《物質(zhì)的跨膜運輸》PPT課件.ppt

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1、Chapter 5 Membrane Transport Mechanisms LOW 除了脂溶性分子和小的不帶電荷的分子能 夠以簡單擴散的方式直接通過脂雙層，脂 雙層對絕大多數(shù)分子是高度不通透的，需 要特殊的膜轉(zhuǎn)運蛋白的參與。 活細胞內(nèi)外的離子濃度是明顯不同的。內(nèi) 外濃度的差別主要由兩種機制調(diào)控。一是 取決于一套特殊的膜轉(zhuǎn)運蛋白的活性，二 是取決于質(zhì)膜本身的脂雙層所具有的疏水 特征。 Transport Passive transport Simple diffusion Osmosis Facilitated transport Cotransport Active transport S

2、odium-Potassium Pump Ca2+ pump Proton Pump Symport Aniport Exocytosis and endocytosis 不需要能量，自發(fā)發(fā)生 動力來自濃度差別，不需要外界幫助，順濃 度剃度運輸 5. 1 Passive transport 需要能量 低濃度運輸導(dǎo)高濃度，逆濃度 轉(zhuǎn)運蛋白參與 Active transport 5.1.1 Diffusion If a concentration gradient exists, there will be a net flow of material across the membrane 高

3、低 5.1.2 Osmosis 滲透 Hypotonic 低滲 Hypertonic高滲 水孔蛋白 水分子不帶電荷但是具有極性，可以通過簡單擴 散進入細胞膜 水分子通過水孔的快速跨膜轉(zhuǎn)運是非常重要的。 水孔蛋白是內(nèi)在膜蛋白的一個家族，在各種特異 性組織細胞中，提供水分子快速跨膜的通道。 由四個亞基組成的四聚體，每個水孔蛋白亞基單 獨形成一個供水分子運動的中央孔。水孔蛋白形 成對水分子高度特異的親水通道。 isotonic hypotonic hypertonic 等滲 5.1.3 Facilitated Diffusion 協(xié)助擴散 Transport proteins Go along th

4、e concentration grade Require no energy 比簡單擴散轉(zhuǎn)運速率高 很多。 存在最大轉(zhuǎn)運速率。 不同分子轉(zhuǎn)運系數(shù)不同。 不同載體蛋白具有對轉(zhuǎn) 運物質(zhì)的偏好性 Transport Proteins are specific Na+ glucose Membrane Trans. Protein A Carrier protein B Channel protein A Carrier protein 參與主動與被動運輸 物質(zhì)與其結(jié)合，結(jié)合具 有特異性 構(gòu)象發(fā)生改變運輸物質(zhì) B Channel protein 僅存在與被動運輸 物質(zhì)不與其結(jié)合 Carrier pr

5、otein change shape let material transport Channel Types of channel protein or ion channel 具有三個顯著的特征 是親水性的跨膜通道，允許適當(dāng)大小的離子 順濃度梯度通過，故又稱離子通道。只能 介導(dǎo)順濃度梯度（電化學(xué)梯度）的被動運 輸。對離子的選擇性依賴于離子通道的直 徑和形狀。 可以高效轉(zhuǎn)運離子。 離子通道沒有飽和值。 離子通道非連續(xù)開放而是門控性通道。 Brief summary of passive transport 第二節(jié) 離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運 一 、 P型離子泵 所有的 P型離子泵都有兩個獨立的 a催化

6、 亞基 ,具有 ATP結(jié)合位點。絕大多數(shù)還有兩 個小的亞基 ,發(fā)揮調(diào)控作用 .在離子轉(zhuǎn)運中 , 至少一個 a催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化 , 形成磷酸化中間體 ,因此稱為 P型離子泵。 （一）鈉鉀泵： Na+- K+泵實際上就是 Na+-K+ ATP酶， 由 2個 亞基、 2個 亞基組成的四聚體，分 布于動物細胞的質(zhì)膜上。 亞基是多次跨膜 蛋白，具有 ATP酶活性、 Na+、 K+結(jié)合位 點； 亞基是具有組織特異性的糖蛋白，不 直接參與離子的跨膜轉(zhuǎn)運，但幫助新合成 的 亞基進行折疊。 + Charged particle cloaked with water molecules, can no

7、t get through Na+ Cl- K+ H+ Large molecules, also cloaked with water molecules, can not get through Nucleotides Amino acids Sugars Carrier proteins Go against the concentration Require Energy Three ways of driving active transport. Cotransport Active transport Sodium-Potassium Pump Ca2+ pump Proton

8、Pump symport aniport Exocytosis and endocytosis 5.2.1 Sodium-Potassium Pump Sodium/Potassium pump Made of 2 large and 2 small subunits 2 large units span membrane inside region: contains ATP binding site inside: binding sites for Na outside: binding site for K How does it work? Sodium-Potassium Pump

