第五章物质的跨膜PPT讲稿.ppt
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1、第五章物质的跨膜第1页,共103页,编辑于2022年,星期三据据估估计计细细胞胞膜膜上上与与物物质质转转运运有有关关的的蛋蛋白白占占核核基基因因编编码码蛋蛋白白 1530%,细细胞胞用用在在物物质质转转运运方方面面的的能能量量达达细细胞胞总总消消耗耗能能量量的的 2/3。细胞膜上两类主要的转运蛋白:载体蛋白和通道蛋白。细胞膜上两类主要的转运蛋白:载体蛋白和通道蛋白。载载体体蛋蛋白白又又称称做做载载体体、通通透透酶酶和和转转运运器器,有有的的需需要要能能量量驱驱动动,如如:各各类类 ATP 驱驱动动的的离离子子泵泵;有有的的则则不不需需要要能能量量,如:缬氨霉素。如:缬氨霉素。通通道道蛋蛋白白能
2、能形形成成亲亲水水的的通通道道,允允许许特特定定的的溶溶质质通通过过,所所有有通通道道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。2第2页,共103页,编辑于2022年,星期三3第3页,共103页,编辑于2022年,星期三第一节第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输膜运输一、脂双层的不透性与膜转运蛋白一、脂双层的不透性与膜转运蛋白二、小分子物质的跨膜运输类型二、小分子物质的跨膜运输类型第4页,共103页,编辑于2022年,星期三一、脂双层的不透性与膜转运蛋白一、脂双层的不透性与膜转运蛋白(一)、脂双层的不通透性脂双层的不通透性(二)、载体蛋白及其
3、功能(三)、通道蛋白及其功能第5页,共103页,编辑于2022年,星期三6(一)脂双层的不同透性脂双层的不同透性组分组分细胞内浓度细胞内浓度/(mmolL-1)细胞外浓度细胞外浓度/(mmolL-1)阳离子阳离子Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+7x10-84x10-8氯离子氯离子Cl-5-15110固定的阴离子固定的阴离子高高0第6页,共103页,编辑于2022年,星期三典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较细胞内最丰富的阳离子是K+,细胞外最丰富的阳离子是Na+。离子浓度差异分布由脂双层的疏水特征和膜转运蛋白的活性来调控。膜转运蛋白(membrane
4、transportprotein)即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质,包括载体蛋白(transporter,carrierprotein)和通道蛋白(channelprotein)两类。第7页,共103页,编辑于2022年,星期三(二)、载体蛋白及其功能载体蛋白(carrierproteintransporter):存在于细胞膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质,与特异的溶质结合,通过自身构象的改变介导物质跨膜转运。不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。作用:介导顺/逆浓度或电化学梯度的运输载体蛋白既可介导被动运输,又可介导主动运输。第8页,共103页,编辑于2022年,星期三载体蛋白通
5、过构象改变介导溶质(葡萄糖)被动运输的模型第9页,共103页,编辑于2022年,星期三载体蛋白的举例第10页,共103页,编辑于2022年,星期三(二)、通道蛋白及其功能通道蛋白(channelprotein):存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质,通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运,其所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。通道蛋白包括3种类型:离子通道(ionchannel)、孔蛋白(porin)和水孔蛋白(AQP)。通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。第11页,共103页,编辑于2022年,星期三12通道蛋白的特点和分类通道蛋白的特点和分类特点特点分类分类第12页,共103页,编
6、辑于2022年,星期三131.特点特点具有极高的转运速率具有极高的转运速率没有饱和值没有饱和值并非连续性开放,而是门控的并非连续性开放,而是门控的第13页,共103页,编辑于2022年,星期三142.分类分类离子通道离子通道孔蛋白孔蛋白水孔蛋白水孔蛋白/水通道水通道第14页,共103页,编辑于2022年,星期三1)离子通道离子通道配体门通道配体门通道电位门通道电位门通道应力激活通道应力激活通道第15页,共103页,编辑于2022年,星期三3种类型的离子通道示意图A:电压门通道B、C:配体门通道D:应力激活通道第16页,共103页,编辑于2022年,星期三17I.配体配体门门通道通道特特点点:受
