《细胞生物学》课件第5章+物质的跨膜运输

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 物质的跨膜运输,第一节 细胞膜是选择性半透膜,溶质和多数离子不能通过疏水的磷脂双分子层,不需要特定的蛋白质,小分子物质向热力学有利的方向运动,人工膜对各类物质的通透率：,脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；,非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如,H,2,O,、,O,2,等可以透过人工脂双层，但速度较慢；,小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；,人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,P=KD/d,第二节 小分子物质的跨膜运输,小分子：,疏水分子,如,O,2,、,CO,2,、,N,2,、,磺胺、苯等脂溶性物质。,小的不带电荷的极性分子如尿素、甘油、,H,2,O,、,乙醇等。,大的不带电荷的极性分子如葡萄糖、氨基酸等。,离子：,Na,+,、,K,+,、,Ca,2+,、,H,+,、,HCO,3,-,、,PO,4,3-,、,Mg,2+,、,Cl,-,等,根据是否需要,ATP,的掺入，分为：,被动运输,(,passive transport,),：不消耗细胞的,ATP,，顺浓度梯度的运输。,主动运输,(,active transport,),：消耗细胞的,ATP,，逆浓度梯度的运输。,一、被动运输,概念：是通过简单扩散或易化（协助）扩散实现物质由高,浓度向低浓度方向的跨膜运转。,特点：运输方向 由高浓度向低浓度,能量消耗 无,类型：简单扩散（,simple diffusion,）,协助扩散（,facilitated diffusion,）,简单扩散,扩散现象：,水中滴一滴墨水后的扩散现象；,CO,、,CH4,等气体的扩散知识；,半透膜内外加入不同物质后的渗透现象。,细胞膜有半透膜的特性，膜脂分子间有很小的间隙，部分小分子可直接通过此间隙由浓度高侧向浓度低侧扩散。,注：扩散,-,高浓度到低浓度,1,、简单扩散,概念：又称为自由扩散（,free diffusion,）,是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。,特点：,沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；,不需要提供能量；,没有膜蛋白的协助。,速度决定于：分子的大小，浓度差的大小，脂溶性大小。,进行简单扩散的分子有：,非极性小分子：如,O,2,、,N,2,、,苯。,脂溶性物质：如乙醇、甾类激素、磺胺类等。,带电荷的极性小分子：如,CO,2,、,H,2,O,、,甘油、尿素等 。,概念：也称促进扩散,，,是极性分子和无机离子在,膜转运蛋白,协助,下,顺,浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。,特点,：转运速率高； 存在最大转运速率；有膜转运蛋,白参与，有特异性。,膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。,载体蛋白,（,carrier protein,）：,通过构象变化运输物质,通道蛋白（,channel protein,）：,形成通道、运输物质,2,、协助扩散,膜转运蛋白的特点,载体蛋白有与转运物质,特异性,结合的位点，相当于结合在细胞膜上的酶，所以有,通透酶,的称号。,通道蛋白横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。,载体蛋白（,carrier protein,）,协助（易化）扩散,：葡萄糖、氨基酸、核苷酸等分子量较大，属不带电荷的极性分子，不能扩散通过脂双分子层，没有相应通道，必须通过膜上载体蛋白的协助才能通过膜，故名协助扩散。,协助扩散特点,：高浓度,低浓度；不消耗细胞代谢能；有载体帮助，当载体蛋白处于饱和状态时，速度最大。,载体蛋白（,carrier protein,）,是在生物膜上普遍存在的,多次跨膜,蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过,构象改变,介导溶质的,主动,和,被动,跨膜运输。,载体蛋白的构象变化介导溶质,的,易化扩散,(,被动运输,),Glut4 and diabetes,通道蛋白,概念：通道蛋白（,channel protein,）是横跨质膜的亲水性通道，允许适,当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。,特征：一是转运速率极高；二是没有饱和值；三是离子通道是门控的。,配体闸门通道：配体与受体结合，通道开放。,电压闸门通道：膜电位变化，启动通道开放。,离子闸门通道：特定离子浓度变化，启动通道。,类型,：持续开放（如水通道）,间断开放（闸门通道,）,进行通道扩散的分子有：离子、神经递质,水通道蛋白,（,aquaporin,）,AQP1,位于红细胞膜上，它能够让水自由通过，但是不允许离子或是其他的小分子（包括蛋白质）通过。,由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为,28KD,，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域,2,与,3,、,5,与,6,之间有一个环状结构，是水通过的通道。