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第五章物質的跨膜運輸,第一節(jié)膜轉運蛋白與物質的跨膜運輸第二節(jié)離子泵與協同轉運第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用,第一節(jié)脂雙層的不透性與物質的跨膜運輸,一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白據估計細胞膜上與物質轉運有關的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質轉運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。細胞膜上存在兩類主要的轉運蛋白，即：載體蛋白（carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）。載體蛋白又稱做載體（carrier）、通透酶（permease）和轉運器（transporter），有的需要能量驅動，如：各類ATP驅動的離子泵；有的則不需要能量，如：纈氨酶素(一種可動離子載體(mobileioncarrier),插入脂質體后，能特異性運輸K+,使運輸速率提高100000倍。)。通道蛋白能形成親水的通道，允許特定的溶質通過，所有通道蛋白均以自由擴散的方式運輸溶質。,(一)載體蛋白及其功能,載體蛋白普遍存在,是多次跨膜的蛋白分子載體蛋白與特定的溶質分子結合,具有高度選擇性(特異性)、飽和動力學、底物競爭性等特征，通過改變載體蛋白構象,介導跨膜轉運不同的膜具有同其功能相適應的載體蛋白載體蛋白是葡萄糖、Na＋－K＋泵、Ca2＋抑制泵、H＋泵等載體載體蛋白既參與被動的物質運輸，也參與主動的物質運輸。,載體蛋白通過構象改變介導溶質被動運輸的模型,圖示：膜上的載體蛋白以兩種構象狀態(tài)存在：A溶質結合位點在膜外側暴露B溶質結合位點在膜內側暴露兩種構象狀態(tài)的轉變是隨機發(fā)生的，不依賴于是否有溶質結合和是否完全可逆，順濃度梯度進入細胞,(二)通道蛋白及其功能,是跨膜的親水性通道，允許適當大小的離子順濃度梯度通過，故又稱離子通道。離子通道的特點:1.轉運效率極高;2.沒有飽和值;3.有些通道蛋白長期開放，如鉀泄漏通道；有些通道蛋白平時處于關閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開，又稱為門通道（gatedchannel）。主要有4類：電位門通道、配體門通道、應力激活通道、環(huán)核苷酸門通道(如cAMP門控陽離子通道)。,二、被動運輸與主動運輸,（一）簡單擴散（simplediffusion）（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道（三）協助擴散（Facilitateddiffusion）（四）主動運輸（activetransport）,物質的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎之一。,?簡單擴散(simplediffusion)◆又稱自由擴散(Freediffusion)。它不要膜蛋白的幫助,也不消耗ATP,僅靠膜兩側保持一定的濃度差,通過通透發(fā)生的物質運輸。某種物質對膜的通透性（P）可以根據它在油和水中的分配系數（K）及其擴散系數（D）來計算：P=KD/tt為膜的厚度。,（一）簡單擴散（simplediffusion）,◆限制因素■脂溶性∶細胞質膜的通透性具有選擇性。脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越?。弧鯯ize：質膜的通透性孔徑不會大于0.5-1.0nm，能夠擴散的最小分子是水分子。小分子比大分子容易透過；分子量略大一點的葡萄糖、蔗糖則很難透過；■Polarity∶極性物質通常同水結合形成一個水合的外殼，這不僅增加了它們的分子體積，同時也大大降低了脂溶性。非極性分子比極性容易透過，極性不帶電荷小分子，如H2O、O2等可以透過人工脂雙層，但速度較慢；,（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道,◆水擴散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。并且水分子不溶于脂,并具有極性,理應不能自由通過質膜,但實際卻是很容易通過膜。