1、第五章 物质的跨膜运输,MEMBRANE TRANSPORT,内容提要,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 二、被动运输与主动运输第二节、离子泵和协同转运 一、P-型离子泵 二、V-型离子泵和F-型离子泵 三、ABC超家族 四、协同转运 五、离子跨膜转运与膜电位第三节、胞吞作用与胞吐作用 一、胞饮作用与吞噬作用 二、受体介导的胞吞作用 三、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 二、被动运输与主动运输,K+o Na+i,离子的跨膜分布,典型哺乳类细胞内外离子浓度比较,Na+ Cl- A- K+,离子的跨膜分布,据估计细胞膜上
2、与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的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。细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白(carrier protein)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ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。通道蛋白(channel protein)能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。,Two classes of membrane transport proteins,Carrier proteins are re
3、sponsible for both the passive and the active transport (被动运输与主动运输).Channel proteins are only responsible for passive transport (被动运输).,Two classes of membrane transport proteins,主要区别,载体蛋白及其功能,葡萄糖载体；Na+驱动的葡萄糖泵；Na+-H+交换器； Na+-K+泵；Ca2+泵；H+泵（H+-ATPase）,载体蛋白功能异常：胱氨酸尿症,(高)胱氨酸尿症:是一种隐性遗传的氨基酸代谢异常疾病。患者会由尿液排出
4、大量的高胱氨酸，若未及早治疗，会有心智功能低下、骨骼畸形、眼球水晶体脱位、心脏血管疾病及血栓等。 患者的肾细胞和肠细胞不能将胱氨酸和半胱氨酸转运到血液，胱氨酸和半胱氨酸在尿中累积，在肾中形成胱氨酸结石。,通道蛋白及其功能,通道蛋白几乎都与无机离子的转运有关，所以又称为“离子通道” 。离子通道的特征：极高的转运效率，比已知的任何一种载体蛋白最快转运效率要高1000倍以上；没有饱和值；并非连续开放，而是门控的，受控于适当的细胞信号，如：电位变化，化学信号，压力刺激.。,通道蛋白及其功能,Most of the channel proteins are ion channels, including
5、 three types, with ion channels that they can be opened and closed,电压门通道,配体门通道,应力激活通道,通道蛋白及其功能,电压门通道,配体门通道,应力激活通道,K+渗漏通道；电压门Na+通道；电压门K+通道；电压门Ca2+通道；乙酰胆碱受体；GABA受体(GABA门Cl-通道)；应力激活的阳离子通道,电压门控通道：钾、钠、钙离子通道,电压门控钾离子通道,配体门通道 (ligand gated channel)特点：受体与细胞内或外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。,配体门控通道 阳离子通道
6、：乙酰胆碱、谷氨酸、五羟色胺受体 阴离子通道：甘氨酸和氨基丁酸(GABA)受体,乙酰胆碱受体,内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形，到该处膜出现跨膜离子移动之间，只有极短的潜伏期，,内耳中的毛细胞应力激活通道,应力激活的离子通道：听觉毛状细胞的离子通道,水孔蛋白：水分子的跨膜通道,水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，也有些水是通过水通道蛋白进行扩散的。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28KD)，他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵
7、母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。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Peter Agre和Roderick MacKinnon，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,水通道,水通道蛋白 AQP1是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它能够让水自由通过（不必结合），但是不允许离子或是其他的小分子（包括蛋白质）通过。,物质通过细胞质膜的3种转运途径,1. 被动运输： 简单扩
8、散: 疏水小分子、不带电的极性小分子; 协助扩散: 极性分子和无机离子。需要特异性的膜转运蛋白的协助。 2. 主动运输： ATP驱动泵: P、V、F型3种离子泵, 只转运离子； ABC超家族，运输小分子。 耦联转运蛋白: 同向转运蛋白; 反向转运蛋白。 光驱动泵: 主要在细菌中发现3. 胞吞与胞吐作用：,简单扩散,也叫自由扩散（free diffusion）, 特点：沿（顺）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/d (d为膜的厚度),人工膜对各类物质的通透率：脂溶性
9、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。,磷脂双层的屏蔽作用,协助扩散,也称促进扩散（facilitated diffusion）。特点： 比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 需借助载体； 具有特异性；饱和性。 载体：载体蛋白和通道蛋白两种类型。,The carrier protein, the Glucose transporter (GluT1 ) in the er
10、ythrocyte PM, alter conformation to facilitate the transport of glucose.,Facilitated diffusion: Protein-mediated movement, movement down the gradient (顺浓度梯度或电化学梯度),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。,主动运输的3种类型,ATP驱动泵(ATP直接提供能量),耦联转运蛋白(ATP间接提供能量),光驱动泵,物质通过细胞质膜的3种转运途径,1. 被动运输： 简单扩散: 疏水小分子、不带电的极性小分子; 协助扩散: 极性分子和无机离子。需要特异性的膜转运蛋白的协助。 2. 主动运输： ATP驱动泵: P、V、F型3种离子泵, 只转运离子； ABC超家族，运输小分子。 耦联转运蛋白: 同向转运蛋白; 反向转运蛋白。 光驱动泵: 主要在细菌中发现3. 胞吞与胞吐作用：,
