第四章物质的跨膜运输优秀PPT.ppt
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1、第四章物质的跨膜运输第一页,本课件共有58页l据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核核基基因因编编码码蛋蛋白白的的1530%,细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的总消耗能量的2/3。l物质通过细胞膜转运的三种途径:被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用第二页,本课件共有58页l一、被动运输一、被动运输l通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运,不需要能量。浓度方向的跨膜转运,不需要能量。l(一)简单扩散(一)简单扩散l也叫自由扩散(也叫自由扩散(free diffusion)特点:)特点:沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散;沿浓度梯
2、度(或电化学梯度)扩散;不需要提供能量;不需要提供能量;没有膜蛋白的协助。没有膜蛋白的协助。通透性大小取决于分子大小和分子极性。通透性大小取决于分子大小和分子极性。第三页,本课件共有58页第四页,本课件共有58页l(二)、协助扩散(二)、协助扩散l也称促进扩散(也称促进扩散(facilitated diffusion)l、特点:、特点:l 比自由扩散转运速率高;比自由扩散转运速率高;l 运输速率同物质浓度成非线性关系;运输速率同物质浓度成非线性关系;l 特异性;饱和性。特异性;饱和性。l载体:载体蛋白和通道蛋白两种类型。载体:载体蛋白和通道蛋白两种类型。第五页,本课件共有58页葡葡葡葡萄萄萄萄
3、糖糖糖糖分分分分子子子子的的的的简简简简单单单单扩扩扩扩散散散散与与与与协协协协助助助助扩扩扩扩散散散散第六页,本课件共有58页葡葡萄萄糖糖协协助助扩扩散散的的机机制制第七页,本课件共有58页、膜转运蛋白:、膜转运蛋白:载体蛋白:通透酶性质;介导介导被动运输被动运输与主动运输与主动运输。特点:与特定的溶质分子结合,通过一系列构构象改变象改变介导溶质的跨膜转运;有特异性结合位点;转运过程类似于酶与底物作用的饱和动力曲线。第八页,本课件共有58页()载体蛋白及其功能()载体蛋白及其功能 载体蛋白是各种生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子,载体蛋白是各种生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子,载体能与特定
4、的溶质分子结合,通过一系列构象的改变来介载体能与特定的溶质分子结合,通过一系列构象的改变来介导物质的跨膜转运。在导物质的跨膜转运。在E.coliE.coli已经鉴定的基因中,大约已经鉴定的基因中,大约20%20%的基因与编码膜转运蛋白相关。的基因与编码膜转运蛋白相关。在人的胱氨酸尿遗传病患者中发现,这种病人的肾细在人的胱氨酸尿遗传病患者中发现,这种病人的肾细胞和肠细胞不能将胱氨酸和半胱氨酸运入血液,导致其在胞和肠细胞不能将胱氨酸和半胱氨酸运入血液,导致其在尿中积累并在肾脏中形成胱氨酸结石。胱氨酸结石占所有尿中积累并在肾脏中形成胱氨酸结石。胱氨酸结石占所有肾结石的肾结石的1%1%3%3%。虽然胱
5、氨酸结石病人比较罕见,但因对。虽然胱氨酸结石病人比较罕见,但因对于遗传性缺陷尚无根治办法,故所有的治疗基本是对症的。于遗传性缺陷尚无根治办法,故所有的治疗基本是对症的。胱氨酸结石术后极易复发、体外冲击波碎石术双常不能将胱氨酸结石术后极易复发、体外冲击波碎石术双常不能将其粉碎、经皮肾镜取石术后残余结石率较高,通过化学药其粉碎、经皮肾镜取石术后残余结石率较高,通过化学药物溶解胱氨酸结石,大大提高了治愈率。物溶解胱氨酸结石,大大提高了治愈率。第九页,本课件共有58页 载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶,所以又载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶,所以又被称为通透酶,可同特异的底物相结合,一种特异被称为通透
6、酶,可同特异的底物相结合,一种特异性载体只能转运一种类型的分子和离子,载体蛋白性载体只能转运一种类型的分子和离子,载体蛋白可被底物类似物竞争性地抑制,又可被痕量的某种可被底物类似物竞争性地抑制,又可被痕量的某种抑制剂非竞争性抑制和对抑制剂非竞争性抑制和对pHpH的依赖性。的依赖性。第十页,本课件共有58页(2)、通道蛋白及其功能)、通道蛋白及其功能 通道蛋白不需要与溶质分子结合,横跨膜通道蛋白不需要与溶质分子结合,横跨膜形成亲水通道,允许适宜大的分子和带电荷形成亲水通道,允许适宜大的分子和带电荷的离子通过。绝大多数的通道蛋白形成有选的离子通过。绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道,
7、因为这些离子几择性开关的多次跨膜通道,因为这些离子几乎都与离子的转运有关,所以又称为离子通乎都与离子的转运有关,所以又称为离子通道。道。第十一页,本课件共有58页通道蛋白:具有离子选择性,转运速 率高;离子通道是门控的;只介导被动运输介导被动运输。特点:特点:蛋白不与溶质分子结合,形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过;有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态,如钾泄漏通道,允许钾离子不断外流;有些通道蛋白具有选择性和门控性平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,又称为门通道(gated channel)。主要有:电压门通道、配体门通道、机械门通道。第十二页,本课件共有58页 多数情况下,离子通道呈
8、关闭状态下,只有在膜电位多数情况下,离子通道呈关闭状态下,只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后,才开启形成跨膜的离子通变化、化学信号或压力刺激后,才开启形成跨膜的离子通道。因此,离子通道又分为电压门通道、配体门通道和压道。因此,离子通道又分为电压门通道、配体门通道和压力激活通道。力激活通道。第十三页,本课件共有58页第十四页,本课件共有58页Ion Channels-or-or-第十五页,本课件共有58页1、配体门通道(ligand gated channel)l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。又称离子通道型受体离子通道型受体。l可分为阳阳离离子子通通道