原因是:■Theplasmamembranesofmanycellscontainproteins,calledaquaporins,thatallowthepassivemovementofwaterfromonesidetotheother.suchascellsofthekidneytubuleandplantroots,1991年Agre發(fā)現第一個水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5分鐘內破裂。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者MacKinnon同獲諾貝爾化學獎。目前在人類細胞中已發(fā)現的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,2003年，美國科學家彼得阿格雷和羅德里克麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。,PeterAgre,RoderickMacKinnon,水孔蛋白(AQP),水孔蛋白即水分子的跨膜通道，是內在膜蛋白的一個家族，在各種特異性組織(腎小管、腦、唾腺、淚腺等)細胞中，提供了快速跨膜運動的通道。,水孔蛋白結構及其亞基示意圖,A.水孔蛋白由4個亞基組成的四聚體；B.每個亞基由3對同源的跨膜α螺旋組成；C.水孔亞基三維結構，中間球形分子為水分子,（三）協助擴散（facilitateddiffusion）,協助擴散：也稱促進擴散，是各種極性分子和無機離子，如糖、氨基酸、核苷酸及細胞代謝物等順其濃度梯度或電化學梯度的跨膜轉運，不需要細胞提供能量，但需膜轉運蛋白的協助。,哺乳類動物的細胞利用血糖作為主要能源，人類基因組編碼12種與糖轉運相關的載體蛋白GLUT1～GLUT12,構成葡萄糖載體蛋白家族，都具有高度同源的氨基酸序列，均含有12次跨膜的α螺旋。多肽跨膜段由疏水性氨基酸殘基組成，α螺旋帶有Ser（絲）、Thr（蘇）、Asp（天）和Glu（谷）殘基，側鏈同葡萄糖羥基形成氫鍵和結合位點，完成葡萄糖的協助擴散。,（四）主動運輸（activetransport）,主動運輸是由載體蛋白所介導的物質逆濃度梯度或電化學梯度的跨模轉運方式，需要消耗能量。根據主動轉運過程所需能量來源的不同可歸納為由ATP直接提供能量（ATP驅動泵）、間接提供能量（耦聯轉運蛋白）以及光能驅動的主動運輸三種基本類型。,圖示：A.ATP驅動泵B.偶聯轉運蛋白C.光驅動,1、ATP驅動泵：又稱初級主動運輸，是ATP酶，直接利用水解ATP提供能量，實現離子或小分子逆濃度梯度或電化學梯度的跨膜運動。2、耦聯轉運蛋白：又稱次級主動運輸、協同轉運，由耦聯轉運蛋白介導使一種離子或分子逆濃度梯度的運輸與一種或多種不同離子順濃度梯度的運輸耦聯起來。3、光驅動泵：對溶質的主動運輸與光能的輸入相偶聯。,幾種常見的主動運輸泵,Na+-驅動的葡萄糖泵腎和腸細胞的表面質膜Na+-H+交換泵動物細胞的質膜Na+-K+泵大多數動物細胞的質膜Ca2+泵(Ca2+ATPase)真核細胞的質膜H+泵(H+ATPase)植物、真菌和某些細菌的質膜H+泵(H+ATPase)動物細胞的溶酶體膜、植物細胞的液泡膜細菌視紫菌素某些細菌的質膜,動物細胞和植物細胞主動運輸的比較,◆動物細胞質膜上有Na+-K+ATPase，并通過對Na+、K+的運輸建立細胞的電化學梯度；◆植物細胞質膜中沒有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對H+的運輸建立細胞的電化學梯度(細菌、真菌也是如此)；◆在動物細胞溶酶體膜和植物細胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細胞器的酸性。,第二節(jié)離子泵與協同轉運,根據泵蛋白的結構與功能特性，ATP驅動泵可分為4類：P－型離子泵、V－型質子泵、F－型質子泵和ABC超家族一、P-型離子泵二、V-型離子泵和F-型離子泵三、ABC超家族四、協同轉運,,P-type：利用ATP自磷酸化發(fā)生構象的改變來轉移質子，如植物細胞膜上的H+泵、動物胃表皮細胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。（一）鈉鉀泵（二）鈣泵,一、P-型離子泵,（一）鈉鉀泵(Na+-K+ATP酶),構成：由兩個大亞基(α亞基)和兩個小亞基(β亞基)組成；α亞基是跨膜蛋白，在細胞質面有ATP結合位點，細胞外側有烏本苷(ouabain)結合位點;在α亞基上有Na+和K+結合位點。