物质的跨膜运输

(共54张PPT)
物质的跨膜运输
物质跨膜运输概述
被动运输
主动运输
膜泡运输
内容提要
(a)通过脂双层的简单扩散；
(b)通过通道蛋白形成的亲水性通道进行的被动运输；
(c)通过同载体蛋白的结合进行的协助扩散，只能从高浓度向低浓度运输;
(d) 通过载体蛋白介导的主动运输，能够驱动物质从低浓度向高浓度运输。
质膜物质运输概述
被动运输
主动运输
膜泡运输
膜转运蛋白
一、简单扩散
小分子的热运动使分子以扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入另一侧，其结果是分子沿浓度梯度降低的方向转运。
特点：
①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；
②不需要提供能量；
③没有膜蛋白的协助。
被动运输
不同分子对人工磷脂双层的通透性
尿素、
甘油
人工膜对各类物质的通透性：
脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；
非极性分子比极性容易透过；
小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；
人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。
为什么所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能以简单扩散方式进入细胞？
　 带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此，所有带电荷的分子(离子)，不管它多小， 都不能以简单扩散。
某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：
P=KD/t
t为膜的厚度。
二、协助扩散
也称促进扩散（facilitated diffusion）。
指各种极性分子和无机离子， 借助细胞膜上的
膜转运蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度，
不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。
不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。
（一）载体蛋白（carrier protein ）
被动运输（passive）顺浓度梯度或电化学梯度；
主动运输（active）逆浓度梯度或电化学梯度。
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。
载体蛋白具有以下特点∶
● 具有高度的选择性: 如载体蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。
● 具有饱和性: 当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高。
● 载体蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制，以及蛋白质变性剂的抑制作用。
红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图
缬氨霉素valinomycin，是一种由12个氨基酸构成的环形分子，插入脂质体后，能顺浓度梯度特异性运输K+ ，且能往返进行 。
（二）通道蛋白（channel protein）
横跨质膜的亲水性通道，允许大小和所带电荷适宜的离子顺电化学梯度通过，又称离子通道。
离子通道特征：
1、具有极高的转运速率；
2、没有饱和值；
3、门控的（gating)
Ion Channels
----or----
1、配体门通道(ligand gated channel)
细胞内外的配体与通道蛋白（受体）结合，引起通道蛋白构象改变，从而使离子通道开启或关闭。又称离子通道型受体。
分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；
阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。
N型Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，通过氢键等非共价键，形成结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，α亚单位是同Ach结合的部位。
Three conformation of the acetylcholine receptor
关闭
开启
失活
2、电位门通道(voltage gated channel)
细胞膜电位发生变化时，通道蛋白构象随之变化，从而使离子通道开启或关闭。
Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，是由同一个祖先基因进化而来。
K+电位门通道有四个亚基，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 ，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。S4段上的正电荷是电压感受器，开放的时间极短，仅为几毫秒。
机制：当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开，大量K+外流。
3、应力激活门通道
通道蛋白感应应力而改变其构象，从而开启通道形成离子流，产生电信号。
该通道的打开受一种力的作用，听觉毛细胞的离子通道就是一个极好的例子。
4、水通道
1991年Agre发现第一个水孔蛋白CHIP28 （28 KD ），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂。
目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水孔蛋白（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。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
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：逆浓度梯度 、能量消耗、载体蛋白
●类型：Cells carry out active transport in三种基本类型
Active Transport by ATP-Powered Pumps
P-型离子泵
钠钾泵 （结构与机制）
钙泵（Ca2+-ATP酶）
V-型质子泵、F-型质子泵；
ABC超家族
协同运输（cotransport）
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
主动运输
膜泡运输
真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。
在转运的过程中，物质包裹在囊泡中，又称膜泡运输。
一、胞饮作用与吞噬作用
●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。
胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别
胞吞作用是通过细胞质膜内陷形成囊泡（胞吞泡），
将外界物质裹进并输入细胞的过程。
二、胞吐作用
● 组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）
所有真核细胞
连续分泌过程
用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）
default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节的分泌泡外，
其余蛋白的转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面
●调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）
特化的分泌细胞
储存——刺激——释放
产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）
将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞
质膜运出细胞的过程
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。
母体IgG免疫球蛋白跨过新生鼠表皮
细胞的转胞吞作用
三、穿胞运输
Thanks!
ATP驱动泵
光驱动泵
耦联转运蛋白
一、钠钾泵
ATP酶活性， Na+-K+ATPase
构成： α亚基具ATP结合位点，细胞质侧有Na+结合位点，细胞外侧有K+结合位点；β亚基具有组织特异性的酶蛋白。
钠钾泵工作原理：
Na+-K+ATPase通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，转运Na+、K+。（红细胞血影测得）每一循环消耗一个ATP，转运出3个Na+，转进2个K+。
细胞内的Na+浓度升高时，3个Na+与酶膜内侧的Na+结合位点结合；
激活ATP酶活性，使ATP分解，α亚基被磷酸化；
酶构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧，并 向在膜外侧释放3个Na+；
膜外侧的2个K+同α亚基的另一位点结合；
K+与磷酸化的Na+-K+ATPase结合后促使酶去磷酸化；
酶的构象恢复原状，与K+结合的部位转向膜内侧，于是将结合的K+释放到细胞内。
Na+-K+ATP PUMP
Na+-K+泵的作用：
①维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积；
②维持低Na+高K+的细胞内环境，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。
钙离子泵
分布：质膜和某些细胞器（如肌细胞的内质网膜），位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的80%以上。
组成：跨膜蛋白，为1000个氨基酸残基组成的多肽，相对分子量10万，与Na+-K+泵的α亚基同源；
钙离子泵的工作原理：在细胞质面侧结合2个Ca2+ ，激活钙泵并结合一分子ATP，伴随ATP的水解和酶被磷酸化，钙泵构型改变，结合Ca2+的一面转到细胞外一侧，和Ca2+的亲和力降低， Ca2+被释放到细胞外，酶去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。
1、V-type：位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜等
各类小泡膜上，水解ATP产生能量，从细胞质基质中逆H+电化学梯度泵出H+进入细胞器，以维持细胞质基质PH中性和细胞器内的PH酸性；但不发生自磷酸化，
2、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。
Four types of ATP-powered pumps
ABC 转运器（ABC transporter）
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（ATP binding cassette。
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。
Mammalian MDR1 protein
MDR （multidrug resistance protein ）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。
ABC转运器与病原体对药物的抗性有关。如抗真菌药物氟康唑等，真菌产生耐药性的一个重要机制是通过MDR蛋白降低了细胞内的药物浓度。
协同运输（cotransport）
靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。所需能量来自膜两侧离子的电化学梯度。
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）
如如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的PH值。
Glucose is absorbed by
symport
在动物、植物细胞由载体蛋白
介导的协同运输异同点的比较
简单扩散与协助扩散的比较
听觉毛细胞的应力激活通道作用原理
静纤毛
连接的
细丝
水孔蛋白亚基的跨膜结构域
Structure of a clathrin –coated vesicle
网
网格蛋白
三角蛋白复合体
Model for the formation of a clathrin-coated pit and the selective incorporation of integral membrane proteins into clathrin-coated vesicles
网格蛋白
有被小窝
网格蛋白
有被小泡