04 第4章 细胞质膜与跨膜运输2(1)

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
AQP5: 存在于多 处分泌腺，如泪腺、 唾液腺、呼吸道的 粘液下腺。 AQP3,7 and 9:
aquaglyceropor ins, 水和甘油 都可通过。 AQP3:肾脏、呼吸道、 皮肤、眼睛
脂肪细胞 肝脏细胞
The Nobel Prize in Chemistry 2003
½ of the prize
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
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)
“For the discovery of ion channels”
Roderick MacKinnon is Professor of Molecular Neurobiology and Biophysics at The Rockefeller University in New York, USA.
Na+/K+-ATPase － establish a concentration gradients with Na+ low inside the cell and high outside, and K+ high inside the cell and low outside. 一般动物细胞要消耗1/3 的总ATP来维持细胞 内低Na+高K+的离子 环境，神经细胞则要消 耗2/3的总ATP。
A model of the E2 conformation of the protein based on a recent X-ray crystallographic study. The two rubidium(铷) ions are located where the potassium ions would normally be bound.
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
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
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）
•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
Ball and chain Inactivation model
Current flow through individual ion channels can be measured by patch-clamp technique(膜片钳技术).
1963 Nobel生理医学奖
Measuring ion channel conductance by patch-clamp recording
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.
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
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。
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
The Nobel Prize 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:
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。
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) 反向协同运输(antiport)
B/C源自文库 主动运输
Carrier proteins: •Uniport(单向转运体） 单一方向转运一种物质 •Symport(同向转运体） 同一方向转运两种物质 • antiport (逆向转运体） 一种物质顺其梯度跨膜转运的同时，将 另一种物质逆方向逆梯度跨膜转运到膜 的另一侧。
Video carrier proteins
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.
•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
三种通道蛋白 孔通道 水通道 离子通道
Water movement across biological membranes occurs through both the lipid bilayer and the pores formed by water channels.
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
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）
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+
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.
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