生物膜的功能

第2章 生物膜与物质运输,本章主要内容,被动运输与主动运输小分子物质的运输生物大分子的跨膜运输生物膜运输的分子机制,本章要求,了解被动运输与主动运输；掌握Na+-K+泵的特点及工作原理，了解其在生命活动中的作用；掌握钙离子泵的特点及工作原理；熟悉生物大分子的跨膜运输类型，了解跨膜运送的分子机制 。,生物膜（biomembranes） 是包括细胞质膜在内的细胞中全部膜结构的统称。,A 细胞膜B 腔膜C 线粒体膜D 消化泡（次级溶酶体）E 内质网膜F 分泌泡,流动镶嵌模型,第一节 被动运输与主动运输,细胞膜的运输功能,小分子 转运方式 大分子 转运方式,被动运输 主动运输,胞吞作用 胞吐作用,简单扩散,协助扩散,（一）被动运输,定义 被动运输是指物质顺浓度梯度的 方向，即从膜高浓度的一侧转运 到低浓度一侧的运输过程。 特点 运输速率依赖于浓度差，及被运物质 分子大小、电荷在脂双层中溶解度。 不消耗ATP 方式 简单扩散和协助扩散,简单扩散(simple diffusion)不需要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,而只靠膜两侧保持一定的浓度差,通过扩散发生的物质运输。如O2，CO2等.非脂溶性或脂溶性很小的物质，借助于细胞膜上的运载蛋白或通道蛋白的帮助，顺浓度梯度和（或）顺电位梯度（电位差）通过细胞膜的转运过程，称为协助扩散。Na+，K+，Ca2+和Cl-等。,（二）主动运输 定义 主动运输是物质由低浓度的一侧 跨膜转运到高浓度的一侧，同时 消耗ATP能量的运输方式。 特点 专一性；饱和性；方向性；可被选择性抑制；需提供能量,如：质子泵、钠-钾泵、钙泵等,细胞内外离子浓度差,物质的跨膜转运方式,被动运输和主动运输示意图,（G 0）,第二节小分子物质的运输,一、阳离子运输（例：Na+ . K+ - ATPase）K.whittam及其同事的经典实验 Na+ . K+ - ATPase的结构和作用的机理 二、三类驱动离子的ATP酶三、阴离子运输,单向运输,（同向、反向）,协同运输,基本方式,小分子的跨膜运输大都是通过专一性的运输蛋白的作用实现的。,斯科(Jens C.Skou)，丹麦生物化学家，1918年10月8日生于丹麦莱姆维。由于他发现了Na+K+ATPase，而与博耶和沃克共获1997年诺贝尔化学奖。,一、阳离子运输,1、 Na+-K+泵和 Na+-K+ ATPase,细胞内低Na+高K+，而外部环境中是高Na+低K+。造成上述结果的原因： Na+-K+泵。Na+-K+泵就是一种Na+-K+ ATPase。,ATP+H2O ADP + Pi+ H+,Na+，K+，Mg2+,Skou认为Na+-K+泵就是一种Na+-K+ ATPase 的证据：,ATPase水解ATP需Na+，K+的存在。ATPase活力与其泵运输活力是定量相关的。Na+-K+泵与ATPase都能被乌本苷抑制。红细胞血影实验证实。,K.Whittam的红细胞血影实验,实验设计： 制备红细胞血影（ghost），观察ATP水解情况和膜内外K+，Na+浓度的关系。,实验结果： a红细胞内ATP水解的同时，K+、Na+都按预定方向跨越细胞膜（2K+进，3 Na+出）； b如果膜内外仅有K+或Na+，则ATP水解极少； c红细胞血影只能利用膜内ATP，而不能利用膜外ATP； dK+可被其它正一价离子（如NH4+）取代，而Na+则不能被取代。,Na+-K+- ATPase的体外重建,Na+-K+-ATPase,去污剂微囊,脂-去污剂微囊,增溶的膜蛋白,去污剂微囊,外加的磷脂,透析,纯化的膜蛋白,Na+-K+-ATPase在脂质体上重建,纯化,Na+-K+ ATPase,是膜上的载体蛋白，称为Na-K泵或 Na-K-ATP酶由22四个亚基组成,Na-K-ATP酶有两种不同的构型,Na+.K+-ATPase的亚基结构及其在膜上定位,钠钾泵的具体工作原理,存在于动、植物细胞质膜上，大小两个亚基，大亚基催化ATP水解，小亚基是一个糖蛋白。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。大亚基以亲Na+态结合Na+后，触发水解ATP。每水解一个ATP释放的能量输送3个Na+到胞外，同时摄取2个K+入胞，造成跨膜梯度和电位差，这对神经冲动传导尤其重要，Na+-K+泵造成的膜电位差约占整个神经膜电压的80。若将纯化的Na+-K+泵装配在红细胞膜囊泡（血影）上，人为地增大膜两边的Na+、K+梯度到一定程度，当梯度所持有的能量大于ATP水解的化学能时，Na+、K+会反向顺浓差流过Na+-K+泵，同时合成ATP。,胞外高Na+,低K+; 胞内高K+,低Na+,作用机制：,Na+-K+泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。乌本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等强心剂能抑制心肌细胞Na+-K+泵的活性；从而降低钠钙交换器效率，使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。