第四節(jié)課物質(zhì)跨膜運(yùn)輸

物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

MembraneTransport授課教師：劉亞聯(lián)系方式：liuya1972@163.com第五章10/15/20231教學(xué)安排

計(jì)劃學(xué)時：2學(xué)時

主要內(nèi)容：膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

ATP驅(qū)動泵與主動運(yùn)輸胞吞作用與胞吐作用

講授重點(diǎn)：膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主動運(yùn)輸10/15/20232§1膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸脂雙層的選擇通透性10/15/20233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1/3(神經(jīng)細(xì)胞可達(dá)2/3）。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白(carrierprotein)：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。10/15/20234二、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(membranetransportprotein)（一）載體蛋白(carrierprotein)：通透酶(permease)

多次跨膜蛋白通過構(gòu)象改變進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

高度特異性，可飽和性，存在競爭性及非競爭性抑制劑不同部位生物膜含有與各自功能相關(guān)的載體蛋白10/15/2023510/15/20236（二）通道蛋白3種類型：離子通道、孔蛋白(porin)、水孔蛋白(AQP)

離子通道:與離子泵共同調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子濃度及跨膜電位

選擇性高：通道直徑、形狀、通道內(nèi)荷電氨基酸分布

3個特征（與載體蛋白比）轉(zhuǎn)運(yùn)速率高：接近自由擴(kuò)散理論值（順電化學(xué)梯度）沒有飽和值門控

配體門通道(ligand-gatedchannel)

電壓門通道(voltage-gatedchannel)

應(yīng)力激活通道(stress-activatedchannel)10/15/202371.配體門通道(ligandgatedchannel)

特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起通道構(gòu)象改變，“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿受體；和陰離子通道，如γ－氨基丁酸受體。Ach受體由4種亞單位（α2βγδ）組成。10/15/20238Nicotinicacetylcholinereceptor10/15/20239環(huán)核苷酸配體門通道CNG結(jié)構(gòu)與鈉電位門通道相似。細(xì)胞內(nèi)的C末端較長，有環(huán)核苷酸的結(jié)合位點(diǎn)。分布于化學(xué)和光感受器中。如氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道，引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。10/15/2023102.電位門通道(voltagegatedchannel)特點(diǎn)：膜電位變化可引起構(gòu)象變化，“門”打開。結(jié)構(gòu)：四聚體，每個單體跨膜6次。Na+、K+、Ca2+電壓門通道結(jié)構(gòu)相似，由同一個遠(yuǎn)祖基因演化而來。10/15/202311VoltagegatedK+channelK+電位門有四個亞單位，每個亞基有6個跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊(P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道內(nèi)襯，大小允許K+通過。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器10/15/202312K+channel4thsubunitnotshown10/15/202313Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission神經(jīng)肌肉接點(diǎn)由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，可使肌細(xì)胞膜中的電位門Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道打開，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。10/15/2023143.應(yīng)力激活通道(stress-activatedchannel)感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。目前比較明確的有兩類機(jī)械門通道對牽拉敏感:為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主，幾乎存在于所有的細(xì)胞膜對剪切力敏感:僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞10/15/20231510/15/2023164.水通道/水孔蛋白質(zhì)(aquaporin,AQP)1989年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28（28KD)廣泛存在于各物種細(xì)胞質(zhì)膜：細(xì)菌、動物、植物AQP1對水分子高度特異：兩個半跨膜區(qū)的Asn-Pro-Ala中Asn所帶正電荷排除了質(zhì)子的通過有些AQP不局限于水分子：AQP7于甘油、AQP8于尿素10/15/202317水孔蛋白分布與結(jié)構(gòu)示意圖10/15/2023182003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。PeterAgreRoderickMacKinnon

10/15/2023195.孔蛋白(porin)分布：G-菌及線粒體和葉綠體外膜跨膜區(qū)由β-折疊片層形成柱狀親水通道選擇性低能通過較大分子：5X10310/15/202320三、小分子物質(zhì)跨膜運(yùn)輸類型根據(jù)是否需要膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及能量，分為：簡單擴(kuò)散(simplediffusion)、被動運(yùn)輸(passivetransport)和主動運(yùn)輸(activetransport)。10/15/202321（一）簡單擴(kuò)散(simpleduffusion)

特點(diǎn)

順電化學(xué)梯度無需能量無需載體蛋白通透性取決于分子大小與極性

P=KD/tP:通透性

K:油/水分配系數(shù)

D:擴(kuò)散系數(shù)

t:膜厚度10/15/202322（二）被動運(yùn)輸(passivetransport)又稱協(xié)助擴(kuò)散(facilitateddiffusion)。

特點(diǎn)

順電化學(xué)梯度

需轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不需能量

轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)：極性小分子、無機(jī)離子10/15/202323§2主動運(yùn)輸與ATP驅(qū)動泵一、主動運(yùn)輸(activetransport)特點(diǎn)逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；需要能量；都有載體蛋白。能量來源協(xié)同運(yùn)輸中的離子梯度動力；ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量；光驅(qū)動的泵利用光能運(yùn)輸物質(zhì)，見于細(xì)菌。10/15/202324一、P-型泵(P-typepump)

2個α催化亞基（結(jié)合ATP），2個β調(diào)節(jié)亞基，水解ATP形成磷酸化中間體，稱作P-型泵。（一）Na+-K+泵構(gòu)成：由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體，也叫Na+-K+ATPase，分布于動物細(xì)胞的質(zhì)膜。工作原理：對離子的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)依賴自磷酸化過程，所以叫做P-type離子泵。每個周期轉(zhuǎn)出３個Na+，２個K+。10/15/202325Na+-K+ATPPUMPNa+依賴性的磷酸化與K+依賴性去磷酸化引起Na+-K+泵構(gòu)象有序變化

1000次/秒每循環(huán)消耗1分子ATP，泵出3個Na+，泵入2個K+10/15/202326Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition10/15/202327維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞體積；維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；維持細(xì)胞的靜息電位。鈉鉀泵的作用地高辛、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。10/15/202328（二）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。10/15/202329Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPase Conformationchange10/15/202330二、質(zhì)子泵P-type：如植物細(xì)胞膜上的H+泵、動物胃表皮細(xì)胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。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。F-type：利用質(zhì)子動力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。10/15/202331三、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)。10/15/202332MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個被發(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)。10/15/2023334種類型ATP驅(qū)動泵10/15/202334四、協(xié)同運(yùn)輸(cotransport)靠間接提供能量完成主動運(yùn)輸動物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。分為同向協(xié)同（symport）反向協(xié)同（antiport）10/15/202335同向協(xié)同（symport）：偶聯(lián)物運(yùn)輸方向相同如小腸細(xì)胞對葡萄糖的吸收伴隨