9、道,如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体,和阴离子通道离子通道,如甘氨酸和氨基丁酸受体。lAch受受体体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质,形成一个结构为2的梅花状通道样结构,其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。第十六页,本课件共有58页Nicotinic acetylcholine receptor第十七页,本课件共有58页Three conformation of the acetylcholine receptor第十八页,本课件共有58页2、电压门通道、电压门通道(voltage gated channel)l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,
10、“门”打开。lK+电位门有四个亚单位,每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6),N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠(P区或H5区),构成通道的内衬,大小可允许K+通过。lK+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。lNa+、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。第十九页,本课件共有58页Voltage gated K+channel 第二十页,本课件共有58页Ion-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时,可使肌细胞膜中的电
11、位门Na+通道和K+通道相继激活,出现动作电位;引起肌质网 Ca2+通道打开,Ca2+进入细胞质,引发肌肉收缩。第二十一页,本课件共有58页、压力激活通道、压力激活通道l感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号,引起细胞反应的过程称为机刺激的信号转化为电化学信号,引起细胞反应的过程称为机械信号转导(械信号转导(mechanotransduction)。)。l目前比较明确的有两类机械门通道,其一是牵拉活化或失目前比较明确的有两类机械门通道,其一是牵拉活化或失活的离子通道,另一类是剪切力敏感的离子通道,前者几
12、活的离子通道,另一类是剪切力敏感的离子通道,前者几乎存在于所有的细胞膜(如:血管内皮细胞、心肌细胞、乎存在于所有的细胞膜(如:血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞),后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。内耳毛细胞),后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。l牵拉敏感的离子通道的特点:对离子的无选择性、无方向牵拉敏感的离子通道的特点:对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为性、非线性以及无潜伏期。为2价或价或1价的阳离子通道,有价的阳离子通道,有Na+、K+、Ca2+,以,以Ca2+为主。为主。第二十二页,本课件共有58页、水通道、水通道l水扩散通过人工膜的速率很低,人们推测膜上有水通道。l1991
13、年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28(28 KD),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。l2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。l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)。第二十三页,本课件共有58页20032003年,美国科学家彼得年,美国科学家彼得 阿格雷和罗德里克阿格雷和罗德里克 麦金农,分别因对细麦金农,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。胞膜水通道,离子通道结构和
14、机理研究而获诺贝尔化学奖。Peter AgreRoderick MacKinnon 第二十四页,本课件共有58页二、主动运输l主动运输的特点是:主动运输的特点是:逆浓度梯度(逆化学梯度)运输;逆浓度梯度(逆化学梯度)运输;需要能量;需要能量;都有载体蛋白。都有载体蛋白。l主动运输所需的能量来源主要有:主动运输所需的能量来源主要有:协同运输中的离子梯度动力;协同运输中的离子梯度动力;ATP驱动的泵通过水解驱动的泵通过水解ATP获得能量;获得能量;光驱动的泵利用光能运输物质,见于细菌。光驱动的泵利用光能运输物质,见于细菌。第二十五页,本课件共有58页第二十六页,本课件共有58页(一)、(一)、钠钾
15、泵钠钾泵l构构成成:由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体,实际上就是Na+-K+ATP酶酶,分布于动物细胞的质膜。l工作原理工作原理:lNa+-K+ATP酶酶通通过过磷磷酸酸化化和和去去磷磷酸酸化化过过程程发发生生构构象象的的变变化化,导导致致与与Na+、K+的的亲亲和和力力发发生生变变化化。在膜内侧Na+与酶结合,激活ATP酶活性,使ATP分解,酶被磷酸化,构象发生变化,于是与Na+结合的部位转向膜外侧;这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低,对K+的亲和力高,因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化,酶的构象恢复原状,于是与K+结合的部位转向膜内侧,K+与酶的亲和
16、力降低,使K+在膜内被释放,而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP;转运出三个Na+,转进两个K+。(视频)第二十七页,本课件共有58页第二十八页,本课件共有58页Na+-K+ATP PUMP第二十九页,本课件共有58页lNa+-K+泵的作用:泵的作用:l维持细胞的渗透性,保持细胞的体积;维持细胞的渗透性,保持细胞的体积;l维持低维持低Na+高高K+的细胞内环境;的细胞内环境;l维持细胞的静息电位。维持细胞的静息电位。l地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性;地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性;Mg2+和和少量膜脂有助提高于其活性。少量膜脂有助提高于其活性。第三十页,本课件共有58页(二
17、)、钙离子泵(二)、钙离子泵l作作用用:维维持持细细胞胞内内较较低低的的钙钙离离子子浓浓度度(细细胞胞内内钙钙离离子子浓浓度度10-7M,细胞外,细胞外10-3M)。)。l位置位置:质膜质膜和内质网膜内质网膜。l类型类型:P型型离离子子泵泵,其其原原理理与与钠钠钾钾泵泵相相似似,每每分分解解一一个个ATP分分子子,泵泵出出2个个Ca2+。位位于于肌肌质质网网上上的的钙钙离离子子泵泵占占肌肌质质网网膜膜蛋蛋白白质的质的80%。钠钠钙钙交交换换器器(Na+-Ca2+exchanger),属属于于反反向向协协同同运运输输体体系,通过钠钙交换来转运钙离子。系,通过钠钙交换来转运钙离子。第三十一页,本课
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