第五章-物质的跨膜运输——翟中和细胞生物学

第五章物质的跨膜运输膜转运蛋白与物质的跨膜运输胞吞作用与胞吐作用第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白细胞内外的离子差别分布主要由两种机制作控制：1.取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性；2.取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。组分细胞内浓度/（mmol.L-1）细胞外浓度/（mmol.L-1）阳离子Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+7×10-8（pH7.2）4×10-8（pH7.4）阴离子Cl-5-15110固定的阴离子高0典型哺乳类细胞内外离子浓度的比较一、脂双层的不透性和膜转运蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白与载体蛋白的异同㈠、载体蛋白结构:多次跨膜的整合性膜蛋白机制:通过构象的改变介导与之结合的溶质分子的跨膜转运特征:如同酶具有特异性结合位点,具有高度的选择性一次只能与膜一侧的一种溶质结合,经构象变化转运溶质转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征与酶不同对转运的溶质分子不作任何的共价修饰载体蛋白-----通透酶（permease）：既可被底物类似物竞争性地抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等。载体蛋白的类型介导被动运输易化转运蛋白:不与能量释放体系相偶联，主要介导协助扩散（易化扩散），物质跨膜运动可以在任一方向发生。介导主动运输（激活转运蛋白）ATP驱动泵蛋白:离子泵的主要成分,由ATP直接水解供能，单方向逆着浓度梯度运送离子。协同转运蛋白：利用储存在一种溶质（离子）电化学梯度中的自由能来转运另外一种溶质，单方向逆着浓度梯度运送离子。光驱动泵蛋白:利用光能，单方向逆着浓度梯度转运质子。㈡、通道蛋白通道蛋白的结构通道蛋白的特征通道蛋白的类型结构通道蛋白形成跨膜的离子选择性通道。对离子的选择性依赖于通道的直径和形状以及通道内衬带电荷氨基酸的分布。它所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。特征具有极高的转运速率驱动带电荷离子的跨膜转运动力来自溶质的浓度梯度和跨膜电位差两种力的合力——跨膜的电化学梯度，运输方向顺电化学梯度进行。离子通道没有饱和值即使在很高的离子浓度下它们通过的离子量依然没有最大值。是非连续性开放,而是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象调节。通道打开时，同时结合膜两侧的离子.类型电压门通道带电荷的蛋白结构域会随跨膜电位梯度的改变发生相应位移。配体门通道细胞内外的某些小分子配体与通道蛋白结合继而引起通道蛋白构象的改变。应力激活通道通道蛋白感应应力而改变构象，从而开启通道形成离子流，产生信号。㈢、通道蛋白与载体蛋白的异同主要不同在于它们以不同的方式辨别溶质，即决定运输某些溶质而不运输另外的溶质：1.通道蛋白：根据溶质大小和电荷进行辨别，假如通道处于开放状态，那么足够小的和带有适当电荷的分子或离子就能通过。2.载体蛋白：只容许与载体蛋白上结合部位相适合的溶质分子通过，而且载体蛋白每次转运都发生自身构象的改变。二、被动运输与主动运输●被动运输（passivetransport）●主动运输（activetransport）物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一二、被动运输与主动运输概念被动运输：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。类型简单扩散（simplediffusion）水孔蛋白（aquaporin,AQP)协助扩散（facilitateddiffusion）(一)简单扩散疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子进行跨膜转运时，不需要细胞提供能量，也无需膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。不同小分子物质跨膜转运的速率差异极大——不同分子的通透系数有很大区别。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渗透系数决定通透性的因素其通透性主要取决于分子的大小和分子的极性：小分子比大分子容易穿膜非极性分子比极性分子容易穿膜带电荷的离子跨膜需要更高的自由能——无膜蛋白的人工脂双层对带电荷的离子是高度不透的。为什么具有极性的水分子容易穿膜？可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜质运动而产生的间隙的缘故。但是，速度缓慢。水分子快速跨膜运动是以何种方式实现的？水孔蛋白(二)水孔蛋白水孔蛋白的发现水孔蛋白的结构水孔蛋白的选择性水孔蛋白的发现长期以来,普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高,很难以简单扩散来解释。例如，将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28(Channel-Formingintegralmembraneprotein)。1991年得到CHIP28的cDNA序列，Agre将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究者共享2003年的诺贝尔化学奖。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有10种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）水孔蛋白的结构水孔蛋白是由四个亚基组成的四聚体。每个亚基由6个跨膜α螺旋组成，相对分子质量为28000。每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔。中央孔的直径稍大于水分子的直径，约0.28nm，水孔长约为2nm。水孔蛋白的选择性水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。源于通道内高度保守的氨基酸残基侧链与通过的水分子形成氢键。源于非常狭窄的孔径。