5-跨膜运输

第五章物质的跨膜运输本章内容提要膜转运蛋白与物质的跨膜运输离子泵和协同转运胞吞作用和胞吐作用物质跨膜运输的作用：细胞摄取营养物质排除代谢产物和废物调节胞内离子浓度意义：维持细胞内相对稳定的内环境。第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输活细胞内外的离子浓度明显不同，细胞内外的离子差异对细胞的存活和功能至关重要。（表5－1）人工脂双层控制细胞内外的离子差别的机制:1.脂双层的疏水特征2.特殊的膜转运蛋白的活性一、膜转运蛋白（membranetransportprotein）膜转运蛋白ATP驱动泵离子通道载体单向转运蛋白同向转运蛋白对向转运蛋白膜转运蛋白的分类1载体蛋白（carrierprotein）普遍存在于生物膜上的多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过一系列的构象改变介导溶质分子的跨膜转运。每种载体蛋白都具有高度选择性，通常只转运一种类型的分子。细胞的不同膜各含有一套与该膜功能相关的不同的载体蛋白。（新版补充内容）通道蛋白包括三种类型：（1）离子通道（ionchannel）（2）孔蛋白（porin）（3）水孔蛋白（AQP）目前发现的大多数通道蛋白都是离子通道。2通道蛋白（channelprotein）离子通道普遍存在于各种类型真核细胞的质膜和细胞内膜上。通过形成亲水通道允许离子通过，又叫离子通道。离子通道介导的跨膜运输不需要和溶质分子结合。离子通道及其研究技术1955年，AlanHodgkin发现在细胞膜上存在一类专供离子通过的孔道，将其命名为离子通道（ionchannels）。BertSakmann和ErwinNehr利用膜片钳（patchclamp）技术完整的阐述了细胞膜离子通道的特点与本质，获1991年诺贝尔生理学与医学奖。膜片钳是插入到细胞膜某一固定区域的微电极，微电极与示波器相连，可以记录被膜片钳“钳住”区域膜电位的变化。离子通道的特点具有极高的转运速率，接近自由扩散的理论值。没有饱和值。离子通道是门控的，一般是关闭的，受控于细胞信号，由开或关两种构象调节。离子通道的类型电压门通道（voltage-gatedchannel）配体门通道（ligand-gatedchannel）应力激活通道（stress-activatedchannel）p103表5－3电压门控离子通道：铰链细胞失水应力激活的离子通道小分子物质跨膜运输有哪些类型？（1）被动运输（2）主动运输二、被动运输（passivetransport）概念：物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运，转运的动力来自物质的浓度梯度。类型：简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）1.简单扩散（simplediffusion)转运的分子：疏水小分子：O2、CO2、N2、苯小的不带电荷的极性分子：水、尿素、甘油特点：顺着浓度梯度转运，无需供能无需膜蛋白的协助简单扩散的通透性主要取决于分子的大小和极性。简单扩散的本质是小分子的热运动。benzene：苯hydrophobic：疏水的glycerol：甘油ethanol：乙醇水分子的跨膜运输方式一：简单扩散方式二：水孔蛋白（aquaporin,AQP）介导的快速跨膜运输水孔蛋白是对水分子高度特异的亲水通道，只允许水分子通过，最初是在红细胞膜中发现的，目前发现的AQP有200多种，存在于所有类型细胞的细胞膜上，以及植物细胞的液泡膜上。A.EM显示豚鼠细胞膜上分布大量的水孔蛋白;B.水孔蛋白四聚体结构；C.每个亚基含有3对同源的跨膜α螺旋；D.亚基的三维结构示意图水孔蛋白在肾小管和植物根等细胞中特别重要，在其生理活动中起关键作用。p106（表5－4）某些遗传病，如：先天肾原性多尿症涉及水孔蛋白通道的突变，肾脏对抗利尿激素不起反应。2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。PeterAgreRoderickMacKinnon（水通道的发现和结构）（钾离子通道结构的解析）2.