生物膜與物質(zhì)運(yùn)輸

生物膜與物質(zhì)運(yùn)輸一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸二、小分子物質(zhì)的運(yùn)輸三、生物大分子的跨膜運(yùn)輸四、離子載體五、生物膜運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制

生物膜的組成外周蛋白膜內(nèi)在蛋白(單跨膜螺旋)與脂質(zhì)共價(jià)連接的外周蛋白極性磷脂頭部膜內(nèi)在蛋白(多跨膜螺旋)固醇脂雙層糖蛋白的寡糖鏈糖脂非極性脂肪酰鏈生物膜流動(dòng)鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)

能量轉(zhuǎn)換——氧化磷酸化(線粒體)、光合磷酸化(葉綠體)信息識(shí)別與傳遞——生物信號(hào)(G-蛋白偶聯(lián)受體和第二信使、視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)的信號(hào)傳導(dǎo)、致癌基因、腫瘤抑制基因等)物質(zhì)運(yùn)輸——生物膜具有通透性和高度選擇性生物膜功能：一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸(passivetransport)：順濃度梯度方向的跨膜運(yùn)送物質(zhì)。物質(zhì)的運(yùn)輸速率既依賴于膜兩側(cè)運(yùn)送物質(zhì)的濃度差，又與被運(yùn)送物質(zhì)的分子大小、電荷和在脂雙層中的溶解度有關(guān)。例：1.帶電或極性物質(zhì)——轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2.紅細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)——葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GluT1）3.紅細(xì)胞的Cl-和HCO3-轉(zhuǎn)運(yùn)——陰離子交換蛋白在膜蛋白協(xié)助下的被動(dòng)運(yùn)輸(passivetransport)與水結(jié)合的溶質(zhì)無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的簡(jiǎn)單擴(kuò)散

有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的簡(jiǎn)單擴(kuò)散

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸帶電或極性物質(zhì)——轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白溶質(zhì)的簡(jiǎn)單擴(kuò)散被選擇性滲透障礙所阻止。極性或帶電的溶質(zhì)：①去除水合層中與水分子相互作用；②通過(guò)溶解性較差的溶劑擴(kuò)散。

過(guò)程需要高能量?G?。協(xié)助擴(kuò)散(facilitateddiffusion)或被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(passivetransport)：極性化合物和離子的跨膜通道是由膜蛋白組成的，降低轉(zhuǎn)運(yùn)的活化能。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporters)或穿透酶(permeases)紅細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸(PassiveTransport)

葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞是通過(guò)葡萄糖特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。紅細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucosetransporter,GluT1)結(jié)構(gòu)模型GluT1：紅細(xì)胞膜內(nèi)在蛋白(Mr45000)，有12個(gè)疏水片段，形成12個(gè)跨膜螺旋，螺旋片段表面上極性和非極性氨基酸殘基的分布，形成兩親性螺旋

5-6個(gè)兩親性螺旋邊邊相加，極性面向內(nèi)，構(gòu)成跨膜通道，Glc與極性氨基酸殘基形成氫鍵。血漿葡萄糖濃度：5mM，葡萄糖擴(kuò)散速度是未催化擴(kuò)散的5萬(wàn)倍一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸糖尿病人的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷GluT4：肌肉和脂肪中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白，能被胰島素激活。攝入葡萄糖過(guò)量肌糖原心肌骨骼肌三酰甘油脂肪細(xì)胞②當(dāng)胰島素與受體結(jié)合，囊泡移到膜表面并與其融合，從而增加質(zhì)膜表面GluT4數(shù)量。胰腺釋放胰島素這些細(xì)胞膜含有葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GluT4①GluT4貯存在細(xì)胞內(nèi)的囊泡膜上。③當(dāng)胰島素水平下降，GluT4通過(guò)胞吞作用重新從質(zhì)膜上移回胞內(nèi)，形成囊泡。④小囊泡與內(nèi)涵體融合。⑤內(nèi)涵體出芽形成小囊泡，以備胰島素水平升高時(shí)，重新移到細(xì)胞表面。GluT4Ⅰ型糖尿病人不能釋放胰島素，導(dǎo)致肌肉和脂肪組織對(duì)葡萄糖的吸收率很低，后果血糖增高。一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸*GluT2：將肝糖原分解的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)出肝細(xì)胞。能夠根據(jù)胞內(nèi)葡萄糖增加相應(yīng)增加葡萄糖向外轉(zhuǎn)運(yùn)速率。氯離子與碳酸氫根離子的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)(Cotransport)氯離子與碳酸氫根離子交換蛋白(chloride-bicarbonateexchanger)又稱陰離子交換蛋白(anionexchange(AE)protein)氯離子與碳酸氫根離子交換蛋白：膜內(nèi)在蛋白，有12個(gè)疏水片段，形成12個(gè)跨膜螺旋。協(xié)同運(yùn)輸：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)2種陰離子同時(shí)移動(dòng)。反向運(yùn)輸(antiport)：兩種底物向相反方向移動(dòng)。同向運(yùn)輸(symport)：兩種底物同時(shí)沿相同方向移動(dòng)。單向運(yùn)輸(uniport)：只運(yùn)轉(zhuǎn)一種底物。分解代謝產(chǎn)生的CO2進(jìn)入紅細(xì)胞