9、 http:/www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit1/eustruct/sppump.html 1. 鈉鉀泵工作原理： 在膜內(nèi)側(cè)， 3 個 Na+與酶結(jié)合，激活 ATP酶活性，使 ATP 分解，酶自身被磷酸化； 酶構(gòu)象發(fā)生改變，與 Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)； 向胞外釋放 3 Na+并與 2 K+結(jié)合， K+與磷酸化的酶結(jié)合 后促使酶去磷酸化； 酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與 K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)； 向胞內(nèi)釋放 K+，并又重新與 Na+結(jié)合。 1000次 /秒高速運轉(zhuǎn)?？偟慕Y(jié)果是每一消耗一個 ATP；輸 出 3個 Na+ ，輸入 2個 K+

10、。使細胞外帶正電荷。 2. 鈉鉀泵生理作用 有利與神經(jīng)沖動的傳播 維持細胞的滲透平衡，保持細胞的體積； 抵消了細胞內(nèi)外的 Na+、 K+擴散，維持低 Na+高 K+的 細胞內(nèi)環(huán)境，維持細胞的靜息電位，為協(xié)同運輸提供驅(qū)動 力； 胞外高濃度的 Na+代表大量的能量積累，用于維持緊急情 況下 Na+驅(qū)動的其他運輸。 可對 Na+-K+泵產(chǎn)生作用的因子： 少量烏本苷（ ouabain）等可抑制 Na+-K+泵活性； Mg2+ 、少量的膜脂有助于提高 Na+-K+泵的活性；生 物氧化劑如氰化物使 ATP供應(yīng)中斷 Na+-K+泵停止工作。 Question: Compare with glucose tr

11、ansport by facilitated transport and active transport ? Ca2+ pump Ca2+ concentration ： exterior cell :10-3M interior cell : 10-7M(free Ca2+ ) 鈣泵（ Ca2+pump）又稱為 Ca2+-ATP酶， 跨膜蛋白，進化上與 Na+-K+泵的 亞基同 源。分布在質(zhì)膜和肌細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。維持 細胞內(nèi)較低的 Ca2+濃度（胞內(nèi)濃度 10- 7M，胞外 10-3M）。 作用機制：原理與鈉鉀泵相似，每分解一 個 ATP，泵出 2個 Ca2+，將 Ca2+輸出細 胞或泵入內(nèi)

12、質(zhì)網(wǎng)腔中儲存起來。 二 、 V型質(zhì)子泵和 F型質(zhì)子泵 1. V型質(zhì)子泵： 位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡 膜上，由許多亞基構(gòu)成，水解 ATP產(chǎn)生能量，將 逆 H+化學(xué)梯度將 H+泵入細胞器，以維持質(zhì)膜的 中性和細胞器內(nèi)的酸性。轉(zhuǎn)運 H+時不產(chǎn)生磷酸化 中間體。 2. F型質(zhì)子泵 ：是由許多亞基構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)。 位于細菌質(zhì)膜，線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜 上。 H+順濃度梯度運動，將所釋放的能量與 ATP 合成相耦聯(lián)。又稱用 H+ ATP合酶。 三 、 ABC超家族 含有幾百種不同的轉(zhuǎn)運蛋白，廣泛分布于 從細菌到人類的各種生物體中。每種 ABC 蛋白對于單一底物或相關(guān)底物的基團具有 特異性。共有的

13、核心結(jié)構(gòu)域： 2個跨膜結(jié)構(gòu) 域（ T） ,形成運輸分子的跨膜通道并決定 每個 ABC蛋白底物特異性； 2個胞質(zhì)側(cè) ATP 結(jié)合域（ A），成員之間享有 30 40%同 源序列。 cooperation 四 、協(xié)同運輸 Symport Aniport Sodium-Potassium Pump or H Pump Carrier protein ATP 1. 定義 ：是由 Na+-K+泵（ H+泵）與載 體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗 ATP所完成的 主動運輸方式，又叫偶聯(lián)運輸。能量來自 膜兩側(cè)的離子濃度梯度（電化學(xué)梯度）。 。動物細胞中常常利用膜兩側(cè) Na+梯度； 植物細胞和細菌常利用 H+梯度。

14、 2. 協(xié)同運輸?shù)姆诸?共運輸 ：物質(zhì)運輸方向和離子轉(zhuǎn)移方向相 同。如小腸細胞對葡萄糖、氨基酸的吸收 伴隨著 Na+的進入；某些細菌中，乳糖的 吸收伴隨著 H+ 的進入。 對向運輸 ：物質(zhì)運輸方向和離子轉(zhuǎn)移方向 相反，物質(zhì)跨膜運動的方向與離子轉(zhuǎn)移的 方向相反。動物細胞常通過 Na+/H+ 對向 協(xié)同運輸?shù)姆绞絹磙D(zhuǎn)運 H+ ，以調(diào)節(jié)細胞內(nèi) 的 PH值。 五 、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位 1. 靜息電位：細胞在靜息狀態(tài)下的膜電位。 2. 動作電位：在外界刺激作用下產(chǎn)生的行 使通訊功能的快速變化的膜電位。 3. 極化：靜息電位是細胞質(zhì)膜內(nèi)外相對穩(wěn) 定的電位差，質(zhì)膜內(nèi)為負值，質(zhì)膜外為正 值，這種現(xiàn)象稱為極化

