物质跨膜运输

《物质跨膜运输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物质跨膜运输（45页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 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 据 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

2、 能 量 的2/3。 细 胞 膜 上 存 在 两 类 主 要 的 转 运 蛋 白 ， 即 ： 载 体 蛋 白 （ carrier protein） 和 通 道 蛋 白 （ channel protein） 。 P102 载 体 蛋 白 又 称 做 载 体 （ carrier） 、 通 透 酶 （ permease） 和 转 运 器（ transporter） ， 有 的 需 要 能 量 驱 动 ， 如 ： 各 类 APT驱 动 的 离 子 泵 ；有 的 则 不 需 要 能 量 ， 如 ： 缬 氨 酶 素 。 通 道 蛋 白 能 形 成 亲 水 的 通 道 ， 允 许 特 定 的 溶 质 通 过

3、 ， 所 有 通 道 蛋 白 均以 自 由 扩 散 的 方 式 运 输 溶 质 。 （ 一 ） 离 子 载 体 （ ionophore） 是 疏 水 性 的 小 分 子 ， 可 溶 于 双 脂 层 ， 多 为 微 生 物 合 成 ， 是微 生 物 防 御 或 与 其 它 物 种 竞 争 的 武 器 。 分 为 两 类 ： 可 动 离 子 载 体 （ mobile ion carrier） ： 如 缬 氨 霉 素（ valinomycin） 是 一 种 由 三 个 重 复 部 分 构 成 的 环 形 分 子 ， 能 顺 浓度 梯 度 转 运 K +。 DNP和 FCCP可 转 运 H+。 通 道

4、 离 子 载 体 （ c h a n n e l f o r m e r ） ： 如 短 杆 菌 肽 A（ granmicidin） ， 是 由 15个 疏 水 氨 基 酸 构 成 的 短 肽 ， 2分 子 形 成一 个 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 膜 。 Valinomycin Gramicidin Aan antibiotic that acts as an ion pore. （ 二 ） 通 道 蛋 白 （ channel protein） 是 跨 膜 的 亲 水 性 通 道 ， 允 许 适 当 大 小

5、的 离 子 顺 浓 度 梯 度 通过 ， 故 又 称 离 子 通 道 。 有 些 通 道 蛋 白 长 期 开 放 ， 如 钾 泄 漏 通 道 ； 有 些 通 道 蛋 白 平 时 处 于 关 闭 状 态 ， 仅 在 特 定 刺 激 下 才 打 开 ，又 称 为 门 通 道 （ gated channel） 。 主 要 有 4类 ： 电 位 门 通道 、 配 体 门 通 道 、 环 核 苷 酸 门 通 道 、 机 械 门 通 道 。 1、 配 体 门 通 道 (ligand gated channel) 特 点 ： 受 体 与 细 胞 外 的 配 体 结 合 ， 引 起 门 通 道 蛋 白 发 生

6、构 象 变 化 ， “ 门 ” 打 开 。 又 称 离 子 通 道 型 受 体 。 可 分 为 阳 离 子 通 道 ， 如 乙 酰 胆 碱 、 谷 氨 酸 和 五 羟 色 胺 受体 ， 和 阴 离 子 通 道 ， 如 甘 氨 酸 和 氨 基 丁 酸 受 体 。 Ach受 体 是 由 4种 不 同 的 亚 单 位 组 成 的 5聚 体 蛋 白 质 ， 形 成一 个 结 构 为 2 的 梅 花 状 通 道 样 结 构 ， 其 中 的 两 个 亚 单 位 是 同 两 分 子 Ach相 结 合 的 部 位 。 Nicotinic acetylcholine receptor Three conform

7、ation of the acetylcholine receptor 2、 电 位 门 通 道 (voltage gated channel) 特 点 ： 细 胞 内 或 细 胞 外 特 异 离 子 浓 度 或 电 位 发 生 变 化 时 ，致 使 其 构 象 变 化 ， “ 门 ” 打 开 。 K+电 位 门 有 四 个 亚 单 位 ， 每 个 亚 基 有 6个 跨 膜 螺 旋 (S1-S6) ， N和 C端 均 位 于 胞 质 面 。 连 接 S5-S6段 的 发 夹 样 折叠 (P区 或 H5区 )， 构 成 通 道 的 内 衬 ， 大 小 可 允 许 K+通 过 。 K+通 道 具

