细胞生物学物质的跨膜运输重要参考

Chapter 5 Membrane Transport Mechanisms,LOW,除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子能够以简单扩散的方式直接通过脂双层，脂双层对绝大多数分子是高度不通透的，需要特殊的膜转运蛋白的参与。 活细胞内外的离子浓度是明显不同的。内外浓度的差别主要由两种机制调控。一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性，二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水特征。,Transport,Simple diffusion,Osmosis,Facilitated transport,Cotransport,Activetransport,Sodium-Potassium Pump,Ca2+ pump Proton Pump,Symport,Aniport,Exocytosis and endocytosis,不需要能量，自发发生动力来自浓度差别，不需要外界帮助，顺浓度剃度运输,5. 1 Passive transport,需要能量低浓度运输导高浓度，逆浓度转运蛋白参与,Active transport,5.1.1 Diffusion,If a concentration gradient exists, there will be a net flow of material across the membrane,高,低,5.1.2 Osmosis 渗透,Hypotonic低渗,Hypertonic高渗,水孔蛋白水分子不带电荷但是具有极性，可以通过简单扩散进入细胞膜水分子通过水孔的快速跨膜转运是非常重要的。水孔蛋白是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织细胞中，提供水分子快速跨膜的通道。由四个亚基组成的四聚体，每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔。水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道。,isotonic,hypotonic,hypertonic,等渗,5.1.3 Facilitated Diffusion协助扩散,Transport proteins Go along the concentration grade Require no energy,比简单扩散转运速率高 很多。存在最大转运速率。不同分子转运系数不同。不同载体蛋白具有对转运物质的偏好性,Transport Proteins are specific,Membrane Trans. Protein,A Carrier protein,B Channel protein,A Carrier protein,参与主动与被动运输物质与其结合，结合具有特异性构象发生改变运输物质,B Channel protein,仅存在与被动运输 物质不与其结合,Types of channel protein or ion channel,具有三个显著的特征,是亲水性的跨膜通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。只能介导顺浓度梯度（电化学梯度）的被动运输。对离子的选择性依赖于离子通道的直径和形状。可以高效转运离子。离子通道没有饱和值。离子通道非连续开放而是门控性通道。,Brief summary of passive transport,第二节 离子泵和协同转运,一 、 P型离子泵所有的P型离子泵都有两个独立的a催化亚基,具有ATP结合位点。绝大多数还有两个小的亚基,发挥调控作用.在离子转运中, 至少一个a催化亚基发生磷酸化和去磷酸化,形成磷酸化中间体,因此称为P型离子泵。,（一）钠钾泵：,Na+- K+泵实际上就是Na+-K+ ATP酶，由2个亚基、2个亚基组成的四聚体，分布于动物细胞的质膜上。亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP酶活性、Na+、K+结合位点；亚基是具有组织特异性的糖蛋白，不直接参与离子的跨膜转运，但帮助新合成的亚基进行折叠。,Charged particle cloaked with water molecules, can not get through,Na+Cl-K+H+,Large molecules, also cloaked with water molecules, can not get through,Nucleotides,Amino acids,Carrier proteinsGo against the concentrationRequire Energy,Three ways of driving active transport.,Cotransport,Active transport,Sodium-Potassium Pump,Ca2+ pump Proton Pump,symport,aniport,Exocytosis and endocytosis,5.2.1 Sodium-Potassium Pump,Sodium/Potassium pumpMade of 2 large and 2 small subunits2 large units span membrane inside region: contains ATP binding siteinside: binding sites for Naoutside: binding site for K,How does it work?,Sodium-Potassium Pump,http:/www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit1/eustruct/sppump.html,1. 钠钾泵工作原理：,在膜内侧，3 个Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶自身被磷酸化；酶构象发生改变，与Na+结合的部位转向膜外侧；向胞外释放3 Na+并与2 K+结合，K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化；酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧；向胞内释放K+，并又重新与Na+结合。1000次/秒高速运转。总的结果是每一消耗一个ATP；输出3个Na+ ，输入 2个K+ 。使细胞外带正电荷。,2. 钠钾泵生理作用,有利与神经冲动的传播维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积；抵消了细胞内外的Na+、K+扩散，维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位，为协同运输提供驱动力；胞外高浓度的Na+代表大量的能量积累，用于维持紧急情况下Na+驱动的其他运输。可对Na+-K+泵产生作用的因子：少量乌本苷（ouabain）等可抑制Na+-K+泵活性；Mg2+ 、少量的膜脂有助于提高Na+-K+泵的活性；生物氧化剂如氰化物使ATP供应中断Na+-K+泵停止工作。