小分子物质的跨膜运输-细胞生物学-课件3-09

1、第九章 小分子物质的跨膜运输 Membrane Transport of Small Molecules,第一节 跨膜运输的原理,第二节 载体蛋白介导的运输,第三节 通道蛋白介导的运输,第四节 离子导体（略）,如果膜是单纯的脂双层,可以经膜运输的只是很少几种物质, 这些物质的性质是? -疏水, -极性/不带电,合成的 脂双层,膜两侧奇特的 离子分布,钾离子浓度： 膜内比膜外 高1020倍!,生物膜能选择性地允许多种物质通过,葡萄糖：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、多糖的原料,氨基酸：有机体的食物（人小肠腔） 细胞的能量来源、蛋白质的原料,无机离子：有机体的食物（人胃和小肠腔） 有什么作用？ 渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶,离子跨膜运输的作用：细胞渗透压的维持 Maintenance of osmolarity,问题：胞内溶质浓度高，如果不控制渗透压平衡，水将进入，结果造成细胞胀破,解决方案 把离子 打出去,细胞内外的渗透压由大分子、小分子和离子构成,离子跨膜运输的作用：神经冲动(电信号)的播散,Propagation of electric signals,第一节 跨膜运输的

2、原理 Principles of membrane transport,一、单纯扩散 simple diffusion 二、膜蛋白介导的运输 membrane protein-mediated transport,一、单纯扩散,对于单纯脂双层（黑膜）来说， 如果不考虑扩散时间，不带电小分子都可以顺其浓度梯度跨越脂双层。 实际上可以自由经脂双层扩散的物质只有2类： 1、疏水（脂溶性）小分子（脂溶性愈小，扩散愈慢）氧、苯 2、不带电的极性小分子（质量愈大，扩散愈慢）乙醇、甘油 所以，葡萄糖、氨基酸、无机离子不能通过单纯扩散完成跨膜运输,疏水分子和 少量不带电极性小分子 可以扩散过脂双层,二、膜蛋白介导的运输,对于生物膜来说， 各种极性、带电小分子都可以跨越脂双层。 所以，葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子都能实现跨膜运输（顺着或逆着其浓度梯度）。 这些运输由膜蛋白介导，这些膜蛋白被称为膜运输蛋白。 膜运输蛋白分成2类： 1、载体蛋白 (carrier protein) 2、通道蛋白 (channel protein),载体蛋白,通道蛋白,carrier,channel,各种离子,离子、氨基酸

3、、 单糖、核苷酸等,与所运物质结合,然后 自身构象改变将物质 在膜另一侧释放。,形成跨膜的充水通道 让所运物质通过。,运输原理,运输特点,所运物质,主动或被动运输，与 所运物质互相作用较强， 运输速度较慢,被动运输，与 所运物质互相作用较弱， 运输速度较快,分布于各种膜上的运输蛋白,水孔蛋白,血管加压素,什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能？,1,2 3 4 5 6 7,多次跨膜蛋白,螺旋 真核细胞和细菌的跨膜蛋白主要是螺旋结构,疏水脂双层,筒 限于线粒体和叶绿体外膜的跨膜蛋白,主动运输和被动运输 Active transport & passive transport,1、被动运输 不需能量, 易化扩散 所有通道蛋白和一部分载体蛋白 帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜下坡,2、主动运输 需消耗能量 载体蛋白 将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜上坡,主动运输和被动运输,电化学梯度和运输方向,1、被动运输 所运物质若不带电, 顺其化学梯度 所运物质若带电, 顺其电化学梯度,2、主动运输 逆着所运物质的电化学梯度,Electricochemical gradient,电化学梯度和运输方向,第二

