第五章-跨膜转运.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,*,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,*,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,*,第五章 物质的跨膜运输,细胞质膜是细胞和细胞外环境之间的一种,选择性通透屏障,，它既能保障细胞对营养物质的摄取，保障代谢产物的排除，又能,调节细胞内离子浓度,，使细胞保持相对稳定的内环境。,细胞质膜是,选择性,通透屏障,脂溶性分子和小的不带电的分子能以简单扩散的方式通过。,对多数水溶性分子和离子的透过需要,膜转运蛋白,。,结果：,活细胞内外的离子浓度明显不同：细胞内高钾，低钠。,细胞内的,pH,值为,7.2,，细胞外的,pH,值为,7.4,，即细胞内,H,+,离子浓度略高于细胞外。,水相,油相,水相,第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输,膜转运蛋白：,是内在（整合）膜蛋白,。,辨别溶质（转运底物）的方式的不同,载体蛋白,：溶质需与载体蛋白上的结合部位相适合，,通过载体蛋白,构象变化,运输物质。,通道蛋白,：根据溶质的大小和电荷来辨别可否通过，,形成通道、运输物质,载体蛋白又称为通透酶（,permease,），无催化功能。,底物的特异性,：一种载体蛋白只能转运一种类型的底物。,具有饱和动力学特征,：当达到饱和时，增加底物浓度不能增高转运速率。,可被底物类似物竞争性抑制,：抢占结合位点。,可被抑制剂非竞争性抑制,：改变载体蛋白结合位点构象，不再与底物结合。,对,pH,有依赖性,。,载体蛋白的特征,通道蛋白及其功能,少数,形成,非选择性,通道，如,孔蛋白,。,绝大多数,形成,离子选择性,通道，又称为离子通道。其选择性依赖于通道的直径和形状以及电荷，不需要与溶质结合。,具有,极高的转运速率,，接近自由扩散的理论值。,驱动力,来自跨膜的电化学梯度，运输的方向顺电化学梯度进行,。,没有饱和值,。,并非连续性开放而是,门控,的，构象的改变,受控于细胞信号,。,离子通道的特征：,通道蛋白的分类：,根据激活信号,电压门控通道（,voltage-gated channel),：,跨膜电位梯度的变化,致使其构象变化，,从而使通道,打开或关闭。,配体门控通道（,ligand-gated channel),：细胞内、外的,配体与通道蛋白结合,，引起通道蛋白发生构象变化，,从而使通道,打开或关闭。,应力激活通道（,stress-activated channel),：感受应力（摩擦力、压力等）而改变构象，启动通道开放，形成离子流。,二、被动运输与主动运输,被动运输,概念：是通过,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转。,特点：运输方向由高浓度向低浓度,能量消耗 无,类型：简单扩散（,simple diffusion,）,协助扩散（,facilitated diffusion,）,(,一,),简单扩散,通透性决定于：分子的大小，脂溶性（极性）大小。,概念：是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子的跨膜运输方式。,溶解在膜脂中，从膜脂一侧扩散到另一侧，最后进入水相。,特点：,沿浓度梯度扩散；,不需要提供能量；,没有膜蛋白的协助。,（二）水孔蛋白,水分子简单扩散的速率很低，不能满足特殊组织和功能的需要，人们推测膜上有水通道。,目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有,11,种，被命名为水孔蛋白（,Aquaporin,，,AQP,）。,是内在膜蛋白；,存在于特异性组织细胞,；是水分子快速跨膜转运,通道,；只允许水分子通过。,（四）主动运输,概念：主动运输（,active transport,）是指由,载体蛋白介导,的物质,逆,浓度梯度（或电化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。