第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)?頁，共74頁。第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸與信號(hào)傳遞第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)诙?jié)離子泵和協(xié)同運(yùn)輸?shù)谌?jié)胞吞作用與胞吐作用第2頁，共74頁。一脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度明顯不同，鈉離子是胞外最豐富的陽離子，鉀離子是胞內(nèi)最豐富的陽離子（細(xì)胞是低鈉高鉀的環(huán)境）。細(xì)胞內(nèi)外這種離子差異對(duì)于細(xì)胞的存活的功能至關(guān)重要。細(xì)胞內(nèi)外的離子差別分布主要由兩種機(jī)制所調(diào)控：一是取決于一套特殊的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性；二是取決于質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征。第3頁，共74頁。估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質(zhì)。通道蛋白主要根據(jù)溶質(zhì)大小和電荷和進(jìn)行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當(dāng)電荷的分子或離子就能通過；而載體蛋白只允許與其結(jié)合部位相適應(yīng)的溶質(zhì)分子通過，并且每次轉(zhuǎn)運(yùn)都發(fā)生自身構(gòu)象的變化。第4頁，共74頁。MembraneTransportProteins第5頁，共74頁。（一）載體蛋白及其功能在幾乎所有類型的生物膜上，載體蛋白是普遍存在、多次跨膜的蛋白質(zhì)分子。第6頁，共74頁。載體蛋白典型定位能源功能葡萄糖載體多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜無被動(dòng)輸入葡萄糖Na+驅(qū)動(dòng)的葡萄糖泵腎和腸細(xì)胞的頂部質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸入葡萄糖Na+-H+交換器動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜Na+梯度主動(dòng)輸出H+，調(diào)節(jié)PHNa+-K+泵多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜ATP水解主動(dòng)輸出Na+輸入K+Ca2+泵真核細(xì)胞的質(zhì)膜ATP水解主動(dòng)輸出Ca2+H+泵植物細(xì)胞、真菌和一些細(xì)菌細(xì)胞的質(zhì)膜ATP水解從細(xì)胞主動(dòng)輸出H+H+泵動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜、植物和真菌細(xì)胞的液泡膜ATP水解主動(dòng)輸出胞質(zhì)內(nèi)H+進(jìn)入溶酶體或液泡載體蛋白舉例第7頁，共74頁。（二）通道蛋白及其功能通道蛋白形成跨膜親水性通道，允許特定離子順濃度梯度通過，又稱離子通道。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸。轉(zhuǎn)運(yùn)速率極高；沒有飽和值；并非連續(xù)開放而是門控的。極個(gè)別通道長期開放，如鉀泄漏通道；多數(shù)通道平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，稱為門通道（分為電壓門通道、配體門通道、應(yīng)力激活通道）。第8頁，共74頁。IonChannels----or----第9頁，共74頁。

物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是細(xì)胞維持正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)之一1被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）2主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）·二被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)?0頁，共74頁。第11頁，共74頁。第二節(jié)細(xì)胞通訊與信號(hào)傳遞1細(xì)胞通訊與細(xì)胞識(shí)別2細(xì)胞的信號(hào)分子與受體3通過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳遞4通過細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號(hào)跨膜傳遞5由細(xì)胞表面整合蛋白介導(dǎo)的信號(hào)傳遞6細(xì)胞信號(hào)傳遞的基本特征與蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息第12頁，共74頁。被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）

特點(diǎn)：

運(yùn)輸方向：順濃度梯度能量消耗：不需要提供能量類型：

簡單擴(kuò)散（simplediffusion）

協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion） -------需要特異膜蛋白協(xié)助

通透性P=KD/t，K為分配系數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為膜的厚度。第13頁，共74頁。水孔蛋白：水分子的跨膜通道1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水孔蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會(huì)被Hg2+抑制。目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白，被命名為水孔蛋白（Aquaporin，AQP）或水通道蛋白。形成對(duì)水分子高度特異的親水通道，只容許水而不容許離子或其他小分子溶質(zhì)通過。水孔蛋白是由四個(gè)亞基組成，每個(gè)亞基有六個(gè)跨膜α螺旋。第14頁，共74頁。（三）協(xié)助擴(kuò)散特征順梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；不需要細(xì)胞提供能量；存在膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白使轉(zhuǎn)運(yùn)速率增加，轉(zhuǎn)運(yùn)特異性增強(qiáng)；存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率；不同物質(zhì)有特異Km值；第15頁，共74頁。第16頁，共74頁。（四）主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）

