第五章物质跨膜运输

YourcompanysloganLOGO细胞物质运输1.亲水的、极性的、不带电荷的小分子物质的运输：被动运输：简单扩散；水孔蛋白；协助扩散2.离子运输：主动运输P泵；F泵；V泵；ABC泵3.生物大分子的运输：膜泡运输1.COPII有被小泡：介导顺向运输，RERcisGolg2.COPI有被小泡：介导逆向运输MedialGolgicisGolgiRER3.小泡运输：transGolgiPM4.网格蛋白有被小泡运输transGolgibuddingorPMYourcompanysloganLOGO10-210-410-610-810-1010-1210-14Na+K+H2O尿素甘油色氨酸葡萄糖Cl—YourcompanysloganLOGO第五章物质的跨膜运输第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输第二节离子泵和协同运输第三节胞吞和胞吐作用YourcompanysloganLOGO第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白二、被动运输与主动运输YourcompanysloganLOGO一、膜双层的不透性和膜转运蛋白ComponentIntracellularConcentration(mmol·L-1)ExtracellularConcentration(mmol·L-1)CationsNa+K+Mg2+Ca2+H+5～151400.510-47×10-8(pH7.2)14551～21～24×10-8(pH7.4)AnionsCl-Fixedanions**5～15high1100ComparisonofIonConcentrationsInsideandOutsideaTypicalMammalianCellYourcompanysloganLOGO细胞内外的离子差别分布调控机制膜转运蛋白（membranetransportprotein)脂双层所具有的疏水性特性膜转运蛋白的种类载体蛋白（CarrierProtein):Activeorpassive通道蛋白（ChannelProtein):Passive不同点：以不同的方式辨别溶质，决定运输溶质。载体蛋白：只允许与载体蛋白上结合部位相合适的溶质通过，载体蛋白每次转运都发生自身构象的改变,通透酶（permease）性质；通道蛋白：溶质的大小和电荷YourcompanysloganLOGOYourcompanysloganLOGO（一）载体蛋白（CarrierProtein)及其功能:状态A：溶质结合位点在膜外暴露状态B：溶质结合位点在膜内暴露YourcompanysloganLOGO载体蛋白典型定位能源功能葡萄糖载体Na+驱动的葡萄糖泵Na+－H+交换器Na+-K+泵Ca2+泵H+泵H+泵菌紫红质多数动物细胞质膜肾和肠细胞顶部质膜动物细胞质膜大多数动物细胞质膜真核细胞质膜植物细胞、菌类质膜溶酶体、液泡膜细菌质膜Na+梯度Na+梯度ATP水解ATP水解ATP水解光被动输入葡萄糖主动输入葡萄糖、主动输出H+，调节pH主动运输Na+和输入K+主动输出Ca2+从细胞主动输出H+主动输出胞质内H+进入溶酶体或液泡主动运输H+到细胞外Someexamplesofcarrierproteins.YourcompanysloganLOGO通道蛋白形成跨膜的离子选择性（ion-selectivechannnel)通道。离子通道的直径和形状通道内衬带电荷氨基酸的分布（二）通道蛋白及其功能离子通道的3个特征具有极高的转运速率没有饱和值非连续性开放而是门控的离子通道可以分为3类：配体门通道（Ligandgatedchannel）电压门通道（Voltagegatedchannel）应力激活通道(Stress-activatedchannels)YourcompanysloganLOGO电压门通道(voltage-gatedchannels)带电荷的蛋白结构域会随跨膜电位梯度的改变而发生相应的位移，从而使离子通道开启或关闭。配体-门控通道(ligandgatedchannel)这类通道在其细胞内外的某些配体(ligand)与通道蛋白结合继而引起通道蛋白的构象改变，从而使离子通道开启或关闭。应力激活通道(Stress-activatedchannels)通道蛋白感应应力而改变构象，从而开启通道形成离子流。YourcompanysloganLOGO3种类型的离子通道示意图YourcompanysloganLOGOYourcompanysloganLOGO二、被动运输(passivetransport)与主动运输类型：简单扩散(simplediffusion)水孔蛋白（aquaporin,AQP)协助扩散(facilitateddiffusion)被动运输：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。动力:物质的浓度梯度,不需要细胞提供代谢能量。YourcompanysloganLOGO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）膜转运蛋白：载体蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。通道蛋白（channelproteins）——具有离子选择性，转运速率高；离子通道是门控的；只介导被动运输。类型：电压门通道（voltage-gatedchannel）配体门通道（ligand-gatedchannel）压力激活通道（stress-activatedchannel）YourcompanysloganLOGO(一）简单扩散（simplediffusion）简单扩散：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助的方式。