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,据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。细胞膜上两类主要的转运蛋白：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨霉素。通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。,2,3,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）、脂双层的不通透性（二）、载体蛋白及其功能（三）、通道蛋白及其功能,6,（一）脂双层的不同透性,典型哺乳动物细胞内外离子浓度的比较,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（membranetransportprotein）即参与质膜上物质跨膜转运的蛋白质，包括载体蛋白（transporter,carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）两类。,（二）、载体蛋白及其功能,载体蛋白（carrierproteintransporter）：存在于细胞膜上的一种具有特异性传导功能的蛋白质，与特异的溶质结合，通过自身构象的改变介导物质跨膜转运。不同部位的生物膜含有与各自功能相关的载体蛋白。作用：介导顺/逆浓度或电化学梯度的运输载体蛋白既可介导被动运输，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,载体蛋白的举例,（二）、通道蛋白及其功能,通道蛋白（channelprotein）：存在于细胞膜上的一种跨膜蛋白质，通过形成亲水性通道介导特异溶质的跨膜转运，其所介导的被动运输不需要与溶质分子结合。通道蛋白包括3种类型：离子通道（ionchannel）、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。,12,通道蛋白的特点和分类,特点分类,13,1.特点,具有极高的转运速率没有饱和值并非连续性开放，而是门控的,14,2.分类,离子通道孔蛋白水孔蛋白/水通道,1）离子通道,配体门通道电位门通道应力激活通道,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,17,I.配体门通道,特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变，“门”打开，又称离子通道型受体分类：阳离子通道，如乙酰胆碱受体；由4种亚单位（2）组成，亚单位是同两分子Ach相结合的部位。阴离子通道，如-氨基丁酸受体。,18,Nicotinicacetylcholinereceptor,19,Threeconformationoftheacetylcholinereceptor,20,II.电位门通道,特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。电位门结构：四聚体，每个单体跨膜6次。Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。,21,VoltagegatedK+channel,K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠(P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感受器,22,K+channel,4thsubunitnotshown,23,Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,24,环核苷酸门通道,CNG结构与钠电位门通道相似。细胞内的C末端较长，有环核苷酸的结合位点。分布于化学和光感受器中。如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。,25,III.机械门通道,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道：一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。另一类对剪切力敏感，仅见于内皮细胞和心肌细胞。,26,应力激活通道,通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子。声音的振动推开压力门控通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。,27,内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。,2）孔蛋白,孔蛋白是存在于细菌质膜的外膜、线粒体和叶绿体的外膜上的通道蛋白,它们允许较大的分子通过,其中线粒体孔蛋白可通过的最大分子为6000道尔顿,而叶绿体的孔蛋白则可通过相对分子质量在10,000到13,000之间的物质。孔蛋白是膜整合蛋白,它的膜脂结合区与其他的跨膜蛋白不同,不是螺旋,而是折叠。膜孔蛋白就是细胞膜上的孔蛋白。,29,3）水通道,1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD），CHIP28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。,水孔蛋白（AQP1）分布与结构示意图,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）,32,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,PeterAgre,RoderickMacKinnon,二、小分子物质的跨膜运输类型,（一）、被动运输（passivetransport）（二）、主动运输（activetransport）,跨膜运输类型,（一）、被动运输,简单扩散易化扩散,1.简单扩散,简单扩散（simplediffusion）：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（electrochemicalgradient）：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。不同性质的小分子物质跨膜运动的速率差异极大。,37,简单扩散特点,也叫自由扩散（freediffusion）：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。,不同性质的分子通过无膜转运蛋白的人工脂双层,39,人工膜对各类物质的通透率,脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透过；非极性分子比极性容易透过；极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层;人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。,2.易化扩散/协助扩散/促进扩散,易化扩散（passivetransport）：是指非脂溶性物质或亲水性物质，如氨基酸、糖和金属离子等在膜转运蛋白（通道蛋白或载体蛋白）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（facilitateddiffusion）。不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。,41,特点,转运速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。,42,（三）、主动运输,主动运输（activetransport）的概念主动运输分类,1.主动运输的概念,主动运输（activetransport）：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。是一种需要消耗能量的物质跨膜运输过程。,45,主动运输的特点,逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；都有载体蛋白。,2.主动运输的分类,ATP驱动泵（ATP-drivenpump）协同转运蛋白（cotransporter）光驱动泵（light-drivenpump）,主动运输3种类型,1）ATP驱动泵,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）。,协同转运蛋白,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）。,50,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。反向协同（antiport）如Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-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。,3）光驱动泵,对物质的主动运输与光能的吸收相偶联（如菌紫红质）。,52,Glucoseisabsorbedbysymport,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。,55,FourtypesofATP-poweredpumps,一、P型泵,P型泵（P-typepump）：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-typeH+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,58,由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程。总的结果是每一循环消耗1个ATP；转运出3个Na+，转进两个K+。,59,钠钾泵机制,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,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,Ca2+泵（Ca2+pump）P型H+泵（P-typeH+pump）,1.Ca2+泵,通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），这种浓度差由钙泵维持。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。,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,65,2.P型H+泵,植物细胞、真菌和细菌细胞、泌酸细胞质膜上无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。,二、V型质子泵和F型质子泵,V型质子泵（V-typeprotonpump）：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-typeprotonpump，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（ATPbindingcassettesuper-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。,原核细胞（A）和真核细胞（B）ABC超家族结构与工作示意图,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、离子跨膜转运与膜电位,膜电位（membranepotential）：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（restingpotential）：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（activepotential）：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）。详见生理学有关内容,离子流与动作电位的关系示意图,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,共同特点,双向、特异、有序、化学修饰,一、胞吞作用的类型,膜泡运输（vesiculartransport）：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）,膜泡运输过程中，囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为囊泡转运。,胞吞作用的类型,（一）、吞噬作用,吞噬作用（phagocytosis）：针对胞外较大的颗粒性物质和细胞碎片的胞吞作用。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（endocyticvesicle）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,（二）、胞饮作用,胞饮作用（pinocytosis）的概念胞饮作用的分类,1.胞饮作用的概念,胞饮作用（pinocytosis）：针对胞外生物大分子或液体物质的胞吞作用。,2.胞饮作用的分类,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特异性，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,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-coatedpit）。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,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（receptormediatedendocytosis）：通过网格蛋白有被小泡从胞外基质摄取特定大分子途径。被转运的大分子物质与细胞表面互补性受体结合，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,受体介导的胞吞作用（receptormediatedendocytosis）：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。,86,大分子物质运输中的三种有被小泡,网格蛋白（clathrin）COPICOPII,87,(1)网格蛋白（clathrin）,冷冻蚀刻技术发现，有被小凹和小泡上的外被呈网格样结构，这种物质由几种蛋白组成，其中一种就是网格蛋白。网格蛋白在进化上高度保守，分子由3条大肽链和3条小肽链形成三足结构，许多三足结构再组装成六边形或五边形的网格样结构。网格蛋白位于转运小泡的表面，大大提高了小泡的表面张力。,88,89,90,91,COPI衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。,（2）COPI,92,COPII主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COPI的衣被小泡，酵母COPII衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。,（3）COPII,93,不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。,2）胞膜窖依赖的胞吞作用,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。,3）大型胞饮作用,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。,4）非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用,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,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（constitutiveexocytosispathway）：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