第五章-物質(zhì)的跨膜運輸

第五章-物質(zhì)的跨膜運輸?shù)?頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、脂雙層的不透性與膜轉(zhuǎn)運蛋白二、小分子物質(zhì)的跨膜運輸類型第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運輸?shù)?頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、脂雙層的不透性與膜轉(zhuǎn)運蛋白細(xì)胞內(nèi)最豐富的陽離子是K+，細(xì)胞外最豐富的陽離子是Na+。離子濃度差異分布由脂雙層的疏水特征和膜轉(zhuǎn)運蛋白的活性來調(diào)控。膜轉(zhuǎn)運蛋白（membranetransportprotein）即參與質(zhì)膜上物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)，包括載體蛋白（transporter,carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）兩類。第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一（一）載體蛋白及其功能載體蛋白（carrierproteintransporter）:一種與特異的溶質(zhì)結(jié)合，并通過自身構(gòu)象的改變介導(dǎo)物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白。特性：

a)不同部位的生物膜含有與各自功能相關(guān)的載體蛋白。b)載體蛋白具有底物專一性。

c)載體蛋白對轉(zhuǎn)運的分子不作任何共價修飾。d)載體蛋白即可介導(dǎo)被動運輸，又可介導(dǎo)主動運輸。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一載體蛋白通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)（葡萄糖）被動運輸?shù)哪Ｐ妥⒁猓狠d體蛋白對轉(zhuǎn)運的分子不作任何共價修飾。第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一載體蛋白的舉例第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一（二）通道蛋白及其功能通道蛋白（channelprotein）：通過形成親水性通道介導(dǎo)特異溶質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運。包括3種類型：離子通道（ionchannel）、孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。通道蛋白形成高效性、選擇性和門控性的跨膜通道。離子通道的三個特征（p69-70)第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3種類型的離子通道示意圖A：電壓門通道B、C：配體門通道D：應(yīng)力激活通道激活信號的不同。第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、小分子物質(zhì)的跨膜運輸類型簡單擴散（simplediffusion）被動運輸（passivetransport）主動運輸（activetransport）第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1、簡單擴散（simplediffusion）定義：小分子物質(zhì)以熱自由運動的方式順著電化學(xué)梯度或濃度梯度直接通過脂雙層進(jìn)出細(xì)胞，既不需要細(xì)胞供能，也不需要膜轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助。電化學(xué)梯度（electrochemicalgradient）：離子的電荷和濃度的總差異，決定物質(zhì)在兩個區(qū)域之間的運動擴散能力。擴散速率與該物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)：分子量小、脂溶性、極性小的物質(zhì)易通過擴散進(jìn)出細(xì)胞。第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一不同性質(zhì)的分子通過無膜轉(zhuǎn)運蛋白的人工脂雙層第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、被動運輸（passivetransport）定義：在膜轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助下，物質(zhì)從高電化學(xué)勢或高濃度一側(cè)向低電化學(xué)勢或低濃度一側(cè)的跨膜運輸形式，又稱協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）。轉(zhuǎn)運物質(zhì)：水分子、糖、氨基酸、核苷酸及細(xì)胞代謝物等。轉(zhuǎn)運蛋白：Glucosetransporter;

水孔蛋白。第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一水孔蛋白（AQP1）分布與結(jié)構(gòu)A：豚鼠質(zhì)膜電鏡照片B：水孔蛋白（AQP1）C：水孔蛋白一個亞基（由3對同源的跨膜α螺旋組成）D：一個亞基三維結(jié)構(gòu)的示意圖第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一部分水孔蛋白舉例第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、主動運輸（activetransport）定義：由載體蛋白所介導(dǎo)的物質(zhì)逆著電化學(xué)梯度或濃度梯度進(jìn)行跨膜運輸?shù)姆绞?。它是一種需要消耗能量的物質(zhì)跨膜運輸過程。3種類型：

ATP驅(qū)動泵（ATP-drivenpump）；

協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白（cotransporter

，由ATP間接供能）；

光驅(qū)動泵（light-drivenpump）。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一主動運輸3種類型第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)ATP驅(qū)動泵與主動運輸一、P型泵二、V型質(zhì)子泵和F型質(zhì)子泵三、ABC超家族四、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4種類型的ATP驅(qū)動泵前3種轉(zhuǎn)運離子，后一種轉(zhuǎn)運小分子。第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一

、P型泵P型泵（P-typepump）：由于這類轉(zhuǎn)運泵水解ATP使自身形成磷酸化（phosphorylation）的中間體，因此稱為P型泵。大多數(shù)P型泵都是離子泵?？煞郑?/p>