简单扩散的限制因素:脂溶性分子大小带电性极性YourcompanysloganLOGO10-210-410-610-810-1010-1210-14Na+K+H2O尿素甘油色氨酸葡萄糖Cl—YourcompanysloganLOGO（二）水孔蛋白(aquaporinAQP)可以以简单扩散的方式比较容易的穿膜。协助扩散是其主要运输途径——水通道。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28，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。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）。YourcompanysloganLOGO2003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。PeterAgreRoderickMacKinnonYourcompanysloganLOGOFig1.Agre’sexperimentwithcellscontainingorlackingaquaporin.Aquaporinisnecessaryformakingthe'cell'absorbwaterandswell.YourcompanysloganLOGOYourcompanysloganLOGOAQP1四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28kDa，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道。通道内高度保守的氨基酸残基（Arg，Hid以及Asp）非常狭窄的通道YourcompanysloganLOGOYourcompanysloganLOGO(三）协助扩散（facilitateddiffusion)协助扩散：是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小的方向的跨膜转运,该过程不需要细胞提供能量,但特异的膜蛋白“协助”物质转运，使其转运速率增加,转运特异性增强。（葡萄糖为例)简单扩散：通透系数，10-7㎝/s协助扩散：通透系数，10-2㎝/sYourcompanysloganLOGO葡萄糖载体(glucosetranspoter,GLUT)高度同源的氨基酸序列12次跨膜的α螺旋多肽跨膜段：疏水性氨基酸残基α螺旋带有Ser、Thr、Asp、Glu残基载体蛋白朝内和朝外的葡萄糖结合位点,从而通过构象的改变完成葡萄糖的协助扩散。YourcompanysloganLOGOGLUT1协助葡萄糖摄取的构象变化模型YourcompanysloganLOGO红细胞和肝细胞的红细胞摄取葡萄糖实验：葡萄糖载体介导的协助扩散比简单扩散转运速率高的多，与酶促反应相似，存在最大转运率（Vmax),Km值，比较不同分子的Km值，可以发现不同的载体蛋白对溶质的亲和性不同，GLUT2比GLUT1低，GLUT-GLUT4在血糖生理浓度下转运葡萄糖、GLUT5转运果糖。YourcompanysloganLOGO（四）主动运输(activetransport)主动运输：是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运方式。LYTUCellBiologyEnergysource:ATP直接供能ATP间接供能光能驱动YourcompanysloganLOGO特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；③都有载体蛋白。类型：三种基本类型ATP驱动泵直接利用水解ATP提供的能量耦联转运蛋白（coupledtransporter）协同运输（cotransport）同向协同（symport）与反向协同（antiport）光驱动泵（light-drivenpump）YourcompanysloganLOGO驱动主动运输的三种不同类型YourcompanysloganLOGO第二节离子泵和协同运输ATP驱动泵的功能：逆浓度梯度转运离子和各种小分子ATP驱动泵都是跨膜蛋白ATP结合位点，ATPaseATP驱动泵的类型P—型离子泵V—型质子泵F—型质子泵ABC超家族主要转运小分子只转运离子YourcompanysloganLOGOYourcompanysloganLOGO一、P—型离子泵(P-classionpump)（一）钠钾泵（Na+—K+pump，Na+—K+ATPase）：动物细胞内是高K+低Na+，而外环境则高Na+低K+。这种明显的离子梯度显然是由于Na+或K+逆浓度梯度主动运输的结果，执行这种运输功能的体系称为K+，Na+-泵，也称为K+，Na+-ATP酶。动物细胞：消耗1/3的ATP；神经细胞：消耗2/3的ATP2个独立的α催化亚基ATP结合位点2个独立的β催化亚基α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，改变构象，实现离子跨膜转运。YourcompanysloganLOGONa+，K+泵的结构K+，Na+-泵由α和β二个亚基组成；α亚基是跨膜多次的整合蛋白，具ATP酶活性；β亚基是具有组织特异性的糖蛋白；Na+，K+泵的运行机制◎α亚基与Na+相结合促进ATP的水解；◎α亚基上的天冬氨酸残基磷酸化，引起α亚基构象变化，将Na+泵出细胞；◎同时K+与α亚基的另一位点结合，使去磷酸化；引起α亚基构象变化，将K+泵进细胞。YourcompanysloganLOGO◎Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替发生，1000次/s。◎每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和2个K+，--极少量的乌本苷(ouabain)抑制K+，Na+-泵活性，--Mg2+和少量的膜脂有助于K+，Na+-泵的活性的提高；◎Na+，K+—泵存在于一切动物细胞的细胞膜上。◎动物细胞靠ATP水解供能驱动Na+，K+—泵工作，结果造