,Question: Compare with glucose transport by facilitated transport and active transport ?,Ca2+ pump,Ca2+ concentration ： exterior cell :10-3M interior cell : 10-7M(free Ca2+ ),钙泵（Ca2+pump）又称为Ca2+-ATP酶，跨膜蛋白，进化上与Na+-K+泵的亚基同源。分布在质膜和肌细胞内质网膜。维持细胞内较低的Ca2+浓度（胞内浓度10-7M，胞外10-3M）。作用机制：原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP，泵出2个Ca2+，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来。,二 、V型质子泵和F型质子泵,1. V型质子泵：位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，将逆H+化学梯度将H+泵入细胞器，以维持质膜的中性和细胞器内的酸性。转运H+时不产生磷酸化中间体。2. F型质子泵：是由许多亚基构成的管状结构。位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。H+顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成相耦联。又称用H+ATP合酶。,三 、ABC超家族,含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布于从细菌到人类的各种生物体中。每种ABC蛋白对于单一底物或相关底物的基团具有特异性。共有的核心结构域：2个跨膜结构域（T）,形成运输分子的跨膜通道并决定每个ABC蛋白底物特异性；2个胞质侧ATP结合域（A），成员之间享有3040%同源序列。,cooperation,四 、协同运输,Symport,Aniport,Sodium-Potassium Pump or H PumpCarrier protein ATP,1. 定义：是由Na+-K+泵（H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式，又叫偶联运输。能量来自膜两侧的离子浓度梯度（电化学梯度）。动物细胞中常常利用膜两侧Na+梯度；植物细胞和细菌常利用H+梯度。,2. 协同运输的分类,共运输：物质运输方向和离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收伴随着Na+的进入；某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+ 的进入。 对向运输：物质运输方向和离子转移方向相反，物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。动物细胞常通过Na+/H+ 对向协同运输的方式来转运H+ ，以调节细胞内的PH值。,五 、离子跨膜转运与膜电位,1. 静息电位：细胞在静息状态下的膜电位。2. 动作电位：在外界刺激作用下产生的行使通讯功能的快速变化的膜电位。3. 极化：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，这种现象称为极化。,第三节 胞吞与胞吐作用,5.3.1 Endocytosis 胞吞5.3.2 Exocytosis 胞吐5.3.3 运输小泡与靶膜融合,5.3.1 Endocytosis一 、胞饮作用与吞噬作用1. 批量运输：大分子和颗粒性物质（如蛋白质、多核苷酸、多糖等），运输过程涉及膜泡的融合和断裂，需要消耗能量，属于主动运输。可以同时转运一种或者几种数量不等的大分子或颗粒，因此又称批量运输（bulk transport）。,2.胞吞作用（endocytosis）,定义：是通过细胞膜内陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），将外界物质输入细胞。根据摄入物质的类型以及胞吞泡大小分为胞饮作用（pinocytosis）和吞噬作用（phagocytosis）。,A Pinocytosis 饮液(作用) Continuous progress Liquid material Diameter 150nmB Phagocytosis噬菌作用 Trigger progress Large particles Diameter 250 nmvesicle forming mechanism is different,Endocytosis,二 、受体介导的胞吞作用,根据胞吞作用是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。,Receptor mediated endocytosis,No specific endocytosis,A Endocytosis,Pinocytosis: Endocytic vesicle forming mechanism,1. 原理：膜上受体去选择性识别被转运的物质，通过形成网格蛋白有被小泡进行运输。是一种选择浓缩机制，既可摄入特定的大分子，同时避免吸入大量胞外液体。2. 摄取物质：动物细胞摄取胆固醇；鸟卵细胞摄取卵黄蛋白；肝细胞摄取转铁蛋白；胰岛素进入细胞；巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌、衰老细胞的识别和摄入、VB12、铁的摄取。,3. 胞内体：动物细胞内由膜包围的细胞器，具有酸性环境，是膜泡运输的分选站，主要作用为运输由胞吞作用新摄入的物质导溶酶体降解。受体与转运的物质在此分离。,5 受体命运,大部分回到质膜重新利用,少数进入溶酶体，受体下降调节 (receptor down regulation),少数运输到质膜不同区域,6. 转胞吞作用：受体和配体不作任何处理，内吞物从极性细胞一侧转到相反的方向。母乳喂养之所以可以给宝宝抗体正是转胞吞作用原理实现的。,Endocytosis,B Phagocytosis,Need microfilament and bind proteinSpecial cells have this function,5.3.2 Exocytosis,Exocytosis A Constitutive exocytosis 组成型胞吐 Scope :exsist in all type cell Mechanism:default pathway B Regulated exocytosis pathway 调控型胞吐 Scope:exist in some special cell,1. 组成型胞吐途径（constitutive exocytosis pathway）存在于所有真核细胞中，是一个连续发生的过程。主要从高尔基体反面管网区分泌的囊泡持续不断地向质膜流动并与之融合。主要具有两种主要功能。一是囊泡膜的蛋白和脂类不断供应质膜的更新；二是囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，成为质膜外周蛋白、胞外基质组分、营养成