●特點(diǎn)：逆濃度梯度運(yùn)輸；需要能量供給；由載體蛋白介導(dǎo)

被動(dòng)與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^

●類型：三種基本類型

ATP驅(qū)動(dòng)泵（ATP-drivenpump)是ATP酶，由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸。例如：鈉鉀泵、鈣泵、氫泵

鈉鉀泵（結(jié)構(gòu)與機(jī)制）鈣泵

耦聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（coupledtransporter）進(jìn)行協(xié)同運(yùn)輸

分為共運(yùn)輸（同向運(yùn)輸）和對(duì)向運(yùn)輸（反向運(yùn)輸）動(dòng)、植物細(xì)胞中協(xié)同運(yùn)輸?shù)谋容^

光驅(qū)動(dòng)泵（light-drivenpump)主要在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位

第17頁，共74頁。ATP驅(qū)動(dòng)泵功能是逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)離子和各種小分子。所有驅(qū)動(dòng)泵都是跨膜蛋白，在膜的原生質(zhì)表面具有一個(gè)或多個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)。根據(jù)泵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能特性ATP驅(qū)動(dòng)泵分為四類：P-型離子泵，V-型質(zhì)子泵，F(xiàn)-型質(zhì)子泵和ABC超家族。前三種只轉(zhuǎn)運(yùn)離子，后一種主要轉(zhuǎn)運(yùn)小分子。離子泵第18頁，共74頁。FourtypesofATP-poweredpumps第19頁，共74頁。一P-型離子泵P-型離子泵有2個(gè)獨(dú)立的α催化亞基，具有ATP結(jié)合位點(diǎn)。由于在泵周期中利用ATP水解能，形成磷酸化中間體，故名P-型離子泵。主要代表：鈉鉀泵、鈣泵植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌細(xì)胞其質(zhì)膜上沒有鈉鉀泵，而是具有質(zhì)子泵。第20頁，共74頁。鈉鉀泵：

由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATP酶，分布于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜。

工作原理：

每個(gè)周期轉(zhuǎn)出３個(gè)鈉離子，２個(gè)鉀離子。第21頁，共74頁。鈉鉀泵的作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；③維持細(xì)胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。第22頁，共74頁。第23頁，共74頁。第24頁，共74頁。Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition第25頁，共74頁。鈣離子泵作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵出2個(gè)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90%。第26頁，共74頁。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange第27頁，共74頁。二、V-型質(zhì)子泵和F-型質(zhì)子泵1、V-type：廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞各類小泡膜上以及植物、真菌細(xì)胞液泡膜上。水解ATP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。2、F-type：利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，即ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。第28頁，共74頁。三、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名。一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。第29頁，共74頁。MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對(duì)藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。第30頁，共74頁。四協(xié)同運(yùn)輸cotransport靠間接提供能量完成主動(dòng)運(yùn)輸。所需能量來自膜兩側(cè)離子的濃度梯度。動(dòng)物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動(dòng)。分為：同向協(xié)同（symport）和反向協(xié)同（antiport）。第31頁，共74頁。1、同向協(xié)同（symport）如小腸細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。某些細(xì)菌對(duì)乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）如Na+驅(qū)動(dòng)的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。第32頁，共74頁。五離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差的總和即膜電位。靜息電位內(nèi)負(fù)外正極化動(dòng)作電位第33頁，共74頁。第三節(jié)胞吞作用（endocytosis）