,特点：,运输方向；膜转运蛋白；消耗能量,进行主动运输的物质：,各种离子（如钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子、钙离子等）。,葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子。,主动运输能量的来源不同：,1.ATP,间接提供能量(耦联/协同转运蛋白)：,同相/反相转运蛋白，同时转运两种溶质，一种(,Na,+,或,H,+,),形成电化学梯度为另一种分子运输提供驱动力。,2.ATP,直接提供能量（,ATP,驱动泵）：是,ATP,酶。,3.,光能驱动：在细菌中，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联。,蛋白质的四级结构,亚基,第二节 离子泵和协同运输,ATP,驱动泵：也称,ATP,酶，催化,ATP,水解而释放能量；是整合膜蛋白，载体蛋白。在膜的原生质表面有,ATP,结合位点。根据结构和功能特性可分为,4,类：,P-,型离子泵，,P-,型质子泵，,V-,型质子泵，,F-,型质子泵,，,和,ABC,超家族。,转运离子,转运小分子,转运,H,+,离子，即质子,转运,Na,+,K,+,Ca,2+,等,（一）钠钾泵：,也叫,Na,+,-K,+,ATP,酶,构成与分布,：由,2,个,亚基、,2,个,亚基组成的,4,聚体，分布于动物细胞的质膜上。,功能：,逆浓度梯度和电化学梯度泵出,Na,+,泵入,K,+,维持细胞内低,Na,+,高,K,+,的离子环境，对神经冲动的传播和维持细胞的渗透平衡时非常重要,。,一、,P,-,型离子泵:,2个,催化亚基，,ATP,结合位点，,磷酸化和去磷酸化,，泵蛋白构象改变，实现离子的跨膜转运。,Na,+,-K,+,ATP PUMP,1.,3Na,+,结合到结合位点上,2.,ATP,水解；,亚基磷酸化,3,.,亚基构象变化,4.,3N,a,+,释放到细胞外,5.,2K,+,结合；去磷酸化,6.,2K,+,释放到细胞内，,亚基,构象恢复原始状态。,工作原理,：,E-,e,nzyme,酶；,E1,E2:,酶的不同构象,每一循环,消耗一个,ATP,；转运,出三个,Na,+,，转,进两个,K,+,。是一种基本的、典型的主动运输方式。,Na,+,-K,+,泵的作用：,维持细胞的渗透压，保持细胞的体积；,维持低,Na,+,高,K,+,的细胞内环境；,维持细胞的静息电位。,工作原理,：,1.,2,Ca,2+,与位点结合,2.,ATP,水解；磷酸化,3.,构象改变，破坏,Ca,2+,结合位点并释放,Ca,2+,到膜的另一侧,4.,去磷酸化,每,消耗一个,ATP,分子，泵出,2,个,Ca,2+,。,功能：,于,细胞膜和内质网膜,上，它将,Ca,2+,输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以,维持细胞内低浓度的游离,Ca,2+,。,在,肌细胞的肌质网膜,上，,在肌质网内储存,Ca,2+,，对调节肌细胞的收缩运动是至关重要的。钙泵占膜整合蛋白的80%以上。,二、质子泵,1,、,P-type,：利用质子泵自,磷酸化,发生构象的改变,向细胞外转移质子,，如植物细胞、真菌和细菌的质膜上的,H,+,泵、动物胃表皮细胞的,H,+,-K,+,泵。,2,、,V-type,：由多亚基构成，位于动物细胞,溶酶体膜,、破骨细胞和肾小管细胞的质膜以及植物细胞、真菌和细菌,液泡膜,上，故又称膜泡质子泵,(vacuolar proton pump),。其水解,ATP,产生能量，但,不发生磷酸化,。,将,H,+,从细胞质基质泵入细胞器,，以维持基质的,pH,中性和细胞器内的,pH,酸性。,3,、,F-type,：由多亚基构成，位于,细菌质膜,，,线粒体内膜,和植物细胞的,类囊体膜,上。,顺,H,+,浓度梯度转运质子,。利用,释放的能量合成,ATP,，也叫,H,+,-,ATP,合成酶,。,Mammalian MDR1 protein,MDR1,（,multidrug resistance protein1，,多药抗性蛋白1）是第一个被发现的真核细胞,ABC,转运器，在癌细胞内该基因常过度表达。,水解,ATP，,并,将脂溶性药物（抗肿瘤药物）逆浓度梯度从细胞质内转运到细胞外,，降低细胞内药物浓度，产生抗药性。