Na+-K+泵（

Na+-K+pump）；Ca2+泵（Ca2+pump）；

P型H+泵（P-typeH+pump）等。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一Na+-K+泵又稱Na+-K+ATPase，能水解ATP，使α亞基磷酸化或去磷酸化，將3個Na+泵出細(xì)胞，而將2個K+泵入細(xì)胞的膜轉(zhuǎn)運載體蛋白。鈉鉀泵需要鈉和ATP在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)，而鉀在膜外；每消耗一分子ATP，轉(zhuǎn)運3個鈉和2個鉀；只有動物細(xì)胞有鈉鉀泵。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)（A）與工作模式（B）Na+依賴性的磷酸化和K+依賴性的去磷酸化引起Na+-K+泵構(gòu)象發(fā)生有序變化每個工作循環(huán)消耗1個ATP分子，可以逆著電化學(xué)梯度泵出3個Na+和泵入2個K+。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖的示意圖一般動物細(xì)胞要消耗1/3（神經(jīng)細(xì)胞消耗2/3）的總ATP供Na+-K+泵工作以維持細(xì)胞內(nèi)高K+低Na+Na+-的離子環(huán)境。

Na+-K+泵主要生理功能：（1）維持細(xì)胞膜電位；（2）維持動物細(xì)胞滲透平衡；（3）吸收營養(yǎng)（見左圖）。第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一肌質(zhì)網(wǎng)Ca+泵轉(zhuǎn)運Ca+前（A）和后（B）的工作模型

N:核苷酸結(jié)合部位P:磷酸化部位A:活化部位Ca2+泵和P型H+泵（略）第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、V型質(zhì)子泵和F型質(zhì)子泵V型質(zhì)子泵（V-typeprotonpump）：廣泛存在于動物細(xì)胞的胞內(nèi)體膜、溶酶體膜，破骨細(xì)胞和某些腎小管細(xì)胞的質(zhì)膜，以及植物和真菌細(xì)胞的液泡（首字母為V）膜上。

V型質(zhì)子泵H+將從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中泵入細(xì)胞器。F型質(zhì)子泵（F-typeprotonpump，F(xiàn)1F0-ATPase）：廣泛存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜上（F為Factor的首字母）。

F型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動力勢合成ATP。第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、ABC超家族定義：ABC超家族（ATPbindingcassettesuper-family）又叫ABC轉(zhuǎn)運蛋白，也是一類ATP驅(qū)動泵，利用ATP水解釋放的能量將糖、氨基酸、磷脂、膽固醇、肽和其它多種小分子物質(zhì)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運。ABC轉(zhuǎn)運蛋白是分布最廣的一類轉(zhuǎn)運蛋白，從細(xì)菌到人類都有。4個“核心”結(jié)構(gòu)域：2個跨膜結(jié)構(gòu)域（T），每個含6個跨膜α螺旋，形成底物運輸?shù)耐凡Q定底物的特異性；2個凸向胞質(zhì)側(cè)的ATP結(jié)合域（A），具有ATPase活性。第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一原核細(xì)胞（A）和真核細(xì)胞（B）ABC超家族結(jié)構(gòu)與工作示意圖工作模式：（1）ATP結(jié)合前，ABC轉(zhuǎn)運蛋白的底物結(jié)合位點暴露于一側(cè)（原核細(xì)胞胞外一側(cè)或真核細(xì)胞胞內(nèi)一側(cè)）；（2）ATP結(jié)合，ATP結(jié)合域二聚化并轉(zhuǎn)運底物到ABC轉(zhuǎn)運蛋白通路的另一側(cè)內(nèi)；（3）ATP水解及ADP解離，ATP結(jié)合域解離（恢復(fù)原狀），同時釋放底物。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一每種ABC轉(zhuǎn)運蛋白對于底物或底物的某些基團有特異性。與疾病的關(guān)系：

有些ABC轉(zhuǎn)運蛋白能夠?qū)⒖股鼗蚱渌H脂性抗癌藥物泵出細(xì)胞，賦予細(xì)胞抗藥性；

遺傳病囊性纖維化（肺、汗腺和胰腺等中）的發(fā)生也是ABC轉(zhuǎn)運蛋白突變引起。第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一四、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位膜電位（membranepotential）：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。靜息電位（restingpotential）：可興奮細(xì)胞在其不受外來刺激時測得的膜電位差（-30~-70mV）。靜息電位是細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外相對穩(wěn)定的電位差，質(zhì)膜內(nèi)為負(fù)值，質(zhì)膜外為正值，這種現(xiàn)象又稱極化（polarization）。動作電位（activepotential）：指細(xì)胞在刺激作用下產(chǎn)生的行使通訊功能的快速變化的膜電位。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一靜息電位的形成：動物細(xì)胞質(zhì)膜對K+的通透性大于Na+是產(chǎn)生靜息電位的主要原因。

