04 第4章 细胞质膜与跨膜运输2(1)

Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.
通道直径只有0.28nm。(The pore narrows to ~0.28nm diameter, which is only slightly larger than the diameter of a water molecule.) 通道中心最窄处带正电荷(Arg-195, His-180)，有效阻止带 电离子，即使是小, 如H+的通过。
1)载体1：面向肠腔的顶端表 面，由Na+驱动的葡萄糖同向 主动运输，使细胞内有高浓度 葡萄糖。 能使肠上皮细 胞转运葡萄糖 的两种载体类 型
Na+
K+
2)载体蛋白2：基底面，被动 的葡萄糖协助扩散，使葡萄糖 Na+/K+ pump 顺浓度释放到其他组织血液。
参考何书:图 4-27
小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图
The world's most efficient recycling plant
Kindney tubule: the hormone vasopressin(抗利 尿激素)
the collecting ducts of the kidney (肾收集管)
Congenital nephrogenic diabetes insipidus 先天 肾源性多尿症
½ prize to Jens C. Skou, for “the first discovery of an iontransporting enzyme, Na+/K+-ATPase.”
•动物细胞的Na+/K+ 泵( Na+/K+-ATPase)
细胞外
细胞内
每水解一个ATP将细胞内的3个Na+泵出细胞外，同时输入2个 K+维持质膜两侧的离子浓度梯度
“For the discovery of ion channels”
Roderick MacKinnon is Professor of Molecular Neurobiology and Biophysics at The Rockefeller University in New York, USA.
Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA
水孔蛋白分布与结构示意图
CHIP 28 (Channel-forming integral protein)
-only admits H2O and not other molecules or ions
2 主动运输－需要能量(ATP/光能、离子梯度等), 逆浓度梯度 (书P62－65) 离子泵：动物细胞的Na+/K+ 泵( Na+/K+ATPase)，Ca2+泵(Ca2+-ATPase)、质子泵等。 协同转运(co-transport)：载体蛋白ATP间接 提供能量，直接能量来自膜两侧的离子电化学浓 度梯度。 (p65 Figure 4-27） 同向协同运输(symport) 反向in Chemistry 2003
½ of the prize
“For the discovery of water channels”
Peter Agre
Born: 30 January 1949, Northfield, MN, USA
Affiliation at the time of the award:
The Hodgkin-Huxley Model
In water
K+ specificity of the selectivity filter in a K+ channel
The dehydration(去水化) of K+ requires energy, which is precisely balanced by the energy regained by the interaction of K+ with the carbonyl oxygen.
Model of Na+/K+-ATPase in the plasma membrane video
由α，β两种亚基组成。 α亚基为ATPase β亚基为组织特异性的糖蛋白。 α亚基与Na+结合促进ATP水解， α亚基上的Asp（天门冬氨 酸）磷酸化， α亚基构象改变，Na+泵出细胞；同时细胞外 的K+与α亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化， α亚基构象 再度改变使K+泵进细胞。 每个循环消耗一分子ATP，泵出3Na+，泵入2K+
Co-transport: the use of energy stored in an ionic gradient p339
The Na+/glucose cotransporter can use the Na+ gradient across the PM to transport glucose.
Bacteriorhodopsin（细菌 视紫红质）: a light-drive proton pump Cytosol H+(4) Asp96 (3) Light -Retinal (H+) (5)
Asp85(1)
Asp82Glu204/194(2)
H+ into Cytosol
ATP
扩散 需要特定蛋白 吗
•离子通道 (Ion channel)
• Voltage-gated channels （电位门通道 如： Potassium ion channels ） 电位门通道是对细胞内或细胞外特异离子浓度发
生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。
• Ligand- gated channels (配体门通道B/C)表面受体与细胞
4.3 物质的跨质膜运输
跨膜运输的途径：
被动运输 主动运输
(书p60-65)
transmembrane Transport of Ions and Small Molecules (离子和小分子，如生物大分子的单体，氨基酸/核苷酸等)
胞吞和胞吐作用
真核细胞大分子与颗粒性物质(蛋白质、多核苷酸、多糖等)
协助扩散（facilitated diffusion）
载体蛋白(carrier protein)
•动物细胞葡萄糖的 协助扩散, 载体蛋白通过构象 变化将葡萄糖运到 细胞内。大大地提 高了效率
3种不同的载体蛋白(transporter/carrier) (p62 Figure 4-42)
A:被动运输
外的特定物质（配体）结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使“门”打开。
• Stress-activated channel(应力激活通道)
The structure of a eukaryotic , voltagegated K+ channel video
S4高度保守，每隔两个疏水残基即有一个带正电荷 的精氨酸或赖氨酸残基。当膜去极化时（膜外为负， 膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞 外侧面，通道蛋白构象改变，“门”开启，大量K+ 外流，此时相当于K+的自由扩散。K+电位门瞬间 （约几毫秒）开放，然后N端的球形结构，堵塞在 通道中央，通道失活，稍后球体释放，“门”处于 关闭状态。
3 ways of driving active transport
(p63 Figure 4-25) 主动运输的3种动力方式
coupling active transport to ATP –驱动泵 existing ion gradients（协同 运输）
光驱动泵
The Nobel Prize in Chemistry 1997
串讲（中文总结）并讨论
• 2 被动运输（K channel ，glucose_uptake,） • 3 主动运输（ Na_K_pump, bacteriorhodopsin）
溶质是否逆浓 度转运？
协助扩散 是
不
主动运输 是
是
协同转运 是
是
不
不
功能方式
例子
不
O2， CO2， 激素，药物
不
ATP
离子浓度差
同向转运（葡 萄糖，氨基 酸）；逆向转 运体（离子与 蔗糖）
单向转运（葡 离子，小的亲 萄糖，氨基 水分子，脂类 酸）；通道蛋 （ATP泵） 白（离子与水）
课堂练习： 1. 三种类型的载体蛋白（carrier proteins), 比较异同 2. Na+-K+泵的原理？ 3. 比较协助扩散和协同转运的区别
的跨膜运输则通过胞吞、胞吐完成。运输过程中物质包裹在脂 双层形成的囊泡中，又称膜泡运输； 消耗能量，属于主动运输。(第5章介绍)
跨膜运输类型
4.3.1 被动运输-顺浓度梯度
简单扩散：不需要能量、不需要膜上的蛋白质。 脂溶性、气体分子、小的不带电的极性分子 协助扩散：不需要能量，但需要膜蛋白的协助。 大的不带电分子，如葡萄糖。（载体蛋白）; 各种带电的离子，如K+通道、 Na+通道、Ca2+通道等 （离子通道蛋白）
•通道蛋白是在膜上形成 跨膜的亲水通道，使离
子从中通过，不需要与运 输分子结合。
－只参与被动运输
•载体蛋白，需与转运分 子结合，通过一系列构象 变化转运小的水溶性分子 和小的有机分子过膜。 －主动运输&被动运输 transporter