第五章 物质的跨膜运输

第五章物质的跨膜运输主要内容一、被动运输（passivetransport）1、简单扩散（simplediffusion）2、协助扩散（facilitateddiffusion）二、主动运输（activetransport）●ATP直接供能●ATP间接提供能量●光能驱动三、胞吞与胞吐作用◆细胞质膜是细胞与外环境之间选择性渗透屏障◆细胞通过细胞膜与环境或通过细胞内膜与胞质进行物质交换称物质跨膜运输(范畴）◆跨膜运输的意义(1)保障细胞摄取营养物质和输出代谢产物(2)保持细胞内生理环境的稳定跨膜运输的三种不同的范畴细胞运输（cellulartransport)细胞与环境间的物质交换，双向。如细胞从血液中摄取葡萄糖、钠钾泵出钠进钾。胞内运输(intracellulartransport)真核生物细胞器与细胞内环境之间的物质交换。转细胞运输（transcellulartransport）是一种穿越细胞的运输，物质从细胞一侧（内吞）进入又从细胞另一侧（外排）出去，即整个细胞层作为半渗透性屏障，而不仅仅是细胞质膜。如上皮细胞层吸收（母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中）、植物根部吸收水份和矿物盐，然后将其运输到其它组织。跨膜运输的方式简单扩散协助扩散主动运输一、被动运输（passivetransport）﹡定义：是指通过简单扩散或协助扩散实现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，不需要细胞提供代谢能量。﹡特点：①运输方向：物质顺浓度梯度的跨膜运输②转运动力：物质的浓度梯度③能量消耗：不需要提供代谢能量﹡类型：（载体）1、简单扩散（simplediffusion）2、协助扩散（facilitateddiffusion）扩散diffusion：物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。扩散速率与物质的浓度梯度成正比。渗透osmosis:指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。（一）简单扩散（simplediffusion）（自由扩散）﹡物质沿浓度梯度通过扩散直接通过膜﹡为疏水性小分子（O2、CO2NO、N2、苯等）、不带电荷的极性小分子（水、、尿素、甘油、乙醇等）、亲脂性信号小分子（甾类激素、VD、甲状腺素）等的跨膜运输方式。简单扩散在膜对物质转运中只占很小比例﹡特点沿浓度梯度方向扩散；跨膜动力是浓度差，不需要提供代谢能不需要膜蛋白的协助（故名）ɬ脂溶性越高通透性越大；ɬ分子大小：小分子比大分子容易透过；(推测膜的通透性孔径小于0.5-1nm)ɬ极性：非极性分子通透性大（如气体分子N2、O2、CO2），不带电荷的极性小分子能通过，但速度慢（H2O除外），分子量略大的葡萄糖等极性分子很难透过；ɬ带电性：带电荷的分子和离子，不论大小高度不通透。人工脂双层膜对不同分子的相对透性不同分子通过人工脂双层膜的渗透系数低渗透性高渗透性﹡人工脂双层膜的通透性（影响简单扩散的因素）思考：按膜通透性排序下列物质：核酸、Na+、葡萄糖、N2、H2O水分子的跨膜通道-----水孔蛋白（aquaporin,AQP)·形成对水分子高度特异性通道，使水分子能快速跨膜转运，这对机体某些组织和特殊功能（如肾小管对水的重吸收）非常重要。·水孔蛋白是由4亚基构成的四聚体，每个亚基由6个跨膜α-螺旋组成，单独形成一个水孔。·水孔蛋白对水分子的高度选择性源于通道内高度保守的氨基酸残基（ArgHisAsp)和孔径。▼水分子非脂溶性并具有极性，为什么能快速通过细胞膜？水孔蛋白亚基三维结构水通道的选择性水孔蛋白是由4亚基构成的四聚体，每个亚基由6个跨膜α-螺旋组成，单独形成一个水孔。水的跨膜运输与肾脏排泄功能▽肾脏是人体排泄废物的器官▽24小时经肾过滤的原尿达170升，只有1升最后以尿的形式排出体外▽原尿经过肾小管70%的水经水通道AQP1重新吸收，在肾小管的末端，又有10%的水经水通道AQP2重新吸收▽抗利尿激素刺激AQP2向肾小管壁细胞膜的转运，从而促进水的重吸收。