小分子物质的跨膜运输细胞生物学.pptx
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1、如果膜是单纯的脂双层可以经膜运输的只是很少几种物质,这些物质的性质是?-疏水疏水,-,-极性极性/不带电不带电合成的合成的脂双层脂双层第1页/共94页膜两侧奇特的离子分布钾离子浓度:钾离子浓度:膜内比膜外膜内比膜外高高1020倍倍!第2页/共94页生物膜能选择性地允许多种物质通过葡萄糖:有机体的食物(人小肠腔)细胞的能量来源、多糖的原料氨基酸:有机体的食物(人小肠腔)细胞的能量来源、蛋白质的原料无机离子:有机体的食物(人胃和小肠腔)有什么作用?有什么作用?渗透压、酸碱度、膜的电性质、酶第3页/共94页离子跨膜运输的作用:离子跨膜运输的作用:细胞渗透压的维持 Maintenance of osm
2、olarity第4页/共94页问题:胞内溶质浓度高,如果不控制渗透压平衡,水将进入,结果造成细胞胀破解决方案把离子打出去细胞内外的渗透压由大分子、小分子和离子构成第5页/共94页离子跨膜运输的作用:离子跨膜运输的作用:神经冲动(电信号)的播散Propagation of electric signals第6页/共94页第一节第一节 跨膜运输的原理跨膜运输的原理Principles of membrane transport一、单纯扩散 simple diffusion二、膜蛋白介导的运输 membrane protein-mediated transport第7页/共94页一、单纯扩散 对于单
3、纯脂双层(黑膜)来说,如果不考虑扩散时间,不带电小分子都可以顺其浓度梯度跨越脂双层。实际上可以自由经脂双层扩散的物质只有实际上可以自由经脂双层扩散的物质只有2 2类:类:1 1、疏水(脂溶性)小分子(脂溶性愈小,扩散愈慢)、疏水(脂溶性)小分子(脂溶性愈小,扩散愈慢)氧、苯氧、苯2 2、不带电的极性小分子(质量愈大,扩散愈慢)、不带电的极性小分子(质量愈大,扩散愈慢)乙醇、甘油乙醇、甘油 所以,所以,所以,所以,葡萄糖、氨基酸、无机离子葡萄糖、氨基酸、无机离子葡萄糖、氨基酸、无机离子葡萄糖、氨基酸、无机离子不能通过单纯扩不能通过单纯扩不能通过单纯扩不能通过单纯扩散完成跨膜运输散完成跨膜运输散完
4、成跨膜运输散完成跨膜运输第8页/共94页疏水分子和少量不带电极性小分子可以扩散过脂双层第9页/共94页二、膜蛋白介导的运输 对于生物膜来说,各种极性、带电小分子都可以跨越脂双层。所以,所以,葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机离子都能实现都能实现跨膜运输跨膜运输(顺着或逆着其浓度梯度)。)。)。)。这些运输由膜蛋白介导,这些膜蛋白被称为这些运输由膜蛋白介导,这些膜蛋白被称为膜运输蛋白膜运输蛋白。膜运输蛋白分成2类:1、载体蛋白(carrier protein)2、通道蛋白(channel protein)第10页/共94页载体蛋白载体蛋白通道蛋白通道蛋白carrierc
5、hannel 各种离子各种离子 离子、氨基酸、离子、氨基酸、单糖、核苷酸等单糖、核苷酸等与所运物质结合与所运物质结合,然后然后自身构象改变将物质自身构象改变将物质在膜另一侧释放。在膜另一侧释放。形成跨膜的充水通道形成跨膜的充水通道让所运物质通过。让所运物质通过。运输原理运输原理运输特点运输特点所运物质所运物质主动或被动运输,与主动或被动运输,与所运物质互相作用较强,所运物质互相作用较强,运输速度较慢运输速度较慢被动运输,与被动运输,与所运物质互相作用较弱,所运物质互相作用较弱,运输速度较快运输速度较快第11页/共94页分布于各种膜上的运输蛋白分布于各种膜上的运输蛋白第12页/共94页水孔蛋白水