7、受体体与与细细胞胞外外的的配配体体结结合合,引引起起通通道道构构象象改改变变,“门门”打开,又称离子通道型受体打开,又称离子通道型受体分分类类:阳阳离离子子通通道道,如如乙乙酰酰胆胆碱碱受受体体;由由 4 种种亚亚单单位位(2)组组成,成,亚单亚单位是同两分子位是同两分子 Ach 相相结结合的部位。合的部位。阴离子通道,如阴离子通道,如-氨基丁酸受体。氨基丁酸受体。第17页,共103页,编辑于2022年,星期三18Nicotinicacetylcholinereceptor第18页,共103页,编辑于2022年,星期三19Three conformation of the acetylchol
8、ine receptor第19页,共103页,编辑于2022年,星期三20II.电位门通道电位门通道特特点点:细细胞胞内内或或细细胞胞外外特特异异离离子子浓浓度度或或膜膜电电位位变变化化可可引起构象变化,引起构象变化,“门门”打开。打开。电位门结构:四聚体,每个单体跨膜电位门结构:四聚体,每个单体跨膜 6 次。次。Na+、K+、Ca2+电电压压门门通通道道结结构构相相似似,由由同同一一个个远远祖祖基因演化而来。基因演化而来。第20页,共103页,编辑于2022年,星期三21Voltage gated K+channel K+电电位位门门有有四四个个亚亚单单位位,每每个个亚亚基基有有 6 个个跨
9、跨膜膜 螺螺旋旋(S1-S6),N 和和 C 端端均均位位于于胞胞质质面面。连连接接 S5-S6 段段的的发发夹夹样样 折折叠叠(P 区区或或 H5 区区),构构成成通通道道内内衬衬,大大小小允允许许 K+通通过过。目前。目前认为认为 S4 段是段是电压电压感受器感受器第21页,共103页,编辑于2022年,星期三22K+channel 4th subunit not shown第22页,共103页,编辑于2022年,星期三23Ion-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由神经肌肉接点由 Ach 门控通道开放而出现终板电位时,可
10、使肌细胞膜中的电位门门控通道开放而出现终板电位时,可使肌细胞膜中的电位门 Na+通道和通道和 K+通道相继激活,出现动作电位;引起肌质网通道相继激活,出现动作电位;引起肌质网 Ca2+通道打开,通道打开,Ca2+进入细胞质,引发肌肉收缩。进入细胞质,引发肌肉收缩。第23页,共103页,编辑于2022年,星期三24环核苷酸门通道环核苷酸门通道CNG 结结构构与与钠钠电电位位门门通通道道相相似似。细细胞胞内内的的 C 末末端端较长,有环核苷酸的结合位点。较长,有环核苷酸的结合位点。分布于化学和光感受器中。分布于化学和光感受器中。如如气气味味分分子子与与化化学学感感受受器器中中的的 G 蛋蛋白白偶偶
11、联联型型受受体体结结合合,激激活活腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶,产产生生 cAMP,开开启启 cAMP 门门控控阳阳离离子子通通道道,引引起起钠钠离子内流,膜去极化,产生神经冲动,最终形成嗅觉或味觉。离子内流,膜去极化,产生神经冲动,最终形成嗅觉或味觉。第24页,共103页,编辑于2022年,星期三25III.机械门通道机械门通道感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道:目前比较明确的有两类机械门通道:一一类类对对牵牵拉拉敏敏感感,为为 2 价价或或 1 价价的的阳阳离离子子通通道道,有有 Na+、K+、Ca2+,以以 Ca
12、2+为为主主,几几乎乎存存在在于于所所有有的的细细胞胞膜膜。对对离离子子的的无无选选择择性性、无无方方向向性性、非非线线性性以以及及无无潜潜伏伏期。期。另一类对剪切力敏感,仅见于内皮细胞和心肌细胞。另一类对剪切力敏感,仅见于内皮细胞和心肌细胞。第25页,共103页,编辑于2022年,星期三26应力激活通道应力激活通道通通道道的的打打开开受受一一种种力力的的作作用用,听听觉觉毛毛状状细细胞胞的的离子通道就是一个极好的例子。离子通道就是一个极好的例子。声声音音的的振振动动推推开开压压力力门门控控通通道道,允允许许离离子子进进入入毛毛状状细细胞胞,这这样样建建立立起起一一种种电电信信号号,并并且且从
