细胞生物学_翟中和--第五章详解.ppt

细胞生物学 第五章 物质的跨膜运输 第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同转运 第三节 胞吞作用和胞吐作用 细胞生物学 第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输 一、脂双层的不不透性和膜转运蛋白 细胞生物学 离子分布差异的原因： １、特殊的转运蛋白 1)载体蛋白:允许与载体蛋白结合部位相合适的 溶质分子通过,且转运时自身构像发生改变. 2)通道蛋白:开放时,允许足够小,带适当电荷分 子或离子通过. ２、质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征 细胞生物学 (一)载体蛋白及其功能 （1）结构 存在于膜上的多次跨膜蛋白 （2）运输特点 1）特异性：一种载体蛋白只能结合一种特异 的底物， 2）具有酶饱和动力学曲线，但没有平衡位点 且不对底物作共价修饰 3）具有竞争抑制性 细胞生物学 细胞生物学 ( (二二) )通道蛋白通道蛋白（channel protein） 是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺 浓度梯度通过，故又称离子通道 特点： 1）离子选择性， 2）离子通道是门控的； 3）跨膜电压差与浓度梯度是带电粒子的驱动力 分类 电位门通道、配体门通道、应力激活通道。

细胞生物学 细胞生物学 二、被动运输与主动运输 （一）被动运输（（一）被动运输（passive transportpassive transport）） 类型： 简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion） １、简单扩散也叫自由扩散（free diffusing ） 特点是： ①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； ②不需要提供能量； ③没有膜蛋白的协助 细胞生物学 细胞生物学 通透性主要取决与分子的大小和分子的极性： 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； 带电荷的物质是高度不通透的，如各类离子 细胞生物学 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它 在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数 （D）来计算： P=KD/t，t为膜的厚度 细胞生物学 ２、水孔蛋白：水分子的跨膜通道 水孔蛋白质（aquaporin，AQP）又称为水 通道蛋白（water channel protein），是新近 发现的一组与水的跨膜转运有关的蛋白质，广 泛存在于动植物及微生物体内，发挥不同的生 理功能。

细胞生物学 细胞生物学 ３、协助扩散（易化扩散或促进扩散） 定义：the diffusing substance first binds selectively to a membrane-spanning protein, called a facilitative transporter,that facilitates the diffusion process. 特点： ①转运速率高； ②存在最大转运速率； ③特异性；饱和性 ④需要载体 细胞生物学 细胞生物学 （二）主动运输（二）主动运输 ①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； ②需要能量； ③都有载体蛋白 主动运输所需的能量来源主要有： ① ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； ②协同运输中的离子梯度动力（间接利用）； ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌 细胞生物学 第二节 离子泵和协同转运 一、P-型离子泵 有两个α亚基，通过α亚基的磷酸化和 去磷酸化而改变泵蛋白构像，实现离子 的跨膜转运需要消耗ATP 细胞生物学 （一）钠钾泵（一）钠钾泵 又称Na+泵或 Na+/K+交换泵，或Na+ -K+ ATP酶 ； ●Na+-K+ ATPase是由两个大亚基(α亚基)和两 个小亚基(β亚基)组成； ●α亚基是跨膜蛋白，在细胞质面有ATP结合位 点，细胞外侧有K+和乌本苷(ouabain)结合位点 ; ●在α亚基上有Na+和K+结合位点。

细胞生物学 细胞生物学 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+ 细胞生物学 细胞生物学 细胞生物学 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+Na+-K+泵的作用：泵的作用： ①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； ②维持低Na+高K+的细胞内环境； ③维持细胞的静息电位 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 细胞生物学 （二）（二）钙离子泵和其他钙离子泵和其他P-型离子泵 The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum. 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子 浓度10-7M，细胞外10-3M）。

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Ca2+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+-Ca2+ exchanger），属于反向 协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子 细胞生物学 Ca2+ 泵的工作原理类似于Na+ -K+ 泵: 在细胞质面有同 Ca2+结合的位点，一次可以 结合两个 Ca2+，Ca2+结合后使酶激活，并结合 一分子 ATP，伴随着 ATP 的水解酶被磷酸 化 ，Ca2+泵构型发生改变，结合Ca2+的转到细 胞 外侧被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢到原 始的静息状态 细胞生物学 Structure of Ca2+ ATPase 细胞生物学 Ca2+-ATP酶激活机制： ▲Ca2+/钙调蛋白复合物的作用 当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白 结合，形成活性复合物，该复合物同抑制 区结合，释放激活位点，泵开始工作 ▲蛋白激酶C的作用 蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而解除抑制 作用； ▲由上可以看出，在Ca2+-ATP酶的羧基端有三 个功能位点(区域)∶同激活位点结合区、同 CaM结合区、磷酸化位点。

细胞生物学 Ca2+-ATP酶作用机理 细胞生物学 Maintains low cytosolic [Ca++] Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca++ ATPase Conformation change 细胞生物学 其他P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的 改变来转移质子，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） 细胞生物学 二、 V-type and F-type １、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由 许多亚基构成，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 ２、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用 质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜 ，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上 细胞生物学 三、三、ABC ABC 超家族超家族 ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细 菌，属于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），故名ABC转运器。

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ABC转运器还可催化脂双 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 细胞生物学 第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性 蛋白（multidrug resistance protein, MDR）， 约40%患者的癌细胞内该基因过度表达ABC转运器 还与病原体对药物的抗性有关 细胞生物学 Four types of ATP-powered pumps 细胞生物学 四、协同运输四、协同运输 cotransportcotransport 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用，靠间接 消耗ATP所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电化学梯度，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）与反向协同（ antiport） 细胞生物学 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 细胞生物学 Glucose is absorbed by symportGlucose is absorbed by symport 细胞生物学 细胞生物学 五、物质的跨膜转运与膜电位 细胞生物学 第三节 胞吞作用与胞吐作用第三节 胞吞作用与胞吐作用 真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞 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泡，因此又称膜 泡运输 在运输中有膜的融合与断裂，需消耗能量 是一种批量运输（bulk transport） 细胞生物学 一、胞饮作用与吞噬作用 细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞 作用称为胞饮作用（pinocytosis）。

胞饮作用存在 于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植 物细胞 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（phagocytosis）吞噬现象是原生 动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在 吞噬现象如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨 噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵 害 细胞生物学 细胞生物学 １、胞饮作用与吞噬作用区别 1）胞吞泡的大小不同 2）所有真核细胞都能通过胞饮作用摄入溶液和分子 ，是一个连续发生的过程而大的颗粒性物质则主 要是通过特殊的吞噬细胞摄入的，是一个信号触发 的过程 3）形成的机制不同 细胞生物学 ２、胞饮泡形成所需的蛋白 （1）网格蛋白（clathin) （2）接合素蛋白(adaptin) （3）dynamin蛋白 （4）受体蛋白 细胞生物学 Structure of a clathrin –coated vesicle 细胞生物学 adaptin蛋白的作用 ●On their outer (cytosolic) surface, the adaptors bi。