第五章-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,物质的,跨膜运输,是细胞维持正常生命活动的基础之一。,第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输,第二节,ATP,驱动泵与主动运输,第三节 胞吞作用与胞吐作用,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,第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输,一、脂双层的不透性与膜转运蛋白,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 transport protein,）即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质，包括,载体蛋白,（,transporter , carrier protein,）和,通道蛋白,（,channel protein,）两类。,（一,）载,体蛋白及其功能,载体蛋白,（,carrier protein transporter,）,:,一种,与特异的溶质结合,，,并通过自身构象的改变介导物质跨膜转运的蛋白。,特性：,a),不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。,b),载体蛋白具有底物专一性。,c),载体蛋白对转运的分子不作任何共价修饰。,d),载体蛋白即可介导被动运输，又可介导主动运输。,载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的模型,注意：,载体蛋白对转运的分子不作任何共价修饰。,载体蛋白的举例,（二,）通,道蛋白及其功能,通道蛋白,（,channel protein,）：通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运。,包括,3,种类型：,离子通道,（,ion channel,）、,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。,离子通道,的三个特征（,p69-70),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,激活信号的不同。,二、小分子物质的跨膜运输类型,简单扩散（,simple diffusion,）,被动运输（,passive transport,）,主动运输（,active transport,）,1,、,简单扩散,（,simple diffusion,）,定义,：,小分子物质以热自由运动的方式顺着,电化学梯度,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,（,electrochemical gradient,）：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。,扩散速率与该物质的性质有关,：分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。,不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层,2,、被,动,运输,（,passive transport,）,定义,：,在,膜转运蛋白,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,（facilitated diffusion,）。,转运物质,：水分子、糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等。,转运蛋白,：,Glucose transporter ;,水孔蛋白。,水孔蛋白（,AQP1,）分布与结构,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,部分水孔蛋白举例,3,、主,动,运输,（,active transport,）,定义：,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。它是一种需要,消耗能量,的物质跨膜运输过程,。,3,种类型：,ATP,驱动泵（,ATP-driven pump,）,；,协同转运蛋白（,cotransporter,，,由,ATP,间接供能）,；,光驱动泵,（,light-driven pump,）,。,主动运输,3,种类型,第二节,ATP,驱动泵与主动运输,一、,P,型泵,二、,V,型质子泵和,F,型质子泵,三、,ABC,超家族,四、离子跨膜转运与膜电位,4,种类型的,ATP,驱动泵,前,3,种转运离子，后一种转运小分子。,一,、,P,型泵,P,型泵（,P-type pump,）：,由于这类转运泵水解,ATP,使自身形成,磷酸化,（,p,hosphorylation,）的中间体，因此称为,P,型泵。大多数,P,型泵都是离子泵。,可分：,Na,+,-K,+,泵 （,Na,+,-K,+,pump,）,；,Ca,2+,泵（,Ca,2+,pump,）,；,P,型,H,+,泵（,P-type H,+,pump,）,等。