2013(5)细胞生物学第5章教程

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分子结合,通过一系列构象改变介导溶质
分子的跨膜转运。
通道蛋白形成的跨膜亲水性离子通道具有
3个显著特点:
1)具有极高的转运速率,
2)没有饱和值,
3)非连续性开放,而是门控的。
离子载体( ionophore)在膜运输蛋白功 能研究中的应用
1、离子载体是一些能够极大提高膜对某些
离子通透性的物质,是疏水性的小分子,可
简单扩散限制因素?
物质的脂溶性、分子大小和带电性
协助扩散(facilitated diffusion)
简 单 扩 散 与 协 助 扩 散 的 比 较
协助扩散也称促进扩散(facilitated diffusion)

特点:
① 比自由扩散转运速率高;
② 运输速率与 物质浓度成非线性关系;
③ 特异性;饱和性(即存在最大转运速率)。
第五章 物质的跨膜运输
一、膜转运蛋白与物质的跨膜运输
二、离子泵和协同运输
三、胞吞作用与胞吐作用
物质的跨膜运输是细胞维持正常生 命活动的基础之一。
第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输
组分 胞内/(mmol.L-1) 5-15 胞外/(mmol.L-1) 145
典型哺 乳类细
阳离子 Na+
胞胞内
外离子 浓度的 比较
一、脂双层的不透性和膜转运蛋白 1、控制细胞内外的离子差别分布的两种主 要机制:
(1)膜转运蛋白(膜运输蛋白)的活性
(2)脂双层所具有的疏水性
2、膜转运蛋白的两种类型
参考被动运输或主动运输膜蛋白称为膜转运
蛋白。膜转运蛋白是整合膜蛋白,或是大的跨膜
分子复合物。分两种类型:
(1)载体蛋白(carrier proteins
偶联转运蛋白
ATP驱动泵
光驱动泵
主动运输3种类型
1、ATP驱动泵。由ATP直接提供能量,实现离
子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运
输。
2、协同转运蛋。协同转运蛋白或耦联转运蛋白
介导各种分子和离子的跨膜运输,是一种间接
消耗能量的主动转运方式。
3、光能驱动。光驱动泵主要在细菌细胞中 发现,对溶质的主动运输与光能的输入 相耦联。
Nicotinic acetylcholine receptor (烟碱乙酰胆碱受体)
Ion-channel linked receptors in neurotransmission
3、应力激活通道 是通道蛋白感应应力而改变构象,从而 开启通道形成离子流,产生电信号。如内耳 听觉毛细胞是依赖这类通道的典型例子。

协同转运:包括同向转运蛋白介导的同向转运, 反向转运蛋白介导的反向转运,
电化学梯度 势能
电化学梯度 势能 细胞代谢能

主动运输:是由载体蛋白所介导的逆物质浓度
梯度(或电化学梯度)进行跨膜转运的方式。

主动运输具有如下特点:
逆浓度梯度(或电化学梯度)进行运输,
需要能量,需要载体蛋白(构象可变),具有
选择性和特异性。
根据所需能量来源的不同,主动运输可分为以下 三种类型:
但它不能有效地提高Na+的扩散速度。
说明:
一是载体蛋白能够极大提高运输速度,
二是载体具有特异性。
通道形成离子载体:短杆菌肽A 短杆菌肽A(granmicidin),是由15个氨基 酸组成的线性肽,其中8个是L-氨基酸,7个
是D-氨基酸,客观存在具有疏水的侧链,2分
子形成一个跨膜通道,能够有选择地使单价 阳离子顺电化学梯度通过膜,不过它并不显 著提高运输速度。如H+、Na+、K+按。

