷酸化使AQP的活性增强；通过膜跑运输改变膜上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。第二节主动运输•主动运输的特点是：–①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；–②需要能量；–③都有载体蛋白。–④具有选择性和特异性。•主动运输所需的能量来源主要有：–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。一、钠钾泵•构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。•工作原理：–Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。Na+-K+ATPPUMPNa+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition•钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。•Na+-K+泵的作用：•①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；•②维持低Na+高K+的细胞内环境；•③维持细胞的静息电位。•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。二、钙离子泵•作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。•位置：质膜和内质网膜。•类型：–P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，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。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange•1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，位于真核细胞的细胞膜上，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）。•2、V-type：存在于各类小泡(vacuole)膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、植物液泡膜上。•3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。三、质子泵FourtypesofATP-poweredpumps四、ABC转运器•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，不同的转运器可转运离子、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。MammalianMDR1protein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。五、协同运输cotransport•是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。•物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。–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