协助扩散（facilitateddiffusion)转运分子：极性分子：葡萄糖、氨基酸、核苷酸等无机离子：Na+、K+、Ca2+、Cl-特点：顺着浓度梯度或电化学梯度跨膜转运无需供能特异的膜蛋白“协助”，会使转运速率增加，转运特异性增强。Thecarrierprotein,theGlucosetransporter(GluT1)intheerythrocytePM,alterconformationtofacilitatethetransportofglucose.Kineticsofsimplediffusioncomparedtocarrier-mediateddiffusion.协助扩散的主要特征（1）转运速率高（2）存在最大转运速率（3）转运具有特异性三、主动运输(activetransport)概念：由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。特点：消耗能量（来自ATP或离子电化学梯度）需特异的载体蛋白协助。主动运输的类型ATP直接供能的主动运输：ATP驱动泵ATP间接供能的主动运输：偶联转运蛋白（协同转运蛋白）光能驱动的主动运输：光驱动泵第二节离子泵和协同转运（小分子物质主动运输的两种主要类型）一、ATP驱动泵（ATP－drivenpump）直接利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或者电化学梯度的跨膜运动。该过程直接利用了水解ATP提供能量，也叫做初级主动运输（primaryactivetransport）。通常称为ATP酶，但是只在转运离子或分子的同时水解ATP。ATP驱动泵的类型P－型离子泵V－型离子泵转运离子F－型质子泵ABC超家族转运小分子（一）P－型离子泵（P－classionpump）结构：2个α催化亚基，具有ATP结合位点2个β调节亚基作用机制：至少一个α亚基发生磷酸化和去磷酸化，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。1钠钾泵（Na＋-K＋pump）组成：2个α亚基：具有ATP酶活性的多次跨膜整合膜蛋白2个β亚基：糖基化的多肽，作用是帮助新生的α亚基折叠细胞内侧：α亚基和Na＋结合ATP水解α亚基上的Asp残基磷酸化α亚基构象发生变化Na＋泵出细胞钠钾泵的工作原理细胞外侧：α亚基和K＋结合α亚基去磷酸化α亚基构象再度变化K＋泵入细胞钠钾泵的本质：Na＋依赖的磷酸化和K＋依赖的去磷酸化引起α亚基构象交替变化，完成循环。每个循环消耗1个ATP分子，泵出3个Na＋，泵进2个K＋。影响钠钾泵的因素：乌本苷（ouabain)：抑制Mg2＋和膜脂：促进氰化物：（中断ATP供应）停止钠钾泵分布在一切动物细胞的细胞膜上（消耗细胞1/3的总ATP）钠钾泵的主要生理功能（新版补充内容）1维持细胞的膜电位2维持细胞的渗透平衡3营养物质的吸收2.钙泵（Ca2+pump）分布：真核细胞的细胞膜和一些细胞器膜（内质网、叶绿体、液泡）上，典型的是肌质网膜上的钙泵。组成：跨膜蛋白，和钠钾泵的a亚基同源。每一个泵单位含有10个跨膜的α螺旋，其中三个和中央通道相连。（p112图5－10）核苷酸结合部位活化部位磷酸化部位转运前转运后工作原理：1非磷酸化状态：在胞质侧由2个通道螺旋形成结合2个Ca2+的空穴。2磷酸化状态：当ATP在胞质侧结合相应的位点，伴随ATP水解，相邻结构域的Asp残基磷酸化，导致跨膜螺旋重排，Ca2+被释放到膜的另一侧。特点：和ATP水解相偶联，每消耗1个ATP，转运2个Ca2+。钙泵又叫Ca2+-ATP酶功能：1将Ca2+输出细胞或者泵入内质网腔中储存起来，维持细胞内低浓度的游离Ca2+（一般细胞内外浓度相差104倍）2在肌质网中储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩和舒张至关重要。钙泵活性的调节：1质膜上的钙泵其C端有钙调蛋白（CaM）的结合位点，当胞内的Ca2+浓度升高时，结合成Ca2+－CaM复合物，通过与钙泵结合，调节钙泵的活性。2内质网型的钙泵没有CaM的结合域，可能存在其他的调节方式。