,Na,+,-K,+,泵,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。,钠钾泵需要钠和,ATP,在细胞膜的内侧，而钾在膜外；,每消耗一分子,ATP,，转运,3,个钠和,2,个钾；,只有动物细胞有钠钾泵。,Na,+,-K,+,泵的结构（,A,）与工作模式（,B,）,Na,+,依赖性的,磷酸化,和,K,+,依赖性的,去磷酸化,引起,Na,+,-K,+,泵构象发生有序变化,每个工作循环消耗,1,个,ATP,分子，可以逆着电化学梯度泵出,3,个,Na,+,和泵入,2,个,K,+,。,小肠上皮细胞吸收葡萄糖的示意图,一般动物细胞要消耗,1/3,（神经细胞消耗,2/3,）的总,ATP,供,Na,+,-K,+,泵工作以维持细胞内高,K,+,低,Na,+,Na,+,-,的离子环境,。,Na,+,-K,+,泵主要生理功能,：,（,1,）,维持细胞膜电位,；,（,2,）,维持动物细胞渗透平衡,；,（,3,）,吸收营养（见左图）,。,肌质网,Ca,+,泵转运,Ca,+,前（,A,）和后（,B,）的工作模型,N:,核苷酸结合部位,P,:,磷酸化部位,A:,活化部位,Ca,2+,泵和,P,型,H,+,泵,（,略）,二、,V,型质子泵和,F,型质子泵,V,型质子泵（,V-type proton pump,）：广泛存在于动物细胞的胞内体膜、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜，以及植物和真菌细胞的液泡（首字母为,V,）膜上。,V,型质子泵,H,+,将从细胞质基质中泵入细胞器。,F,型质子泵,（,F-type proton pump,，,F,1,F,0,-ATPase,）：广泛存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上（,F,为,F,actor,的首字母）。,F,型质子泵常利用质子动力势合成,ATP,。,三、,ABC,超家族,定义,：,ABC,超家族（,A,TP,b,inding,c,assette super-family,）又叫,ABC,转运蛋白，也是一类,ATP,驱动泵，,利用,ATP,水解释放的能量将糖、氨基酸、磷脂、胆固醇、肽和其它多种小分子物质进行跨膜转运,。,ABC,转运蛋白是分布最广的一类转运蛋白，从细菌到人类都有。,4,个“核心”结构域,：,2,个跨膜结构域,（,T,），每个含,6,个跨膜,螺旋，形成底物运输的通路并决定底物的特异性；,2,个凸向胞质侧的,ATP,结合域,（,A,），具有,ATPase,活性。,原核细胞（,A,）和真核细胞（,B,）,ABC,超家族结构与工作示意图,工作模式：,（,1,）,ATP,结合前，,ABC,转运蛋白的底物结合位点暴露于一侧（原核细胞胞外一侧或真核细胞胞内一侧）；,（,2,）,ATP,结合，,ATP,结合域二聚化并转运底物到,ABC,转运蛋白通路的另一侧内；,（,3,）,ATP,水解及,ADP,解离，,ATP,结合域解离（恢复原状），同时释放底物。,每种,ABC,转运蛋白,对于底物或底物的某些基团有特异性。,与疾病的关系：,有些,ABC,转运蛋白,能够将,抗生素,或其它,亲脂性抗癌药物,泵出细胞，赋予细胞抗药性；,遗传病,囊性纤维化,（肺、汗腺和胰腺等中）的发生也是,ABC,转运蛋白突变引起。,四、离子跨膜转运与膜电位,膜电位,（,membrane potential,）：,细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。,静息电位,（,resting potential,）：,可兴奋细胞在其不受外来刺激时测得的膜电位差（,-30-70mV,）。,静息电位是细胞质膜内外相对稳定的电位差,，质膜内为负值,，,质膜外为正值，这种现象又称,极化,（polarization,）,。,动作电位,（,active potential,）：,指细胞在刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位。,静息电位的形成,：,动物细胞质膜对,K,+,的通透性大于,Na,+,是产生静息电位的主要原因。,静息膜允许,K,+,通过开放的非门控的渗漏通道顺电化学梯度流向胞外，产生外正内负的静息电位。,动作电位的形成,：,极化（静息）（,K,+,渗漏出）去极化（,Na,+,通道流入）反极化（,Na,+,通道关闭，,K,+,通道流出）再极化（,K,+,通道流出）超极化（,K,+,通道关闭）,（,见图,5-12,）。,第三节 胞吞作用与胞吐作用,定义,：,p79,分布,：真核细胞,作用,：大分子（蛋白质、多核苷酸及多糖等）和颗粒物质的跨膜运输。,一、胞吞作用的类型,(1),胞饮作用,（,pinocytosis,）,(2),吞噬作用,（,phagocytosis,）,特征,物质,胞吞泡的大小,转运方式,胞吞泡形成机制,胞饮作用,溶液,小于,150 nm,连续的过程,网格蛋白和接合素蛋白,吞噬作用,大颗粒,大于,250 nm,受体介导的信号触发过程,微丝和结合蛋白,区别,:,胞吞作用的类型,（,1,）吞,噬作用,吞噬作用,（,phagocytosis,）：,针对胞外生物大分子和颗粒性物质的胞吞作用。,在原生生物中，吞噬作用是摄取食物的一种方式；,在高等多细胞生物体中，吞噬作用往往发生于巨噬细胞和中性粒细胞，,其作用不仅仅是摄取营养物，主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞,。