山东大学细胞生物学第五章细胞膜与物质运输

第五章细胞膜与物质运输,质膜运输物质的两种方式膜泡运输：运输大分子和颗粒物质穿膜运输：运输离子与小分子,本章重点:膜泡运输：吞噬作用、受体介导内吞作用穿膜运输：被动运输、主动运输,第一节膜泡运输膜泡运输过程中有膜性小泡包裹着大分子或颗粒物质。,颗粒和大分子物质进出细胞称吞排作用(cytosis)一、内吞作用endocytosis：2种方式二、外排作用exocytosis,一、内吞作用(endocytosis)通过质膜的变形运动将细胞外颗粒或大分子物质包裹在囊泡内运输入细胞内的过程。包括吞噬作用和胞饮作用。,1.吞噬作用（phagocytosis）,细胞内吞入较大的固体颗粒的过程。摄入颗粒物质形成吞噬体（phagosome）过程：吸附+吞进颗粒物质吸附于细胞表面接触区域细胞膜形成伪足颗粒物质被包裹进入细胞质与溶酶体融合，吞噬物被分解,中性粒细胞吞噬细菌,巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞,吞噬作用只限于几种特殊的细胞类型单细胞真核生物如变形虫(Amoebae)等,通过吞噬作用从周围环境中摄取营养。在高等动物细胞中，吞噬作用是一种保护措施而非摄食的手段。如：巨噬细胞和中性粒细胞，它们通过吞噬菌体，摄取和消灭感染的细菌、病毒以及损伤的细胞、衰老的红细胞。,2.胞饮作用（pinocytosis）,细胞吞入大分子物质或极微小颗粒物质的运输方式摄入液态可溶大分子或极微小颗粒。进入细胞内的物质形成胞饮小泡（pinocyticvesicle）；小于150nm,（1）受体介导内吞(Receptor-mediatedendocytosis)：1、定义：质膜上的受体参与的从胞外吸收专一性的大分子和颗粒物质的过程称为受体介导的内吞2、内吞过程，参与此过程的两种蛋白：成笼蛋白(Clathrin)和衔接蛋白(Adaptin)。,衣被成笼蛋白(clathrin)形成三腿蛋白复合物，是衣被的基本结构单位。由多个三腿蛋白复合物聚合形成五边形或六边形的笼状结构覆盖于有被小窝或有被小泡的胞质面，形成衣被。,成笼蛋白,衣被小泡（coatedvesicle）,衔接蛋白通过识别不同的受体，并将受体连接至成笼蛋白，从而介导不同物质的运输。缢断蛋白有使小泡颈部收缩缢断的作用,衔接蛋白（adaptin）,受体蛋白位于胞质面的尾部有一个4个aa残基构成的折叠区域，为内吞信号,缢断蛋白（dynamin）,衣被的作用捕获膜上的受体及与受体特异性结合的被转运分子，将它们集中于衣被小窝。对衣被小窝的内陷提供了牵动质膜的机械力，有助于衣被小窝凹陷。,受体介导内吞的基本过程,配体与膜受体结合,形成衣被小窝（coatedpit）;衣被小窝向内凹陷后同质膜脱离形成衣被小泡（coatedvesicle）衣被小泡的衣被脱去，形成无被小泡;无被小泡与内吞体融合,受体介导内吞作用已知有25种以上的大分子依赖受体介导内吞作用。血液中低密度脂蛋白的摄取、细胞内吞转铁蛋白向细胞提供铁。生长激素胰岛素表皮生长因子神经生长因子白细胞介素,低密度脂蛋白（LDL）的摄入LDL颗粒:外膜：磷脂、胆固醇单分子层核心：胆固醇酯（1500个）最外围（配体）：载酯蛋白LDL颗粒通过载脂蛋白与细胞膜上的LDL受体结合。,LDL受体：LDL受体是一次跨膜糖蛋白。LDL受体蛋白合成后被运输到细胞质膜，在细胞质膜集中并形成衣被小窝，当血液中有LDL颗粒，可立即与LDL结合形成LDL-受体复合物。,水解酶,27,（2)陷窝蛋白介导的胞饮作用,陷窝由质膜脂筏区（质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域）内陷形成，主要结构蛋白是陷窝蛋白（caveolin）。陷窝最后也有长颈被掐下来形成小泡，进行穿胞运输。,二、外排作用（exocytosis）,与内吞作用相反，细胞内某些物质由膜包围成小泡从细胞内逐步移到质膜下方，小泡膜与质膜融合，把物质排到细胞外的过程。