分布于動物細胞的質膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構象的變化，導致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內側Na+與酶結合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶α亞基Asp殘基被磷酸化，構象發(fā)生變化，于是與Na+結合的部位轉向膜外側；這種磷酸化的酶對Na+的親和力低，對K+的親和力高，因而在膜外側釋放Na+、而與K+結合。K+與磷酸化酶結合后促使酶去磷酸化，酶的構象恢復原狀，于是與K+結合的部位轉向膜內側，K+與酶的親和力降低，使K+在膜內被釋放，而又與Na+結合。其總的結果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉運出三個Na+，轉進兩個K+。,鈉-鉀泵的結構,Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition,鈉鉀泵對離子的轉運循環(huán)依賴自磷酸化過程（ATP上的一個磷酸基團轉移到鈉鉀泵的一個天冬氨酸殘基上，導致構象變化），所以這類離子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：①維持膜的離子梯度差和滲透性，調節(jié)細胞的體積和驅動某些細胞中的糖和氨基酸的運送。②維持膜電位，保持低Na+高K+的細胞內環(huán)境，成為可興奮性細胞，如肌肉和神經細胞等的活動基礎。一旦離子通道開放，電位逆轉，就形成了神經沖動或肌肉收縮；地高辛、烏本苷等強心劑作用機理：抑制心肌細胞Na+-K+泵的活性，從而降低鈉鈣交換器效率,使內流鈣離子增多,加強心肌收縮,因而具有強心作用；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,（二）鈣離子泵,又稱Ca2+—ATP酶，有約10個跨膜α螺旋。作用：維持細胞內較低的鈣離子濃度（細胞內鈣離子濃度10-7M，細胞外10-3M）。類型：屬于P型離子泵，其原理與鈉鉀泵相似，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質網上的鈣離子泵占肌質網膜蛋白質的90%。鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger），屬于反向協同運輸體系，通過鈉鈣交換來轉運鈣離子。,Ca2+泵的工作原理：類似于Na+-K+泵在細胞質面有同Ca2+結合的位點，一次可以結合兩個Ca2+，Ca2+結合后使酶激活，并結合上一分子ATP，伴隨著ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵構型發(fā)生改變，結合Ca2+的轉到細胞外側被釋放，此時酶發(fā)生去磷酸化，構型恢復到原始的靜息狀態(tài)。存在位置：Ca2+泵主要存在于所有真核細胞的細胞膜和某些細胞器（如內質網、葉綠體核液泡）膜上，它將Ca2+輸出細胞或泵入內質網腔中儲存起來，以維持細胞內低濃度的游離Ca2+。Ca2+泵在肌質網儲存Ca2+，對調節(jié)肌細胞的收縮與舒張至關重要。,Ca++ATPase,Maintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranes,ModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange,Ca2+-ATP酶激活機制,▲Ca2+/鈣調蛋白復合物的作用當細胞內Ca2+濃度升高時，Ca2+同鈣調蛋白結合，形成活性復合物，該復合物同細胞質膜的Ca2+-ATP酶的抑制區(qū)結合，釋放激活位點，泵開始工作。（內質網型的Ca2+-ATP酶沒有鈣調蛋白的結合域）▲蛋白激酶C的作用蛋白激酶C使抑制區(qū)磷酸化，從而解除抑制作用；▲由上可以看出，在Ca2+-ATP酶的羧基端有三個功能位點(區(qū)域)∶同激活位點結合區(qū)、同CaM結合區(qū)、磷酸化位點。,二、V-型質子泵和F-型質子泵,（1）V-型質子泵：又稱膜泡質子泵，存在于動物細胞胞內體、溶酶體膜、破骨細胞和某些腎小管的質膜以及植物、酵母和其他真菌細胞液泡膜上，利用ATP水解供能從細胞質基質中逆H＋電化學梯度泵出H＋進入細胞器，以維持細胞質基質pH中性和細胞器內pH酸性。（2）F-型質子泵：又稱H＋－ATP合成酶（F1F0－ATPase），存在于線粒體內膜、植物細胞類囊體膜和細菌質膜上，H＋順濃度梯度運動，所釋放的能量耦聯ATP合成。