物质的跨膜运输.ppt

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,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。 被动运输：简单扩散、协助扩散 跨膜运输 主动运输：Na+-K+泵、Ca2+泵、协同运输 胞吞作用：胞饮作用、吞噬作用 膜泡运输 胞吐作用,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 二、小分子物质的跨膜运输类型,一、脂双层的不透性与膜转运蛋白,（一）、载体蛋白及其功能 （二）、通道蛋白及其功能,物质运输的船与桥,物质运输的船与桥,载体蛋白 船,通道蛋白 桥,典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较（表5-1）,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）：与特异的溶质结合，通过自身构象的改变介导物质的跨膜转运。 不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。 载体蛋白即可介导被动运输，又可介导主动运输。具有通透酶（permease）性质。,载体蛋白的特点： 有特异性的结合位点； 转运过程具有类似酶与底物作用的饱和动力学特征； 可被竞争性抑制和非竞争性抑制以及对pH有依赖性。,载体蛋白通过构象改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的模型（图5-1）,载体蛋白的举例（表5-2）,（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。 通道蛋白包括3种类型：离子通道（ion channel）、孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。 特征：通道蛋白形成高效性、选择性和门控性的跨膜通道。,通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，它横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和电荷适宜的离子通过。,大多数的水分子通过直接扩散进入细胞，但也有一部分水是通过蛋白通道进行扩散的。水的蛋白通道称为水通道蛋白（ aquaporin）。目前在动物细胞中已鉴定了水通道蛋白家族中的6个成员。,3种类型的离子通道示意图（图5-2）,A：电压门通道 B、C：配体门通道 D：应力激活通道,二、小分子物质的跨膜运输类型,（一）、简单扩散（simple diffusion） （二）、被动运输（passive transport） （三）、主动运输（active transport）,跨膜运输类型（图5-3）,疏水的小分子和小的不带电荷的极性分子在以简单扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也不需要膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。,在简单扩散中，膜对于分子的通透性主要取决于分子的大小和分子的极性。小分子比大分子易穿膜，非极性分子比极性分子易穿膜。,不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层（图5-4）,（二）、被动运输,被动运输（passive transport）：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 ）。 特点：转运动力来自物质的浓度梯度或电化学梯度，不需要细胞提供代谢能量。,水孔蛋白（AQP1）分布与结构示意图（图5-5）,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（表5-3）,（三）、主动运输,主动运输（active transport）：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。 主动运输常可分为3种类型：ATP驱动泵（由ATP直接供能）、协同转运蛋白（由ATP间接供能）和光驱动泵,主动运输3种类型,1. ATP驱动泵（ATP-driven pump）：能直接把ATP水解（ATPase）并利用该能量介导离子或小分子物质逆电化学梯度或浓度梯度进行跨膜运输的载体蛋白（泵）。 2.协同转运蛋白（cotransporter）：介导两种物质协同（偶联）跨膜运输的两类跨膜转运蛋白，是一种间接消耗ATP的主动运输过程。 一般前一种跨膜转运蛋白负责逆梯度跨膜运输一种物质，后一种跨膜转运蛋白则负责顺梯度跨膜运输另一种物质，两者偶联起来进行。两种物质运输方向相同者称为同向协同转运蛋白（symporter），相反者则称为反向协同转运蛋白（antiporter）。 光驱动泵（light-driven pump）：对物质的主动运输与光能的吸收相偶联（如菌紫红质）。,主动运输3种类型（图5-6）,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（图5-7）,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）： 所有P型泵都有2个独立的催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个起调节作用的小的亚基。由于这类转运泵水解ATP使自身形成磷酸化（phosphorylation）的中间体，因此称为P型泵。大多数P型泵都是离子泵。 （一）、 Na+-K+泵 （ Na+-K+ pump ） （二）、Ca2+泵（ Ca2+ pump）和P型H+泵（ P-type H+ pump）,（一）、 Na+-K+泵,Na+-K+泵（ Na+-K+ pump ）：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。 1. Na+-K+泵结构与转运机制 2. Na+-K+泵主要生理功能,Na+-K+泵的结构（A）与工作模式（B）示意图（图5-8）,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（图5-9）,Na+-K+泵主要生理功能： 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+的离子环境，其意义如下： （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）,（二）、Ca2+泵和P型H+泵,1. Ca2+泵（ Ca2+ pump） Ca2+泵工作与ATP水解相偶联，每消耗1分子ATP，从细胞质基质中泵走2个Ca2+。 细胞质基质中低Ca2+浓度的维持主要得益于质膜或内质网膜上的Ca2+泵将Ca2+泵到细胞外或内质网腔内。如在肌细胞中，Ca2+泵将Ca2+从细胞质基质泵到肌质网内。 2. P型H+泵（ P-type H+ pump） 植物细胞、真菌和细菌细胞质膜上虽无Na+-K+泵，但有P型H+泵。 P型H+泵将H+泵出细胞，建立和维持跨膜的H+电化学梯度，并用来驱动协同转运或使得细胞周围环境呈酸性。