第二十章 生物能学.ppt

1、欧阳红生 动物生物技术系 吉林大学畜牧兽医学院 Email: Tel第二十一章 生物膜与物质运输,Chapter 21 Membrane Transport,Copyright 2006 by Ouyang Hongsheng. All rights reserved.,主要内容：各种分子跨膜运输机制.,生物膜的功能可归纳为:能量转换、物质运输、信息识别与传递 生物膜的通透性具有高度选择性。许多生命过程都直接或间接与物质的跨膜运输密切相关。,一、被动运输与主动运输,(一)被动运输 物质从高浓度的一侧，通过膜运输到低浓度的一侧，即顺浓度梯度的方向跨膜运输的过程称为被动

2、动输。 特点 物质的运输速率既依赖于膜两侧运输物质的浓度差，又与被运输物质的分子大小，电荷和在脂双层中的溶解性有关。被动运输的自由能减少，熵增加，是一个不需要供给能量的自发过程。,一、被动运输与主动运输,(二)主动运输 主动运输 凡物质逆浓度梯度的运输过程称为主动运输。主动运输过程需要供给能量。运输过程中自由能增加。 G=2.3RTlg（C2/C1） 如果运输的物质带有电荷，则物质跨膜运输时需要逆两个梯度，一是浓度梯度，二是电荷梯度。这二者的总和又称为电化学梯度。G=2.3RTlg（C2/C1）+ZFV,一、被动运输与主动运输,(二)主动运输 特点：专一性；运输速度可以达到“饱和”状态；方向性

3、；选择性抑制；需要提供能量 (三)小分子的动输和生物大分子的运输 根据运输物质的分子大小，物质运输亦可分为小分子的运输和生物大分子的运输两类。,二、小分子物质的运输,分子越小,且疏水性或非极性较强,通过膜较易。不带电荷的极性小分子也能声速地经扩散通过膜。 小分子的跨膜动输大多是通过专一性运输蛋白(transport protein)实现。 如果只是运输一种分子 由膜的一侧到另一侧， 称为单向运输。 如果一种物质的运输 与另一种物质的运输 相关，称为协同运输，而且 方向相同，称为同向运输。 方向相反，则称为反向运输。,二、小分子物质的运输,细胞内外存在离子梯度差。细胞内是高K+低Na+,而外环境

4、中则是低K+高Na+。红细胞内K+的含量比Na+20倍左右。轮藻细胞中的K+含量比生存的水环境中的K+高63倍。叉轴藻细胞比环境K+高1000倍以上。 细胞内外K+、Na+离子梯度是由Na+、K+泵进行逆浓度梯度主动运输的结果。,(一)Na+和K+的运输,二、小分子物质的运输,(一)Na+和K+的运输 1.Na+，K+-泵和Na+，K+-ATP酶,Jens C. Skou 1918- Lemvig, Denmark awarded the Nobel Prize for Chemistry in 1997 for the first discovery of an ion-transporti

5、ng enzyme, Na+, K+-ATPase.,二、小分子物质的运输,1.Na+，K+-泵和Na+，K+-ATP酶 由一个跨膜的催化亚单位亚基(MW:120 000)和与其结合的一个糖蛋白亚基(MW:35000)结合成2 2四聚体。,2. Na+,K+ATP酶的作用机制-构象变化,ATP末端的磷酸转移到ATP酶的天冬酰胺残基上。,2. Na+,K+ATP酶的作用机制-构象变化,ATP末端的磷酸转移到ATP酶的天冬酰胺残基上。,2. Na+,K+ATP酶的作用机制-构象变化,强心苷抑制Na+K+ ATPase使血管壁细胞的钠和钙堆积，血管收缩变窄，血压升高。,几种强心苷的结构,内酯环为黄色

6、。,洋地黄皂苷元,毒毛旋花子苷元,乌本苷,二、小分子物质的运输,(二)Ca2+的运输 细胞内、外存在着明显的Ca2+梯度。细胞质的Ca2+浓度很低，为10-610-7mol/L,细胞外的Ca2+浓度高达10-3mol/L。钙离子浓度梯度是Ca2+泵进行逆浓度梯度主动运输的结果。,1. Ca2+泵和Ca2+-ATP酶,肌质网(sarcoplasmic reticulum)是肌细胞含有的一种特化的内质网膜系统,构成肌细胞的Ca2+库。 当肌细胞受到外界刺激时，Ca2+由肌质网释放进入细胞质中，引起肌肉收缩。当肌肉松驰时,Ca2+重新摄入肌质网。可见肌肉的收缩和松驰过程，是Ca2+从肌质网释放和再摄