尿崩症病人，缺失抗利尿激素，症状口渴、多尿，一天的排尿量多达10-15升。2、协助扩散（facilitateddiffusion）促进扩散﹡由载体蛋白协助的物质顺电化学梯度的被动运输﹡为（1）各种极性分子（葡萄糖、氨基酸、核苷酸等）（2）无机离子的跨膜运输方式。﹡特点：①沿浓度梯度或电化学梯度方向运输，需要膜转运蛋白协助。②转运特异性强，转运速率高③饱和性：载体数量有限，存在最大转运速率(Vmax)（动力学）﹡两类膜转运蛋白（membranetransportproteins）（1）载体蛋白（carrierproteins）（2）通道蛋白(channelproteins)思考：协助扩散与简单扩散的异同？与主动运输的异同？简单扩散与协助扩散的动力学比较两类膜转运蛋白（membranetransportproteins）载体蛋白通道蛋白思考：两类膜转运蛋白作用主要不同点？溶质的结合位点溶质水溶性通道脂双层载体蛋白：[1]能与特定的溶质分子可逆性结合，通过构象的改变介导溶质跨膜运输；[2]转运速率较慢（约103个溶质分子/s）；[3]可以介导被动运输和主动运输。通道蛋白：[1]不与通过它的溶质分子结合，形成选择性离子通道，选择性是由内侧孔径大小以及孔入口区域的带电性决定；[2]转运速率高（高达106个溶质分子/s），瞬时开闭；[3]只介导被动运输。共同特点：都是跨膜蛋白，参与主动运输或被动运输。（1）载体蛋白（carrierproteins）﹡载体蛋白：具有特异性转运功能的跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。﹡载体蛋白转运溶质的特点：①需要与被转运溶质结合，对转运物质具有特异性②通过构象改变介导溶质转运③可以介导被动运输和主动运输思考：载体蛋白与酶有何异同点？红细胞膜上葡萄糖转运体GLUT1协助葡萄糖摄取的构象变化模型葡萄糖转运体（2）通道蛋白(channelproteins)（离子通道）﹡跨膜部分形成选择性亲水通道，当这些孔道开放时允许适宜大小的离子通过。是神经、肌肉细胞兴奋传导的物质基础。﹡通道蛋白转运离子的特点：①不需要与被转运离子结合，无饱和性②离子顺浓度梯度以简单扩散方式转运，所以通道蛋白只介导被动运输③通道蛋白两个典型特征:离子选择性和门控离子通道活性由开和关两种构象调节，受控于适当的细胞信号（电压改变、化学信号或压力刺激等）通道蛋白跨膜形成的离子通道有两个典型特征:离子选择性和门控＊离子选择性：通道蛋白靠形成跨膜亲水性通道，允许特定离子（如Na+、K+、Ca2+、Cl-）顺浓度梯度以简单扩散方式通过，又称离子通道。选择性由内侧孔径大小以及孔入口区域的带电性决定＊是门控通道：即离子通道通常并不持续开放，短暂开放后又关闭。引起开放的刺激因素有跨膜电压的改变（电压门通道）、压力刺激（应力门控通道）、配基的结合（配体门通道）。钾渗漏通道：非门控性,可长期开放，向胞外顺电化学梯度转递K+，在维持静息膜电位中具有重要作用,存在几乎所有的动物细胞质膜中。离子选择性﹡门控通道主要类型①电压门控通道(voltage-gatedchannel)：因膜电位变化引起闸门开放（通道蛋白上有电压感受器），如神经细胞电压门Na+通道、电压门K+通道,在神经细胞兴奋传导中起重要作用。②配体门控通道(ligand-gatedchannel)：因配体（信号分子）与受体结合引起闸门开放，如肌肉细胞配体门Na+通道。③应力激活通道（stress-activatedchannel)通道蛋白通过感应应力（机械感应）而改变构象，进而开启通道形成离子流，产生电信号。（内耳听觉毛状细胞）IonChannels一些离子通道家族家族代表性亚家族电压门控阳离子通道电压门控Na+通道电压门控K+通道电压门控Ca2+通道配体门控离子通道乙酰胆碱门控阳离子通道谷氨酸门控Ca2+通道兴奋性5-羟色胺门控阳离子通道GABA门控Cl-离子通道抑制性甘氨酸门控Cl-离子通道乙酰胆碱、谷氨酸和5－羟色胺为兴奋性递质，γ-氨基丁酸即GABA和甘氨酸为抑制性递质。