8、有 三 种 状 态 ： 开 启 、 关 闭 和 失 活 。 目 前 认 为 S4段是 电 压 感 受 器 。 Na +、 K+、 Ca2+三 种 电 压 门 通 道 结 构 相 似 ， 在 进 化 上 是 由 同一 个 远 祖 基 因 演 化 而 来 。 Voltage gated K+ channel 4th subunit not shown Ion-channel linked receptors in neurotransmission 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

9、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通 道 与 电 压 门 钾 通 道 结 构 相 似 ， 也 有 6个 跨 膜 片 段 。 细胞 内 的 C末 端 较 长 ， 上 面 有 环 核 苷 酸 的 结 合 位 点 。 CNG通 道 分 布 于 化 学 感 受 器 和 光 感 受 器 中 ， 与 膜 外 信 号 的转 换 有 关 。 如 气 味 分 子 与 化 学 感 受 器 中 的 G蛋 白 偶 联 型 受 体 结 合 ， 可

10、激 活 腺 苷酸 环 化 酶 ， 产 生 cAMP， 开 启 cAMP门 控 阳 离 子 通 道 （ cAMP-gated cation channel） ， 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 。 细 胞 将 机械 刺 激 的 信 号 转 化 为 电 化 学 信 号 ， 引 起 细 胞 反 应 的 过 程 称为 机 械 信 号 转 导 （ mechanotransduction ） 。 目 前 比 较 明

11、 确 的 有 两 类 机 械 门 通 道 ， 其 一 是 牵 拉 活 化 或 失活 的 离 子 通 道 ， 另 一 类 是 剪 切 力 敏 感 的 离 子 通 道 ， 前 者 几乎 存 在 于 所 有 的 细 胞 膜 （ 如 ： 血 管 内 皮 细 胞 、 心 肌 细 胞 、内 耳 毛 细 胞 ） ， 后 者 仅 发 现 于 内 皮 细 胞 和 心 肌 细 胞 。 牵 拉 敏 感 的 离 子 通 道 的 特 点 ： 对 离 子 的 无 选 择 性 、 无 方 向性 、 非 线 性 以 及 无 潜 伏 期 。 为 2价 或 1价 的 阳 离 子 通 道 ， 有Na +、 K+、 Ca2+， 以

12、Ca2+为 主 。 Membrane Transport Proteins 第 一 节 被 动 运 输 一 、 简 单 扩 散 也 叫 自 由 扩 散 （ free diffusion） 特 点 ： 沿 浓 度 梯 度 （ 或 电 化 学 梯 度 ） 扩 散 ； 不 需 要 提 供 能 量 ； 没 有 膜 蛋 白 的 协 助 。 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 。 人 工 膜 对 各 类 物 质 的 通 透 率 ： 脂 溶

13、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 ， 极 性 不 带 电 荷 小 分 子 ， 如H2O、 O2等 可 以 透 过 人 工 脂 双 层 ， 但 速 度 较 慢 ； 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 。 二 、 协 助 扩 散 也 称 促 进 扩 散 （ facilitated diffusion） 。 特 点 ： 比 自

14、由 扩 散 转 运 速 率 高 ； 运 输 速 率 同 物 质 浓度 成 非 线 性 关 系 ； 特 异 性 ； 饱 和 性 。 载 体 ： 离 子 载 体 和 通 道 蛋 白 两 种 类 型 。 三 、 水 通 道 水 扩 散 通 过 人 工 膜 的 速 率 很 低 ， 人 们 推 测 膜 上 有 水 通 道 。 1991年 Agre发 现 第 一 个 水 通 道 蛋 白 CHIP28 （ 28 KD ） ，他 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 ， 5 分 钟 内 破 裂 。 细 胞 的

15、这 种 吸水 膨 胀 现 象 会 被 Hg2+抑 制 。 2003年 Agre与 离 子 通 道 的 研 究 者 MacKinnon同 获 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 11种 ， 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 。 Peter Agre Roderick MacKinnon

