细胞生物学翟中和第四版 05 跨膜运输.ppt
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1、第五章 跨膜运输,MEMBRANE TRANSPORT,细胞质膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透性屏障。既保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除,又能调节细胞内离子浓度,使细胞维持相对稳定的内环境。,一、膜转运的基本原理,1、细胞内外的离子浓度差异很大 Na+是细胞外最丰富的带正电荷离子(阳离子) K+是细胞内最丰富的带正电荷离子(阳离子),一、膜转运的基本原理,2、脂质双分子层对于溶质和离子是不可渗透的 脂质双分子层内部的疏水性导致包括离子在内的亲水性分子不能自由通过。 其扩散速度主要取决与分子的大小和溶解性(脂溶性)。,人工脂双层,疏水小分子,不带电荷的极性小分子,不带电荷
2、的极性大分子,离子,人工膜对带电荷的物质,如离子是高度不通透的。 没有膜转运蛋白,一、膜转运的基本原理,3、膜转运蛋白 分为两类:载体蛋白和通道蛋白 区别:辨别溶质的方式,载体蛋白 只容许与蛋白质上结合部位相适合的分子或离子通过。以改变自身构象而转运分子穿过膜。,通道蛋白 主要根据大小和电荷进行辨别。,一、膜转运的基本原理,4、溶质通过被动运送或主动运送穿过膜,简单扩散,被动转运,主动转运,4.1 简单扩散 (simple diffusion),也叫自由扩散(free diffusion): 沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散; 不需要提供能量; 没有膜蛋白协助。 通透性P=KD/t , K为在油
3、和水中的分配系数, D为扩散系数,t为膜的厚度。,扩散:物质分子由高浓度区域往低浓度区域移动,直到均匀分布的现象。,水分子进出细胞是一种扩散吗? 答案:是扩散,水总体的移动方向: 水分子多水分子少(顺浓度梯度),4.2 被动运输 (passive transport),也称协助扩散(facilitated diffusion)。指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度,在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式。 特点: 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;不需要细胞提供代谢能量,转运的动力来自物质的电化学梯度或浓度梯度。 载体:膜转运蛋白。,特点: 逆浓度梯度(逆化学梯度)运输; 需
4、要能量; 都有载体蛋白。 能量来源: 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。,4.3 主动运输 (active transport),物质跨膜运输三种方式的比较,不需要,需要,需要,不消耗,不消耗,消耗,O2、CO2、甘油等脂溶性物质,血浆中葡萄糖 进入红细胞,K+进入红细胞 Na+出红细胞,二、载体蛋白及其功能,除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子能以简单扩散的方式直接进入脂双层外,其它小有机分子穿越膜都需要载体蛋白。,高度选择性,二、载体蛋白及其功能,1、浓度梯度和电势驱动的被动转运 浓度梯度,如:葡萄糖载体,二、载体蛋白及
5、其功能,1、浓度梯度和电势驱动的被动转运 电化学梯度,膜电位 质膜的胞质面常处于负电位,跨膜电压与浓度同向 如:Na+,跨膜电压与浓度反向 如:K+,二、载体蛋白及其功能,2、主动转运使溶质逆其电化学梯度迁移,偶联的转运蛋白 “上坡”与“下坡” 离子梯度动力,电化学梯度,ATP驱动泵 “上坡”与ATP水解,光驱动泵(细菌) “上坡”与光能输入,3、钠钾泵 构成:由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体,也叫Na+-K+ATP酶,分布于动物细胞的质膜。 工作原理: 对离子的转运循环依赖自磷酸化过程,所以叫做P-type离子泵。每个周期转出个钠离子,个钾离子。,3、钠钾泵 ATP驱动的Na+泵把ATP
6、水解为ADP,从而把Na+转运到细胞外。同时它把Na+的向外转运与K+的向内转运偶联起来。,钠的电化学梯度,钾的电化学梯度,3、钠钾泵 细胞外的Na+就像是堵在高水坝后面的大量的水。,胞外Na+处于电化学梯度的“上坡”储能,3、钠钾泵循环型,磷酸化驱动构象变化,Na+的释放到胞外,泵恢复到原来构象,K+的释放到胞内,10 ms 哺乳动物 一个循环3个Na+ 2个K+,钠钾泵的作用: 维持细胞的渗透性,保持细胞体积; 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;Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,4、钙离子泵,作用:维持细胞内较低的钙离子浓度。Ca
7、2+能与细胞内多种分子紧密结合,改变其活性,且常被用于引发细胞内其他事件的信号,如肌细胞的收缩。 位置:质膜、内质网膜。 类型: P型离子泵,每分解一个ATP分子,泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。,4、钙离子泵,骨骼肌细胞,四个不同功能的结构域组成的单分子蛋白质。,肌浆网桨,胞质溶胶,天冬氨酸,核苷酸结合结构域,激活结构域,Ca2+结合腔,5、偶联转运蛋白,任何溶质的跨膜梯度都能被用来驱动第二种分子的主动转运。如钠钾泵里Na+梯度。,单向转运,同向转运,对向转运,偶联转运,如:被动的葡萄糖转运蛋白,同向转运 葡萄糖-Na+同向转运蛋白利用Na+电化学梯度驱动葡
8、萄糖的摄入。,6、H+梯度驱动膜转运,植物、真菌(包括酵母)和细菌利用H+的电化学梯度驱动溶质转运到细胞内。质膜泵将H+泵出细胞,产生H+梯度。,三、离子通道和膜电位,通道蛋白:跨膜亲水性通道,允许特定离子顺浓度梯度通过。 水通道:允许不带电荷的水分子快速通过。 离子通道:与无机离子的转运有关。 有些通道长期开放,如钾泄漏通道; 有些通道平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,称为门通道。,1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28 KD ),CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂,已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白,
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