第五章物质的跨膜运输膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输

第五章 物质的跨膜运输,第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 第二节 ATP 驱动泵与主动运输 第三节 胞吞作用与胞吐作用,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 1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的 2/3。 细胞膜上两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。 载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，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：缬氨霉素。 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。,2,3,第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输,一、脂双层的不透性与膜转运蛋白 二、小分子物质的跨膜运输类型,一、脂双层的不透性与膜转运蛋白,（一）、脂双层的不通透性 （二）、 载体蛋白及其功能 （三）、通道蛋白及其功能,6,（一）脂双层的不同透性,典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较,细胞内最丰富的阳离子是 K+，细胞外最丰富的阳离子是 Na+。 离子浓度差异分布由脂双层的疏水特征和膜转运蛋白的活性来调控。 膜转运蛋白（membrane transport protein）即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质，包括载体蛋白（ transporter , carrier protein）和通道蛋白（channel protein）两类。,（二）、载体蛋白及其功能,载体蛋白（carrier protein transporter）：存在于细胞膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质， 与特异的溶质结合，通过自身构象的改变介导物质跨膜转运。 不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。 作用：介导顺/逆浓度或电化学梯度的运输 载体蛋白既可介导被动运输，又可介导主动运输。,载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的模型,载体蛋白的举例,（二）、通道蛋白及其功能,通道蛋白（channel protein）：存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质， 通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运，其所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。 。 通道蛋白包括 3 种类型：离子通道（ion channel）、孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。 通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。,12,通道蛋白的特点和分类,特点 分类,13,1. 特点,具有极高的转运速率 没有饱和值 并非连续性开放，而是门控的,14,2. 分类,离子通道 孔蛋白 水孔蛋白/水通道,1） 离子通道,配体门通道 电位门通道 应力激活通道,3 种类型的离子通道示意图,A：电压门通道 B、C：配体门通道 D：应力激活通道,17,I. 配体门通道,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 分类： 阳离子通道，如乙酰胆碱受体；由 4 种亚单位（2）组成， 亚单位是同两分子 Ach 相结合的部位。 阴离子通道，如 -氨基丁酸受体。,18,Nicotinic acetylcholine receptor,19,Three conformation of the acetylcholine receptor,20,II.电位门通道,特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。 电位门结构：四聚体，每个单体跨膜 6 次。 Na+、K+、Ca2+ 电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。,21,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,22,K+ channel,4th subunit not shown,23,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,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。,24,环核苷酸门通道,CNG 结构与钠电位门通道相似。细胞内的 C 末端较长，有环核苷酸的结合位点。 分布于化学和光感受器中。 如气味分子与化学感受器中的 G 蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生 cAMP，开启 cAMP 门控阳离子通道，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。,25,III. 机械门通道,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道：一类对牵拉敏感，为 2 价或 1 价的阳离子通道，有 Na+、K+、Ca2+，以 Ca2+ 为主，几乎存在于所有的细胞膜。对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。另一类对剪切力敏感，仅见于内皮细胞和心肌细胞。,26,应力激活通道,通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子。 声音的振动推开压力门控通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。,27,内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。,2）孔蛋白,孔蛋白是存在于细菌质膜的外膜、线粒体和叶绿体的外膜上的通道蛋白,它们允许较大的分子通过,其中线粒体孔蛋白可通过的最大分子为 6000 道尔顿,而 叶绿体 的孔蛋白则可通过相对分子质量在 10,000 到 13,000 之间的物质。 