3.H+泵分布：植物细胞、真菌和细菌细胞的质膜上作用：将H＋泵出细胞，建立跨膜的H＋电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞；也可以产生细胞周围基质中酸性的pH。（二）、V－型质子泵和F－型质子泵都含有几种不同的跨膜和胞质侧亚基。只转运质子，并且在转运过程中泵蛋白不形成磷酸化的中间体。（三）、ABC超家族（ABCsuperfamilyorATPbindingcassette）广泛分布于从细菌到人类各种生物中，有数百种之多，是最大的一类转运蛋白。每个成员对单一或者相关底物的基团有特异性，底物种类繁多。属于ATP驱动泵，具有相同的结构模式：2个跨膜结构域（T），2个胞质侧ATP结构域（A）原核细胞真核细胞哺乳类鉴定出50多种的ABC蛋白，多存在参与药物代谢、物质吸收和废物排泄的肝脏、小肠和肾脏等组织器官，将天然毒物和代谢废物排出体外。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，在多种肿瘤细胞内过度表达，将脂溶性抗癌药物转运出细胞。二、协同转运（cotransport）定义：是一类由钠钾泵（或质子泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。动力来源：膜两侧的离子电化学梯度（由钠钾泵或质子泵消耗ATP维持）动物细胞利用的是Na+的电化学梯度植物细胞和细菌利用的是H＋电化学梯度1.同向转运（symport)：物质运输的方向和离子转运方向相同。如：小肠上皮细胞吸收葡萄糖是伴随着Na＋从细胞外流入细胞内完成的。一些细菌中，乳糖的吸收和H＋相伴。完成共运输的载体蛋白有2个结合位点：Na＋结合位点特异的葡萄糖／氨基酸分子结合位点协同运输的分类小肠上皮吸收葡萄糖的示意图2.对向运输（antiport)：物质跨膜转运的方向和离子转运的方向相反。如：动物细胞通过Na＋驱动的Na＋－H＋对向运输的方式来转运H＋以调节细胞内的pH值(细胞内特定的pH是细胞正常代谢所需的)；在线粒体中，Na＋－H＋对向运输是由H＋电化学梯度驱使的，将Na＋从内膜的基质一侧转运出来。第三节胞吞作用和胞吐作用（真核细胞大分子和颗粒物质跨膜运输方式）在真核细胞内存在各种膜性囊泡，形成了细胞与环境、细胞器之间的物质和信号交流的网络。膜泡转运有两种途经：胞吞途经（endocyticpathway）胞吐途经（exocyticpathway）膜泡运输的功能：胞外生物大分子、颗粒性物质、液体的摄取，以及细胞内合成的生物大分子和代谢物的分泌和排出。运输方式：物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中，涉及生物膜的断裂和融合。特点：(1)消耗能量（属于主动运输）(2)可以同时转运≥1种的大分子和颗粒物质，也有称之为批量运输（bulktransport)一、胞饮作用和吞噬作用胞吞作用：通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡，endocyticvesicle)，将外界物质裹进并输入细胞的过程。分类：（1）胞饮作用（pinocytosis)：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小。发生于所有真核细胞中。（2）吞噬作用（phagocytosis):胞吞物为颗粒性物质（微生物或细胞碎片），形成的囊泡较大。发生于原生动物以及真核生物特化的吞噬细胞中。Pseudopod伪足胞饮作用和吞噬作用的区别1胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径≤150nm吞噬泡直径≥250nm2胞饮作用可以连续摄入溶液和分子，是组成型过程；吞噬作用有被吞噬物和细胞表面受体的结合和激活过程，是一个信号触发过程。3胞吞泡的形成机制不同，胞饮泡的形成需要网格蛋白(clathrin)、接合素蛋白（adaptin)等帮助，吞噬泡的形成需要微丝及其结合蛋白的帮助。网格蛋白依赖的胞吞作用二、受体介导的胞吞作用（receptormediatedendocytosis)根据胞吞的物质是否有专一性非特异性的胞吞作用：受体介导的胞吞