15、。 第三節(jié) 胞吞與胞吐作用 5.3.1 Endocytosis 胞吞 5.3.2 Exocytosis 胞吐 5.3.3 運輸小泡與靶膜融合 5.3.1 Endocytosis 一 、胞飲作用與吞噬作用 1. 批量運輸：大分子和顆粒性物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多 核苷酸、多糖等），運輸過程涉及膜泡的融合和斷裂， 需要消耗能量，屬于主動運輸?？梢酝瑫r轉(zhuǎn)運一種或 者幾種數(shù)量不等的大分子或顆粒，因此又稱批量運輸 （ bulk transport）。 2.胞吞作用 （ endocytosis） 定義 ：是通過細胞膜內(nèi)陷形成胞吞泡 （ endocytic vesicle），將外界物質(zhì)輸入 細胞。根據(jù)攝入物質(zhì)的類型

16、以及胞吞泡大 小分為胞飲作用（ pinocytosis）和吞噬作 用（ phagocytosis）。 A Pinocytosis 飲液 (作用 ) Continuous progress Liquid material Diameter 150nm B Phagocytosis噬菌作用 Trigger progress Large particles Diameter 250 nm vesicle forming mechanism is different Endocytosis 二 、受體介導(dǎo)的胞吞作用 根據(jù)胞吞作用是否具有專一性，可將胞吞 作用分為受體介導(dǎo)的胞吞作用和非特異性 的胞吞作用

17、。 Receptor mediated endocytosis No specific endocytosis A Endocytosis Pinocytosis: Endocytic vesicle forming mechanism 1. 原理 ：膜上受體去選擇性識別被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)， 通過形成網(wǎng)格蛋白有被小泡進行運輸。是一種選 擇濃縮機制，既可攝入特定的大分子，同時避免 吸入大量胞外液體。 2. 攝取物質(zhì) ：動物細胞攝取膽固醇；鳥卵細胞攝 取卵黃蛋白；肝細胞攝取轉(zhuǎn)鐵蛋白；胰島素進入 細胞；巨噬細胞通過表面受體對免疫球蛋白及其 復(fù)合物、病毒、細菌、衰老細胞的識別和攝入、 VB12、鐵的攝取。

18、3. 胞內(nèi)體 ：動物細胞內(nèi)由膜包圍的細胞器， 具有酸性環(huán)境，是膜泡運輸?shù)姆诌x站，主 要作用為運輸由胞吞作用新攝入的物質(zhì)導(dǎo) 溶酶體降解。受體與轉(zhuǎn)運的物質(zhì)在此分離。 5 受體命運 大部分回到質(zhì)膜重新利用 少數(shù)進入溶酶體，受體下降調(diào)節(jié) (receptor down regulation) 少數(shù)運輸?shù)劫|(zhì)膜不同區(qū)域 6. 轉(zhuǎn)胞吞作用：受體和配體不作任何處理， 內(nèi)吞物從極性細胞一側(cè)轉(zhuǎn)到相反的方向。 母乳喂養(yǎng)之所以可以給寶寶抗體正是轉(zhuǎn)胞 吞作用原理實現(xiàn)的。 Endocytosis B Phagocytosis Need microfilament and bind protein Special cells

19、 have this function 5.3.2 Exocytosis Exocytosis A Constitutive exocytosis 組成型胞吐 Scope :exsist in all type cell Mechanism:default pathway B Regulated exocytosis pathway 調(diào)控型胞吐 Scope:exist in some special cell 1. 組成型胞吐途徑（ constitutive exocytosis pathway） 存在于所有真核細胞中，是一個連續(xù)發(fā)生的過程。 主要從高爾基體反面管網(wǎng)區(qū)分泌的囊泡持續(xù)不斷 地向質(zhì)

20、膜流動并與之融合。主要具有兩種主要功 能。一是囊泡膜的蛋白和脂類不斷供應(yīng)質(zhì)膜的更 新；二是囊泡內(nèi)可溶性蛋白分泌到細胞外，成為 質(zhì)膜外周蛋白、胞外基質(zhì)組分、營養(yǎng)成分或者信 號分子。 2. 調(diào)節(jié)型胞吐途徑（ regulated exocytosis pathway） 又稱誘導(dǎo)型分泌，存在于特化分泌細胞； 先將分泌物儲存在分泌泡中；當(dāng)細胞受到 胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合，釋 放內(nèi)含物。分選信號存在蛋白質(zhì)本身。 3 去限定途徑（ default pathway） ：組成型胞吐途徑通過去限定途徑 （ default pathway）完成蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運 過程。這種模式認為在粗面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合 成的蛋白質(zhì)除了某些特殊標(biāo)記的蛋白需要 駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或者高爾基體或進入溶酶體 和可調(diào)節(jié)性分泌泡外，其余蛋白均沿著粗 面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體分泌泡細胞表 面完成轉(zhuǎn)運和分泌過程。