跨膜运输

内容提要•第一节、被动运输•一、简单扩散•二、协助扩散•第二节主动运输•一、钠钾泵•二、钙离子泵•三、质子泵四、ABC转运器五、协同运输第三节、膜泡运输的基本概念一、吞噬作用二、胞饮作用三、外排作用四、穿胞运输五、胞内膜泡运输•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。•两类主要转运蛋白：–载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。–通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。MembraneTransportProteins第一节被动运输一、简单扩散•也叫自由扩散（freediffusion）：–①沿浓度梯度（或电化学梯度）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。•人工膜对各类物质的通透率：•脂溶性越高通透性越大；•小分子比大分子易透过；•非极性分子比极性容易透过；•极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层;•人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。二、协助扩散•也称促进扩散（facilitateddiffusion）。•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。（一）离子载体（ionophore）•疏水性小分子，可溶于双脂层。分为：可动离子载体和通道离子载体。•缬氨霉素能转运K+；DNP和FCCP可转运H+；离子霉素、A23187可转运钙离子。•短杆菌肽A，15个疏水氨基酸构成，2分子形成一跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过。GramicidinAanantibioticthatactsasanionpore.（二）通道蛋白（channelprotein）•跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度通过，又称离子通道。•有些通道长期开放，如钾泄漏通道；•有些通道平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门通道（电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道）。IonChannels----or----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。NicotinicacetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptor2、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。VoltagegatedK+channelK+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+channel4thsubunitnotshownIon-channellinkedreceptorsinneurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。3、环核苷酸门通道•CNG结构与钠电位门通道相似。细胞内的C末端较长，有环核苷酸的结合位点。•分布于化学和光感受器中。–如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。4、机械门通道•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机械门通道，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。5、水通道•1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。•目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。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第二节主动运输•特点：–①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；–②需要能量；–③都有载体蛋白。•能量来源：–①协同运输中的离子梯度动力；–②ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；–③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。一、钠钾泵•构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。•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。Na+-K+ATPPUMPNa+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition•钠钾泵的作用：•①维持细胞的渗透性，保持细胞体积；•②维持低Na+高K+的细胞内环境；•③维持细胞的静息电位。•地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。二、钙离子泵•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。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange三、质子泵•1、P-type：如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。•2、V-type：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。•3、F-type：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。FourtypesofATP-poweredpumps四、ABC转运器（ABCtransporter）•最早发现于细菌，是一庞大的蛋白家族，都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名。•一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、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。五、协同运输cotransport•靠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。–植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。•分为：同向协同（symport）和反向协同（antiport）。•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第三节膜泡运输的基本概念•真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。•因货物包被在囊泡中，又称膜泡运输。•细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等。一、吞噬作用•细胞吞入液体或极小的颗粒物质。•二、胞饮作用•包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。三、外排作用exocytosis•四、穿胞运输•在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。•五、胞内膜泡运输•细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。