物质的跨膜运输细胞生物学

,*,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,2020/11/3,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,2020/11/3,*,内容提要,第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输,一、脂双层的不通透性和膜转运蛋白,二、被动运输和主动运输,第二节 离子泵和主动运输,一、离子泵,二、超家族,三、离子跨膜转运与膜电位,第三节 胞吞作用与胞吐作用,一、胞吞作用的类型,二、胞吞作用与细胞信号转导,三、胞吐作用,2020/11/3,1,第一节 膜转运蛋白与,物质的跨膜运输,细胞进行的物质运输有三种不同的范畴,：,细胞运输,(cellular transport,),这种运输主要是细胞与环境间的物质交换,胞内运输,(intracellular transport),是真核生物细胞内膜性细胞器与细胞内环境进行的物质交换,跨细胞运输,(transcellular transport),这种运输是物质穿越细胞的运输,2020/11/3,2,物质通过质膜的三种主要途径,被动运输,主动运输,胞吞作用与胞吐作用,2020/11/3,3,人工脂分子的透性,疏水分子：,O,2,、,N,2,、苯,小的不带电荷的极性分子：水、尿素、甘油,大的不带电的极性分子：,葡萄糖、蔗糖等,离子：,Na,+,、,H,+,、,K,+,、,HCO,3,、,Ca,、,Cl,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白,2020/11/3,4,在活细胞中质膜对物质的通透有高度的,选择性,2020/11/3,5,细胞膜,与人工脂双分子膜一样，能通过简单扩散透过水、非极性分子；,还能透过各种极性分子和无机离子如：核苷酸、糖、氨基酸；,2020/11/3,6,（一）,载体蛋白及其功能,P68,膜转运蛋白,载体蛋白,通道蛋白,脂双层,浓度下降,2020/11/3,7,（二）,通道蛋白,一般认为它是横跨质膜形成的亲水的通道，能使适宜大小的分子及带电荷的溶质通过。,脂双层,亲水部分,疏水部分,2020/11/3,8,离子通道,压力激活通道,细胞内外配体门控,电压门控,离子选择性,:,门控性,:,2020/11/3,9,A.,配体门通道,离子通道型受体,2020/11/3,10,B.,电压门通道,细胞内外特异离子浓度发生变化时或其它刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。,正常膜电位,正常膜电位被电流刺激破坏,通道关闭,通道开启,通道失活,2020/11/3,11,C:,压力激活通道,机械门通道,各种各样的机械力刺激,，,将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应,。,2020/11/3,12,二、被动运输,1,、概念,: P71,顺浓度梯度；不消耗能量,2,、类型,:,简单扩散（自由扩散）,:,顺浓度梯度,，,不耗能，不需要膜蛋白,。,协助扩散（促进扩散）,:,顺浓度梯度 ，不耗能，需要膜蛋白。,2020/11/3,13,（一）、简单扩散,2020/11/3,14,简单扩散,也叫自由扩散（,free diffusion,）：,沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；,不需要提供能量；,没有膜蛋白协助。,通透性,P=KD/d,，,K,为分配系数，,D,为扩散系数，,d,为膜的厚度。,2020/11/3,15,1,、简单扩散的限制因素,脂溶性,:,脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快,相对分子质量,:,相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散,物质的带电性,:,不带电荷的极性分子,2020/11/3,16,（二）水,孔蛋白,（,Aquaporin,，,AQP,）,：水分子的跨膜通道,1991,年，,Agre,发现第一个水通道蛋白,CHIP28,2020/11/3,17,2020/11/3,18,（三）、协助扩散,P71,特异的膜转运蛋白,“,协助,”,物质转运,2020/11/3,19,促进扩散的速度要快几个数量级,具有饱和性,:,当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高。,具有高度的选择性,:,如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。,1,、协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点,：,2020/11/3,20,2020/11/3,21,（四）、主动运输,（一）概念：由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度的跨膜转运方式。,2020/11/3,22,主动运输,特点：,逆浓度,梯度（逆化学梯度）运输；,需要,能量,；,都有,载体,蛋白。,能量来源：,协同运输中的,离子梯度,动力；,ATP,驱动的泵通过水解,ATP,获得能量；,光,驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,2020/11/3,23,主动运输,类型,浓度梯度,光驱泵蛋白,ATP-,驱动泵蛋白,偶联载体,2020/11/3,24,第二节,ATP,驱动泵和主动运输,ATP,驱动泵,分类：,P,型离子泵,V,型质子泵,F,型质子泵,ABC,超家族,2020/11/3,25,P,型离子泵,(P74),对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做,P-type,离子泵。,2020/11/3,26,（一）、钠钾泵,动物细胞的质膜,是,Na,+,-K,+,ATP,酶,由,2,个大亚基、,2,个小亚基组成的,4,聚体,.,Na,+,电化学梯度,细胞外,K,+,电化学梯度,K,+,结合位点,胞质溶胶,Na,+,结合位点,一、,P,型离子泵,2020/11/3,27,工作原理,:,细胞外,胞质溶胶,ATP,将泵蛋白磷酸化,K,+,的结合使泵蛋白去磷酸化,2020/11/3,28,细胞必须进行渗透压调节,(P75),2020/11/3,29,细胞以不同的方式避免被涨破,2020/11/3,30,Na,+,-K,+,泵的作用,：,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；,吸收营养。