被动运输和主动运输的生物学意义:
被动运输:在不需要能量的情况下,借助浓度
梯度,保证了物质的运输。

主动运输:保证细胞和细胞器必须物质通过膜
的运输,即使是从低浓度到高浓度,维持一些
离子浓度梯度。
第二节 离子泵和协同转运

ATP驱动泵:包括P-型离子泵,V-型质子泵,
F-质子泵和ABC超家族。前3种只转运离子, 后一种主要是转运小分子。
1、电压门通道(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。 例:K+电压门通道。
Voltage gated K+ channel
例:K+电压门有四个 亚单位,每个亚基有6 个跨膜α螺旋(S1-S6) , N和C端均位于胞质面。 连接S5-S6段的发夹样 β折叠 (P区或H5区), 构成通道的内衬,大 小可允许K+通过。 电 压 感 受 器 K+通道
细胞进行的物运输具有3种不同的范畴:
1、细胞运输:主要指细胞与环境间的物质交换。
2、胞内运动:真核细胞内膜性细胞器与细胞内环 境间进行的物质交换。 3、转细胞运输:物质从细胞的一侧进入,从另一 侧出去,实际上是穿越细胞的运输。
跨膜运输的类型
物质跨膜运输的4种基本机制
1、通过脂双层的简单扩散;
2、通过整合膜蛋白形成的水性通道进行的被 动运输; 3、通过同膜蛋的结合进行的帮助扩散,也同1 和2一样,只能从高浓度区向低浓度区运输;
通道蛋白 ( channel proteins ) 特点:通过形成亲水性通道实现对特异溶质 的跨膜转运。 功能:具有离子选择性,转运速率高,离子 通道是门控的;只介导被动运输,所有通道 蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
3、离子通道 根据地激活信号的不同,离子通道蛋白 可分3种类型:
1、电压门通道(voltage-gated channel)
2、配体门通道(ligand-gated channel)
3、压力激活通道(stress-activated channel)
3种类型的离子通道
A.电压门通道。B、C.配体门通道(B为胞内配体,C为胞 外配体)。D.应力激活门通道
3种类型的离子通道
A.电压门通道。B、C.配体门通道(B为胞内配体,C为胞 外配体)。D.应力激活门通道
载体蛋白对转运的溶质分子不作任何共价修饰
载体蛋白以两种构象状态存在,:状态A,溶质结合位点在膜外侧暴
露;状态B,同样的溶质结合位点在膜内侧暴露。两种构象状态的转
变随机发生而不依赖于是否有溶质结合和是否完全可逆。若膜外侧溶 质浓度高,则与状态A载体蛋白结合的溶质就比与状态B载体蛋白结合
的多,净效果表现为溶质顺浓度梯度进入细胞。
(2)通道蛋白(channel proteins)
载体蛋白(carrier proteins)
特点:多次跨膜蛋白,与特异的溶质结合,通
过自身构象的改变以实现物质的跨膜转运。 功能:具有通透酶(permease)性质;介导 被动运输(如: 葡萄糖载体蛋白)与主动运输(如:
各类APT驱动的 离子泵)。
A、人工脂双层膜对不 同分子的相对透性。 B、不同分子通过人工 脂双层膜 的渗透系数。
简单扩散也叫自由扩散(free diffusion)
特点:
①沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散;
②不需要提供能量;
③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。
运输,又能执行主动运输,而通道貌岸然蛋白只能执行
被子动运输。
二、主动运输与被动运输
(一)被动运输(passive transport)
特点:运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转
运蛋白
类型:简单扩散(simple diffusion) 协助扩散(facilitated diffusion)
不同性质的分子通过无膜 转运蛋白的人工脂双层
K+
Mg + Ca +
140
0.5(20 mmol.L-1 ) 10-4(1-2 mmol.L-1 )
5
1-2 1-2
H+
Cl -
7×10-8(pH7.2)
5-15
4×10-8(pH7.4)
110
阴离子 HCO3-、PO43-、蛋白质、核酸和带荷磷酸等
固定的 带负电荷的大小不同的 阴离子 有机分子
0Hale Waihona Puke 应力激活通道 (stress-activated channel)正电离子进入
支持 细胞
听毛 细胞 耳蜗覆膜 或盖膜 通道 关闭
静纤毛
连接 的细 丝
通道 开启
基底膜
听觉神 经纤维
纤毛束 不倾斜
纤毛束 倾斜
载体蛋白与通道蛋白的比较