,三种类型的门控离子通道,配体门通道,表面受体与细胞外的特定物质（配体,ligand,）,结合，引起门通道蛋白发生构象变化，结果使,“,门,”,打开。,乙酰胆碱受体,电位门通道,细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或其他刺激引起膜电位变化时，致使,电位门通道,构象变化，,“,门,”,打开。,钾电位门通道,S4,段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，,“,门,”,打开，大量,K,+,外流，此时相当于,K,+,的自由扩散。,例如：神经,-,肌肉兴奋，不到,秒钟的时间内完成，这一过程包括四种通道顺次开放,：,A,、,刺激神经冲动神经末梢，膜去极化，电压闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入神经末梢，刺激乙酰胆碱（,ACH,）,分泌到突触间隙中；,B,、,ACH,与突触后肌细胞膜上的受体结合，配体闸门钠离子通道开放，钠离子进入肌细胞，肌细胞膜去极化；,C,、,肌细胞膜上电压闸门钠离子通道开放，更多的钠离子进入肌细胞，肌细胞膜进一步去极化，产生动作电位，扩散到肌细胞膜；,D,、,肌浆网上的离子闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩。,二、主动运输,概念：主动运输（,active transport,）,是指由载体蛋白介导的,物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向,浓度高的一侧的跨膜运输方式。,特点： 逆向运输； 膜转运蛋白； 消耗能量。,主动运输所需能量的,来源,主要有：,1.,ATP,直接提供能量（,Na,+,K,+,泵、,Ca,2+,泵）,2.,ATP,间接提供能量,3.,光能驱动,主动运输所需能量的,来源,进行主动运输的物质：,各种离子；,葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子。,载体蛋白介导的主动运输,（,ATP,直接供能）,离子梯度驱动的主动运输,（,ATP,间接供能）,根据能量来源不同分为两种形式：,1,、载体蛋白介导的主动运输,*膜上运输钠和钾离子的载体称“钠钾泵”或“钠,钾,ATP,酶”。,*下面以“钠钾泵”为例介绍载体蛋白介导的主动运输过程,进行主动运输的载体又称“,离子泵,”,和二亚基组成,亚基约,120KD,多次跨膜,有,ATPase,活性,含所有底物和抑制剂结合位点,-,亚基,约,50,kDa,的糖蛋白,活性所必须但功能不清楚,Na,+,-K,+,泵的作用,产生和维持膜电位；,为葡萄糖、氨基酸的主动运输创造条件 ；,维持细胞的渗透压，例如：当肾小管细胞间隙钠过高时会导致细胞内水分外渗，细胞内缺水，人会感到口渴而饮水多。,钙泵（,Ca,2+,pump,）又称,Ca,2+,ATP,酶。,钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将,Ca,2+,输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离,Ca,2+,。,钙泵在肌质网内储存,Ca,2+,，,对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。,Ca,2+,ATPase,Ca,2+,ATPase,Maintains low cytosolic Ca,2+,Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca,2+,ATPase,Conformation change,膜上有许多进行主动运输的载体：,Na,+,-K,+,ATP,酶,Ca,2+,ATP,酶,H,+,ATP,酶,Na,+,-H,+,交换载体,Cl,-,-HCO,3,-,交换载体等,质子泵分为三类,P-,型,载体蛋白自身磷酸化,发生构象改变转运,H,+,V-,型,存在于动植物细胞溶酶体,/,植物细胞液泡膜上,转运,H,+,过程不发生磷酸化,;,将细胞质基质中的,H,+,泵入细胞器,维持细胞,质基质的中性和细胞器的酸性,H,+,-ATP,酶,存在于线粒体内膜、植物类囊体膜上和,多数细菌质膜上，,H,+,沿浓度梯度运动将所释,放的能量与,ATP,合成耦联（,H,+,-ATP,酶,),2,、离子梯度驱动的主动运输,主动运输的能量不是由,ATP,直接提供，而是由储存在膜上离子梯度中的能量来驱动的。,这类运输进行时，一种物质的运输必须依赖另一种物质的同时运输，故称为协同运输。,协同运输（,coupled transport,）,是一类靠,间接提供能量,完成的主动运输方式。,物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。,动物细胞中常常利用膜两侧,Na,+,浓度梯度来驱动。,植物细胞和细菌常利用,H,+,浓度梯度来驱动。,根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向运输（,symport,）,与对向运输（,antiport,）。,协同运输包括同向运输和对向运输,协同运输,两种物质同时相向转运，称对向运输（逆向协同运输）,如：,Na,+,-K,+,Na,+,-H,+,Cl,-,-HCO,3,-,如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着,Na,+,的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着,H,+,的进入。