靜息膜允許K+通過開放的非門控的滲漏通道順電化學(xué)梯度流向胞外，產(chǎn)生外正內(nèi)負(fù)的靜息電位。動作電位的形成：極化（靜息）（K+滲漏出）→去極化（Na+通道流入）→反極化（Na+通道關(guān)閉，K+通道流出）→再極化（K+通道流出）→超極化（K+通道關(guān)閉）（見圖5-12）。第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用定義：p79分布：真核細(xì)胞作用：大分子（蛋白質(zhì)、多核苷酸及多糖等）和顆粒物質(zhì)的跨膜運輸。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、胞吞作用的類型(1)胞飲作用（pinocytosis）(2)吞噬作用（phagocytosis）特征物質(zhì)胞吞泡的大小轉(zhuǎn)運方式胞吞泡形成機制胞飲作用溶液小于150nm連續(xù)的過程網(wǎng)格蛋白和接合素蛋白吞噬作用大顆粒大于250nm受體介導(dǎo)的信號觸發(fā)過程微絲和結(jié)合蛋白區(qū)別:第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一胞吞作用的類型第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一（1）吞噬作用吞噬作用（phagocytosis）：針對胞外生物大分子和顆粒性物質(zhì)的胞吞作用。在原生生物中，吞噬作用是攝取食物的一種方式；在高等多細(xì)胞生物體中，吞噬作用往往發(fā)生于巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，其作用不僅僅是攝取營養(yǎng)物，主要是清除侵染機體的病原體以及衰老或凋亡的細(xì)胞。第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一抗體誘發(fā)的吞噬作用胞吞泡（endocyticvesicle）:胞吞時質(zhì)膜內(nèi)陷脫落形成的囊泡，稱胞吞泡；吞噬體（phagosome）：通過吞噬作用形成的胞吞泡稱吞噬體。第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一（2）胞飲作用胞飲作用（pinocytosis）：針對胞外生物大分子或液體物質(zhì)的胞吞作用?？梢苑譃榫W(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用、胞膜窖依賴的胞吞作用、大型胞飲作用和非網(wǎng)格蛋白/胞膜窖依賴的胞吞作用4種類型。

胞飲作用可分為受體介導(dǎo)型（具有專一性和濃縮性）和非受體介導(dǎo)型。第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一網(wǎng)格蛋白（clathrin）：又稱籠形蛋白，是一類包被蛋白，由3個二聚體（1條重鏈和1條輕鏈）組成三腿蛋白（triskelion），作為包被的結(jié)構(gòu)單位，組裝形成多面體籠形結(jié)構(gòu)。當(dāng)配體與膜上受體結(jié)合后，網(wǎng)格蛋白聚集在膜下，逐漸形成直徑50~100nm的質(zhì)膜凹陷，即網(wǎng)格蛋白包被小窩（clathrin-coatedpit）。銜接蛋白（adaptin）：對轉(zhuǎn)運分子有特異性選擇作用，它既能結(jié)合網(wǎng)格蛋白，又能識別跨膜受體胞質(zhì)面的尾部肽信號，從而通過網(wǎng)格蛋白包被泡介導(dǎo)跨膜受體及其結(jié)合配體的選擇性運輸。發(fā)動蛋白（dynamin）：一種小G蛋白，在深陷的包被小窩的頸部組裝成環(huán)，水解與其結(jié)合的GTP，引起頸部縊縮，最終脫離質(zhì)膜形成網(wǎng)格蛋白包被膜泡。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一通過網(wǎng)格蛋白包被膜泡介導(dǎo)的選擇性運輸示意圖被轉(zhuǎn)運分子→受體→內(nèi)化→網(wǎng)格蛋白包被膜泡→脫包被膜泡→胞內(nèi)體（分選）→被轉(zhuǎn)運分子到溶酶體降解，受體返回質(zhì)膜第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一受體介導(dǎo)的胞吞作用

受體（receptor）：受體是任何能與特定信號分子（配體）結(jié)合的（膜）蛋白分子，通常導(dǎo)致細(xì)胞攝取反應(yīng)或細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。受體介導(dǎo)的胞吞作用（receptormediatedendocytosis）：通過網(wǎng)格蛋白有被小泡從胞外基質(zhì)攝取特定大分子的途徑。被轉(zhuǎn)運的大分子物質(zhì)與細(xì)胞表面互補性的受體結(jié)合，形成受體-配體復(fù)合物并引發(fā)細(xì)胞質(zhì)膜局部內(nèi)化作用，然后小窩脫離質(zhì)膜形成有被小泡而將物質(zhì)吞入細(xì)胞內(nèi)。胞內(nèi)體（endosome）：動物細(xì)胞內(nèi)由膜包圍的細(xì)胞器，其作用是轉(zhuǎn)運由胞吞作用新攝取的物質(zhì)到溶酶體中降解。第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一LDL（低密度脂蛋白）通過受體介導(dǎo)的胞吞作用進(jìn)入