细胞生物学第五章-物质的跨膜运输课件

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,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,和,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,典型哺乳类细胞内外离子浓度的比较,细胞内外的离子差别分布主要由两种机制所调控：,取决于一套特殊的膜转运蛋白（,membrane transport protein,）的活性。,2.,取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。,脂双层的不透性,除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子能以简单扩散的方式直接通过脂双层外，脂双层对绝大多数溶质分子和离子是高度不透的，它形成疏水性分子和离子的渗透屏障。,几乎所有的有机分子和带电荷的无机离子的跨膜转运，都需要细胞具有的一套特殊的膜转运蛋白。,脂双层的不透性,载体蛋白几乎存在于所有类型的生物膜上，属于多次跨膜蛋白。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。,当它与被运输的物质结合时，构象发生变化，把被装运物质从膜的一侧移至膜的另一侧，载体与溶质分离后，又恢复到原有的构象。,载体蛋白,通道蛋白,通道蛋白有三种类型：离子通道(ion channel)、孔蛋白(porin)以及水孔蛋白(AQP)。大多数是离子通道,离子通道的特征：,1. 极高的转运速率（,10,7,10,8,个离子/秒），运输方向顺电化学梯度进行,2. 离子通道没有饱和值,3. 离子通道并非连续性开放而是门控的，通道的开启或关闭受膜电位变化、化学信号或压力刺激的调控。,电压门通道,配体门通道（胞外配件）,配体门通道（胞 内配件）,应力激活通道,受控离子通道示意图，通道只有当蛋白质处于“开放”构型时才允许离子顺电化学梯度流动，,1.当膜去极化时才开放，,2、3，细胞内、外配体与它结合时才开放,。4，门的开关受机械力和外界挤压作用。,二、小分子物质的跨膜运输类型,根据跨膜转运是否需要膜转运蛋白参与以及细胞是否提供能量，跨膜运输分为三种类型：,（一）,简单扩散,（二）,被动运输,（三）,主动运输,（一） 简单扩散,物质以热运动的方式是指小分子物质从高浓度，顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，称为简单扩散(simple diffusion)。,不同分子通过人工脂双层的通透系数,色氨酸,葡萄糖,1.葡萄糖转运蛋白,主动运输是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转运的方式。,主动运输普遍存在于动、植物细胞和微生物细胞。,根据能量来源的不同，可分为：,1.,ATP驱动泵,2.,协同转运蛋白,3.,光驱动泵,（三）主动运输,1. ATP驱动泵,ATP驱动泵（ATP-driven pump）是ATP酶直接利用水解ATP提供能量，实现离子或小分子逆浓度或电化学梯度的跨膜运输。这种主动运输是一种能量偶联的化学反应过程，与ATP水解相偶联。每秒转运的离子数为10,0,10,3,不等。,3.光驱动泵,光驱动泵（light-driven pump）主要在细菌中发现，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联，如菌紫红质利用光能驱动H,+,的跨膜转运。,几种常见的主动运输泵,Na,+,-K,+,泵(Na,+,-K,+,ATPase) 大多数动物细胞的质膜,Ca,2+,泵(Ca,2+,ATPase) 真核细胞的质膜,H,+,泵(H,+,ATPase) 植物、真菌和某些细菌,的质膜,H,+,泵(H,+,ATPase) 动物细胞的溶酶体膜、,植物细胞的液泡膜,Na,+,-驱动的葡萄糖泵 肾和肠细胞的表面质膜,Na,+,-H,+,交换泵 动物细胞的质膜,细菌视紫菌素 某些细菌的质膜,第二节 ATP驱动泵与主动运输,根据泵蛋白的结构和功能特性，ATP驱动泵可分为四类：,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,一、P型泵,所有P-型离子泵（P-type pump）都有两个独立的催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的亚基，通常起调节作用。在转运离子过程中，至少有一个催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的跨膜转运。由于转运泵水解ATP使自身形成磷酸化的中间体，因此称作P型泵。,大多数P型泵都是离子泵，负责Na,+,、K,+,、H,+,和Ca,2+,跨膜梯度的形成和维持。,（一） Na,+,-K,+,泵,（二） Ca,2+,泵,（三）P型H,+,泵,（一） Na,+,-K,+,泵,Na,+,-K,+,泵又称,Na,+,-K,+,ATPase，位于动物细胞的质膜,中。由2个和2个亚基组成四聚体。它可以逆浓度梯度把细胞内Na,+,泵出细胞外，同时又把细胞外的K,+,泵入细胞内，建立细胞的电化学梯度。,一般动物细胞要消耗1/3的总ATP供钠钾泵工作以维持细胞,内高K,+,，胞,外高Na,+,，,这种状态的维持有很重要的生理意义。,a. 维持细胞膜电位。,b.维持动物细胞,渗透平衡。,c. 吸收营养,（二）Ca,2+,泵,在真核细胞的细胞质中Ca,2+,浓度极低（10,-7,mol/L)，而细胞外Ca,2+,浓度却高得多（约10,-3,mol/L)。细胞内外的Ca,2+,梯度部分是由细胞膜上的Ca,2+,泵维持的， Ca,2+,泵主动将Ca,2+,转运到细胞外。 Ca,2+,泵又称Ca,2+_,ATPase，它主要存在于细胞质膜和内质网上，它将Ca,2+,输出细胞或泵入内质网腔中贮藏起来，以维持细胞内低浓度的Ca,2+,。而在肌细胞中，Ca,2+,泵主要存在于肌浆网膜上， 对调节肌细胞的收缩与舒张十分重要。,Ca,2+,泵是由大约1000个氨基酸残基组成的跨膜蛋白，与Na,+,-K,+,泵的亚基同源，钙调节蛋白与之结合调节Ca,2+,的活性。Ca,2+,泵也与ATP 的水解相耦联，每消耗一个ATP分子转运出个Ca,2+,， 运输的机制与Na,+,-K,+,泵类似。