,两种物质同时同向转运，称同向运输（同向协同运输）,如：,Na,+,-,葡萄糖,Na,+,-,氨基酸,动物细胞常通过,Na,+,/H,+,反向协同运输的方式来转运,H,+,，以调节细胞内的,PH,值。还有一种机制是,Na+,驱动的,Cl,-,-HCO,3,-,交换，即,Na,+,与,HCO,3,-,的进入伴随着,Cl,-,和,H,+,的外流，如存在于红细胞膜上的带,3,蛋白。,浓度差,+,电位差电化学梯度,动物细胞中，,Na,+,的电化学梯度通常是驱动另一种分子,主动运输的能量，如,Na,+,梯度驱动,葡萄糖,、,氨基酸,的主动运输,进入血液，运输到全身细胞,三、物质的跨膜转运与膜电位,膜电位,：对带电物质的跨膜运输在造成其浓度差的同时也造成其电位差，这些电位差的总和称为膜电位,静息膜电位,：阴阳离子通过跨膜运输达到一个精确的平衡状态，此时的膜电位称为静息膜电位,动作电位,：细胞受到刺激时，电压闸门钠离子通道通过运输离子使静息膜电位发生改变，此时的膜电位称为动作电位,极化现象,：细胞的静息膜电位膜内为负值膜外为正值，这个状态称为极化,去极化,：离子的转运使静息电位降低乃至消失的过程称为去极化,三、 大分子物质的转运,囊泡运输,（,vesicular transport,）,胞吐作用（,exocytosis,）,胞吞作用,（,endocytosis,）,细胞内膜系统之间的物质传递常常通过囊泡运输方式进行。各类运输囊泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。,大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（,coat,）。,这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。,囊泡运输,一、衣被类型,已知三类：,网格蛋白（,clathrin,）,COPI,COPII,主要作用：,选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；,如同模具一样决定运输小泡的外部特征,。,网格蛋白,(,clathrin,),因其覆盖在囊泡表面呈一层纤维状，因此得名。,它由,3,个外展得臂组成，每一臂含有,1,条重链和,1,条轻链，重链的分子量,180kD,，,轻链为,35,40kD,。,1,、网格蛋白衣被小泡,网格蛋白和囊泡之间是通过转接蛋白来连接，这类转,接蛋白统称为结合素。,它一端与网格蛋白重链末端结合，另一端与被转运的“,货物”分子衔接，具有催化网格蛋白聚合的作用。,结合素目前发现有四种：,AP1,、,AP2,、,AP3,和还在研,究中的一种。,结合素,(,adaptin,),动力素,（,dynamin,),一种小分子,GTP,结合蛋白，由,900,个氨基酸组成，在质膜内凹有被小窝的颈部形成环状结构，可,与,GTP,结合并水解，将囊泡“缢”割下来,。,2,、,COP I,衣被小泡,COP I,包被蛋白为多亚基组成的多聚体，包括,、,、,、,、,、,和,。,功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白,（,escaped proteins,）,返回内质网。,回收信号：,Lys-Asp-Glu-Leu,（,KDEL,）,和,Lys-Lys-X-X,（,KKXX,）,。,COP I,还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。,Lys-Asp-Glu-Leu,（,KDEL,）,Cop I Vesicles,3,、,COP,衣被小泡,介导从内质网到高尔基体的物质运输。,由多种蛋白质构成，,Sar1 GTP,酶与,Sec22/Sec24,复合体结合在一起,，,Sec13/Sec31,复合体覆盖在外层。,衣被小泡形成的部位，称为内质网出口（,exit sites,），,该处没有核糖体。,大多数跨膜蛋白是直接结合在,COP II,衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与,COP II,衣被结合。,分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序,DEXDE,，如,Asp-X-,Glu,序列 。,Cop I and II Vesicles,衣被类型,GTP,酶,组成与衔接蛋白,运输方向,clathrin,ARF,Clathrin,重链与轻链，,AP2,质膜,内体,Clathrin,重链与轻链，,AP1,高尔基体,内体,Clathrin,重链与轻链，,AP3,高尔基体,溶酶体，植物液泡,COP I,ARF,COP,高尔基体,内质网,COP II,Sar,1,Sec23/Sec24,复合体，,Sec 13/31,复合体，,Sec 16,内质网,高尔基体,三种衣被小泡的功能,二、衣被形成,衣被是在一类叫作衣被召集,GTP,酶（,coat-recruitment,GTPase,）,作用下形成的，为单体,GTP,酶（,monomeric,GTPase,），即,G,蛋白。调节因子有：,鸟苷酸交换因子（,guanine-nucleotide exchange factor, GEF,）,GTP,酶激活蛋白（,GTPase,activating protein, GAP,）。,衣被召集,GTP,酶包括,ARF,蛋白和,SAR 1,蛋白。,ARF,参与高尔基体上笼形蛋白衣被,与,COP I,衣被的形成。,SAR 1,参与内质网,上,COP II,衣被的形成。,衣被召集,GTP,酶存在于细胞质中，但处于结合,GDP,的失活状态。,内质网上形成,COPII,衣被小泡时，,SAR1,释放,GDP,，,结合,GTP,而激活。