4、节 载体蛋白介导的运输,一、原理和特点 二、偶联载体 三、ATP 驱动泵 四、运输蛋白超级家族（略）,一、载体介导运输的原理和特点,原理（机制）： 载体蛋白经历了一次构象变化，先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧，从而完成运输。,一、载体介导运输的原理和特点,一、载体介导运输的原理和特点,特点： 1.与酶-底物反应类似 特异性结合位点 特征性结合常数 2. 运输方式 单一运输 偶联运输,同向运输 反向运输,载体介导的被动运输,葡萄糖的单一运输蛋白,被动运输 -葡萄糖载体,血糖浓度升高后脂肪细胞反应,-更多的葡萄糖载体进行被动运输, 将糖摄入,载体介导的主动运输,能量来源 sources of energy: 离子梯度驱动力 通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的上坡偶联载体 2. ATP驱动泵 ATP水解提供能量 3. 光驱动泵 光提供能量(细菌),载体介导的主动运输,偶联载体,ATP驱动泵,光驱动泵,二、偶联载体 coupled carrier,Na+驱动的同向运输载体 H+驱动的同向运输载体 (略) Na+驱动的反向运输载体 (略) 载体蛋白的不对称分布与上皮细胞

5、的吸收功能,Na+驱动的同向运输载体 与 糖摄入 Na+ -driven symporter and glucose uptake,胞质侧,构象A:结合位点向胞外侧开放, 葡萄糖和Na+结合于各自位点. Na+顺其电化学梯度 糖逆其电化学梯度,构象B:载体经历构象变化,结合位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+离开各自位点,由此两者被运入细胞. 糖经历主动运输,能量来自Na+梯度.,小肠上皮细胞顶面Na+驱动的同向葡萄糖运输载体,肠腔,上皮下 组织间隙,偶联载体,小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖运输载体,肠腔,上皮下 组织间隙,主动运输蛋白(偶联载体),被动运输蛋白,小肠上皮细胞 载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能,主动运输,逆糖梯度,被动运输,顺糖梯度,肠腔,组织间液,三、ATP驱动泵 ATP-driven pump,Na+-K+泵 Ca 2+泵 H+泵,许多载体蛋白依赖Na+离子梯度驱动力完成主动运输, 那么Na+离子梯度 又是如何建立起来并得到维持的呢? Na+离子不停地进入细胞,怎样把它们送回细胞 外呢?,Na+ -K+泵 Na+ -K+ pump,存在于几乎所有动物细胞

6、膜上, 利用ATP水解供应能量, 建立和维持Na+梯度。又称Na+ -K+ ATP酶 (Na+ -K+ ATPase),Na+,我是大力士,K+,泵,细胞能量1/32/3耗费于此!,问题：为什么Na+ -K+泵 又叫 Na+ -K+ATP酶,Na+ -K+泵 组成和作用 Composition and effect,3个Na+出细胞,2个K+入细胞,逆电化学梯度运输!,Na+ -K+泵 组成和作用,组成: 一个大的多次跨膜蛋白,为催化亚基,自身是ATP酶, 能将ATP水解成ADP 一个小的糖蛋白 (功能未明) 催化亚基的胞质面有Na+和ATP结合位点, 外表面有K+或乌本苷结合位点 整个分子能可逆地磷酸化和去磷酸化 作用: 每水解1分子ATP, 泵出3个Na+, 泵入2个K+,Na+ -K+泵 作用机制,胞外侧,胞质侧,Na+ -K+泵 作用机制,1. Na+结合至催化亚基 2. ATP水解成ADP, 催化亚基被磷酸化 3. 催化亚基构象变化, Na+被运出细胞 4. K +结合至催化亚基 5. 催化亚基去磷酸化 6. 催化亚基构象恢复, K +被运入细胞,箭毒杀人 -对ATP酶的抑制

7、偶联对排钠摄钾的抑制,细胞胀破,ATP酶能将ATP水解成ADP 乌本苷是一种箭毒苷, 是ATP酶抑制剂 在催化亚基的胞外面有结合位点, 与K +竞争性结合至催化亚基。 乌本苷的ATP酶抑制作用发生在依赖K +的去磷酸化步骤。 排钠摄钾运输与ATP水解紧密偶联 Na+ -K+泵 又叫 Na+ -K+ATP酶,Na+ -K+泵 作用的直接效应,建立和维持 细胞外高钠、细胞内高钾 的特殊离子梯度,Na+ -K+泵 作用的间接效应,通过维持Na+梯度 维持渗透压平衡, 调节细胞容积 细胞外离子的数量 2. 保证一些物质的主动运输所需能量 把进入细胞的Na+送回细胞外。 3. 参与形成内负外正的膜电位 3个Na+出、2个K +入 （什么是 膜电位membrane potential）go,问题：胞内溶质浓度高，如果不控制渗透压平衡，水将进入，结果造成细胞胀破,动物细胞解决方案： 把离子打出去,用乌本苷处理, 细胞很快肿胀破裂,乌本苷,back,小肠上皮细胞底侧面Na+- K+泵的作用,肠腔,上皮下 组织间隙,主动运输蛋白(偶联载体),被动运输蛋白,back,名词：P型运输ATP酶 P trans