7、入的主动运输过程。 2Ca2+(外)ATP(外) 2Ca2+(内)ADP(外)Pi(外),Ca2+-ATP酶,1. Ca2+泵和Ca2+-ATP酶,每水解1分子ATP,两分子Ca2+进入肌质网 每1分子Ca2+-ATP酶每秒种大约可水解10分子ATP,Ca2+-ATP酶是肌质网的主要成分，占膜总蛋白的90%,因而较其他来源的Ca2+-ATP酶易于提纯； Ca2+-ATP酶对Ca2+有很高的亲和力，Km约为10-7mol/L Ca2+-ATP泵运送Ca2+时，效率高，容量大。,二、小分子物质的运输,2.钙调蛋白(Calmodulin,CAM) 发现 由Cheug和Kakiuchi等在1970年同

8、时发现 作用 在调节神经突触膜、脂肪细胞膜、小肠基底膜以及红细胞膜等的Ca2+运输中起重要作用。钙调蛋白可刺激细胞对Ca2+的摄取。这种刺激与Ca2+-ATP酶活力的增加以及与依赖钙调蛋白的磷酸化的增加有平行关系。表明CAM在Ca2+运输中起着重要作用。 活性 每个CAM可结合4个Ca2+。CAM作用与细胞内Ca2+的浓度有关。 分布 CAM存在于所有脊椎动物组织中，脑、睾丸和一种电鱼的电板中分布相对丰富。,二、小分子物质的运输,2.钙调蛋白(Calmodulin,CAM) 结构 CAM是酸性蛋白，含149aa,MW16700。氨基酸组成中缺乏色氨酸和半胱氨酸，天冬氨酰和谷氨酸残基含量很高。,

9、3.Ca2+-ATP酶的作用机制,E1构象对Ca2+具有高的亲和力。,Ca2+-ATP酶是一个跨膜的，不对称分布的膜结合酶。在膜上可能以四聚体形式存在。肌质网膜Ca2+-ATP酶,含1015 aa ，MW110000。跨膜区含10个跨膜螺旋.（Ca2+结合位点在此结构域),3.Ca2+-ATP酶的作用机制,0.8nm Electron microscopy map of the Ca2+-ATPase,胞质区 颈部 膜区,Protein Arrangement One transmembrane domain - Ten a-helices & contain two Ca2+ binding

10、 sites. P-domain. - Contains the phosphorylation residue (Asp351) N-domain. - Contains the nucleotide (ATP) binding domain. A-domain. - Act as an “anchor” for domain N.,Protein Arrangement One transmembrane domain - Ten a-helices & contain two Ca2+ binding sites. P-domain. - Contains the phosphoryla

11、tion residue (Asp351) N-domain. - Contains the nucleotide (ATP) binding domain. A-domain. - Act as an “anchor” for domain N.,Ca2+ Binding Site Two Ca2+ binding sites identified Site I between M5 rows of oxygen atoms guide Ca2+ to the binding site & remove solvating waters.,ATP Binding Site Identifie

12、d by soaking TNP-AMP into crystals. - Located in domain N. - More than 25 from the phosphorylation site (Asp351). Conformational changes must occur!,二、小分子物质的运输,(三)三类驱动离子的ATP酶 通过水解ATP提供的能量转运离子，或者通过离子梯度合成ATP。 P型(phosphorylation) F型 V型,Na+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype），被称为P -type ATPase（可以可逆磷酸化的）； V-

13、type ATPase Proton pumps(V-vacuole即微囊)，通过ATP水解供能逆浓度梯度转运质子； F-type ATPases（F-energy-coupling factors），在细菌、线粒体和叶绿体中的能量转化中起中心作用。细菌、线粒体和叶绿体可以利用电子传递（氧化反应）释放的能量使质子逆浓度跨膜运输产生浓度梯度，当质子通过F-type ATPases的质子通道由高浓度一侧流向低浓度一侧时，释放的能量用于ATP的合成。,三种类型离子运输ATPase亚基结构,F类型ATPases,二、小分子物质的运输,(四)阴离子运输(anion transport) 阴离子跨膜运输也