6、孔蛋白第13页/共94页血管加压素血管加压素第14页/共94页第15页/共94页什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能?什么样的膜蛋白能执行运输蛋白的功能?12 3 4 5 6 7多次跨膜蛋白第16页/共94页螺旋螺旋真核细胞和细菌的跨膜蛋白主要是螺旋结构 疏水脂双层筒筒限于线粒体和叶绿体外膜的跨膜蛋白第17页/共94页主动运输和被动运输Active transport&passive transport1、被动运输 不需能量,易化扩散 所有通道蛋白和一部分载体蛋白 帮助所运物质顺其电化学梯度跨越过膜下坡2、主动运输 需消耗能量 载体蛋白 将所运物质逆其电化学梯度泵运过膜上坡第18页/共94页主动
7、运输和被动运输第19页/共94页电化学梯度和运输方向1、被动运输 所运物质若不带电,顺其化学梯度 所运物质若带电,顺其电化学梯度2、主动运输 逆着所运物质的电化学梯度Electricochemical gradient第20页/共94页电化学梯度和运输方向第21页/共94页第二节第二节 载体蛋白介导的运输载体蛋白介导的运输一、原理和特点二、偶联载体三、ATP 驱动泵四、运输蛋白超级家族(略)第22页/共94页一、载体介导运输的原理和特点原理(机制):载体蛋白经历了一次构象变化,先后交替地把所运物质与之结合的位点暴露于膜的两侧,从而完成运输。第23页/共94页一、载体介导运输的原理和特点第24页
8、/共94页一、载体介导运输的原理和特点特点:1.与酶-底物反应类似 特异性结合位点 特征性结合常数2.运输方式 单一运输 偶联运输 同向运输反向运输第25页/共94页载体介导运输的方式单一运输同向运输反向运输偶联运输第26页/共94页载体介导的被动运输第27页/共94页葡萄糖的单一运输蛋白葡萄糖的单一运输蛋白被动运输-葡萄糖载体第28页/共94页血糖浓度升高后脂肪细胞反应血糖浓度升高后脂肪细胞反应-更多的葡萄糖载体进行被动运输,将糖摄入第29页/共94页载体介导的主动运输能量来源 sources of energy:1.离子梯度驱动力 通过偶联运输使一种物质的下坡带动另一种物质的上坡偶联载体偶
9、联载体偶联载体偶联载体2.2.ATP驱动泵 ATP水解提供能量3.3.光驱动泵 光提供能量(细菌)第30页/共94页载体介导的主动运输偶联载体偶联载体ATPATP驱动泵驱动泵光驱动泵光驱动泵第31页/共94页二、偶联载体 coupled carrier1.Na+驱动的同向运输载体2.H+驱动的同向运输载体(略)3.Na+驱动的反向运输载体(略)4.载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能第32页/共94页Na+驱动的同向运输载体 与 糖摄入Na+-driven symporter and glucose uptake胞质侧胞质侧构象A:结合位点向胞外侧开放,葡萄糖和Na+结合于各自位点.Na+
10、顺其电化学梯度糖逆其电化学梯度构象B:载体经历构象变化,结合位点向胞质侧开放,葡萄糖和Na+离开各自位点,由此两者被运入细胞.糖经历主动运输,能量来自Na+梯度.第33页/共94页小肠上皮细胞顶面小肠上皮细胞顶面Na+驱动的同向葡萄糖运输载体肠腔 上皮下组织间隙偶联载体偶联载体第34页/共94页小肠上皮细胞底侧面小肠上皮细胞底侧面不依赖Na+的葡萄糖运输载体肠腔 上皮下组织间隙主动运输蛋白主动运输蛋白(偶联载体偶联载体)被动运输蛋白被动运输蛋白第35页/共94页小肠上皮细胞小肠上皮细胞载体蛋白的不对称分布与上皮细胞的吸收功能主动运输主动运输,逆糖梯度逆糖梯度被动运输被动运输,顺糖梯度顺糖梯度肠