如線粒體磷酸化和葉綠體光合磷酸化（3）P型離子泵：載體蛋白利用ATP使自身磷酸化，發(fā)生構象的改變來轉移質子或其它離子，如植物細胞膜上的H+泵、動物細胞的Na+-K+泵、Ca2+離子泵，H+-K+-ATP酶（位于胃表皮細胞，分泌胃酸）。存在于真核細胞的細胞膜上。,FourtypesofATP-poweredpumps,三、ABC超家族,ABC轉運器（ABCtransporter）最早發(fā)現于細菌，屬于一個龐大的蛋白家族，每個成員都有兩個高度保守的ATP結合區(qū)（ATPbindingcassette），故名ABC轉運器。他們通過結合ATP發(fā)生二聚化，ATP水解后解聚，通過構象的改變將與之結合的底物轉移至膜的另一側。每一種ABC轉運器只轉運一種或一類底物，不同的轉運器可轉運離子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白質。ABC轉運器還可催化脂雙層的脂類在兩層之間翻轉，在膜的發(fā)生和功能維護上具有重要的意義。正常生理條件下，ABC蛋白是細菌質膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的轉運蛋白，是哺乳動物細胞質膜上磷脂、親脂性藥物、膽固醇和其他小分子的轉運蛋白。其在肝、小腸和腎等器官細胞質膜分布豐富，能將天然毒物和代謝廢物排除體外。,MammalianMDR1protein,第一個被發(fā)現的真核細胞的ABC轉運器是多藥抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），該基因通常在肝癌患者的癌細胞中過表達，降低了化學治療的療效。約40%的患者的癌細胞內該基因過度表達。ABC轉運器還與病原體對藥物的抗性有關。,ABC轉運蛋白主要包括糖蛋白、多藥耐藥性相關蛋白和乳腺癌耐藥蛋白等意義1.在生物醫(yī)學和毒理學研究領域,對ABC轉運蛋白基因表達調控機制的深入研究,將發(fā)現新的逆轉藥物作用靶點,并進行新一代抗MDR腫瘤藥物的研制;對靶向蛋白的藥物和內外源毒素轉運機制進行深入研究,將揭示藥物作用和代謝的動力學機制以及內外源毒素影響細胞命運代謝的動力學機制。據此可提高藥物的療效和發(fā)展治療相關疾病的新藥物與方法。2.在水產養(yǎng)殖業(yè)中，研究ABC轉運蛋白對有毒重金屬、持久性有機污染物、藻類毒素等的外排作用,可以篩選和克隆魚體內與有毒污染物的吸收、分布、轉化和排泄等相關的基因，為發(fā)現相關疾病的新治療方法和培育抗毒物積累的經濟魚類品系提供研究平臺。,四、協同轉運（cotransport）,是一類靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質跨膜運動所需要的能量來自膜兩側離子的電化學濃度梯度，而維持這種離子電化學梯度則是通過Na+－K+泵（或H+泵）消耗ATP實現的。動物細胞中常常利用膜兩側Na+濃度梯度來驅動。植物細胞和細菌常利用H+濃度梯度來驅動。根據物質運輸方向與離子沿濃度梯度的轉移方向，協同運輸又可分為：同向協同（symport）與反向協同（antiport）。,1、同向協同（symport）物質運輸方向與離子轉移方向相同。如小腸細胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進入。在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入。動物細胞的葡萄糖和氨基酸就是與Na+同向協同運輸。2、反向協同（antiport）物質跨膜運動的方向與離子轉移的方向相反，如動物細胞常通過Na+/H+反向協同運輸的方式來轉運H+，以調節(jié)細胞內的PH值。還有一種機制是Na+驅動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細胞膜上的帶3蛋白。H+與Na+的反向協同。,Glucoseisabsorbedbysymport,五、離子跨膜轉運與膜電位,基本概念（1)膜電位：在安靜狀態(tài)下細胞膜兩側各種帶電物質形成的電位差的總和，稱跨膜靜息電位或稱靜息電位或膜電位。一般為-70～-30mv之間。,離子流與動作電位的關系圖,電壓門Na+通道的開放導致質膜除極化A.動作電位的產生和膜電位改變；B.動作電位產生的過程中，膜通透性改變與離子通道的開閉（①～④）,（2）極化狀態(tài)：安靜時，細胞膜兩側的電位呈外“+”內“-”狀態(tài)，稱膜的極化狀態(tài)（polarization）。（3）除極化：閾刺激或閾上刺激使膜對Na+的通透性增加，Na+順濃度梯度及電位差內流，使膜除極化，形成動作電位的上升支。