14、是通过存在于膜上的运输体系进行。研究较多的是红细胞膜上的带3蛋白。 带3蛋白 SDS凝胶电泳上第3条带。是一个跨膜分布的内在性糖蛋白 带3蛋白的结构 形成二聚体，二聚体也可发生交联形成多聚体。氨基末端位于细胞内侧。 带3蛋白的功能 能与红细胞O2-CO2交换功能。,二、小分子物质的运输,(五)糖和氨基酸的运输 1.协同运输(co-transport) 在小肠或肾细胞中葡萄糖的运输是伴随Na+一起输入细胞的,所以这种运输称为协同运输.葡萄糖的运输虽不直接利用ATP,但间接利用Na+、K+-泵产生的离子梯度所提供的能量进行协同运输的。,二、小分子物质的运输,二、小分子物质的运输,二、小分子物质的运

15、输,(五)糖和氨基酸的运输 2.基团运输(group transport) 有些糖在通过细菌膜时需要进行磷酸化反应加入一个磷酸基团，以糖-磷酸的形式才能通过膜，称为基团运输。,格兰氏阴性菌的膜孔蛋白 大肠杆菌的膜孔蛋白PhoE跨膜区-折叠片的排布，这些-折叠片形成桶状，疏水一侧在外围与双分子膜结合，亲水一侧在桶状结构内侧，可以使小分子物质通过，有些膜孔蛋白可以使多种小分子物质通过称作通用型膜孔蛋白，另有一些膜孔蛋白对小分子物质有选择性，称作选择型膜孔蛋白。,二、小分子物质的运输,(六)ATP/ADP交换体(ATP/ADP exchanger) 真核细胞必须将线粒体ATP运至细胞质内，ADP运至

16、线粒体内 真核细胞的线粒体是合成ATP的主要场所，而细胞很多利用ATP的代谢过程主要是在细胞质中。因此，通过什么机制将合成的ATP进行跨线粒体内膜运输的呢？ ATP/ADP运输方式 这种运输功能是通过分布于线粒体膜上的ATP/ADP交换体进行的，通过呼吸作用形成的跨线粒体膜的膜电位(内负、外正），使ATP/ADP交换体向外运输ATP，向内运输ADP。,二、小分子物质的运输,(六)ATP/ADP交换体(ATP/ADP exchanger) ATP/ADP交换体 ATP/ADP交换体一条多肽相对分子质量为30 000。在膜上以二聚体形式存在。如果解离成单体，则失去对运输物质的亲和力。,三、生物大分

17、子的跨膜运输,小分子的跨膜运输主要是通过运输蛋白体系来实现的，但多核苷酸或多糖等生物大分子甚至颗粒物的运输，主要是通过胞吐作用、胞吞作用，包括受体介导的内吞作用等运输的。 蛋白质跨膜运输除胞吞、胞吐，还有跨内质网膜和跨线粒体膜、叶绿体膜等运输类型。,三、生物大分子的跨膜运输,(一)胞吐作用(exocytosis) 细胞内物质先被囊泡裹入形成分泌泡，然后与细胞质膜接触、融合并向外释放被裹入的物质，这个过程称为胞吐作用。 真核细胞中的分泌作用通常是通过胞吐作用发生的。 影响细胞分泌的因素也影响细胞的胞吐作用。,三、生物大分子的跨膜运输,(一)胞吐作用(exocytosis),三、生物大分子的跨膜运

18、输,(二)胞吞作用(endocytosis) 细胞从外界摄入的大分子或颗粒，逐渐被质膜的一小部分包围，内陷，其后从质膜上脱落下来而形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程，称为胞吞作用。 1.吞噬作用(phagocytosis) 凡以大的囊泡形式内吞较大的固体颗粒、直径达几微米的复合物、微生物以及细胞碎片等的过程，称为吞噬作用。 吞噬可分为吸附和吞进两个相对独立的过程。,三、生物大分子的跨膜运输,(二)胞吞作用(endocytosis) 2.胞饮作用(pinocytosis) 以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体吞入细胞内的过程。 胞饮作用不具有明显的专一性。绝大多数细胞都具有饱饮作用。,三、生物大分子的跨膜运输,(二)胞吞作用(endocytosis) 3.受体介导的胞吞作用 指被内吞物(称为配体ligand,它们是蛋白质或小分子)与细胞表面的专一性受体相结合，并随即引发细胞膜的内陷，形成的囊泡将配体裹入并输入到细胞内的过程。 受体介导的胞吞作用是一种专一性很强的胞吞作用。能使细胞选择性地摄入大量的专一性配体。 动物细胞摄取胆固醇的过程通过受体介导的内吞作用实现,四、离子载体(ionophores),概念 离子载体是一类可溶于脂双层的疏水性的小分子，它增加脂双层对离子的透性。大多数离子载体由微生物合成。 分类 分为两类，移动性离子载体(mobile i