13、毛状细胞传递到听觉神经,然后传递到脑。从毛状细胞传递到听觉神经,然后传递到脑。第26页,共103页,编辑于2022年,星期三27听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理听觉神经细胞耳蜗覆膜听毛细胞支持细胞硬纤毛通道关闭正电子进入捆在一起不倾斜基膜内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置,听毛弯内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置,听毛弯曲时,毛细胞会出现暂短的感受器电位。曲时,毛细胞会出现暂短的感受器电位。第27页,共103页,编辑于2022年,星期三2)孔蛋白孔蛋白是存在于细菌质膜的外膜、线线粒粒体体和叶叶绿绿体体的外膜上的通道蛋白,它们允许较大的分子通过,其中线线粒粒体体孔蛋白
14、可通过的最大分子为6000道道尔尔顿顿,而叶叶绿绿体体 的孔蛋白则可通过相相对对分分子子质质量量在10,000到13,000之间的物质。孔蛋白是膜整合蛋白,它的膜脂结合区与其他的跨膜蛋白不同,不是螺旋,而是折叠。膜孔蛋白就是细胞膜上的孔蛋白。第28页,共103页,编辑于2022年,星期三293)水通道)水通道1991 年年 Agre 发发现现第第一一个个水水通通道道蛋蛋白白 CHIP28(28 KD),CHIP 28 的的 mRNA 能能引引起起非非洲洲爪爪蟾蟾卵卵母母细细胞胞吸吸水水破破裂裂,已已知这种吸水膨胀现象会被知这种吸水膨胀现象会被 Hg2+抑制。抑制。目目前前在在人人类类细细胞胞中
15、中已已发发现现至至少少 11 种种此此类类蛋蛋白白,被被命命名名为水通道蛋白(为水通道蛋白(Aquaporin,AQP)。)。第29页,共103页,编辑于2022年,星期三水孔蛋白(AQP1)分布与结构示意图A:豚鼠质膜电镜照片B:水孔蛋白(AQP1)C:水孔蛋白一个亚基(由3对同源的跨膜螺旋组成)D:一个亚基三维结构的示意图第30页,共103页,编辑于2022年,星期三部分水孔蛋白举例(表5-3)第31页,共103页,编辑于2022年,星期三322003年年,美美国国科科学学家家彼彼得得阿阿格格雷雷和和罗罗德德里里克克麦麦金金农农,分分别别因因对对细细胞胞膜膜水水通通道道,离离子子通通道道结
16、结构构和和机机理理研研究究而而获获诺诺贝贝尔尔化化学学奖。奖。Peter AgreRoderick MacKinnon第32页,共103页,编辑于2022年,星期三二、小分子物质的跨膜运输类型二、小分子物质的跨膜运输类型(一)、被动运输(passivetransport)(二)、主动运输(activetransport)第33页,共103页,编辑于2022年,星期三跨膜运输类型第34页,共103页,编辑于2022年,星期三(一)、被动运输简单扩散易化扩散第35页,共103页,编辑于2022年,星期三1.简单扩散简单扩散(simplediffusion):小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯
17、度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞,既不需要细胞供能,也不需要膜转运蛋白的协助。电化学梯度(electrochemicalgradient):离子的电荷和浓度的总差异,决定物质在两个区域之间的运动扩散能力。不同性质的小分子物质跨膜运动的速率差异极大。第36页,共103页,编辑于2022年,星期三37简单扩散特点简单扩散特点也叫自由扩散(也叫自由扩散(free diffusion):):沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散;沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散;不需要提供能量;不需要提供能量;没有膜蛋白协助。没有膜蛋白协助。通通透透性性 P=KD/d,K 为为分分配配系系数数,D 为为扩扩散散系系数数,d
18、为为膜膜的的厚度。厚度。第37页,共103页,编辑于2022年,星期三不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层第38页,共103页,编辑于2022年,星期三39人工膜对各类物质的通透率人工膜对各类物质的通透率脂溶性越高通透性越大;脂溶性越高通透性越大;小分子比大分子易透过;小分子比大分子易透过;非极性分子比极性容易透过;非极性分子比极性容易透过;极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层;人工膜对带电荷的物质,如离子是高度不通透的。人工膜对带电荷的物质,如离子是高度不通透的。第39页,共103页,编辑于2022年,星期三2.易化扩散/协助扩散/促进扩散易化扩散(
19、passivetransport):是是指指非非脂脂溶溶性性物物质质或或亲亲水水性性物物质质,如如氨氨基基酸酸、糖糖和和金金属属离离子子等等在膜转运蛋白(通道蛋白或载体蛋白)的协助下,物质从高电化学势或高浓度一侧向低电化学势或低浓度一侧的跨膜运输形式,又称协助扩散(facilitateddiffusion)。不需要消耗能量,并且也是从高浓度向低浓度进行。不需要消耗能量,并且也是从高浓度向低浓度进行。第40页,共103页,编辑于2022年,星期三41特点特点转运速率高;转运速率高;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;特异性;特异性;饱和性。饱和性。载体:离子载体、通道