,二、V型质子泵和F型质子泵,质子泵分三种类型：,P型,质子泵,V型,质子泵,F型,质子泵,P-型质子泵位于植物，真菌，细菌的质膜上，在转运H,+,的过程中涉及磷酸化和去磷酸化。,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、酵母和其他真菌细胞液泡膜上。（V为vesicle首字母）,所以又称膜泡质子泵。,转运H,+,过程中泵蛋白不形成磷酸化的中间体。利用ATP水解供能从细胞质基质中逆质子电化学梯度泵出质子进入细胞器，以维持细胞质基质pH中性和细胞器内的pH酸性。,四、ABC超家族,ABC（ATP binding cassette）超家族又称ABC运输蛋白，是一大类ATP驱动泵，已发现几百种不同的转运蛋白，广泛分布在从细菌到人类各种生物体中。,每种ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基团是有特异性的。这些底物可为：离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽、多糖甚至是蛋白质。,所有ABC蛋白都共享一种由四个“核心”结构域,组成的结构模式：,2个跨膜结构域（T），形成运输分子的跨膜通道；,2个胞质侧ATP结合域（A），具有ATPase活性。,细菌质膜含有大量透性酶，它们是依赖水解ATP供能从环境中逆浓度梯度摄取各种营养物的ABC蛋白。,现在哺乳类已发现大约 50种ABC小分子泵，如癌细胞具有抗药性，就是因为质膜上高表达一种多药抗性（multidrug-resistance, MDR）转运蛋白，这种蛋白能利用水解ATP的能量将各种药物从细胞质内转运到细胞外。这类药物大部分是疏水性小分子。,五、离子跨膜转运与膜电位,不同方式的物质跨膜运动，其结果是产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些带电荷的物质特别是离子来说，就形成了膜两侧的电位差形成膜电位。,静息电位(resting potential): 细胞在静息状态下的膜电位。,动作电位(active potential): 细胞在刺激作用下行使通讯功能,的快速变化的膜电位。,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,真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多糖、多核苷酸、多糖等。在转运过程中，物质包裹在脂双层包被的囊泡中，因此又称膜泡运输，还称为批量运输。,一、胞吞作用的类型,胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡，称胞吞泡（endocytic vesicle）。根据胞吞泡形成的分子机制不同和胞吞泡大小差异，胞吞作用可分为两种类型：,（一）,吞噬作用,(phagocytosis),胞吞物为大的颗粒性物质（如微生物和细胞碎片），形成的囊泡较大,（二）,胞饮作用,(pinocytosis),胞吞物为溶液，形成的囊泡较小,1. 胞吞泡大小不同，胞饮泡直径一般小于150nm，,而吞噬泡直径往往大于250nm。,胞饮作用是一种连续发生的组成型过程,(constitutive process),，而吞噬作用是一个信号触发过程（,triggered process,）,胞吞泡形成的机制不同。胞饮泡的形成需要,网格,蛋白,或者这一类蛋白的帮助，而吞噬泡的形成需要,微丝及其结合蛋白,胞饮作用与吞噬作用的主要3点区别：,二、胞饮作用,胞饮作用可分为：,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,非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用,根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用（receptor mediated endocytosis）和非特异性的胞吞作用。,受体介导的胞吞作用,是一种选择性浓缩机制，即可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体，与非特异性胞吞作用相比，可使特殊大分子的内化效率增加1000多倍。,网,格,蛋,白,转胞吞作用（transcytosis）,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,（二）胞吞作用对信号转导的激活,三、胞吐作用（exocytosis）,胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其它某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。,胞吐作用有两种基本类型：,组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）,调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）,所有真核细胞都有从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动，并与膜融合的稳定过程，通过这种基本型的分泌途径，新合成的囊泡膜蛋白和脂类不断地供应质膜更新，正是这条途径确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜的外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。,真核细胞除了组成型的分泌途径之外，特化的分泌细胞还有一种调节型分泌途径，这些分泌细胞产生的激素、粘液、消化酶等分泌物储存在分泌泡内，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。,无论是内吞作用还是外排作用，都涉及到膜的融合过程和囊泡准确到达靶膜，正常的细胞膜不能自发的融合，只有在除去膜表面的水分，使得距离近至1.5nm,才能发生膜融合，因此推测在细胞内吞或外排过程中有某种膜融合蛋白参与催化，以克服质膜融合过程中的能量障碍。,此外，某些病毒包膜蛋白在较低pH时，具有催化膜融合的功能。,近年来，哺乳动物细胞的融合蛋白已被鉴定，在受精过程中具有催化精子和卵细胞膜融合的作用。,