▽乙酰胆碱（Ach)受体（Nicotinicacetylcholinereceptor）（乙酰胆碱门控阳离子通道）·乙酰胆碱受体在离子通道研究中有着特殊地位：在已知的离子通道蛋白中，Ach受体第一个被提纯，第一个被鉴定出氨基酸序列，第一个在人工合成脂双层上得到重建，它单向开放的电信号也是第一个得到记录，它的基因又是第一个被分离、克隆并鉴定出序列的，其三维分子结构也已大致了解。·乙酰胆碱受体（AchR）结构模型由5条肽链组成的糖蛋白五聚体。5个亚基（α2βγδ）以α-螺旋穿越膜层，围成一个跨膜的离子通道，通道两端有带负电氨基酸簇，排斥阴离子促进阳离子主要（Na+、K+)通过。2个α亚基上含有乙酰胆碱结合位点。乙酰胆碱结合位点离子通道的一些生理作用：◇离子通道和离子泵一起，调节细胞内的离子浓度和跨膜电位；◇神经元离子通道的迅速改变导致动作电位的产生和传递；◇肌细胞中肌质网膜Ca2+离子通道的迅速开启，使储存的Ca2+离子迅速释放到细胞质中，进而引起肌肉收缩。举例：神经—肌肉细胞突触处的离子通道系统激活过程①突触前膜上电压门Ca2+通道②突触后膜上配体门Na+通道③突触后膜上电压门Na+通道④突触后膜上电压门Ca2+通道⑤肌浆网上的电压门Ca2+通道静息的神经肌肉连接活跃的神经肌肉连接电压门控Ca2+通道神经末梢乙酰胆碱乙酰胆碱门控正离子通道电压门控Na2+通道电压门控Ca2+通道肌肉质膜肌质网神经冲动（重症肌无力病因：产生乙酰胆碱受体分子的自身抗体）▽神经肌肉传导中一系列离子通道激活过程：（1）神经冲动到达末梢，其质膜去极化使其上的电压门控的Ca+通道打开，Ca+从细胞外大量流入启动了末梢释放乙酰胆碱；（2）乙酰胆碱与突触后膜（肌细胞质膜）上乙酰胆碱受体结合，打开了受体阳离子通道，Na+内流引起局部膜去极化；（3）肌细胞质膜去极化打开了其上的电压门控的Na+通道，使更多的Na+进入，膜进一步去极化，这又促使更多的电压门控的Na+通道开放，导致一次波及整个质膜的、自我扩大的去极化—动作电位；（4）该动作电位引起肌细胞质膜的特殊部位---T管上电压门控的Ca+通道活化；（5）相邻于T管的肌质网膜上的Ca+释放通道被开放，肌质网内贮存的Ca+大量进入胞质，胞质Ca+浓度的突然升高引发了肌纤维的收缩。含羞草为什么会“害羞”？叶枕二、主动运输（activetransport）﹡定义：是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。﹡特点：（1）运输方向：逆浓度梯度，由低浓度向高浓度运输（2）跨膜动力及能量消耗：需要直接或间接消耗代谢能（3）必需载体蛋白----称为泵（pumps）所介导（4）具有选择性和特异性﹡主动运输三种类型（根据能量来源）：●ATP直接供能—ATP驱动泵（跨膜载体蛋白胞质面有ATP结合位点，通常ATPase)●ATP间接提供能量—耦联转运蛋白（协同转运蛋白）●光能驱动——光驱动泵ATP驱动泵耦联转运蛋白光驱动泵●ATP直接供能—ATP驱动泵的四种类型P-型离子泵V-型质子泵和F-型质子泵ABC超家族（一）P-型离子泵(P-classionpump)：﹡特点：有2个α催化亚基和2个β调节亚基，α亚基有ATP结合位点，通过α亚基磷酸化和去磷酸化反应改变泵构象，实现离子跨膜转运。（P是磷酸化phosphorylation的缩写）﹡类型：动物细胞：Na+-K+泵（Na+-K+-ATPase)、Ca2+泵（Ca2+-ATPase)植物细胞、真菌、细菌：H+泵（H+-ATPase)（1）钠钾泵（Na+-K+ATPase）﹡存在：一切动物细胞的细胞膜上﹡结构：由2个大的多次跨膜的催化亚基（α亚基）和2个小的糖蛋白（β亚基）相连组成的四聚体，也叫Na+-K+ATP酶。α亚基在胞质面有3个Na+和ATP结合位点、磷酸化位点，在膜外侧有2个K+结合位点。βαNa+-K+泵的结构与工作模式示意图1胞内胞内