8、port ATPase,泵的两种状态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志, 这类离子泵叫作P型运输ATP酶。 (P指phosphorylation, 磷酸化) 包括,Na+-K+泵 Ca 2+泵 一部分H+泵,P型运输ATP酶,从一种Ca 2+泵的最新研究获知 P型运输ATP酶共有相似结构: 1. 含10个跨膜螺旋, 其中3个排成中央通道。 2. 在非磷酸化状态形成面向一侧的离子结合位点, ATP也在该侧结合,导致相邻结构域磷酸化, 磷酸 化后的构象打破原有结合位点状态,使离子面向另 一侧被释放。,P型运输ATP酶：Ca 2+泵结构,左： Ca 2+在非磷酸化状态进入结合位点,右：ATP水解导致P结构域磷酸化,进 而导致A结构域位置变化，导致4号 和6号螺旋重排，结果原有结合位点 被破坏,使Ca 2+面向另一侧被释放。,V型运输ATP酶: ATP合成酶和 H+泵,位于线粒体内膜和叶绿体类囊膜上，结构完全不 同于P型运输ATP酶，由多个亚基组成涡轮状。 正常情况下逆向工作： 不是水解ATP泵运离子，而是利用H+跨膜梯度驱 动ATP合成，即作为ATP 合成酶。（ H+跨膜梯度何来） 可以双向工

9、作，既是ATP合成酶又是 H+泵,四、运输蛋白超级家族,各种运输ATP酶同属于ABC运输蛋白超级家族，因为结构中都含2个ATP 结合匣（ ATP Binding Cassette）。,ABC运输蛋白超级家族,ABC运输蛋白超级家族,与医学密切相关的例子： 肿瘤细胞膜多药耐药蛋白 -在肿瘤细胞膜上过度表达, 泵出各种药物,造成非选择性耐药 内质网膜 -将抗原肽从胞质输入内质网腔,这些肽段经加工将被递呈于质膜表面.,第三节 通道蛋白介导的运输,一、原理和特点 二、几种通道蛋白及其功能 三、神经肌肉传导中的通道激活,一、通道介导运输的原理和特点,原理（机制）： 通道蛋白形成贯穿膜层的充水孔道，让所运物质顺其电化学梯度通过。所运物质全部是离子（ Na+ 、K+ 、Ca 2+ ）。,与简单充水孔道不同： 离子选择性：种类、大小 门控性：开关,一、通道介导运输的原理和特点,一、通道介导运输的原理和特点,特点： 被动运输 速率很高 受调控 门控 - 电压、递质 gated- voltage-gated, transmitter gated,离子通道对电兴奋性细胞有特别重要的意义， 是神经冲动传导和肌肉收缩的基础。,突触膜上分布着离子通道,突触 synap,离子通道的作用不仅限于电兴奋性细胞。它们普遍存在于所有动物细胞质膜上，并且在植物和微生物上也有作用。 请看,二、几种通道蛋白,K+通道与静息电位 Na+通道与动作电位（略） K+通道与动作电位（略） Ca 2+通道与动作电位（略） 乙酰胆碱受体与神经肌接头的化学-电 信号转换,1. K+通道与静息电位,静息电位: -70mV,主要由 钾离子膜平衡电位构成,胞内高钾，化学梯度驱使其逸出 胞内多阴离子，电梯度吸引其驻留,胞质侧,K+通道与静息电位,提供K+自由跨膜的途径，其平衡电位造成膜静息电位（ -70mV ）。 使K+能被固有阴离子吸引于胞内，然后在Na+ - K+泵作用下维持在胞内的高浓度。 存在于所有细胞膜上，不需要特异刺激就可打开，所以被叫作K+逸漏通道。,K+ channel and resting potential,K+通道蛋白结构 细菌K+通道是第一个被结晶的通道蛋白,入口：带

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