20、蛋白。载体:离子载体、通道蛋白。第41页,共103页,编辑于2022年,星期三42第42页,共103页,编辑于2022年,星期三(三)、主动运输主动运输(activetransport)的概念主动运输分类第43页,共103页,编辑于2022年,星期三1.主动运输的概念主动运输(activetransport):由载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的方式。是一种需要消耗能量的物质跨膜运输过程。第44页,共103页,编辑于2022年,星期三45主动运输的特点主动运输的特点逆浓度梯度(逆化学梯度)运输;逆浓度梯度(逆化学梯度)运输;需需要要能能量量(由由 ATP ATP 直直接
21、接供供能能)或或与与释释放放能能量量的的过过程程偶偶联联(协同运输);(协同运输);都有载体蛋白。都有载体蛋白。第45页,共103页,编辑于2022年,星期三2.主动运输的分类ATP驱动泵(ATP-drivenpump)协同转运蛋白(cotransporter)光驱动泵(light-drivenpump)第46页,共103页,编辑于2022年,星期三主动运输3种类型第47页,共103页,编辑于2022年,星期三1)ATP驱动泵能直接把ATP水解(ATPase)并利用该能量介导离子或小分子物质逆电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的载体蛋白(泵)。第48页,共103页,编辑于2022年,星期三协同转
22、运蛋白介导两种物质协同(偶联)跨膜运输的两类跨膜转运蛋白,是一种间接消耗ATP的主动运输过程。一般前一种跨膜转运蛋白负责逆梯度跨膜运输一种物质,后一种跨膜转运蛋白则负责顺梯度跨膜运输另一种物质,两者偶联起来进行。两种物质运输方向相同者称为同向协同转运蛋白(symporter),相反者则称为反向协同转运蛋白(antiporter)。第49页,共103页,编辑于2022年,星期三50l同向协同(同向协同(symport)如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着 Na+的进入;的进入;某些细菌对乳糖的吸收伴随着某些细菌对乳糖的吸收伴随着 H+的进入。的进入。l反向协同(反向协同(
23、antiport)如如 Na+驱驱动动的的 Cl-HCO3-交交换换,即即 Na+与与 HCO3-的的进进入入伴伴随随着着 Cl-和和 H+的的外外流流,如如存存在在于于红红细细胞胞膜膜上上的的带带 3 蛋白。蛋白。第50页,共103页,编辑于2022年,星期三3)光驱动泵对物质的主动运输与光能的吸收相偶联(如菌紫红质)。第51页,共103页,编辑于2022年,星期三52Glucose is absorbed bysymport第52页,共103页,编辑于2022年,星期三第二节第二节 ATP 驱动泵与主动运输驱动泵与主动运输一、一、P 型泵型泵二、二、V 型质子泵和型质子泵和 F 型质子泵型
24、质子泵三、三、ABC 超家族超家族四、离子跨膜转运与膜电位四、离子跨膜转运与膜电位第53页,共103页,编辑于2022年,星期三4种类型的ATP驱动泵前3种转运离子,后一种转运小分子。第54页,共103页,编辑于2022年,星期三55Four types of ATP-powered pumps第55页,共103页,编辑于2022年,星期三一、一、P 型泵型泵P型泵(P-typepump):所有P型泵都有2个独立的催化亚基,具有ATP结合位点;绝大多数还具有2个起调节作用的小的亚基。由于这类转运泵水解ATP使自身形成磷酸化(phosphorylation)的中间体,因此称为P型泵。大多数P型泵
25、都是离子泵。(一)Na+-K+泵(Na+-K+pump)(二)Ca2+泵(Ca2+pump)和P型H+泵(P-typeH+pump)第56页,共103页,编辑于2022年,星期三(一)、Na+-K+泵Na+-K+泵(Na+-K+pump):又称Na+-K+ATPase,能水解ATP,使亚基磷酸化或去磷酸化,将3个Na+泵出细胞,而将2个K+泵入细胞的膜转运载体蛋白。1.Na+-K+泵结构与转运机制2.Na+-K+泵主要生理功能第57页,共103页,编辑于2022年,星期三58由由 2 个个大大亚亚基基、2 个个小小亚亚基基组组成成的的 4 聚聚体体。Na+-K+ATP 酶酶通通过过磷磷酸酸化化
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- 第五 物质 PPT 讲稿
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