碳酸氫根溶解在血漿中

碳酸酐酶在肺中在呼吸組織中CO2離開(kāi)紅細(xì)胞并被呼出碳酸氫根從血漿中進(jìn)入紅細(xì)胞

紅細(xì)胞的另一種協(xié)助擴(kuò)散系統(tǒng)一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)：物質(zhì)逆濃度或逆電化學(xué)梯度的運(yùn)輸，需要供給能量(needstoprovideenergyfromsurrounding)

G=2.3RTlg(C2/C1)+ZF

V

如：C2>C1,G>0,過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行，需要供給能量

一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸特點(diǎn)：專一性：專一運(yùn)輸特定物質(zhì)；運(yùn)輸速度可以達(dá)到“飽和”狀態(tài)；方向性；選擇性抑制；需要提供能量。主動(dòng)運(yùn)輸需要兩個(gè)體系：參與運(yùn)輸?shù)膫鬟f體由酶或酶系組成的能量傳遞系統(tǒng)溶質(zhì)的聚集直接與放熱的化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)。ATP水解釋放能量驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)X逆電化學(xué)梯度運(yùn)動(dòng)。

一個(gè)溶質(zhì)的耗能運(yùn)輸與另一溶質(zhì)的釋放流動(dòng)相偶聯(lián)，釋放的能量由初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸提供的。初級(jí)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)建立X離子的濃度梯度，X順電化學(xué)梯度移動(dòng)為第二溶質(zhì)S逆電化學(xué)梯度運(yùn)動(dòng)提供能量。

主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是一種能量消耗途徑。如太陽(yáng)光的吸收、氧化反應(yīng)、ATP分解等。一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸

初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸1.P-型ATP酶的Na+K+的主動(dòng)協(xié)同運(yùn)輸2.P-型ATP酶的Ca2+泵3.F-型的ATP合酶4.ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：多藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸1.糖和氨基酸的運(yùn)送——大腸桿菌的乳糖和H+的同向運(yùn)輸2.糖和氨基酸的運(yùn)送——小腸上皮細(xì)胞的葡萄糖和Na+的同向運(yùn)輸一、被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸P-型V-型F-型P：磷酸化V：液泡F：能量伴生因子乳糖和H+的同向運(yùn)輸二、小分子物質(zhì)的運(yùn)輸P-型ATP酶催化Na+與K+的主動(dòng)協(xié)同運(yùn)輸JensSkou1957年發(fā)現(xiàn)Na+K+ATP酶，2個(gè)單體的膜內(nèi)在蛋白，均跨膜存在。細(xì)胞內(nèi)Na+的濃度比周圍液體環(huán)境低，K+則相反。膜電位胞外液體或血漿細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞內(nèi)結(jié)合3個(gè)Na+磷酸化作用形成P-EnzⅡ轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白釋放3個(gè)Na+到胞外，并結(jié)合胞外的2個(gè)K+去磷酸化，產(chǎn)生EnzⅠ轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白向細(xì)胞內(nèi)釋放2個(gè)K+EnzⅠ與Na+親和力高；P-EnzⅡ與K+親和力高

Na+K+ATP酶特異性抑制劑——類固醇衍生物烏本苷(ouabain，洋地黃的活性成分，用于治療充血性心力衰竭)。抑制酶使胞內(nèi)Na+濃度升高，激活Na+-Ca2+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，使胞內(nèi)Ca2+濃度升高，從而加強(qiáng)心肌收縮。電勢(shì)差是神經(jīng)細(xì)胞中電信號(hào)傳導(dǎo)的中心。Na+的濃度差可驅(qū)動(dòng)許多類型細(xì)胞中溶質(zhì)逆濃度梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)。Na+K+ATP酶二、小分子物質(zhì)的運(yùn)輸P-型Ca2+泵維持胞質(zhì)中低濃度的Ca2+

細(xì)胞質(zhì)中游離Ca2+濃度是100nmol/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍介質(zhì)。肌細(xì)胞中，Ca2+集中在一種特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)——肌質(zhì)網(wǎng)中，肌質(zhì)網(wǎng)膜鈣泵(SERCA)：膜內(nèi)在蛋白，一條肽鏈10次跨膜，在胞質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域較大，含有ATP結(jié)合區(qū)和可逆磷酸化的Asp殘基。磷酸化酶：胞質(zhì)側(cè)與Ca2+親和力高的部分暴露出來(lái)；去磷酸化酶：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔側(cè)與Ca2+親和力低的部分暴露出來(lái)。通過(guò)2種形式轉(zhuǎn)換，ATP水解為ADP和Pi，能量用于實(shí)現(xiàn)Ca2+的跨膜逆電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。

mmol級(jí)的無(wú)機(jī)磷酸鹽(Pi和PiPi)+Ca2+

→鈣磷酸鹽(難溶)Ca2+需要低濃度水平質(zhì)膜鈣泵Ca2+泵出胞外內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵Ca2+泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞質(zhì)肌質(zhì)網(wǎng)膜鈣泵(SERCA)