,Na+-K+泵与疾病,研究发现：Na+-K+泵在人体的正常代谢中具有非常重要的作用，与一些疾病的发生也有着密切的关系。如肝水肿、白内障、囊纤维化 、癫痫 、偏头痛 、高血压等。另外，最近的研究表明， Na+-K+泵还与屡减仍肥有着千丝万缕的关系。,知识扩展,白内障与Na+-K+泵,白内障的病因 较为复杂，可能是环境、营养、代谢和遗传等多种因素。对晶状体长期综合作用的结果。一般认为，氧化损伤引起白内障的最早期变化。氧化作用会损伤晶状体细胞膜，使维持细胞内正常钠钾浓度的Na+-K-泵功能明显改变，对钠离子的通透性增加，使晶状体内的钠离子增加，导致水的流失，开始了皮质性白内障的过程。,高血压与Na+-K+泵,高血压患者及有高血压家族史而血压正常者有跨膜电解质转运紊乱，其血清中有一种激素样物质，可抑制Na+/K+ATP酶活性，以致钠钾泵功能降低，导致细胞内Na+、Ca2+浓度增加，动脉壁血管平滑肌细胞收缩加强，肾上腺素能受体（adrenergic receptor）密度增加，血管反应性加强。这些都有助于动脉血压升高。,2、钙离子泵,钙流能迅速地将细胞外信号传入细胞内，因此Ca2+是一种十分重要的信号物质。细胞质游离Ca2+约10-710-8mol/L，细胞间液Ca2+浓度约510-3mol/L。Ca2+泵 分布在动、植物细胞质膜、线粒体内膜、内质网样囊膜（SER-like organelle）、动物肌肉细胞肌质网膜上，是由1000个氨基酸的多肽链形成的跨膜蛋白，它是Ca2+激活的ATP酶，每水解一个ATP转运两个Ca2+到细胞外，形成钙离子梯度。线粒体内腔、肌质网、内质网样囊腔中含高浓度的Ca2+，浓度大于10-5mol/L，名为“钙库”。在一定的信号作用下Ca2+从钙库释放到细胞质，调节细胞运动、肌肉收缩、生长、分化等诸多生理功能。,3、三种驱动离子的ATP酶,1)、P-type：载体蛋白用ATP使自身磷酸化(phosphorylation)，引起构象改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。 2)、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，通过水解ATP产生能量转运质子，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。,3)、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase。F型质子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。F型质子泵不仅可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。,三种驱动离子的ATP酶,寡霉素,乌本苷,三、生物大分子的跨膜运输,（1）胞吐和内吞作用（2）新生蛋白质的跨膜定向运输 蛋白质通过信号肽引导到目的地 信号肽(signal sequence) 信号肽假说(signal hypothesis),1胞吞作用 定义 胞吞过程中，细胞膜的一些区域内陷，并包围少量的细胞外液。然后，内陷两侧的膜闭合，形成胞吞小泡，并从膜上脱落下来，进入胞质。 分类 (1)吞噬作用：是细胞摄入大的颗粒,形成吞噬泡的过程。 (2)胞饮作用：是细胞摄入液体和溶质,形成的胞饮泡或胞饮体的过程。包括非特异性的液相胞饮作用和特异性的吸附胞饮作用两种。,吞噬作用（phagocytosis）,细胞内吞噬较大的固体颗粒或分子复合物如微生物、细胞碎片等的过程。,受体介导的胞吞作用,LDL受体介导的胞吞作用,胞饮作用,2胞吐作用 定义 在细胞中合成的生物大分子由转运 小泡运送到细胞膜，转运小泡与膜融合 并将这些分子释放和分泌。 分类 （1）结构性分泌途径 （2）调节性分泌途径,胞吞作用和胞吐作用,三、离子载体,人们对自然状态下的膜运输特性的认识主要来自离子载体（ionophore）的应用。 离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性小分子，它增加脂双层的通透性。 大多数是微生物合成，有的是抗生素,例1：缬氨霉素（valinomycin）,是一种由12个氨基酸组成的环形小肽。将缬氨霉素插入脂质体后，通过环的疏水面与脂双层相连， 极性的内部能精确地固定K+，它在一侧结合K+，然后向内侧移动通过脂双层， 在另一侧将K+释放到细胞内。 属于移动性离子载体。,移动性离子载体,例2：短杆菌肽 A（gramicidin A）,是一种形成通道的离子载体具有疏水的侧链， 两个分子在一起形成跨膜的通道。它能够有选择地将单价阳离子顺电化学梯度通过膜，可被短杆菌肽 A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。,形成通道的离子载体,四、跨膜运送的分子机制,1、移动性载体模型 2、孔道或通道模型 3、构象变化假说,1、移动性载体模型,运输