,四、,协同转运（,cotransport,）,是一类由,Na,+,-K,+,泵或,H,+,泵与,载体蛋白,协同作用，靠间接消耗,ATP,完成的,主动运输,方式。,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,。,根据物质（葡萄糖、氨基酸）运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，可分为：,同向转运（,symport,）与反向转运（,antiport,）。,第三节 胞吞作用（,endocytosis,）与胞吐作用（,exocytosis,）,大分子与颗粒性物质的跨膜运输,膜泡运输,:,转运过程中，物质包裹在囊泡中。,批量运输,：,同时转运一种或多种数量不等的,大分子与颗粒性物质。,属于,主动运输：,消耗能量,胞吞作用（,endocytosis),：,内吞作用，入胞作用,通过,细胞质膜内陷,形成囊泡,(,胞吞泡），包裹外界物质（如营养物质）并将之输入细胞的过程。,胞饮作用,（,pinocytosis,）,:,胞吞物为溶液。,吞噬作用,（,phagocytosis,）：胞吞物为颗粒，如微生物。,胞饮与吞噬作用的,3,点区别：,吞噬作用在多细胞动物体内，只见于某些特化细胞，如巨噬细胞，中性粒细胞。,胞吞作用,非特异性胞吞作用,受体介导的胞吞作用：胞饮和吞噬,受体介导的胞饮作用,大分子转运物,(ligand),与细胞质膜上互补受体,(receptor),结合。,网格蛋白,/,笼状蛋白（,clathrin,),聚集在膜下的一侧，通过结合素蛋白（,adaptin,),与跨膜受体结合，形成复合物。,细胞质膜逐渐凹陷，形成,有被小窝,(clathrin coated pit),。,发动蛋白,/,动力素,(dynamin),在颈部组装成环。,dynamin,水解,GTP,并引起颈部缢缩，形成,有被小泡,(clathrin coated vesicle),脱离细胞质膜。,有被小泡,脱包被,，,并与早期胞内体融合,，将转运物与部分胞外液体以及膜上受体摄入细胞。,受体介导的胞吞作用,受体的去向：,大部分受体返回原来的质膜区域；,有些受体被溶酶体消化降解；,有些受体被运至质膜的不同结构域，,转胞吞作用,。,特点,是一种选择性浓缩机制：大量摄入大分子物质，避免大量摄入胞外液体。,是大多数动物细胞摄取特定大分子的有效途径。,受体介导的胞吞作用,（三）胞吐作用：,将分泌泡或膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞。,组成型胞吐途径,分泌蛋白,合成后立即包装入高尔基复合体的分泌囊泡中，然后被迅速带到细胞膜处排出。,所有真核细胞，连续分泌,过程,转运途径,：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面,用于质膜更新（膜脂、膜,蛋白），胞,外基质,组分，营养,或,信号分子。,调节性途径,细胞分泌的蛋白，储存于特定的分泌囊泡中，,只有当接受细胞外信号,（如激素、神经递质）时，分泌囊泡才移至细胞膜处，与其融合将分泌物排出。,特化的分泌细胞,储存,刺激,释放,产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）,五、离子的跨膜转运与膜电位,膜电位：,离子的跨膜运输在造成膜两侧的浓度差的同时也造成电位差，这些,电位差的总和,称为膜电位。,静息电位：,细胞在静息状态下的膜电位称静息电位,是细胞质膜内外相对稳定的电位差，,由质膜上相对稳定的离子流形成,。,质膜内为负值，质膜外为正值，这种现象称为,极化,（,polarization)。,动作电位：,细胞受到刺激时，电压闸门钠离子通道通过运输离子使静息膜电位发生改变，此时的膜电位称为动作电位。,极化现象：,细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值，这个状态称为极化。是,K+,通过质膜上开放的渗漏通道,，,顺电化学梯度流向细胞外,，造成细胞外阳离子过量，细胞内阴离子过量而产生的。,去极化：,细胞受到刺激时，电压门控,Na,+,离子通道打开，引起瞬间大量,Na,+,内流，致使静息电位降低乃至消失的过程称为去极化。,膜电位的形成与变化是神经、肌肉等可兴奋细胞中兴奋传递的重要方式。,