跨膜运输

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1 第五章跨膜运输 MEMBRANE TRANSPORT

2 内容提要 第一节 被动运输 一 简单扩散 二 协助扩散 第二节主动运输 一 钠钾泵 二 钙离子泵 三 质子泵 四 ABC 转运器五 协同运输第三节 膜泡运输的基本概念一 吞噬作用二 胞饮作用三 外排作用四 穿胞运输五 胞内膜泡运输

3 估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的 15~30%, 细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的 2/3 两类主要转运蛋白 : 载体蛋白 : 又称做载体 通透酶和转运器 通道蛋白 : 能形成亲水的通道, 允许特定的溶质通过

4 Membrane Transport Proteins

5 第一节被动运输

6 一 简单扩散 也叫自由扩散 (free diffusion): 1 沿浓度梯度 ( 或电化学梯度 ) 扩散 ; 2 不需要提供能量 ; 3 没有膜蛋白协助 通透性 P=KD/t, K 为分配系数, D 为扩散系数,t 为膜的厚度

7

8 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

9 二 协助扩散 也称促进扩散 (facilitated diffusion) 特点 : 1 转运速率高 ; 2 运输速率同物质浓度成非线性关系 ; 3 特异性 ;4 饱和性 载体 : 离子载体 通道蛋白

10 ( 一 ) 离子载体 (ionophore) 疏水性小分子, 可溶于双脂 层 分为 : 可动离子载体和 通道离子载体 缬氨霉素能转运 K+; DNP 和 FCCP 可转运 H+; 离子霉素 A23187 可转运钙离子

11 短杆菌肽 A,15 个疏水氨基酸构成,2 分子形成一跨膜通道, 有选择的使单价阳离子如 H+ Na+ K+ 按化学梯度通过 Gramicidin A an antibiotic that acts as an ion pore.

12 ( 二 ) 通道蛋白 (channel protein) 跨膜亲水性通道, 允许特定离子顺浓度梯度通过, 又称离子通道 有些通道长期开放, 如钾泄漏通道 ; 有些通道平时处于关闭状态, 仅在特定刺激下才打开, 称为门通道 ( 电位门通道 配体门通道 环核苷酸门通道 机械门通道 )

13 Ion Channels ----or----

14 1 配体门通道 (ligand gated channel) 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 分为阳离子通道, 如乙酰胆碱受体 ; 和阴离子通道, 如 γ- 氨基丁酸受体 Ach 受体由 4 种亚单位 (α 2 βγδ) 组成

15 Nicotinic acetylcholine receptor

16 Three conformation of the acetylcholine receptor

17 2 电位门通道 (voltage gated channel) 特点 : 膜电位变化可引起构象变化, 门 打开 结构 : 四聚体, 每个单体跨膜 6 次 Na + K + Ca 2+ 电压门通道结构相似, 由同一个远 祖基因演化而来

18 Voltage gated K + channel K+ 电位门有四个亚单位, 每个亚基有 6 个跨膜 α 螺旋 (S1-S6), N 和 C 端均位于胞质面 连接 S5-S6 段的发夹样 β 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

19 K + channel 4th subunit not shown

20 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

21 3 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

22 4 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 + Ca 2+, 以 Ca 2+ 为主, 几乎存在于所有的细胞膜 另一类对剪切力敏感, 仅发现于内皮细胞和心肌细胞

23 5 水通道 1991 年 Agre 发现第一个水通道蛋白 CHIP28 (28 KD ),CHIP28 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 Hg 2+ 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)

24 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

25 第二节主动运输 特点 : 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 能量来源 : 1 协同运输中的离子梯度动力 ; 2 ATP 驱动的泵通过水解 ATP 获得能量 ; 3 光驱动的泵利用光能运输物质, 见于细菌

26 一 钠钾泵 构成 : 由 2 个大亚基 2 个小亚基组成的 4 聚体, 也 叫 Na + K + ATP 酶, 分布于动物细胞的质膜 工作原理 : 对离子的转运循环依赖自磷酸化过程, 所以叫做 P type 离子泵 每个周期转出 3 个钠离子,2 个钾离子

27 Na + -K + ATP PUMP

28 Na + K + ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition

29 钠钾泵的作用 : 1 维持细胞的渗透性, 保持细胞体积 ; 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 ;Mg 2+ 和少量膜脂有助提高于其活性

30 二 钙离子泵 作用 : 维持细胞内较低的钙离子浓度 ( 胞内钙浓度 10 7 M, 胞外 10 3 M) 位置 : 质膜 内质网膜 类型 : P 型离子泵, 每分解一个 ATP 分子, 泵出 2 个 Ca 2+ 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 + Ca 2+ exchanger), 属于反向协同运输体系, 通过钠钙交换来转运钙离子

31 Ca ++ ATPase Maintains low cytosolic [Ca ++ ] Present In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca ++ ATPase Conformation change

32 三 质子泵 1 P type: 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 ) 2 V type: 存在于各类小泡膜上, 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 3 F type: 利用质子动力势合成 ATP, 即 ATP 合酶, 位于细菌质膜 线粒体内膜 类囊体膜上

33 Four types of ATP powered pumps

34 四 ABC 转运器 (ABC transporter) 最早发现于细菌, 是一庞大的蛋白家族, 都有两个高度保守的 ATP 结合区 (ATP binding cassette), 故名 一种 ABC 转运器只转运一种或一类底物, 不同成员可转运离子 氨基酸 核苷酸 多糖 多肽 蛋白质 ; 可催化脂双层的脂类在两层之间翻转

35 Mammalian MDR1 protein ABC 转运器与病原体对药物的抗性有关 MDR (multidrug resistance protein ) 是第一个被发现的真核细胞 ABC 转运器, 是多药抗性蛋白, 约 40% 患者的癌细胞内该基因过度表达

36 五 协同运输 cotransport 靠间接提供能量完成主动运输 所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度 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 分为 : 同向协同 ( symport ) 和反向协同 (antiport)

37 1 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 2 反向协同(antiport) 如 Na + 驱动的 Cl HCO 3 交换, 即 Na + 与 HCO 3 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

38 Glucose is absorbed by symport

39 第三节膜泡运输的基本概念 真核细胞通过内吞作用 (endocytosis) 和外排作用 (exocytosis) 完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输 因货物包被在囊泡中, 又称膜泡运输

40 一 吞噬作用 细胞内吞较大的固体颗粒物质, 如细菌 细胞 碎片等

41 二 胞饮作用 细胞吞入液体或极小的颗粒物质

42 三 外排作用 exocytosis 包含内容物的囊泡移至细胞表面, 与质膜融, 将物质排出细胞之外

43 四 穿胞运输 在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质, 另一侧使小泡中的物质释放出去 如 : 母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁 五 胞内膜泡运输 细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行 如从内质网到高尔基体 ; 高尔基体到溶酶体等

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