16、第 二 节 、 主 动 运 输 主 动 运 输 的 特 点 是 ： 逆 浓 度 梯 度 （ 逆 化 学 梯 度 ） 运 输 ； 需 要 能 量 ； 都 有 载 体 蛋 白 。 主 动 运 输 所 需 的 能 量 来 源 主 要 有 ： 协 同 运 输 中 的 离 子 梯 度 动 力 ； ATP驱 动 的 泵 通 过 水 解 ATP获 得 能 量 ； 光 驱 动 的 泵 利 用 光 能 运 输 物 质 ， 见 于 细 菌 。 一、钠钾泵 P110 构 成 ： 由 2个 大 亚 基 、 2个 小 亚 基 组 成 的 4聚 体 ， 实 际 上 就是 Na+-K+ATP酶 ， 分 布 于 动 物 细

17、胞 的 质 膜 。 工 作 原 理 ： Na+-K+ATP酶 通 过 磷 酸 化 和 去 磷 酸 化 过 程 发 生 构 象 的 变 化 ， 导 致 与 Na+、 K+的 亲 和 力 发 生 变 化 。 在 膜 内 侧 Na +与 酶 结 合 ， 激 活 ATP酶 活 性 ， 使 ATP分 解 ，酶 被 磷 酸 化 ， 构 象 发 生 变 化 ， 于 是 与 Na+结 合 的 部 位 转 向 膜 外 侧 ； 这 种 磷酸 化 的 酶 对 Na+的 亲 和 力 低 ， 对 K+的 亲 和 力 高 ， 因 而 在 膜 外 侧 释 放 Na+、 而与 K+结 合 。 K+与 磷 酸 化 酶 结 合

18、后 促 使 酶 去 磷 酸 化 ， 酶 的 构 象 恢 复 原 状 ， 于是 与 K+结 合 的 部 位 转 向 膜 内 侧 ， K+与 酶 的 亲 和 力 降 低 ， 使 K+在 膜 内 被 释 放 ，而 又 与 Na+结 合 。 其 总 的 结 果 是 每 一 循 环 消 耗 一 个 ATP； 转 运 出 三 个 Na+，转 进 两 个 K+。 Na+-K+ATP PUMP Na+-K+ATP pump can catalyze the formation of ATP under laboratory condition 钠 钾 泵 对 离 子 的 转 运 循 环 依 赖 自 磷 酸 化

19、 过 程 （ ATP上 的 一个 磷 酸 基 团 转 移 到 钠 钾 泵 的 一 个 天 冬 氨 酸 残 基 上 ， 导 致 构象 变 化 ） ， 所 以 这 类 离 子 泵 叫 做 P-type。 Na+-K+泵 的 作 用 ： 维 持 细 胞 的 渗 透 性 ， 保 持 细 胞 的 体 积 ； 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 ； Mg 2+和 少 量 膜 脂 有助 提 高 于 其 活 性 。 二 、 钙 离 子 泵 P111 作 用 ： 维 持 细 胞 内 较 低

20、的 钙 离 子 浓 度 （ 细 胞 内 钙 离 子 浓 度10-7M， 细 胞 外 10-3M） 。 位 置 ： 质 膜 和 内 质 网 膜 。 类 型 ： P型 离 子 泵 ， 其 原 理 与 钠 钾 泵 相 似 ， 每 分 解 一 个 ATP分 子 ， 泵 出 2个Ca 2+。 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 。 Maintains low cytosolic Ca+Prese

21、nt In Plasma and ER membranes Model for mode of action for Ca + ATPase Conformation change 1、 P-type： 利 用 ATP自 磷 酸 化 发 生 构 象 的 改 变 来 转 移 质 子 ，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 (vacuole) 膜 上 ， 由 许 多 亚基 构 成 ， 水 解 ATP产 生 能 量 ， 但 不 发 生 自 磷 酸 化 ， 位 于 溶酶 体

22、膜 、 内 体 、 植 物 液 泡 膜 上 。 3、 F-type： 是 由 许 多 亚 基 构 成 的 管 状 结 构 ， 利 用 质 子 动力 势 合 成 ATP， 也 叫 ATP合 酶 ， 位 于 细 菌 质 膜 ， 线 粒 体 内 膜和 叶 绿 体 的 类 囊 体 膜 上 。三 、 质 子 泵 P113 四 、 ABC 转 运 器 ABC转 运 器 （ ABC transporter） 最 早 发 现 于 细 菌 ， 属 于 一个 庞 大 的 蛋 白 家 族 ， 每 个 成 员 都 有 两 个 高 度 保 守 的 ATP结合 区 （ ATP binding cassette） ， 故