载体蛋白:
是生物膜 上普遍存在的多次跨膜的蛋
白质分子,每种载体蛋白能与特定的溶质

载体:离子载体和通道蛋白两种类型。如葡萄 糖转运蛋白。
孔蛋白:选择性很低,能通过较大的分子,如线
粒体外膜上的孔蛋可允许相对分子质量为
5×103的分子通过。
水孔蛋白:水分子的跨膜通道 1). 水扩散通过人工膜的速率很低,人们推测膜 上有水通道。
2). 1991年彼得· 阿格雷发现第一个水通道蛋白
溶于双脂层。
2、多数是细菌产生的抗生素,它能够通过
提高靶细胞膜通透性,使得靶细胞无法维持
细胞内离子的正常浓度梯度而杀死某些微生 物。
3、离子载体并非是自然状态存在于膜中的运输蛋白。
4、根据改变离子通透性的机制不同,离子载体可分
为两种类型:
1) 通道形成离子载体(channel-forming ionophore) 2) 离子运载离子载体(ion-carrying ionophore),或 称可动离子载体(mobile ion carrier)。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
(二)主动运输(active transport)
特点:运输方向、能量消耗、膜转运蛋白
被动与主动运输的比较
运输方式 运输方向(电 化学梯度) 载体 耗能方式
简单扩散 (被动)
协助扩散 (被动) 主动运输

顺 逆
+(载体蛋白或 通道蛋白) +(载体蛋白)
孔蛋白分布与结构示意图
B、孔蛋白AOP1由4个 亚基组成四聚体
A、豚鼠细胞质膜 C、每个亚基由于对同 上分布的大量水孔 源的跨膜α螺旋(aa’、 蛋白电镜照片 bb’和cc’)组成。
D、亚基三维 结构示意图
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。
离子运载离子载体:Valinomycin(缬氨霉素)
缬氨霉素(valinomycin)是一种由12个氨基 酸组成的环形小肽,是一种脂溶性的抗生素,
通过环的疏水面与脂双层相连,极性内部能精
确地固定K+。它在一侧结合K+,然后向内侧
移动通过脂双层,在另一侧将K+释放到细胞内。
缬氨霉素可使K+的扩散速率提高100 000倍,
CHIP2(28KD ), 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。细胞的这种吸 水膨胀现象会被Hg2+抑制。
3). 2003年彼得· 阿格雷和与离子通道的研究者
罗德里克· 麦金农同获诺贝 尔化学奖。 4). 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)。
4、通过载体介导的主动运输,这种载体主要 是酶,能够催化物质从低浓度区向高浓度区运 输。
跨膜运输的类型
简单扩散和被动运输都是溶质顺电化学梯度进行跨膜
转达运,也都不需要细胞提供能量。不同的是,简单扩 散不需要膜转达运蛋白协助,而被子动运输需要膜转达 运蛋白的协助,主动运输需要细胞提供能量,溶质逆着 电化学梯度进行跨膜转运。此外载体蛋白既能执行被动
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 γ - 氨基丁酸受体。
Three conformation of the acetylcholine receptor

乙酰胆碱( acetylcholine 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α2βγδ的梅花状通道样结构,其中的两个 α 亚单位是同两分子Ach相结合的部位。
Voltage gated K+ channel
K+通道具有三种状
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。
2、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 蛋白发生构象变化, “门”打开。又称离子通
可被短杆菌肽A离子通 道运输的阳离子有: H+>NH4+> K+> Na+>Li+.
关于膜运输蛋白的两个基本结论:
1、膜运输蛋具有选择性;
2、膜运输蛋白通过两种机制进行物质运输:
一是形成水性通道;
二是同被运输的物质结合,以可动的形式穿 膜,即可动载体(mobile carrier)的运输。
二、被动运输与主动运输
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