第五章物質(zhì)的跨膜運輸

1、第五章第五章 物質(zhì)的跨膜運輸物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝还?jié)、膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸?shù)谝还?jié)、膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸 一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白 二、被動運輸與主動運輸二、被動運輸與主動運輸?shù)诙?jié)、離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運第二節(jié)、離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運 一、一、P-P-型離子泵型離子泵 二、二、V-V-型質(zhì)子泵和型質(zhì)子泵和F-F-型質(zhì)子泵型質(zhì)子泵 三、三、ABCABC超家族超家族 四、協(xié)同轉(zhuǎn)運四、協(xié)同轉(zhuǎn)運 五、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位五、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位第三節(jié)、胞吞作用與胞吐作用第三節(jié)、胞吞作用與胞吐作用 一、胞飲作用與吞噬作用一、胞飲作用與吞噬作用 二、受體介導(dǎo)的胞吞作用二、受

2、體介導(dǎo)的胞吞作用 三、胞吐作用三、胞吐作用第一節(jié)第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸一、膜雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白一、膜雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白膜內(nèi)外的離子差別分布主要由兩種機制所調(diào)控：膜內(nèi)外的離子差別分布主要由兩種機制所調(diào)控：取決于一套特殊的膜轉(zhuǎn)運蛋白的活性取決于一套特殊的膜轉(zhuǎn)運蛋白的活性取決于質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征取決于質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征人工膜對各類物質(zhì)的通透率： 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； 非極性分子比極性容易透過，極性不帶電荷小分子，如H2O、O2等可以透過人工脂雙層，但速度較慢； 小分子比大分子容易透過；分子量略大

3、一點的葡萄糖、蔗糖則很難透過； 人工膜對帶電荷的物質(zhì)，如各類離子是高度不通透的。1、載體蛋白及其功能 與轉(zhuǎn)運物質(zhì)結(jié)合構(gòu)象變化物質(zhì)傳遞 對轉(zhuǎn)運分子不作任何共價修飾 如紅細胞質(zhì)膜中的運輸?shù)鞍状龠M葡萄糖的擴散 既可介導(dǎo)被動運輸，也可介導(dǎo)主動運輸2、通道蛋白及其功能 不需要與溶質(zhì)分子結(jié)合，橫跨膜形成親水通道，允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通過 分類：電壓門控、配體門控（細胞內(nèi)、細胞外）、應(yīng)力激活 只能介導(dǎo)被動運輸 二、被動運輸與主動運輸二、被動運輸與主動運輸被動運輸被動運輸：指通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向：指通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)運。低濃度方向的跨膜轉(zhuǎn)

4、運。（一）、簡單擴散（一）、簡單擴散 也叫自由擴散，特點：也叫自由擴散，特點： 沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散；沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散； 不需要提供能量；不需要提供能量； 沒有膜蛋白的協(xié)助。沒有膜蛋白的協(xié)助。 某種物質(zhì)對膜的通透性（某種物質(zhì)對膜的通透性（P P）可以根據(jù)它在油和水中的分）可以根據(jù)它在油和水中的分配系數(shù)（配系數(shù)（K K）及其擴散系數(shù)（）及其擴散系數(shù)（D D）來計算：）來計算： P=KD/tP=KD/t t t為膜的厚度。為膜的厚度。（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道 水?dāng)U散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通水?dāng)U散通過人工膜的速率很低，人

5、們推測膜上有水通道。道。 1991 1991年年AgreAgre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28 CHIP28 （28 28 KD KD ），他將），他將CHIP28CHIP28的的mRNAmRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5 5 分鐘內(nèi)破分鐘內(nèi)破裂。細胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被裂。細胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+Hg2+抑制。抑制。 2003 2003年年AgreAgre與離子通道的研究者與離子通道的研究者MacKinnonMacKinnon同獲諾貝同獲諾貝爾化學(xué)獎。爾化學(xué)獎。 目前

6、在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有1111種，被種，被命名為水通道蛋白（命名為水通道蛋白（AquaporinAquaporin，AQPAQP）。）。20032003年，美國科學(xué)家彼得年，美國科學(xué)家彼得阿格雷和羅德里克阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)，麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ?，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而分別因?qū)毎にǖ溃x子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。獲諾貝爾化學(xué)獎。Peter Agre Roderick MacKinnon（三）、協(xié)助擴散 也稱促進擴散 特點： 比自由擴散轉(zhuǎn)運速率高； 運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；特異性；飽和性。 膜轉(zhuǎn)運蛋白：載體蛋

7、白和通道蛋白兩種類型。（四）主動運輸主動運輸?shù)奶攸c是： 逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸； 需要能量； 都有載體蛋白。主動運輸所需的能量來源主要有： 協(xié)同運輸中的離子梯度動力； ATP驅(qū)動的泵通過水解ATPATP獲得能量； 光驅(qū)動的泵利用光能運輸物質(zhì)，見于細菌。第二節(jié)第二節(jié) 離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運一、P-型離子泵（一）由ATP直接提供能量的主動運輸鈉鉀泵構(gòu)成： 由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體，實際上就是Na+-K+ATP酶，分布于動物細胞的質(zhì)膜。工作原理： Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。其總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個A