,乌苯苷等强心剂抑制其活性；,Mg,2+,和少量膜脂有助提高于其活性。,2020/11/3,31,（二）、钙泵,(P75),及其他,P,型离子泵,Ca,2+,ATP,酶,2020/11/3,32,H,+,泵,(P76),植物细胞、真菌和细菌细胞质膜,H,+,ATP,酶,，建立跨膜的,H,+,电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞,2020/11/3,33,质子泵,1,、,P-type,：如植物细胞膜上的,H,+,泵、动物胃表皮细胞的,H,+,-K,+,泵（,分泌胃酸）。,2,、,V-type,：存在于各类小泡膜上，水解,ATP,产生能量，但不发生自磷酸化，位于,溶酶体膜,、,内体,、,植物液泡膜,上。,3,、,F-type,：利用质子动力势合成,ATP,，即,ATP,合酶，位于,细菌质膜,、,线粒体内膜,、,类囊体膜,上。,2020/11/3,34,P-,型泵,V -,型泵,2020/11/3,35,定子,转子,F -,型泵：,H,+,-,ATP,酶,2020/11/3,36,三、,ABC,超家族,ABC,超家族（,ABC superfamily,）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的,ATP,结合区（,ATP binding cassette,），故名,ABC,转运器。,2020/11/3,37,Mammalian MDR1 protein,第一个被发现的真核细胞的,ABC,转运器是多药抗性蛋白（,multidrug resistance protein, MDR,），约,40%,患者的癌细胞内该基因过度表达。,ABC,转运器还与病原体对药物的抗性有关。,2020/11/3,38,Four t,ypes of ATP-powered pumps,2020/11/3,39,四、协同运输（,cotransport),偶联转运,概念,:,特点：,靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。,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,。,2020/11/3,40,协同运输,分为：,同向协同,和,反向协同,2020/11/3,41,1,、同向协同,（,symport,）,如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着,Na,+,的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着,H,+,的进入。,2,、反向协同（,antiport,）,如,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。,2020/11/3,42,小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图,葡萄糖浓度：,高,低,低,葡萄糖,Na,+,-,驱动同向转运将葡萄糖引入细胞,载体蛋白介导的被动转运将葡萄糖送出细胞,小肠肠腔,小肠上皮细胞,Na,+,-K,+,泵,小肠上皮细胞微绒毛,细胞外体液,2020/11/3,43,三、被动运输与主动运输比较,主动转运,被动转运,浓度梯度,载体蛋白,通道蛋白,被转运的分子,简单扩散,通道蛋白介导,载体蛋白介导,2020/11/3,44,第三节 胞吞作用和胞吐作用,膜泡运输,批量运输,主动运输,真核细胞通过,内吞作用,（,endocytosis,）和,外排作用,（,exocytosis,）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。,因货物包被在囊泡中，又称,膜泡运输,。,2020/11/3,45,一、胞吞作用,细胞外物体（或大分子物质）进入细胞内的渠道,胞吞作用,胞吞泡,胞饮作用,吞噬作用,胞饮泡,吞噬泡,2020/11/3,46,1.,胞饮作用与吞噬作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,2020/11/3,47,吞噬作用：巨噬细胞正在吞噬死亡的红细胞,伪足边缘,2020/11/3,48,吞噬作用：嗜中性细胞正在吞噬分裂中的细菌,细菌,伪足,细胞质膜,噬中性细胞,2020/11/3,49,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,胞饮作用,2020/11/3,50,胞饮作用：卵细胞正在摄取脂蛋白,1,3,4,2,细胞内,细胞外,网格蛋白,脂蛋白球,2020/11/3,51,胞饮泡形成机制,网格蛋白分子,三角蛋白体（,triskelion,）,三角蛋白体的可能结构组成,含三个轻链和三个重链,由,36,个三角蛋白体组成的网格蛋白包被,（电镜图）,网格蛋白,2020/11/3,52,网格蛋白小泡的组装和拆卸,衔接蛋白,裸露的转运小泡,货物蛋白受体,出芽形成,货物蛋白质,网格蛋白,小泡形成,蛋白质包被组装,;,货物蛋白质选择,有被小泡,发动蛋白,脱包被,具选择性,细胞质基质,2020/11/3,53,二、受体介导的胞吞作用,细胞吸收胆固醇,：,胆固醇在血管里以胆固醇酯存在于脂蛋白颗粒中，叫做,“,低密度脂蛋白（,LDL,，,low density lipoproteins,）,”,胆固醇,分子,胆固醇酯分子,磷脂单层,蛋白质分子的,表面突出,一个,LDL,颗粒,2020/11/3,54,细胞以受体为媒介输入胆固醇（,2,）,2020/11/3,55,受体通过胞吞作用进入细胞后的命运,1,、再循环（,recycling,）：受体返回到原来的细胞质膜区域,2,、,转包吞作用,（,transcytosis,） 受体被转运到细胞质膜的不同区域,3,、降解（,degradation,）：胞内体接受水解酶后演变成溶酶体,受体被降解,细胞质膜的顶端区域,细胞质膜的基部（侧面）区域,胞吞作用,转运小泡,溶酶体,胞内体,再循环,胞吞转运,降解,2020/11/3,56,