孔蛋白是膜整合蛋白,它的膜脂结合区与其他的跨膜蛋白不同,不是螺旋,而是折叠。 膜孔蛋白就是细胞膜上的孔蛋白。,29,3）水通道,1991 年 Agre 发现第一个水通道蛋白 CHIP28 （28 KD），CHIP 28 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 Hg2+ 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）。,水孔蛋白（AQP1）分布与结构示意图,A：豚鼠质膜电镜照片 B：水孔蛋白（AQP1） C：水孔蛋白一个亚基（由 3 对同源的跨膜螺旋组成） D：一个亚基三维结构的示意图,部分水孔蛋白举例（表5-3）,32,2003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。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,二、小分子物质的跨膜运输类型,（一）、 被动运输（passive transport） （二）、主动运输（active transport）,跨膜运输类型,（一）、被动运输,简单扩散 易化扩散,1. 简单扩散,简单扩散（simple diffusion）：小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，既不需要细胞供能，也不需要膜转运蛋白的协助。 电化学梯度（electrochemical gradient ）：离子的电荷和浓度的总差异，决定物质在两个区域之间的运动扩散能力。 不同性质的小分子物质跨膜运动的速率差异极大。,37,简单扩散特点,也叫自由扩散（free diffusion）： 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/d， K 为分配系数， D 为扩散系数，d 为膜的厚度。,不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层,39,人工膜对各类物质的通透率,脂溶性越高通透性越大； 小分子比大分子易透过； 非极性分子比极性容易透过； 极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层; 人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。,2. 易化扩散/协助扩散/促进扩散,易化扩散（passive transport）：是指非脂溶性物质或亲水性物质， 如氨基酸、糖和金属离子等在膜转运蛋白（通道蛋白或载体蛋白）的协助下，物质从高电化学势或高浓度一侧向低电化学势或低浓度一侧的跨膜运输形式，又称协助扩散 （facilitated diffusion ）。 不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。,41,特点,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、通道蛋白。,42,（三）、主动运输,主动运输（active transport）的概念 主动运输分类,1. 主动运输的概念,主动运输（active transport）：由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的方式。是一种需要消耗能量的物质跨膜运输过程。,45,主动运输的特点,逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 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）； 都有载体蛋白。,2. 主动运输的分类,ATP 驱动泵（ATP-driven pump） 协同转运蛋白（cotransporter） 光驱动泵（light-driven pump）,主动运输 3 种类型,1）ATP 驱动泵,能直接把 ATP 水解（ATPase）并利用该能量介导离子或小分子物质逆电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的载体蛋白（泵）。,协同转运蛋白,介导两种物质协同（偶联）跨膜运输的两类跨膜转运蛋白，是一种间接消耗 ATP 的主动运输过程。 一般前一种跨膜转运蛋白负责逆梯度跨膜运输一种物质，后一种跨膜转运蛋白则负责顺梯度跨膜运输另一种物质，两者偶联起来进行。 两种物质运输方向相同者称为同向协同转运蛋白（symporter），相反者则称为反向协同转运蛋白（antiporter）。,50,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-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。,3）光驱动泵,对物质的主动运输与光能的吸收相偶联（如菌紫红质）。,52,Glucose is absorbed by symport,第二节 ATP 驱动泵与主动运输,一、P 型泵 二、V 型质子泵和 F 型质子泵 三、ABC 超家族 四、离子跨膜转运与膜电位,4 种类型的 ATP 驱动泵,前 3 种转运离子，后一种转运小分子。,55,Four types of ATP-powered pumps,一、P 型泵,P 型泵（P-type pump）： 所有 P 型泵都有 2 个独立的催化亚基，具有 ATP 结合位点；绝大多数还具有 2 个起调节作用的小的亚基。由于这类转运泵水解 ATP 使自身形成磷酸化（phosphorylation）的中间体，因此称为 P 型泵。大多数 P 型泵都是离子泵。 （一） Na+-K+ 泵 （ Na+-K+ pump ） （二） Ca2+ 泵（ Ca2+ pump）和 P 型 H+ 泵（ P-type H+ pump）,（一）、 Na+-K+ 泵,Na+-K+ 泵（ Na+-K+ pump ）：又称 Na+-K+ ATPase，能水解 ATP，使亚基磷酸化或去磷酸化，将 3 个 Na+ 泵出细胞，而将 2 个 K+ 泵入细胞的膜转运载体蛋白。 1. Na+-K+ 泵结构与转运机制 2. Na+-K+ 泵主要生理功能,58,由 2 个大亚基、2 个小亚基组成的 4 聚体。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。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 。 总的结果是每一循环消耗 1 个 ATP；转运出 3 个 Na+，转进两个 K+。,59,钠钾泵机制,Na+-K+ 泵的结构（A）与工作模式（B）,Na+ 依赖性的磷酸化和 K+ 依赖性的去磷酸化引起 Na+-K+ 泵构象发生有序变化 每个工作循环消耗 1 个 ATP 分子，可以逆着电化学梯度泵出 3 个 Na+ 和泵入 2 个 K+ 。,