,Exocytosisofsecretoryvesiclesofapancreaticcell,穿胞运输（transcytosis）：物质被细胞膜上受体结合后内吞，在细胞内未作任何处理只是经细胞转运到细胞的另一侧，通过胞吐作用释放出去。,第二节穿膜运输,小分子、离子等物质穿越质膜的运输,一、物质穿膜的特点与其性质和大小有关：脂溶性越强越易直接穿膜，如：甾类激素、苯；小非极性分子能直接穿膜，如：O2、N2；脂溶性与分子大小比，前者影响更大。不带电荷的小极性分子能直接穿膜如：H2O、乙醇(分子量46)、尿素(分子量60)、甘油(分子量92)不带电的大的极性分子和各种离子不能直接穿膜，需依赖膜上运输蛋白。如：葡萄糖(分子量180)、Na+,二、水和钾离子的通道1、水通道揭示了水快速穿膜的机制。1988年美国约翰霍普金斯大学医学院PeterAgre发现，获2003年Nobel化学奖,2、钾离子通道50年前就知道细胞应该有离子通道，它们必须有选择性只让一种离子通过，也必须有能力开、关或只允许离子往一个方向流动，但这个分子机器到底是如何运转的，长久以来一直是个谜。1998年，美国洛克菲勒大学RoderickMacKinnon(麦金农)用X射线晶体成像技术拍摄到了链霉菌的钾离子通道的立体结构，了解了其对离子的选择性和开关机制。获2003年Nobel化学奖,三、物质穿膜运输的类型被动运输（passivetransport）顺浓度梯度、不耗能主动运输（activetransport）逆浓度梯度、耗能、需载体蛋白帮助。,穿膜运输方式图解,（一）被动运输（passivetransport）,类型：简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）,45,物质对膜的通透性（）由该分子的脂溶性和扩散系数、浓度梯度所决定。/其中为该溶质的脂水分配系数(partitioncofficient)，为扩散系数，为膜厚度。,1、简单扩散,脂溶性与扩散速率,离子载体（ionophore）带电荷的离子不能穿过膜脂双层区。可被膜上小的脂溶性分子介导顺浓度梯度穿越膜，这种小分子称离子载体。可动离子载体(mobileioncarrier),离子载体（ionophore）带电荷的离子不能直接穿过膜脂双层区。可被膜上小的脂溶性分子介导顺浓度梯度穿越膜，这种小分子称离子载体。通道形成离子载体(channel-formingionophore),2、协助扩散（facilitateddiffusion）在膜运输蛋白的帮助下，使被运送物质顺浓度梯度的不消耗能量跨越膜的运输方式，所有的通道蛋白和一部分载体蛋白采用这种运输方式。,膜转运蛋白：通道蛋白(channelproteins)：通道蛋白能形成贯穿膜脂双分子层的充水的通道，使某些物质通过而运输到膜的另一侧。通道蛋白只介导被动运输。载体蛋白(carrierproteins)：能与特异性分子结合，通过构象改变将物质运输到膜的另一侧。介导被动运输和主动运输。通透酶(permease),通道蛋白运输物质的三个特性：1、快：是载体蛋白运输速率的1000倍。2、高度离子选择性3、闸门控制,可控性：电压门控离子通道,选择性,由于钠离子太小，而与氧原子形成的孔洞不能形成均衡的作用力，造成了钠离子不能进入选择滤器。,54,闸门通道类型电压门控通道:闸门的开闭受膜电压控制配体门控通道:闸门的开闭受化学物质(配体)调节机械门控通道：通道的打开受力的作用。,55,闸门通道,如：电压闸门通道（Voltage-gatedchannels）,机械门控通道,听觉毛状细胞的离子通道就是一例。声音的振动打开通道，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。,硬纤毛,覆膜,听毛细胞,倾斜的,例:神经肌肉接头处,反映几种不同闸门通道的顺次开放与关闭,乙酰胆碱与突触后肌细胞膜上的乙酰胆碱受体结合，从而引起肌细胞膜上配体闸门通道开放，Na+进入肌细胞，使肌细胞膜去极化。肌细胞膜的去极化又使肌细胞膜上的电压闸门Na+通道开放，Na+涌入细胞，引起肌细胞膜的进一步去极化。