(三)协助扩散概念：各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运。该过程不需要细胞提供能量，这与简单扩散相同，因此两者都称为被动运输。但在协助扩散中，物质跨膜转运需要特异性的膜转运蛋白“协助”，从而使其转运速率增加，转运特异性增强。绝大多数哺乳类细胞都是利用血糖作为细胞的主要能源，人类基因组编码12种与糖转运相关的载体蛋白GLUT1～GLUT12，构成葡萄糖载体（GLUT）蛋白家族。(三)协助扩散用红细胞和肝细胞设计葡萄糖摄取实验，发现由GLUT蛋白所介导的细胞对葡萄糖的摄取表现酶动力学基本特征，与简单扩散相比极大地提高了摄入速率。特征：葡萄糖载体介导的协助扩散比简单扩散转运速率高。膜转运蛋白协助的结果与酶催反应相似,存在最大的转运速率，因此可用达到最大转运速率一半时的葡萄糖浓度作为其Km值，用以衡量某种物质的转运速率。膜转运蛋白的数量有限。在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加。因膜上载体蛋白的结合位点已达饱和。比较不同分子的Km值，可以发现不同载体蛋白对溶质的亲和性不同。实验还发现，不同的载体蛋白具有的转运特异性溶质的偏好性。(三)协助扩散㈣、主动运输定义：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。类型（根据能量来源）：ATP直接供能(ATP驱动泵)、ATP间接提供能量(耦联转运蛋白)、光能驱动Fig.驱动主动运输的三种类型Fig.Na+-K+泵的结构与工作模式示意图1.由ATP直接提供能量的主动运输——钠钾泵ATP催化位点βα结构：α（MW=120,000Da）+β（MW=50,000Da）Na+-K+泵功能：维持细胞内低Na+高K+的离子环境存在：一切动物细胞的细胞膜上，植物细胞、真菌、细菌上没有。1.由ATP直接提供能量的主动运输——钙泵和质子泵结构：与Na+-K+泵的α亚基同源MW=100,000Da，每一泵单位中有10个跨膜α螺旋，其中3个螺旋与跨越脂双层的中央通道相连。Ca2+泵功能：在肌质网内储存Ca2+调节肌细胞的收缩与舒张工作原理：Ca2+泵：是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白。Ca2+泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca2+。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。在Ca2+处于非磷酸化状态时，2个通道螺旋中断形成胞质侧结合2个Ca2+的空穴，ATP在胞质侧与其结合位点结合，伴随ATP水解使相邻结构域天冬氨酸残基磷酸化，从而导致跨膜螺旋重排。跨膜螺旋的重排破坏Ca2+结合位点并释放Ca2+进入膜的另一侧。质子泵功能：建立H+电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞种类（1）P型质子泵：结构与Na+-K+泵和Ca2+泵结构类似，在转运H＋的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。（2）V型质子泵：存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，转运H+过程中不形成磷酸化的中间体，称v型质子泵，其功能是从细胞质基质中泵出H+进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性pH。（3）H+-ATP酶:存在于线粒体膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，以相反的方式发挥生理作用——H+顺浓度梯度运动，将所释放能量与ATP合成偶联起来：线粒体氧化磷酸化叶绿体光合磷酸化2.耦联转运蛋白耦联转运蛋白介导各种离子和分子的跨膜运动。这类转运蛋白包括2种基本类型：同向转运蛋白和反向转运蛋白。由于这两类转运蛋白能同时转运两种不同的溶质，所以又称为协同转运蛋白。和ATP驱动泵直接利用水解ATP提供的能量不同，协同转运蛋白同时转运两种不同溶质，所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中，在动物细胞的质膜上，Na+是常用的协同转运离子，它的电化学梯度为另一种分子的主动运输提供驱动力。3.光驱动泵光驱动泵主要在细菌细胞中发现，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联。协同转运概念由Na+-K+泵（或H+-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。类型与机制根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同转运又可分为：同向转运:物质运输方向与离子转移方向相同（图示）反向转运:物质跨膜转运的方向与离子转移的方向相反如：动物细胞常通过Na+驱动的Na+/H+反向转运的方式来转运H+以调节细胞内的pH。同向转运反向转运离子跨膜转运与膜电位膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位：细胞在静息状态下的膜电位。动作电位：在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。极化：静息电位是细胞膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值，这种现象又称极化。静息电位的产生静息电位主要是由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成的。过程：Na+—K+泵的工作使细胞内外的Na+和K+浓度远离平衡态分布，胞内高浓度的K+是细胞内有机分子所带负电荷的主要平衡者。处于静息状态的动物细胞，质膜上许多非门控的K+渗漏通道通常是开放的，而其他离子通道却很少开放。所以静息膜允许K+通过开放的渗漏通道顺电化学梯度流向胞外。随着正电荷转移到胞外而留下胞内非平衡负电荷，结果是膜外阳离子过量和膜内阴离子过量，从而产生外正内负的静息膜电位。动作电位的产生当细胞接受刺激信号(电信号或化学信号)超过一定阈值时，电压门Na+通道将介导细胞产生动作电位。过程：细胞接受阈值刺激，Na+通道打开，引起Na+通透性大大增加，瞬间大量Na+流人细胞内，致使静息膜电位减小乃至消失，即为质膜的除极化过程。当细胞内Na+进一步增加达到Na+平衡电位，形成瞬间的内正外负的动作电位，称质膜的反极化，动作电位随即达到最大值。只有达到一定的刺激阈，动作电位才会出现。在Na+大量进入