细胞运输XXXX

第五章物质的跨膜运输重点:•膜运输蛋白的分类及特点•主动运输与被动运输的特点及其生物学意义•Na+/K+泵的结构和作用原理•胞吞作用的三种方式•胞吐作用二种途径的特点及其生物学意义质膜物质运输概述1、物质跨膜运输作用：•细胞内外物质转运：营养物质、代谢产物。•调节细胞内离子浓度，维持酸碱及渗透压平衡。2、物质运输的范畴•细胞运输：细胞与环境间的物质交换。•胞内运输：真核细胞内膜结合细胞器与细胞内环境进行的物质交换。•转细胞运输：物质穿越细胞的运输。3、膜运输的机制被动运输：顺浓度梯度（高浓度低浓度）不消耗ATP主动运输：逆浓度梯度（低浓度高浓度）需载体蛋白协助消耗ATP膜泡运输：消耗ATP被动运输主动运输起始条件细胞外被运输的物质浓度大大高于细胞内的浓度细胞外被运输的物质的浓度可能高于、也可能低于细胞内的浓度运输方式通过扩散或运输蛋白形成的通道进入细胞通过具有酶活性的运输蛋白(泵)，在能量的驱动下进出细胞产生的结果最后使细胞内外的浓度达到平衡最后细胞内外的浓度处于稳定，建立了浓度梯度一、膜的选择性和膜转运蛋白（一）细胞质膜具有选择性界膜：维持细胞形态维持内环境稳定维持细胞内外离子浓度差维持膜选择性机制：膜转运蛋白估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%；细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。通道蛋白膜运输蛋白：载体蛋白①跨膜蛋白②膜运输蛋白物质运输机制；•形成蛋白通道•同被运输的物质结合，可动载体(mobilecarrier)的运输，具有选择性（一）载体蛋白及其功能•跨膜蛋白•具高度的选择性：结构域•与配体结合具有饱和动力学特征•可被竞争性抑制膜载体蛋白特性运输方式：帮助扩散主动运输•通道蛋白(channelprotein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许适宜的分子通过。(a)单亚基膜蛋白形成的通道;(b)多亚基蛋白形成的通道。（二）通道蛋白及其功能离子通道蛋白•跨膜蛋白，约100多种•真核细胞质膜及细胞器内膜•具高度的选择性：决定于离子大小及其所带电荷离子通道蛋白特性•被动运输：浓度梯度和跨膜电位差•运输速率快（107~108），瞬间开放（数毫秒）离子通道转运特性离子通道类型及其开启机制K+渗漏通道电压门通道配体门通道二、被动运输与主动运输（二）被动运输•简单扩散(simplediffusion)•协助扩散(facilitateddiffusion)•离子通道（ironchannel）被动运输特性（一）简单扩散(simplediffusion)•自由扩散（freediffusion）①沿浓度梯度（电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白协助。•通透性P=KD/t，K为分配系数，D为扩散系数，t为膜的厚度。简单扩散的限制因素•脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。•相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。•物质的带电性适合物质：气体分子（如O2、CO2、N2）不带电的极性小分子(如尿素、乙醇)脂溶性的分子不适合物质：大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和各种带电的极性分子都难以通过质膜。（三）协助扩散(facilitateddiffusion)●又称易化扩散、协助扩散或帮助扩散●非脂溶性物质或亲水性物质●具竞争性抑制，以及蛋白质变性剂的抑制作用。●特点：①转运速率高；②运输速率同物质浓度成非线性关系；③特异性；④饱和性。●载体：离子载体；通道蛋白•通道蛋白(channelprotein)是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许适宜的分子通过。(a)由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道。1、载体蛋白与协助扩散•载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输。•葡萄糖的运输：葡萄糖的载体蛋白的变构运输。2、门控通道(gatedchannel)（1）配体门通道(ligandgatedchannel)•特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变，“门”打开，又称离子通道型受体。•分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。Ach受体由4种亚单位（α2βγδ）组成Threeconformationoftheacetylcholinereceptor（2）电位门通道(voltagegatedchannel)•特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。•结构：四聚体，每个单体跨膜6次。•Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。K+电位门K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠(P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器K+channel4thsubunitnotshown(3)、应力门通道(stretch-gatedchannel)•感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。•目前比较明确的有两类：一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏感，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。（4）水通道1991年Agre发现第一个水通道蛋白,目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白。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水通道蛋白(aquaporin)水孔蛋白的跨膜结构域（四）主动运输(activetransport)（一）主动运输的意义：（被动运输是减少细胞与周围环境的差别，主动运输则是努力创造差别）（二）主动运输的特点①逆梯度运输;②依赖于膜运输蛋白;③需要代谢能，并对代谢毒性敏感;④具有选择性和特异性。