肌质膜的广泛去极化，引起肌浆网的电压闸门Ca2+通道开放，Ca2+大量涌入细胞质，从而引起肌细胞收缩。,60,载体蛋白介导运输机理：载体蛋白可逆的构象变化,载体蛋白介导的协助扩散葡萄糖载体蛋白介导易化扩散,62,（二）主动运输（activetransport）在膜运输蛋白的帮助下，使被运送物质逆浓度梯度或电化学梯度消耗能量跨越膜的运输方式，介导此运输方式的蛋白全为载体蛋白。,主动运输（activetransport）类型1、由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵钙泵（Ca2+-ATP酶）质子泵2、间接消耗ATP的主动运输协同运输（cotransport）,65,1、由ATP直接提供能量的主动运输,Na+-K+泵（Na+-K+pump）：动物细胞膜上穿膜运输的载体蛋白，又称Na+-K+ATP酶，能水解ATP，通过自身构象变化将Na+泵出细胞，将K+泵入细胞。,钠钾泵结构,Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）,结构：由大、小两个亚基组成大亚基为一多次穿膜跨膜蛋白大亚基的胞质胞质侧有一个ATP结合位点和三个Na+结合位点在膜的外侧面大亚基上有2个K+结合位点和1个乌本苷（能抑制ATP酶）结合位点小亚基为一糖蛋白，其作用仍不清楚,钠钾泵主动运输,70,NaK泵运输Na、K的意义,调节胞内外渗透压平衡。物质运输：主动运输产生的Na浓度差是某些物质如葡萄糖、氨基酸运输的电化学势能保障。维持细胞代谢必须：胞内高浓度的K为蛋白质合成及糖酵解所需的酶活动提供了重要条件。产生膜电位。,72,（2）Ca2+-ATP酶（Ca2+泵）：在红细胞主要存在于细胞膜上。在肌细胞主要存在于肌浆网膜上，约占肌质网膜蛋白的90。Ca2+-泵的工作原理类似于Na+-K+泵:在细胞质面结合两个Ca2+，Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随着ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合的Ca2+转到细胞外侧被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。,Ca2+-ATP酶作用机理,74,Ca2+泵运输Ca2+的意义,细胞内含有极低浓度的Ca2+，胞外Ca2+浓度高很多；Ca2+的顺浓度梯度入胞对跨膜信息传递有重要的意义。细胞内外的Ca2+浓度梯度部分是靠Ca2+-泵维持的；部分靠NaCa2协同运输维持完成。,2、间接消耗ATP的主动运输协同运输（co-transport）一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种物质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者协同进行，是一种间接消耗ATP的主动运输方式。物质运输方向与离子转移方向相同为同向共运输(symport)物质运输方向与离子转移方向相反为反向共运输(antiport),1）同向共运输(symport),小肠上皮细胞中GNa+共运输过程在小肠上皮细胞的顶面，Na+顺浓度梯度入胞（通过GNa+同向协同转运蛋白），Na+入胞同时，G伴随入胞小肠上皮细胞基底面有NaK泵，将由顶面入胞的Na又逆浓度梯度泵出细胞，这样使Na+梯度得以维持；G得以不断从小肠腔吸收到小肠上皮细胞。,79,2）反向共运输(antiport)反向共运输调节细胞内pHNa+-H+转运蛋白Cl-HCO3-转运蛋白Na+-Ca2+转运蛋白,NaH交换蛋白：该载体将H输出与Na流入相偶联，从而清除细胞内产生的过量的H，调节细胞的pH。细胞内特定的pH是细胞正常代谢活动所必须的，在不分裂的细胞内pH为7.17.2，当细胞受生长因子等刺激后，pH可由7.2升至7.4，细胞开始生长与分裂，这一过程中H减少约40，主要是靠细胞膜上的NaH载体蛋白。NaH交换速率也受细胞内PH调节。PH越低，则H越高，则交换越活跃。,82