医学细胞生物学：细胞物质运输1

1、细胞物质运输 一 细胞物质运输的意义 摄入所需物质，如营养物质 分泌和排出代谢产物 KelvinsongCC IN OUT 细胞膜 磷脂双分子层结构 负责跨膜运输的重要膜结构 选择通透性维持恒定的内部环境 包括小分子和大分子的运输 小分子的跨膜转运 不带电的和疏水性的分子容易透过细胞膜 极性小分子和离子不易透过细胞膜 可分为两类 被动运输 主动运输 被动运输 passive transport 顺着化学浓度梯度的运输 不需要消耗细胞代谢的能量 包括三种形式的扩散 单纯扩散 通道扩散 帮助扩散 单纯扩散 simple diffusion 不需要细胞代谢的能量 不需要转运蛋白 顺着化学浓度梯度 单

2、纯扩散 simple diffusion 可通过非极性的小分子，如 O2、CO2、N2 可通过不带电荷的极性小分 子，如水、尿素、甘油等 很难通过葡萄糖、蔗糖 不能通过带电荷的物质如： H+、Na+、K+、Cl-、HCO3- 肺泡 alveolus中的单纯扩散 通道扩散 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散 不需要细胞代谢的能量 需要膜通道蛋白(channel protein) 连续或不连续开放 门控通道 gated channel 仅在特殊的化学分子，电势梯度或者浓度 梯度的情况下打开 ligand-gated voltage-gated 其它，temperature-gated Ligand-g

3、ated channel B staff. Blausen gallery 2014. Wikiversity Journal of Medicine. DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 20018762. (Own work) CC-BY-3.0 (/licenses/by/3.0), via Wikimedia Commons Ligand-gated channel Voltage-gated channel 2003年诺贝尔化学奖 Peter Agre 水通道蛋白 (aquaporins)的发现和机制 Ro

4、derick Mackinnon 离子通道蛋白 (ion channels)的结构与机理 水通道蛋白 AQP1 注入AQP1即CHIP28的mRNA，蛙卵细胞在低渗 介质环境中迅速膨胀 Agre et al., Am J Physiol., 265, F463 (1993) 水通道蛋白的种类 水通道蛋白的分子结构 水通道蛋白的分子结构 水通道蛋白运输水分子机理 AQP1 的选择筛 (selectivity filter) Sui et al., Nature,414, 872 (2001) Aquaporin Animation 水通道蛋白的功能 肾脏内 呼吸道内 眼睛内 肾脏内水的重吸收 K

5、ing et al, Nat Rev Mol Cell Biol, 5, 687 (2004) 呼吸道内水的内稳态 King et al, Nat Rev Mol Cell Biol, 5, 687 (2004) 眼睛内水的内稳态 King et al, Nat Rev Mol Cell Biol, 5, 687 (2004) 2003年诺贝尔化学奖 Peter Agre 水通道蛋白 (aquaporins)的发现和机制 Roderick Mackinnon 离子通道蛋白 (ion channels)的结构与机理 Kv1.2钾离子通道 是一种电压门控的钾离子通道 调节神经元细胞的电学特性 协助

6、膜电压回到静息电位 调节动作电位的形态 决定动作电位的激发速度 Kv1.2的三维结构 Long et al., Science, 309, 897 (2005) Kv1.2的 三维结构 Long et al., Science, 309, 897 (2005) Kv1.2结构机理 电压感受器为S1-S4 S4-S5连接电压感受器和通道孔 电压感受器是独立原件 Potassium Channel 帮助扩散 facilitated diffusion 沿浓度梯度或电化学梯度扩散，不需要提供能量 特异性，需要转运蛋白的协助 可饱和性，有最大转运速率 帮助扩散分类 单运输 uniport 协同运输 c

7、oupled transport 同向运输 symport 反向运输 antiport 主动运输 active transport 由特定的转运蛋白介导 逆浓度梯度运输 需要能量供应 包括两种方式 离子泵 (ion pump) 共同运输 (cotransport) 离子泵 ion pump Na/K泵 胞内高K ，胞外高Na，向胞内运K ，向胞 外排Na，维持细胞膜电位 Ca2+泵 在肌浆网储存Ca2+，在肌肉舒张中发挥作用 H/K泵 在胃上皮层细胞中，在胃酸分泌中发挥作用 Na/K泵 BruceBlausCC Na/K泵 Ca2+泵 Shenoy and Rockman Nature, 47

8、7, 546 (2011) H/K泵 http:/ Na+/葡萄糖 伴随运输体 (cotransporter) Wright et al., Physiology, 19, 6, 370 (2004) 跨膜运输 大分子与颗粒的跨膜转运 蛋白质，核酸，多糖等分子体积大，不能依靠转 运蛋白来转运 它们被单位膜包裹形成转运小囊泡进行转运，称 为膜泡运输 分为胞吞作用 (endocytosis)和胞吐作用 (exocytosis) 胞吞作用 胞饮作用 pinocytosis “喝” 吞噬作用 phagocytosis “吃” 受体介导的胞吞作用 receptor-mediated endocytosi

9、s 胞饮作用 吞噬作用 mad- 受体介导的胞吞作用 大分子物质先和特异性受体结合 膜内陷形成有衣小窝 继而形成有衣小泡进入细胞 具有高特异性和高效性 受体介导的胞吞作用 网格蛋白 (clathrin) 先由1条重链和1条轻链形成二聚体 3个二聚体组成一个三脚蛋白复合体 (triskelion) 许多三脚蛋白复合体交织在一起，形成一个具有5 边形或6边形网孔的篮网状结构 三脚蛋白复合体可自发进行装配,受钙调蛋白调控 三脚蛋白复合体 (triskelion) 有衣小泡的生成 LDL受体的发现 低密度脂蛋白 LDL LDL的内吞的内吞 LDL受体的去向 大部分受体返回原来的质膜结构域被重新利用 有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那 里被消化，从而导致细胞表面受体浓度降低 有些受体通过跨细胞运输将被转运物质从一个细 胞转移到另一个细胞，这是一种将内吞作用与外 排作用相结合的物质跨膜转运方式 LDL动画 LDL受体与疾病 家族性高胆固醇血症，动脉粥样硬化等 胞吐作用 exocytosis 结构