8、TP；轉(zhuǎn)運出三個Na+ ，轉(zhuǎn)進兩個K+ 作用：維持動物細胞的滲透平衡；能量儲存；維持細胞的靜息電位地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性細胞避免滲透膨脹的三種方式（二）、鈣泵 作用：維持細胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（細胞內(nèi)鈣離子濃度10-7M，細胞外10-3M）。 位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。 類型： P P型離子泵，其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的80%以上。 鈉鈣交換器，屬于反向協(xié)同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運鈣離子。二、質(zhì)子泵二、質(zhì)子泵1 1、P-typeP-type：利用：利用ATPATP自磷酸化發(fā)生構(gòu)象的改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)自磷酸化發(fā)生構(gòu)象的

9、改變來轉(zhuǎn)移質(zhì)子，如植物細胞膜上的子，如植物細胞膜上的H+H+泵、動物胃表皮細胞的泵、動物胃表皮細胞的H+-K+H+-K+泵泵（分泌胃酸）。（分泌胃酸）。 2 2、V-typeV-type：存在于各類小泡：存在于各類小泡(vacuole) (vacuole) 膜上，由許多亞膜上，由許多亞基基構(gòu)成，水解構(gòu)成，水解ATPATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。 3 3、F-typeF-type：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，利用質(zhì)子動：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，利用質(zhì)子動力勢合成力勢合成ATPATP，也叫，也叫

10、ATPATP合酶，位于細菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)合酶，位于細菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上。膜和葉綠體的類囊體膜上。三、三、ABC ABC 超家族超家族 ABC ABC超家族（超家族（ABC transporterABC transporter）最早發(fā)現(xiàn)于細菌，屬于）最早發(fā)現(xiàn)于細菌，屬于一個龐大的蛋白家族，每個成員都有兩個高度保守的一個龐大的蛋白家族，每個成員都有兩個高度保守的ATPATP結(jié)合區(qū)（結(jié)合區(qū)（ATP binding cassetteATP binding cassette），故名），故名ABCABC轉(zhuǎn)運器。轉(zhuǎn)運器。 每一種每一種ABCABC轉(zhuǎn)運器只轉(zhuǎn)運一種或一類底物，不同的轉(zhuǎn)運器轉(zhuǎn)

11、運器只轉(zhuǎn)運一種或一類底物，不同的轉(zhuǎn)運器可轉(zhuǎn)運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白可轉(zhuǎn)運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白質(zhì)。質(zhì)。ABCABC轉(zhuǎn)運器還可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)運器還可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)，在膜的發(fā)生和功能維護上具有重要的意義。在膜的發(fā)生和功能維護上具有重要的意義。四、協(xié)同轉(zhuǎn)運 是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。 物質(zhì)跨膜運動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。 動物細胞中常常利用膜兩側(cè)NaNa+ +濃度梯度來驅(qū)動。 植物細胞和細菌常利用H H+ +濃度梯度來驅(qū)動。 根據(jù)物質(zhì)運輸方向與離子沿濃度

12、梯度的轉(zhuǎn)移方向，協(xié)同運輸又可分為： 同向協(xié)同與反向協(xié)同。1 1、同向協(xié)同 物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同。如小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入。2 2、反向協(xié)同 物質(zhì)跨膜運動的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，如動物細胞常通過Na+/H+反向協(xié)同運輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運H+，以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的PH值。 第三節(jié)第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用胞吞作用與胞吐作用l 真核細胞通過胞吞作用和胞吐作用完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。在轉(zhuǎn)運過程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細胞外物質(zhì)的囊泡，因此又稱膜泡運輸。l 耗能，屬于主動運輸一、吞噬作用 細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等

13、，稱為吞噬作用。 吞噬泡的形成需要有微絲及其結(jié)合蛋白的幫助，吞噬泡直徑往往大于250nm 吞噬作用的發(fā)生需要被吞噬物與細胞表面結(jié)合并激活細胞表面受體，是一個信號觸發(fā)過程 只有某些特化細胞，如巨噬細胞、中性粒細胞等才具有吞噬功能二、胞飲作用 細胞連續(xù)吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。 胞飲泡的形成需要網(wǎng)格蛋白或這一類蛋白的幫助，胞飲的直徑一般小于150nm 組成：網(wǎng)格蛋白小分子GTP結(jié)合蛋白dynamin接合素蛋白，介導(dǎo)選擇性運輸轉(zhuǎn)運分子受體三、受體介導(dǎo)的胞吞作用 被轉(zhuǎn)運的大分子物質(zhì)（配體）首先與細胞表面互補性的受體結(jié)合，形成受體大分子復(fù)合物并扳動內(nèi)化作用。 受體介導(dǎo)的胞吞作用是一種選擇濃縮機制，如LDL受體介導(dǎo)的胞吞作用 受體的胞內(nèi)體分選途徑：大部分受體返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，進入再循環(huán)部分受體進入溶酶體被降解 受體下行調(diào)節(jié)有些受體被運至