P-型ATP酶二、小分子物質(zhì)的運(yùn)輸F-型ATP酶(F-typeATPases)是可逆的、ATP驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵F-型ATP酶：在細(xì)菌、線粒體和葉綠體的能量貯存反應(yīng)中處于核心位置。催化以ATP水解驅(qū)動(dòng)質(zhì)子逆濃度梯度的跨膜運(yùn)動(dòng)；質(zhì)子的反方向流動(dòng)中能驅(qū)動(dòng)ATP的合成。F-型ATP酶/ATP合酶：多亞基復(fù)合物，膜內(nèi)在蛋白F0(跨膜通道)，產(chǎn)生ATP。

外周蛋白F1(分子馬達(dá))，所用能量由ATP水解釋放?；钚栽谟贔1蛋白。F-型ATP酶的可逆性：

ATP驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在質(zhì)子沿電化學(xué)梯度流動(dòng)時(shí)催化ATP合成。

氧化磷酸化和光合磷酸化中的作用theFoF1ATPase/ATPsynthaseReversibilityofF-typeATPases二、小分子物質(zhì)的運(yùn)輸ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用ATP驅(qū)使多底物的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：?jiǎn)我坏孜铮禾禺愋葬槍?duì)一種物質(zhì)多底物：氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、金屬離子、脂質(zhì)、膽汁鹽和疏水性化合物、藥物20世紀(jì)80年代抗癌藥的抗藥性研究發(fā)現(xiàn)多藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(multidrugtransporter,MDR1)：癌細(xì)胞膜上依賴ATP的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，將不同的藥物運(yùn)出細(xì)胞，阻止抗癌藥物在癌細(xì)胞內(nèi)聚集，具有阻止其抑制細(xì)胞生長(zhǎng)作用，阻斷藥物(阿霉素、長(zhǎng)春堿等)的治療。致?。耗倚岳w維變性(遺傳性胰腺病)高密度脂蛋白缺乏癥視網(wǎng)膜變性貧血癥肝功能衰竭物種編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因數(shù)量人類48酵母31果蠅56大腸桿菌80脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶維生素B12的轉(zhuǎn)入蛋白ATP結(jié)合區(qū)兩種酶的結(jié)構(gòu)：同源二聚體，在細(xì)胞質(zhì)一側(cè)有：2個(gè)ATP結(jié)合區(qū)NBDs(nucleotidebindingdomains)和2個(gè)跨膜區(qū)，MsbA一個(gè)亞基有6個(gè)跨膜片段，

BtuCD一個(gè)亞基有10個(gè)跨膜片段。三、生物大分子的跨膜運(yùn)輸1.外排作用——胞吐作用2.內(nèi)吞作用——胞吞作用吞噬作用、胞飲作用、受體介導(dǎo)的胞吞作用3.蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)送內(nèi)吞或外排、通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、通過(guò)線粒體、葉綠體膜三、生物大分子的跨膜運(yùn)輸從高爾基體上發(fā)芽產(chǎn)生小泡膜融合胞吐作用內(nèi)涵體和溶酶體融合胞吞作用精子與卵子融合病毒感染與小液泡融合(植物)細(xì)胞分裂兩個(gè)質(zhì)膜分離生物膜的一個(gè)顯著特征——在不破壞其完整性的情況下，與其他膜進(jìn)行融合。胞吐作用：細(xì)胞通過(guò)囊泡的形成并與細(xì)胞膜融合而將胞內(nèi)物質(zhì)(液態(tài)或固態(tài))排出到細(xì)胞外基質(zhì)的過(guò)程。胞吞作用：質(zhì)膜凹陷將所攝取的液體或顆粒物質(zhì)包裹形成泡，質(zhì)膜融合，形成細(xì)胞內(nèi)的獨(dú)立小泡。人類和動(dòng)物的許多細(xì)胞均靠胞吞作用攝取物質(zhì)。主動(dòng)運(yùn)輸，需要消耗ATP。分泌物小泡膜融合(MembraneFusion)過(guò)程在一些生物進(jìn)程中發(fā)揮核心作用四、離子載體(ionophores)1.纈氨霉素2.“A23187”載體3.尼日利亞菌素4.短桿菌肽A與K+結(jié)合的肽離子載體——纈氨霉素(Valinomycin，凡林霉素)環(huán)形小分子肽，環(huán)繞在K+周圍，中和正電荷。這種肽可以攜帶K+順濃度梯度穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，使其胞內(nèi)外濃度梯度縮小，破壞跨膜離子梯度。K+

與K+結(jié)合的氧原子疏水外面

親水腔凡林霉素和莫能菌素(monensin，一種Na+載體)都是抗生素，可以通過(guò)擾亂次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)和能量貯存反應(yīng)來(lái)殺死微生物細(xì)胞。離子載體(ionophore)：能夠攜帶離子進(jìn)入細(xì)胞膜的物質(zhì)。離子載體分兩類：通道形成體(channelformer)移動(dòng)性離子載體(mobileionc