與胞吐作用（exocytosis）

作用：完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜 運(yùn)輸，又稱膜泡運(yùn)輸或批量運(yùn)輸 （bulktransport）。屬于主動(dòng)運(yùn)輸。

●胞吞作用（胞飲作用、吞噬作用）

●胞吐作用●膜流與囊泡的識(shí)別第34頁，共74頁。細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等。吞噬作用第35頁，共74頁。細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用第36頁，共74頁。胞吞作用

●胞飲作用（pinocytosis）與吞噬作用（phagocytosis）。 胞飲作用與吞噬作用主要有三點(diǎn)區(qū)別●胞吞作用的類型非特異性胞吞作用

受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用及包被的組裝●

胞內(nèi)體（endosome）及其分選作用第37頁，共74頁。

胞吐作用 ●

組成型的外排途徑（constitutiveexocytosispathway） 分布：所有真核細(xì)胞分泌特點(diǎn)：連續(xù)分泌過程分泌物質(zhì)：用于質(zhì)膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基質(zhì)組分、營養(yǎng)或信號(hào)分子）

defaultpathway：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→分泌泡→細(xì)胞表面

●調(diào)節(jié)型外排途徑（regulatedexocytosispathway） 特化的分泌細(xì)胞 儲(chǔ)存——刺激——釋放 產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分選機(jī)制，分選信號(hào)存在于蛋白本身，分選主要由高爾基體TGN上的受體類蛋白來決定

第38頁，共74頁。膜流與囊泡識(shí)別●膜流：動(dòng)態(tài)過程對(duì)質(zhì)膜更新和維持細(xì)胞的生存與生長是必要的●囊泡與靶膜的識(shí)別與融合

第39頁，共74頁。物質(zhì)跨膜運(yùn)輸：

被動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸胞吞與胞吐作用第40頁，共74頁。（一）簡單擴(kuò)散，自由擴(kuò)散（freediffusion）

特點(diǎn)①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白的協(xié)助。某種物質(zhì)對(duì)人工膜的通透性（P）可以根據(jù)它在油和水中的分配系數(shù)（K）及其擴(kuò)散系數(shù)（D）來計(jì)算：

P=KD/tt為膜的厚度。第41頁，共74頁。人工膜對(duì)各類物質(zhì)的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透過；非極性分子比極性容易透過；極性不帶電荷的小分子可透過人工脂雙層；人工膜對(duì)帶電荷的物質(zhì)，如離子是高度不通透的。第42頁，共74頁。葡萄糖簡單擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較

第43頁，共74頁。第44頁，共74頁。第45頁，共74頁。第46頁，共74頁。第47頁，共74頁。第48頁，共74頁。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)念愋汀馎TP直接供能的主動(dòng)運(yùn)輸●ATP間接供能的主動(dòng)運(yùn)輸●光能驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸?shù)?9頁，共74頁。構(gòu)成：

由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATP酶，分布于動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜。

工作原理：

每個(gè)周期轉(zhuǎn)出３個(gè)鈉離子，２個(gè)鉀離子。第50頁，共74頁。鈉鉀泵的作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；③維持細(xì)胞的靜息電位。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。第51頁，共74頁。第52頁，共74頁。第53頁，共74頁。Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition第54頁，共74頁。鈣離子泵作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵出2個(gè)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90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協(xié)同運(yùn)輸體系，通過鈉鈣交換來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。第55頁，共74頁。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange第56頁，共74頁。質(zhì)子泵1、P-type：如植物細(xì)胞膜上的H+泵、動(dòng)物胃表皮細(xì)胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各類小泡膜上，水解ATP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。3、F-type：利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，即ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。第57頁，共74頁。FourtypesofATP-poweredpumps第58頁，共74頁。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器（ABCtransporter）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，是一龐大的蛋白家族，都有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名。一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器只轉(zhuǎn)運(yùn)一種或一類底物，不同成員可轉(zhuǎn)運(yùn)離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白質(zhì)；可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉(zhuǎn)。第59頁，共74頁。MammalianMDR1