●建立浓度梯度（电化学梯度）细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度，跨膜离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。成份细胞内浓度(mM)细胞外浓度(mM)阳离子Na+5-15145K+1405Mg2+*0.51-2Ca2+*10-71-2阴离子Cl-5-15110固定的阴离子**高0●消耗能量：主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同的直接能量来源载体蛋白功能能量来源直接能源ATP驱动泵（Na+-K+泵）Na+的输出和K+的输入ATP间接能源耦联运输蛋白（Na+、葡萄糖泵）Na+、葡萄糖同时进入细胞Na+离子梯度F1-F0ATPaseH+质子运输，H+质子梯度驱动光驱动泵细菌视紫红质H+从细胞中主动输出光能●选择性和特异性：不同的运输泵转运不同的离子。主动运输的方向•单向运输(uniports)同向转运•偶联运输(couplingtransport)反向转运第二节离子泵和协同转运ATP驱动泵（离子泵）•本质是ATP水解酶（ATPase）•具泵蛋白的结构功能分为4类型：1、P-型离子泵2、V-型质子泵转运离子3、F-型质子泵3、ABC超家族：转运小分子P型、V型和F型运输泵的结构一、P-型离子泵(P-typeionpump)主要特点:•都是跨膜蛋白。•P型ATPase由两个大亚基(α亚基)和两个小亚基(β亚基)组成。α亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;β亚基其调节作用。P型离子泵运输时需要磷酸化，包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵等。1.Na+/K+泵(Na+/K+pump，Na+/K+ATPase)•构成：由2个大亚基(α亚基)、2个小亚基(β亚基)组成的4聚体。•分布于动物细胞的质膜。•α亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;在α亚基上有Na+和K+结合位点．工作原理：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出３个钠离子，２个钾离子。•运输机制：Na+/K+ATPase运输分为六个过程。每水解一个ATP，运出3个Na+，输入2个K+。Na+/K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低10-30倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高10-30倍。•作用：①维持了细胞内适当的Na+/K+浓度，抵消了Na+/K+的扩散作用。②在建立细胞质膜两侧Na+浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力；③Na+泵建立的细胞膜电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。Na+-K+ATPPUMP２．Ca2+泵(Ca2+pump，Ca2+ATPase)•作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。•位置：质膜、内质网膜。•类型：–P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。–钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子•结构：有10个跨膜区。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange三、ABC超家族•也称ABC转运器（ABCtransporter）•最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，种类多约100多种。•有2个高度保守的ATP结合域和2个跨膜域。•一种ABC蛋白只转运一种或一类底物，不同成员可氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。MammalianMDR1proteinABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。四、协同转运(cotransport)•由离子泵和载体协作完成葡萄糖等的逆浓度梯度的协同运输。它不直接消耗ATP。•将离子泵称为初级主动运输，将协同运输称为次级主动运输。•间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。–动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。（Na+/K+泵）–植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。（H泵）•分为：同向协同和反向协同。1、同向协同（symport）•如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。2、反向协同（antiport）•如Na+驱动的Cl--HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。Glucoseisabsorbedbysymport葡萄糖与Na+离子的协同运输四、主动与被动运输的比较性质简单扩散促进扩散主动运输参与运输的膜成份脂蛋白蛋白被运输的物质是否需要结合否是是能量来源浓度梯度浓度梯度ATP水解或浓度梯度运输方向顺浓度梯度顺浓度梯度逆浓度梯度特异性无有是运输的分子高浓度时的饱和性无有是五、离子跨膜转运与膜电位•膜电位（membranepotential)•静息电位（restingpotential)：内负外正•极化（polarisation)：•动作电位：内正外负•去极化第三节胞吞作用与胞吐作用膜泡运输：大分子颗粒物质（eg.蛋白质、细菌）胞吞作用胞吐作用（一）胞吞作用（endocytosis）:又称入胞作用。是细胞表面发生内陷，由细胞膜把环境中的大分子或颗粒物包围成小泡，脱离细胞膜进入细胞的转运过程。吞噬作用胞吞作用胞饮作用受体介导的胞吞作用细胞内吞较大的固体颗粒物质或大分子复合体，如细菌、细胞碎片等。1.吞噬作用（phagocytosis)细胞吞入的物质为液体或溶质。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。2）胞饮作用受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。具有特异性、高效性。适应物质：低密度脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等3）受体介导的胞吞作用