23、名 ABC转 运 器 。 每 一 种 ABC转 运 器 只 转 运 一 种 或 一 类 底 物 ， 不 同 的 转 运 器可 转 运 离 子 、 氨 基 酸 、 核 苷 酸 、 多 糖 、 多 肽 、 甚 至 蛋 白 质 。ABC转 运 器 还 可 催 化 脂 双 层 的 脂 类 在 两 层 之 间 翻 转 ， 在 膜的 发 生 和 功 能 维 护 上 具 有 重 要 的 意 义 。 Mammalian MDR1 protein第 一 个 被 发 现 的 真 核 细 胞 的 ABC转 运 器 是 多 药 抗 性 蛋 白（ multidrug resistance protein, MDR） ，

24、 约 40%患 者 的癌 细 胞 内 该 基 因 过 度 表 达 。 ABC转 运 器 还 与 病 原 体 对 药 物 的抗 性 有 关 。 Four types of ATP-powered pumps 五 、 协 同 运 输 Cotransport P114 是 一 类 靠 间 接 提 供 能 量 完 成 的 主 动 运 输 方 式 。 物 质 跨 膜 运 动 所 需 要 的 能 量 来 自 膜 两 侧 离 子 的 电 化 学 浓 度梯 度 ， 而 维 持 这 种 电 化 学 势 的 是 钠 钾 泵 或 质 子 泵 。 动 物 细 胞 中 常 常 利 用 膜 两 侧 Na+浓 度 梯 度

25、来 驱 动 。 植 物 细 胞 和 细 菌 常 利 用 H +浓 度 梯 度 来 驱 动 。 根 据 物 质 运 输 方 向 与 离 子 沿 浓 度 梯 度 的 转 移 方 向 ， 协 同 运输 又 可 分 为 ： 同 向 协 同 （ symport） 与 反 向 协 同（ antiport） 。 1、 同 向 协 同 （ symport） 物 质 运 输 方 向 与 离 子 转 移 方 向 相 同 。 如 小 肠 细 胞 对 葡 萄 糖的 吸 收 伴 随 着 Na+的 进 入 。 在 某 些 细 菌 中 ， 乳 糖 的 吸 收 伴随 着 H+的 进 入 。 2、 反 向 协 同 （ anti

26、port） 物 质 跨 膜 运 动 的 方 向 与 离 子 转 移 的 方 向 相 反 ， 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 。 还 有 一 种 机 制 是 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 。 Glucose is absorbed bysymport 第 三 节 、 膜 泡 运 输 的 基 本 概 念 P117 真 核 细 胞 通 过 内 吞 作 用

27、（ endocytosis） 和 外 排 作 用（ exocytosis） 完 成 大 分 子 与 颗 粒 性 物 质 的 跨 膜 运 输 。在 转 运 过 程 中 ， 质 膜 内 陷 ， 形 成 包 围 细 胞 外 物 质 的 囊 泡 ，因 此 又 称 膜 泡 运 输 。 细 胞 的 内 吞 和 外 排 活 动 总 称 为 吞 排作 用 （ cytosis） 。 细 胞 内 吞 较 大 的 固 体 颗 粒 物 质 ， 如 细 菌 、 细 胞 碎 片 等 ，称 为 吞 噬 作 用 。一 、 吞 噬 作 用 细 胞 吞 入 液 体 或 极 小 的 颗 粒 物 质。二 、 胞 饮 作 用 三、外排

28、作用exocytosis 包 含 大 分 子 物 质 的 小 囊泡 从 细 胞 内 部 移 至 细 胞表 面 ， 与 质 膜 融 合 ， 将物 质 排 出 细 胞 之 外 。 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 ： 肝 细 胞 从 血 窦 中 吸 收 免 疫 球 蛋 白 A（ IgA） ， 通 过 穿 胞 运 输 输 送 到 胆微 管 ； 大 鼠 中 ， 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 。