第五章物质的跨膜运输-细胞生物学

第五章物质的跨膜运输,内容提要,第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输一、脂双层的不通透性和膜转运蛋白二、被动运输和主动运输第二节离子泵和主动运输一、离子泵二、超家族三、离子跨膜转运与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,第一节膜转运蛋白与物质的跨膜运输,细胞进行的物质运输有三种不同的范畴：,细胞运输(cellulartransport)这种运输主要是细胞与环境间的物质交换胞内运输(intracellulartransport)是真核生物细胞内膜性细胞器与细胞内环境进行的物质交换跨细胞运输(transcellulartransport)这种运输是物质穿越细胞的运输,物质通过质膜的三种主要途径,被动运输主动运输胞吞作用与胞吐作用,人工脂分子的透性,疏水分子：O2、N2、苯,小的不带电荷的极性分子：水、尿素、甘油,大的不带电的极性分子：葡萄糖、蔗糖等,离子：Na+、H+、K+、HCO3、Ca、Cl,一、脂双层的不透性和膜转运蛋白,在活细胞中质膜对物质的通透有高度的,选择性,细胞膜,与人工脂双分子膜一样，能通过简单扩散透过水、非极性分子；还能透过各种极性分子和无机离子如：核苷酸、糖、氨基酸；,（一）载体蛋白及其功能P68,膜转运蛋白,载体蛋白通道蛋白,脂双层,浓度下降,（二）通道蛋白,一般认为它是横跨质膜形成的亲水的通道，能使适宜大小的分子及带电荷的溶质通过。,脂双层,亲水部分,疏水部分,离子通道,压力激活通道,细胞内外配体门控,电压门控,离子选择性:门控性:,A.配体门通道离子通道型受体,B.电压门通道细胞内外特异离子浓度发生变化时或其它刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。,正常膜电位,正常膜电位被电流刺激破坏,通道关闭,通道开启,通道失活,C:压力激活通道机械门通道,各种各样的机械力刺激，将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应。,二、被动运输,1、概念:P71顺浓度梯度；不消耗能量2、类型:,简单扩散（自由扩散）:顺浓度梯度，不耗能，不需要膜蛋白。协助扩散（促进扩散）:顺浓度梯度，不耗能，需要膜蛋白。,（一）、简单扩散,简单扩散,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。,1、简单扩散的限制因素,脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快,相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散,物质的带电性:不带电荷的极性分子,（二）水孔蛋白（Aquaporin，AQP）：水分子的跨膜通道,1991年，Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28,（三）、协助扩散P71,特异的膜转运蛋白“协助”物质转运,促进扩散的速度要快几个数量级具有饱和性:当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高。具有高度的选择性:如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。,1、协助扩散同简单扩散相比，具有以下一些特点：,（四）、主动运输,（一）概念：由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度的跨膜转运方式。,主动运输,特点：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。能量来源：协同运输中的离子梯度动力；ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,主动运输类型,浓度梯度,光驱泵蛋白,ATP-驱动泵蛋白,偶联载体,第二节ATP驱动泵和主动运输,ATP驱动泵分类：P型离子泵V型质子泵F型质子泵ABC超家族,P型离子泵(P74),对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。,（一）、钠钾泵动物细胞的质膜,是Na+-K+ATP酶,由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体.,Na+电化学梯度,细胞外,K+电化学梯度,K+结合位点,胞质溶胶,Na+结合位点,一、P型离子泵,工作原理:,细胞外,胞质溶胶,ATP将泵蛋白磷酸化,K+的结合使泵蛋白去磷酸化,细胞必须进行渗透压调节(P75),细胞以不同的方式避免被涨破,Na+-K+泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境；维持细胞的静息电位；吸收营养。乌苯苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,（二）、钙泵(P75)及其他P型离子泵,Ca2+ATP酶,H+泵(P76)植物细胞、真菌和细菌细胞质膜,H+ATP酶，建立跨膜的H+电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞,质子泵,1、P-type：如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。3、F-type：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。,P-型泵,V-型泵,定子,转子,F-型泵：H+-ATP酶,三、ABC超家族,ABC超家族（ABCsuperfamily）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名ABC转运器。,MammalianMDR1protein,第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。,FourtypesofATP-poweredpumps,四、协同运输（cotransport)偶联转运,概念:特点：靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。,协同运输分为：同向协同和反向协同,1、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。2、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。,小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图,葡萄糖浓度：高,低,低,葡萄糖,Na+-驱动同向转运将葡萄糖引入细胞,载体蛋白介导的被动转运将葡萄糖送出细胞,小肠肠腔,小肠上皮细胞,Na+-K+泵,小肠上皮细胞微绒毛,细胞外体液,三、被动运输与主动运输比较,主动转运,被动转运,浓度梯度,载体蛋白,通道蛋白,被转运的分子,简单扩散,通道蛋白介导,载体蛋白介导,第三节胞吞作用和胞吐作用,膜泡运输批量运输主动运输,真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。因货物包被在囊泡中，又称膜泡运输。,一、胞吞作用细胞外物体（或大分子物质）进入细胞内的渠道,胞吞作用,胞吞泡,胞饮作用,吞噬作用,胞饮泡吞噬泡,1.胞饮作用与吞噬作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,吞噬作用：巨噬细胞正在吞噬死亡的红细胞,伪足边缘,吞噬作用：嗜中性细胞正在吞噬分裂中的细菌,细菌,伪足,细胞质膜,噬中性细胞,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,胞饮作用,胞饮作用：卵细胞正在摄取脂蛋白,1,3,4,2,细胞内,细胞外,网格蛋白,脂蛋白球,胞饮泡形成机制,网格蛋白分子三角蛋白体（triskelion）,三角蛋白体的可能结构组成含三个轻链和三个重链,由36个三角蛋白体组成的网格蛋白包被（电镜图）,网格蛋白,网格蛋白小泡的组装和拆卸,衔接蛋白,裸露的转运小泡,货物蛋白受体,出芽形成,货物蛋白质,网格蛋白,小泡形成,蛋白质包被组装;货物蛋白质选择,有被小泡,发动蛋白,脱包被,具选择性,细胞质基质,二、受体介导的胞吞作用,细胞吸收胆固醇：胆固醇在血管里以胆固醇酯存在于脂蛋白颗粒中，叫做“低密度脂蛋白（LDL，lowdensitylipoproteins）”,胆固醇分子,胆固醇酯分子,磷脂单层,蛋白质分子的表面突出,一个LDL颗粒,细胞以受体为媒介输入胆固醇（2）,受体通过胞吞作用进入细胞后的命运,1、再循环（recycling）：受体返回到原来的细胞质膜区域2、转包吞作用（transcytosis）受体被转运到细胞质膜的不同区域3、降解（degradation）：胞内体接受水解酶后演变成溶酶体,受体被降解,细胞质膜的顶端区域,细胞质膜的基部（侧面）区域,胞吞作用,转运小泡,溶酶体,胞内体,再循环,胞吞转运,降解,三、胞吐作用（外排作用）细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过质膜运出细胞的过程。,新合成的细胞质膜脂类,不受控制的膜融合,组成型（不受调控）胞吐途径,信号分子，如激素和神经递质等,调节型