,抗体诱发的吞噬作用,胞吞泡,（,endocytic,vesicle,）,:,胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡，称胞吞泡；,吞噬体,（,phagosome,）：,通过吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬体。,（,2,）胞饮作用,胞饮作用,（,pinocytosis,）：,针对胞外生物大分子或液体物质的胞吞作用。可以分为,网格蛋白,依赖的胞吞作用、,胞膜窖,依赖的胞吞作用、,大型胞饮作用和非网格蛋白,/,胞膜窖依赖,的胞吞作用,4,种类型,。,胞饮作用可分为受体介导型（具有专一性和浓缩性）和非受体介导型。,网格蛋白,（,clathrin,）：,又称笼形蛋白，是一类包被蛋白，由,3,个二聚体（,1,条重链和,1,条轻链）组成三腿蛋白（,triskelion,），作为包被的结构单位，组装形成多面体笼形结构。,当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下，逐渐形成直径,50100nm,的质膜凹陷，即网格蛋白包被小窝（,clathrin,-coated pit,）。,衔接蛋白,（,adaptin,）：,对转运分子有特异性选择作用，它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号，从而通过网格蛋白包被泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输。,发动蛋白,（,dynamin,）：,一种小,G,蛋白，在深陷的包被小窝的颈部组装成环，水解与其结合的,GTP,，引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡。,通过网格蛋白包被膜泡介导的选择性运输示意图,被转运分子受体 内化 网格蛋白包被膜泡脱包被膜泡 胞内体（分选）被转运分子到溶酶体降解，受体返回质膜,受体介导的胞吞作用,受体（,receptor,）：,受体是任何能与特定信号分子（配体）结合的（膜）蛋白分子，通常导致细胞摄取反应或细胞信号转导。,受体介导的胞吞作用（,receptor mediated,endocytosis,）：,通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子的途径,。被转运的,大分子物质与细胞表面互补性的受体结合,，形成受体,-,配体复合物并引发细胞质膜局部内化作用，然后小窝脱离质膜形成有被小泡而将物质吞入细胞内。,胞内体（,endosome,）：,动物细胞内由膜包围的细胞器，,其作用是转运由胞吞作用新摄取的物质到溶酶体,中降解,。,LDL,（低密度脂蛋白）通过受体介导的胞吞作用进入细胞,其它类型的胞饮作用（图,5-13,）,（,1,）,胞膜窖依赖的胞吞作用,（,caveola,dependent,endocytosis,（,2,）,大型胞饮作用,（,macropinocytosis,）：通过质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡完成胞饮作用。,（,3,）,非网格蛋白,/,胞膜窖依赖的胞吞作用,（,clathrin,and,caveola,independent,endocytosis,）,二、胞吞作用与细胞信号转导,（一）,胞吞作用对信号转导的下调,当引起下游信号级联反应后，细胞通过胞吞作用将,EGF,（表皮生长因子）和,EGF,受体,吞入细胞内降解，从而导致细胞信号转导活性下调。,（二）,胞吞作用对信号转导的激活,Notch,信号是细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一，对多细胞生物中细胞分化命运（旁侧抑制）的决定起关键作用。,在信号转导过程中，,除了配体（,DSL,）与,Notch,受体结合外,，信号通路的激活还依赖于,DSL,和,Notch,的胞吞作用,。,胞吞作用对,Notch,信号转导的激活,Notch,及其配体,DSL,的胞吞作用对,Notch,活化是必需的，其中,DSL,的胞吞依赖泛素。,DSL: Delta/Serrate/Lag2,家族,NICD,：,Notch,受体胞内活性片段,三、胞吐作用,定义,：,携带有细胞内内容物的分泌泡或其它膜泡与质膜融合，将内容物释放到胞外的过程,。,（,1,）,组成型,的外排途径,（,constitutive,exocytosis,pathway,）,所有真核细胞中都有的连续分泌过程，用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）。,转运过程：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节的分泌泡外，其余蛋白的转运途径，粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面,（,2,）,调节型,外排途径,（,regulated,exocytosis,pathway,）,特化的分泌细胞中的胞吐作用。,储存,刺激,释放,胞吐作用示意图,Thanks!,