,肌质网Ca+泵转运Ca+前（A）和后（B）的工作模型（图5-10）,N: 核苷酸结合部位 P: 磷酸化部位 A: 活化部位,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 ，F1F0-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factor的首字母）。 F型质子泵常利用质子动力势合成ATP。 V型质子泵和F型质子泵比P型泵结构更复杂，在功能上都只转运H+，但在转运过程中不形成磷酸化的中间体。,三、ABC超家族,ABC超家族 ：ABC超家族（ ATP binding cassette super-family）即ATP结合盒超家族，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。 ABC转运蛋白结构：所有ABC转运蛋白（1条到多条肽链）共享一种由4个“核心”结构域组成的结构模式：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。 每种ABC转运蛋白对于底物或底物的某些基团有特异性。 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。,ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。,原核细胞（A）和真核细胞（B）ABC超家族结构与工作示意图（图5-11）,ABC转运蛋白工作模式： （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。,四类ATP驱动的离子和小分子运输泵的比较,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，（此时Na+ 和K+电压门控通道都关闭，Na+ -K+泵不工作），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）。详见生理学有关内容,离子流与动作电位的关系示意图（图5-12）,A：动作电位的产生和膜电位改变 B：动作电位产生过程中，膜通透性改变 C：动作电位产生过程中，离子通道开启与关闭示意图,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,一、胞吞作用的类型,膜泡运输（vesicular transport ）：以膜泡的形式将蛋白质、脂分子等物质从细胞一个区间转运到另一个区间 。 胞吞作用（endocytosis ）：通过质膜内陷形成膜泡，将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹到膜泡内并转运到细胞内（吞噬作用和胞饮作用）。 （一）、吞噬作用（phagocytosis） （二）、胞饮作用（pinocytosis）,胞吞作用的类型（图5-13）,（一）、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。 胞吞泡（endocytic vesicle）与吞噬体（phagosome）：胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡，称胞吞泡；通过吞噬作用形成的胞吞泡称吞噬体。,抗体诱发的吞噬作用（图5-14）,（二）、胞饮作用（1）,胞饮作用（pinocytosis）：针对胞外生物大分子或液体物质的胞吞作用。胞饮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。 1. 网格蛋白依赖的胞吞作用（ clathrin dependent endocytosis ） 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）。网格蛋白介导高尔基体到溶酶体的小泡以及胞吞泡等的形成过程。 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。 网格蛋白依赖的胞吞作用：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,通过网格蛋白包被膜泡介导的选择性运输示意图（图5-15）,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被降解。胞内体（具有质子泵）被认为是胞吞物质的主要分选站，其中的酸性环境在分选过程中起着关键作用（被吞物到溶酶体降解，受体返回质膜、入溶酶体或运至另一侧质膜跨细胞转运）。,LDL（低密度脂蛋白）通过受体介导的胞吞作用进入细胞（图5-16）,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。,（二）、胞饮作用（2）,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）：被转运分子胞膜窖（脂筏区）膜泡（窖蛋白包被） 膜窖体（胞内体样细胞器）（分选）/质膜另一侧 胞膜窖的形成部位位于质膜的脂筏区域；胞膜窖所在部位含大量信号转导的受体和蛋白激酶，暗示胞膜窖很可能发挥一种信号转导平台的作用。 （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。 质膜皱褶形成依赖微丝及其结合蛋白；胞吞泡比较大；启动大型胞饮作用和其它生理功能的受体位于很多类型的细胞表面。 （3）、非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用（ clathrin and caveola independent endocytosis ）：如位于淋巴细胞膜上的白介素-2（interleukin-2，IL-2）受体介导的胞吞作用属于此类。,二、胞吞作用与细胞信号转导,胞吞作用不仅调控细胞对营养物的摄取、病原菌的吞噬、质膜构成，还参与细胞信号转导。 （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。这种调节作用称为受体下行调节。这种调控与受体的泛素化（ubiquitination）有关。 （二）、胞吞作用对信号转导的激活（图5-17） 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（图5-17）,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,胞吐作用 （exocytosis ）：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。 组成型胞吐途径（ constitutive exocytosis pathway ）：新合成的蛋白质和脂质在高尔基体反面管网区（TGN）形成分泌泡后，连续不断地稳定地流向质膜，并与之融合，供应质膜更新，囊泡内可溶性蛋白则分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，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。 调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway）：特化分泌细胞产生的分泌物（如激素、消化酶或黏液）先储存在细胞质周边的分泌泡内，当细胞在受到适宜的胞外信号刺激后，分泌泡才与质膜融合并将内含物释放到细胞表面或细胞外。 有关胞吐作用的