第5章物质跨膜运动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输,1,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白,典型哺乳类细胞内外离子浓度的比例,组分,细胞内浓度,细胞外浓度,阳离子 Na,+,515,145,K,+,140,5,Mg,+,0.5,12,Ca,+,10,-4,12,H,+,710,-4,12,阴离子 Cl,-,515,110,细胞内外的浓度差对于维持细胞的存活和功能至关重要。,2,（一,）载体蛋白carrier proteins：,载体、通透酶和转运器，介导被动运输与主动运输,3,A 电压门通道,B,C 配体门通道,D 应力激活通道,6,电位门通道,(voltage gated channel,),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+,、,Ca,2+,电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。,K,+,channel,7,Voltage gated K,+,channel,K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠(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,8,配体门通道,(ligand gated channel),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,氨基丁酸受体。,Ach,受体由,4,种亚单位（,2,）组成。,Three,conformation of,the acetylcholine receptor,9,10,11,Nicotinic acetylcholine receptor,12,机械门通道,机械信号转导：将摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等机械刺激的信号转化为,电化学信号,，引起细胞反应的过程。,两类机械门通道:一是牵拉活化或失活的离子通道（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），另一类是剪切力敏感的离子通道（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,+,、Ca,2+,，以Ca,2+,为主。,13,水孔蛋白：,水分子的跨膜通道,1991,年,Agre,发现第一个水通道蛋白,CHIP28,（,28KD,），,CHIP28,的,mRNA,能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被,Hg,2+,抑制,目前在人类细胞中已发现至少,11,种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（,Aquaporin,，,AQP,）,14,15,2003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。,16,通过,简单扩散,或,协助扩散,实现物质由,高,浓度向,低,浓度方向的跨膜运动。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,。,运输物质：水、离子、非极性分子、极性分子,二、被动运输 passive transport,17,（一）简单扩散,跨膜物质溶解在膜脂中,从膜脂一侧扩散到另一侧,最后进入细胞质水相中,其通透性主要取决于分子大小和分子的极性。,18,简单扩散，,也叫自由扩散（free diffusion）：,特点：,沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散,不需要提供能量,没有膜蛋白协助,通透性,P=KD/t,K,为分配系数，,D,为扩散系数，,t,为膜的厚度,19,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,H,2,O,、,O,2,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。,人工膜对各类物质的通透率：,20,也称促进扩散,（二）协助扩散,特点：,沿浓度梯度（或电化学梯度）跨膜转运；,不需要细胞提供能量；,特异性膜蛋白的协助。,21,比自由扩散转运速率高；,存在最大转运速率；,特异性；,存在膜转运蛋白，饱和性。,*载体：离子载体和通道蛋白两种类型。,与协助扩散相比其特点：,22,三、主动运输 active transport,定义：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,的一侧向浓度,高,的一侧进行跨膜转运的方式。此过程需要细胞提供能量。,23,逆浓度梯度,（逆化学梯度）运输,；,主动运输的特点是：,需要能量,；,都有载体蛋白。,主动运输所需的,能量来源,主要有：,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。,24,（一）钠钾泵:,由ATP直接提供能量的主动运输,Na+,Na,+,(10),Na,+,Na,+,Na+,Na,+,Na,+,Na+,Na+,Na,+,Na+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K,+,(140),K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K,+,(4),K,+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na,+,(150),Na+,K+,K+,动物细胞内低Na+,高K+的离子环境，,为什么膜内外两侧,能够维持如此,大的离子浓度差？,25,Na,+,-K,+,ATP酶：,2个大亚基：12,0000，起主要作用，跨膜多次的整合膜蛋白，具有,ATP酶活性,2个小亚基组成：5,5000，辅助作用，糖蛋白。,机制：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,+,ATP的亲和力发生变化。,26,工作原理：,这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K 的亲和力高，,在,膜内侧,Na,+,+ATPase,激活ATP酶活性,ATP ADP+Pi,Na,+,-ATPase-p,构象发生变化,Na,+,结合的部位转向膜外侧,在膜外侧释放 Na,+,、而与K,+,结合,K,+,-ATPase-Pi,促使酶去磷酸化，,K,+,-ATPase,与K,+,结合的部位转向膜内侧,使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。,27,每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na,+,，转进两个K,+,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。,28,29,30,维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；,Na,+,-K,+,泵的作用：维持低Na,+,高K,+,的细胞内环境；,维持细胞的静息电位。,地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；,Mg,2+,和少量膜脂有助提高于其活性。,31,（二）质子泵的类型,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-,合成酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上,32,Four types of ATP-powered pumps,33,（三）钙离子泵,作用：,将,Ca,+,输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，维持细胞内较低的钙离子浓度,（细胞内钙离子浓度,10,-7,M,，细胞外,10,-3,M,）。,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,Ca,2+,。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,+,-Ca,2+,exchanger,），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,34,Ca,+,ATPase,Maintains low cytosolic Ca,+,Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca+ATPase,Conformation change,35,（四）ABC 转运器,最早发现于细菌，是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（,ATP binding cassette,）,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；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。,36,Mammalian MDR1 protein,ABC转运器与病原体对药物的抗性有关。,MDR,（,multidrug resistance protein,）,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。,37,（五）协同运输,cotransport,靠间接提供能量完成的主动运输方式。,所需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。,植物细胞和细菌常利用,H,+,浓度梯度来驱动。,分为：同向协同（,symport,）和反向协同（,antiport,）。,38,同向协同（,symport,）,如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着,Na,+,的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着,H,+,的进入。,反向协同（,antiport,）,如,Na,+,驱动的,Cl,-,-HCO,3,-,交换，即,Na,+,与,HCO,3,-,的进入伴随着,Cl,-,和,H,+,的外流，如存在于红细胞膜上的带,3,蛋白。,39,40,41,Glucose is absorbed by symport,42,43,第三节 胞吞作用与胞吐作用,44,胞饮作用,胞吞作用,吞噬作用,胞吐作用,真核细胞通过,内吞作用,和,外排作用,完成,大分子与颗粒性物质,的跨膜运输。,细胞的内吞和外排活动总称为,吞排作用,（cytosis）。如蛋白质、多核苷酸、多糖等。,在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。,45,这种形式运输过程中涉及膜的融合和断裂，因此也需要能量，属于主动运输。,完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输，属于主动运输。,46,一、吞噬作用 phagocytosis,细胞,内吞,较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。形成的囊泡较大，叫吞噬泡，形成吞噬泡时需要,微丝,及其结合蛋白的帮助。,47,48,二、胞饮作用 pinocytosis,细胞吞入,液体,或,极小,的颗粒物质，形成的囊泡较小，形成囊泡时需要,网格蛋白、接合素蛋白,。,49,胞吞作用,胞饮作用与吞噬作用的区别,50,51,Selective transport by clathrin coated vesicles,52,三、胞吐作用 exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。,53,54,本章结束,55,