（depolarization）；（4）再極化：Na+通道失活，而K+通道開放，K+外流，形成動作電位的下降支，也叫復極化。（5）超極化：K+流出，質膜再度極化，以致超過原來的靜息電位，向內負值方向增大變化，稱作膜的超極化（hyperpolarization）。,,第三節(jié)胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）,真核細胞通過胞吞與胞吐作用完成大分子與顆粒物質的跨膜運輸，如：蛋白質、多核苷酸、多糖等。需要消耗能量，使膜融合與斷裂，完成吞、吐大分子或顆粒物質的任務，又稱膜泡運輸、批量運輸。細胞內的膜泡轉運分為胞吞作用與胞吐作用作用：完成大分子與顆粒性物質的跨膜運輸，又稱膜泡運輸或批量運輸(bulktransport）。屬于主動運輸。一、胞吞作用:胞飲作用與吞噬作用二、受體介導的胞吞作用和非特異性的胞吞作用三、胞吐作用,●胞飲作用（pinocytosis）與吞噬作用（phagocytosis）。胞飲作用與吞噬作用主要有三點區(qū)別,胞飲泡是通過網格蛋白有被小泡（clathrincoatedvesicle）介導配體與細胞之間的選擇性運輸，其中接合素蛋白（adaptin）負責受體介導的胞飲作用；吞噬泡的形成則需要有微絲及其結合蛋白的幫助。動物組織中的巨噬細胞和血液中的中性粒細胞具有吞噬功能，在防御微生物的浸染和清除衰老細胞或細胞碎片起重要作用。,受體介導的胞吞作用和非特異性的胞吞作用LDL受體介導的胞吞作用低密脂蛋白的吸收：膽固醇主要在肝細胞中合成，隨后與磷脂和蛋白質形成低密脂蛋白（low-densitylipoproteins，LDL），釋放到血液中。LDL顆粒的質量為3106Da，芯部含有被長鏈脂肪酸酯化膽固醇分子。周圍由磷脂和膽固醇構成的脂單層包圍，并且還有一個較大的Apo-B蛋白（配體）。,二、受體介導的胞吞作用（receptermediatedendocytosis）,當細胞進行膜合成需要膽固醇時，細胞即合成LDL跨膜受體蛋白，并將其嵌插到質膜中。受體與LDL顆粒結合后，形成有被小泡；進入細胞質的有被小泡隨即脫掉網格蛋白衣被，成為平滑小泡，同早期胞內體融合，胞內體中pH值低，使受體與LDL顆粒分離；再經晚期胞內體將LDL送人溶酶體。在溶酶體中，LDL顆粒中的膽固醇酯被水解成游離的膽固醇而被利用。受體介導的胞吞作用是一種選擇性濃縮機制,被轉運的大分子物質（配體）與細胞表面的受體結合→形成復合物→在質膜處網格蛋白的參與下形成有被小窩（coatedpits）→小窩深陷脫離質膜→形成有被小泡(coatedvesicle)→網格蛋白脫離有被小泡→去被的囊泡與胞內體（endosome）融合→含有配體的胞內體與溶酶體融合。,受體回收途徑：①大部分受體返回它們原來的質膜結構域，如LDL受體；②有些進入溶酶體，在那里被消化，如表皮生長因子（EGF）的受體，稱為受體下行調節(jié)（receptordown-regulation）；③有些被運至質膜不同的結構域，形成轉胞吞作用（transcytosis）。,三、胞吐作用,胞吐作用：將細胞內的分泌泡或其它某些膜泡中的物質通過細胞質膜運出細胞的過程。,組成型胞吐途徑（constitutiveexocytosispathway）：糙面內質網→高爾基體→分泌泡→細胞表面調節(jié)型胞吐作用（regulatedexcocytosis）：特化的分泌細胞分泌產物→儲存在特化的分泌細胞→相應的激素信號刺激→分泌,,,胞吐途徑：組成型途徑和調節(jié)型調節(jié)1、組成型胞吐途徑：從高爾基體分泌的囊泡向質膜流動并與質膜融合的過程，通過這種途徑，新合成的囊泡膜的蛋白和脂類不斷地供應質膜的更新，確保細胞分裂前質膜的生長；囊泡內可溶性蛋白分泌到細胞外，有的成為質膜外周蛋白，有的形成細胞外基質組分，有的作為營養(yǎng)成分或信號分子擴散到胞外液。2、調節(jié)性胞吐途徑：特化的分泌細胞產生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在分泌泡內，當細胞受到胞外信號刺激時，分泌泡與質膜融合將內含物釋放出去的過程。,組成型和調節(jié)型胞吐作用的比較,作業(yè),一、名詞解釋：主動轉運簡單擴散內吞作用胞飲作用吞噬作用二、簡答題或論述題1、比較載體蛋白與通道蛋白的特點2、比較主動運輸與被動運輸的特點及其生物學意義。3、比較P-型離子泵、V-型質子泵、F-型質子泵和ABC超家族。4、說明Na+-K+泵的工作原理及其生物學意義。5、比較胞飲作用和吞噬作用的異同。7、比較組成型胞吐途徑和調節(jié)型胞吐途徑的特點及其生物學意義。,