1、第五章、物质的跨膜运输,1、理解两种类型膜转运蛋白转运物质的原理与特点。 2、理解和掌握以钠钾泵的工作原理。 3、理解协同运输是一种间接耗能的主动运输过程的原理。 4、掌握受体介导的胞吞作用的运输过程和原理。 5、了解两种形式胞吐作用的过程。,第一节、膜转运蛋白与物质跨膜运输,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白 膜的不透性：细胞膜能进行某些脂溶性分子和不带电小分子的简单运输，而对绝大多数溶质分子和离子是高度不通透的。膜转运蛋白：某些阴、阳离子在细胞内外的分布有差异，而膜又是脂溶性屏障，故这种差异的形成还需要由一套膜转运蛋白来运转，尤其是很多有机小分子和带电荷的无机离子。膜转运蛋：一类称载体蛋白（c
2、arrier Proteins），如转运葡萄糖分子的膜蛋白；另一类称通道蛋白（channel Proteins），它可形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。,1、载体蛋白,载体蛋白的类型：P103：表5-2。 载体蛋白的运输特点是：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；对所转运的物质具有高度选择性；载体蛋白又称为通透酶: 对物质的转运过程具有被类似物竞争性抑制、具 有竞争性抑制等酶的特性。但它不对转运分子作任何共价修饰。,The carrier protein, the Glucose transporter (GluT1 ) in the erythrocy
3、te PM, alter conformation to facilitate the transport of glucose.,Facilitate diffusion: Protein-mediated movement,movement down the gradient,2、通道蛋白,通道蛋白(channel protein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许适宜的分子通过。 通道蛋白只参与被动运输，转运速度高，无饱和性。 其运输特点是： 离子选择性：不同离子有不同的通道蛋白。 门控性：电压门通道、配体门通道、应力激活通道等。,（1）、电压门通道：
4、 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。,（2）、配体门通道：,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（Ach）、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。 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2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。,Nicotinic acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,I
5、on-channel linked receptors in neurotransmission,（3）、应力激活通道,（4）、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 （28 KD ），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
6、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。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,二、被动运输与主动运输,（一）、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； 没有膜蛋白的协助。,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。,（
7、二）、协助扩散,也称促进扩散 特点： 比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性。 载体：离子载体和通道蛋白两种类型。,Two classes of membrane transport proteins,Carrier proteins are responsible for both the passive and the active transport. Channel proteins are only responsible for passive transport.,（三）、主动运输,主动运输的特点是： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量；
8、都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 由 ATP直接或间接供能； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,第二节、离子泵和协同转运,离子泵：一种APTase，可以通过水解APT供能，逆浓度梯度转运离子或某些小分子。 可分为以下四种：P-型离子泵V-型质子泵F-型质子泵ABC超家族,一、P-型离子泵,（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
9、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+ATP PUMP,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： 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持细
10、胞低Na+高K+环境，维持细胞的静息电位（1/10）； 与某些物质（如葡萄糖）的跨膜运输有关。 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）、钙泵,Maintains low cytosolic Ca+ Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca+ ATPaseConformation change,Ca2+-ATPase有10个跨膜结构域，膜内侧有第一个环有Ca2+离子结合位点；第二个上有激活位点，包括ATP的结合位点。 在静息状态，羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合
11、，使泵失去功能。 Ca2+-ATPase泵有两种激活机制： Ca2+浓度升高 Ca2+/钙调蛋白复合物 同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。反之泵处于静息状态。 蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。,Ca2+ -ATPase的结构和功能位点,二、V-型和F-型质子泵,V-型质子泵：存在于动物细胞内体、溶酶体膜以及植物、酵母和其他真菌细胞膜上。利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+转运到细胞器中。F-型质子泵：主要存在于线粒体内膜等上。,三、ABC超家族,ABC：ATP-binding cassette 超家族：一大类家族成
12、员，均在胞质侧含2个高度保守的ABC，可通过结合ATP发生二聚化并水解结合的ATP，造成构象变化从而转运物质（主要是aa、肽等小分子）。 MDR1是第一个被发现的ABC转运器，常在肝癌患者肝中过表达，造成多药抗性。,types of ATP-powered pumps,四、协同转运,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。 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）
13、与反向协同（antiport）。,1、同向协同（symport） 物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。 2、反向协同（antiport） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-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。,Glucose is absorbed by symport,五、离子跨膜转运与膜电位,1、膜电位 静息电位：细胞在安静状态下于
14、细胞膜上形成的外正内负的电位差。 形成机理：静息状态下，质膜上钾离子渗透通道对钾离子通透性高，使胞内高浓度钾例子渗透到胞外，造成胞外大量正电荷和胞内负电荷的积累，形成稳定的电位差。 膜的极化：静息状态下这种外正内负的电荷分布我们称之为膜的极化。,静息电位的形成机理,动作电位,去极化：当细胞受到阈（或阈上）值电位刺激后，膜上Na离子通道开放，大量Na离子短时间内流使静息电位减少甚至消失。 反极化：随着Na离子的进一步瞬间内流，质膜处电位由原来的外正内负的静息状态变为内正外负的动作电位。 超极化：随着动作电位的出现，质膜上Na离子通道逐渐失活，而钾离子电压闸门通道开放大量外流使膜再度极化，以致于超
15、过原来的静息电位。超极化使K离子通道关闭，膜重新回到静息状态。,动作电位的成因,在安静状况下受到一次短促的阈刺激或阈上刺激时，膜内原来存在的负电位将迅速消失，并且进而变成正电位，由原来的内负外正变为内正外负。整个膜内外电位变化的幅度应是100mV，这构成了动作电位变化曲线的上升支；由刺激所引起的这种膜内外电位的倒转只是暂时的，很快就出现膜内电位的下降，并恢复到原有的负电位状态，这构成了动作电位曲线的下降支。,第三节、胞吞作用与胞吐作用,真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊
16、泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,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。,一、胞饮作用与吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,胞饮作用,胞饮作用与吞噬作用的区别,胞吞泡的大小不同：150nm、250nm 胞饮作用为组成型过程，吞噬作用是一种信号触发过程。 胞吞泡形成的机制不同：胞饮泡的形成依赖于网格蛋白等的作用。吞噬泡的形成则需要微丝等蛋白的作用。,二、受体介导的胞吞作用,Structure of a clathrin coated vesicle,Model for the formation of a clathrin
17、-coated pit and the selective incorporation of integral membrane proteins into clathrin-coated vesicles,关于胞内体,胞内体是跨膜运输的分选站之一（受体的命运）： 胞内体膜上有HATP泵，使胞内成酸性，引起受体与转运物分离，受体的去向： 1、返回原质膜处（如LDL受体）。 2、进入lysosome被消化（如EGF受体）。 3、返回质膜非原位处，行跨膜运输至胞外。,三、外吐作用,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。,外吐作用的两种形式,1 结构性分泌途径（consititutive pathway of secretion）：新合成的分子在高尔基体装入转运小泡，随即很快被带到质膜，并持续不断的分泌出去，普遍存在于所有细胞中2 调节性分泌途径（regulated pathway of secretion）:胞内大分子合成后被储存在特殊的小泡中，当细胞接受胞外信号物质作用后引起胞内变化，包括钙离子浓度升高这些小泡才于质膜融合发生外吐。（分子扣机理）,