,激活的,SAR 1,暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，促进衣被蛋白的核化和组装，形成运输小泡。,活化的,SAR1,还可以激活磷脂酶,D,（,phospholipase,D,），,将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白牢固地结合在膜上。,当衣被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。,Coat assemble,三、囊泡运输的定向机制,（一）,SNAREs,(,soluble NSF attachment protein receptor),作用是介导运输小泡与靶膜的融合。,动物细胞中已发现,20,多种,SNAREs,，,位于运输小泡上的叫,作,v-SNAREs,，,位于靶膜上的叫作,t-SNAREs,。,v-,和,t-SNAREs,都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成,跨,SNAREs,复合体,（,trans-,SNAREs,complexes,），,将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。,SNAREs in vesicle transport,在神经细胞中,SNAREs,负责突触小泡的停泊和融合。,破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解,SNAREs,，,从而阻断神经传导。,病毒融合蛋白的工作原理与,SNAREs,相似，介导病毒与宿主质膜的融合。,SNAP25,由两条,-,螺旋肽链组成，常,与,t-SNAREs,相伴,，为,v-SNAREs,的,受体。,SNAP25,通过两条,链,分别与,t-SNAREs,和,v-SNAREs,结合，将双方牢牢,系住。,四、囊泡的融合机制,Rabs,也叫,targeting,GTPase,，,属于单体,GTP,酶，已知,30,余种，不同膜上具有不同,的,Rabs,。,Rabs,对运输小泡的融合起重要作用。,三、胞吞和胞吐,（,endocytosis,&,exocytosis,）,胞吞作用,概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），,将外界物质裹进并输入细胞的过程。,类型：,胞饮作用（,pinocytosis,）,胞噬作用（,phagocytosis,）,胞饮作用,特点：胞吞物为液体或极小的颗粒溶质；,形成的胞吞泡小（直径小于,150nm,）；,连续发生的过程；,需要网格蛋白和结合素蛋白。,有被小泡,胞吞泡的形成：配体和受体结合,网格蛋白聚集,有被小窝,去被的囊泡和胞内体融合,胞噬作用,特点：胞,噬,物为大分子和颗粒物质；,形成的胞吞泡大（直径大于,250nm,）；,信号触发过程；,作用：防御侵染和垃圾清除工。,受体介导的内吞,受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。,胆固醇的吸收：,胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（,low-density lipoproteins,，,LDL,），,释放到血液中。,LDL,颗粒的质量,为,3X10,6,Da,，,芯部含有被长链脂肪酸酯化胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，并且还有一个较大的,Apo,-B,蛋白（配体）。,LDL Particle,当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成,LDL,跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。,受体与,LDL,颗粒结合后，形成,衣被小泡,；,进入细胞质的衣被小泡随即脱掉,笼形蛋白,衣被，成为,平滑小泡,，同早期内体融合，内体中,PH,值低，使受体与,LDL,颗粒分离；再经晚期内体,将,LDL,送入溶酶体。,在溶酶体中,，,LDL,颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。,受体回收途径：大部分受体返回，有些进入溶酶体在那里被消化，还有些“穿行转运”。,LDL,endocytosis,LDL,Endocytosis,LDL and atherosclerosis,穿胞运输,在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：,肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白,A,（,IgA,），,通过穿胞运输输送到胆微管；,大鼠中，母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。,胞吐作用,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。,组成型的外排途径（,constitutive,exocytosis,pathway,）：,由高尔基体,TGN,区分泌囊泡向质膜运输的过程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。通过,去限定途径,完成蛋白质转运过程。,调节型外排途径（,regulated,exocytosis,pathway,）：,分泌物（如激素、或酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。,两种胞吐形式,高尔基体胞吐示意图,