11、腔组织间液第36页/共94页三、ATP驱动泵 ATP-driven pump1.Na+-K+泵2.Ca 2+泵3.H+泵第37页/共94页 许多载体蛋白依赖Na+离子梯度驱动力完成主动运输,那么Na+离子梯度 又是如何建立起来并得到维持的呢?Na+离子不停地进入细胞,怎样把它们送回细胞 外呢?第38页/共94页Na+-K+泵 Na+-K+pump存在于几乎所有动物细胞膜上,利用ATP水解供应能量,建立和维持Na+梯度。又称Na+-K+ATP酶(Na+-K+ATPase)NaNa+我是大力士我是大力士K K+泵泵细胞能量1/32/3耗费于此!问题:为什么为什么Na+-K+泵泵 又叫又叫 Na+-
12、K+ATP酶酶第39页/共94页Na+-K+泵 组成和作用Composition and effect3个Na+出细胞2个K+入细胞逆电化学梯度运输!第40页/共94页Na+-K+泵 组成和作用组成:一个大的多次跨膜蛋白,为催化亚基,自身是ATP酶,能将ATP水解成ADP 一个小的糖蛋白(功能未明)催化亚基的胞质面有Na+和ATP结合位点,外表面有K+或乌本苷结合位点 整个分子能可逆地磷酸化和去磷酸化作用:每水解1分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+第41页/共94页Na+-K+泵 作用机制胞外侧胞质侧第42页/共94页Na+-K+泵 作用机制1.Na+结合至催化亚基2.ATP水解成ADP
13、,催化亚基被磷酸化3.催化亚基构象变化,Na+被运出细胞4.K+结合至催化亚基5.催化亚基去磷酸化6.催化亚基构象恢复,K+被运入细胞第43页/共94页箭毒杀人-对ATP酶的抑制偶联对排钠摄钾的抑制,细胞胀破ATP酶能将ATP水解成ADP乌本苷是一种箭毒苷,是ATP酶抑制剂 在催化亚基的胞外面有结合位点,与K+竞争性结合至催化亚基。乌本苷的ATP酶抑制作用发生在依赖K+的去磷酸化步骤。排钠摄钾运输与排钠摄钾运输与ATP水解紧密偶联 Na+-K+泵 又叫又叫 Na+-K+ATP酶酶第44页/共94页Na+-K+泵 作用的直接效应 建立和维持 细胞外高钠、细胞内高钾 的特殊离子梯度第45页/共94
14、页Na+-K+泵 作用的间接效应通过维持Na+梯度1.维持渗透压平衡,调节细胞容积 细胞外离子的数量2.保证一些物质的主动运输所需能量 把进入细胞的Na+送回细胞外。3.参与形成内负外正的膜电位 3个Na+出、2个K+入 (什么是 膜电位膜电位membrane potential)go第46页/共94页问题:胞内溶质浓度高,如果不控制渗透压平衡,水将进入,结果造成细胞胀破动物细胞解决方案:把离子打出去第47页/共94页用乌本苷处理,细胞很快肿胀破裂乌本苷back第48页/共94页小肠上皮细胞底侧面小肠上皮细胞底侧面Na+-K+泵的作用肠腔 上皮下组织间隙主动运输蛋白主动运输蛋白(偶联载体偶联载
15、体)被动运输蛋白被动运输蛋白back第49页/共94页名词:P型运输ATP酶 P transport ATPase泵的两种状态分别以磷酸基团的存在与缺如为标志,这类离子泵叫作P型运输ATP酶。(P指phosphorylation,磷酸化)包括1.Na+-K+泵2.Ca 2+泵3.一部分H+泵第50页/共94页P型运输ATP酶从一种Ca 2+泵的最新研究获知 P型运输型运输ATP酶共有相似结构酶共有相似结构:1.含10个跨膜螺旋,其中3个排成中央通道。2.在非磷酸化状态形成面向一侧的离子结合位点,ATP也在该侧结合,导致相邻结构域磷酸化,磷酸 化后的构象打破原有结合位点状态,使离子面向另 一侧被
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