细胞生物学第七章跨膜运输

1、细胞生物学第七章跨膜运输第一节、被动运输第一节、被动运输 一、简单扩散一、简单扩散 二、协助扩散二、协助扩散第二节第二节 主动运输主动运输 一、钠钾泵一、钠钾泵 二、钙离子泵二、钙离子泵 三、质子泵三、质子泵 四、ABC 转运器 五、协同运输第三节、膜泡运输的基本概念 一、吞噬作用 二、胞饮作用 三、外排作用 四、穿胞运输 五、胞内膜泡运输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的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。物质运输的范畴 细胞进行的物质运输有三种不同的范畴: 细胞运输(cellular transport) - 这种运输主要是细胞与环境间的物质交

2、换; 胞内运输(intracellular transport) - 是真核生物细胞内膜结合细胞器与细胞内环境进行的物质交换; 转细胞运输(transcellular transport) - 这种运输是物质穿越细胞的运输。 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（ carrier protein ） 和 通 道 蛋 白 （ channel protein）。 - 载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器 （transporter），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：缬氨酶素。 - 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶

3、质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质Membrane Transport Proteins第一节 被动运输非电解质通过扩散跨过细胞质膜必须具备两个条件:第一，该物质在细胞外的浓 度很高;第二，细胞质膜必须对这种物质具有通透性。 膜对某种溶质具有透性，必须满足两个条件之一：(1)这种物质能够直接穿过 脂双层，或是(2)膜中有可允许该溶质通过的跨膜孔道。 细胞质膜具有两个基本的特性 允许小分子物质通过扩散穿过细胞质膜，也可以让水通过渗透进出细胞质膜。但是扩散和渗透是两个不同的概念 扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称

4、为简单扩散。 渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。一、简单扩散 也叫自由扩散（free diffusion）特点： - 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； - 不需要提供能量； - 没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度。二、协助扩散 也称促进扩散（facilitated diffusion）。 特点 比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性；饱和性。 载体：离子载体和通道蛋白两种类型。（一）离子载体（ionophore） 是疏水性的小分子，可溶

5、于双脂层，多为微生物合成，是微生物防御或与其它物种竞争的武器。 分为两类： - 可 动 离 子 载 体 （ mobile ion carrier ） ： 如 缬 氨 霉 素（valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓 度梯度转运K+。 DNP和FCCP可转运H+。 - 通 道 离 子 载 体 （ channel former ） ： 如 短 杆 菌 肽 A（granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一 个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。Valinomycin 缬氨霉素是一种由三个重复部分构成的环形分子，能顺浓

6、度梯度转运K+。 DNP 和FCCP可转运H+。（2,4-二硝基酚，Carbonyl cyanide p-(trifluoromethoxy) phenylhydrazone羰基氰化物p-三氟甲氧基苯腙）离子运载的离子离子运载的离子 载体的作用机制载体的作用机制缬氨霉素缬氨霉素(valinomycin)是一种由是一种由12个氨基酸组成的环形小肽。将缬氨霉素插入脂个氨基酸组成的环形小肽。将缬氨霉素插入脂 质质体后，通过环的疏水面与脂双层相连，体后，通过环的疏水面与脂双层相连， 极性的内部能精确地固定极性的内部能精确地固定K+。它在一。它在一 侧结合侧结合K+，然后向内侧移动通过脂双层，然后向内侧

7、移动通过脂双层， 在另一侧将在另一侧将K+释放到细胞释放到细胞 Gramicidin A an antibiotic that acts as an ion pore. 短杆菌肽由15个疏水氨基酸构成的短肽，2 分子形成一个跨膜通道短杆菌肽A离子载体作用机制 短杆菌肽 A(gramicidin A)是一种形成通道的离子载体，它具有疏水的侧链， 两个分子在一起形成跨膜的通道。它能 够有选择地将单价阳离子顺电化学梯度通过膜，可被短杆菌肽 A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+K+ Na+ Li+。 （二）通道蛋白（channel protein） 是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通

8、过，故又称离子通道。 有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道； 有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有4类：电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。几种不同的门控离子通道几种不同的门控离子通道Ion Channels1、配体门通道(ligand gated channel) 特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化， “门”打开。又称离子通道型受体。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。Nicotinic acetylcholine receptor

9、 Ach受体是由4种不同的亚单位组成 的5聚体蛋白质，形成一个结构为 2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相 结合的部位。Three conformation of the acetylcholine receptor2、电位门通道(voltage gated channel) 特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。 Na+ 、K+ 、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是 通过电位通过电位-门控通道传递信号门控通道传递信号Voltag

10、e gated K+ 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)，构成通道的内衬，大小可允许K+ 通过。 K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。K+ channel 神经肌肉接点由神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位使肌细胞膜中的电位 门门Na+通道和通道和K+通道相继激活，出现通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，通道打开， Ca2+进入细胞质，进入细胞质

11、，引发肌肉收缩。引发肌肉收缩。3、环核苷酸门通道（ CNG通道） CNG通道与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段。 细胞内的C末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。 CNG通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。 - 如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation channel），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。4、机械门通道 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导（mech

12、anotransduction ）。 目前比较明确的有两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。 牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理5、水通道 水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），他将CHIP28

13、的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。水孔蛋白的跨膜结构域 AQP1是由四个相同的亚基构成， 每个亚基的相对分子质量为 28kDa，每个亚基有六个跨膜结 构域，在跨膜结构域2与3、5与6 之间有一个环状结构，是水通过 的通道。该蛋白的氨基端与羧基 端是完全对称，即1，4、2，5、 3，6完全对称 水通道蛋白 AQP1是人的红 细胞膜的一种主

14、 要蛋白。它能够 让水自由通过 (不必结合)，但 是不允许离子或 是其他的小分子 (包括蛋白质)通 过 AQP1水通道蛋白 第二节、主动运输 主动运输的特点是： - 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； - 需要能量；- 都有载体蛋白。- 具有选择性和特异性。参与主动运输的载体蛋白常被称为泵(pump)，这是因为它们能利用能量做功。由于它们消耗的代谢能多数来自ATP，所以又称它们为某某ATPase。共有四种类型的运输ATPase，或称运输泵 P型离子泵(P-type ion pump) ，或称P型ATPase 。此类运输泵 运输时需要磷酸化(P是phosphorylation的缩写)，包括Na+-K

15、+ 泵、Ca2+离子泵。 V型泵(V-type pump) ，或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上( V代表vacuole或vesicle)， 如溶酶体膜中的H+泵， 运输时需 要ATP供能， 但不需要磷酸化。 F型泵(F-type pump) ，或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体膜和叶绿体的膜中， 它们在能量转换中起重要作用， 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子(F即fector的缩写)。 ABC运输蛋白(ATP-binding cassettle transportor) ， 这是 一大类以ATP供能的运输蛋白， 已发现了100多种， 存在范围 很广，包括细菌和人。典

16、型动物细胞内外离子浓度的比较* 表中给出的Ca2+和Mg2+的浓度是游离存在于胞质溶胶中的浓度;Mg2+在细胞中的总浓度为2mM，Ca2+则是1-2mM。但它 们大多是与蛋白质结合在一起的，Ca2+则存在于细胞器中。 * 指细胞内存在的带负电的有机分子，它们不能通过细胞质膜。 主动运输所需的能量来源主要有： 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。 主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同的直接能量来源主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同的直接能量来源一、钠钾泵 动物细胞中由ATP驱动的将Na+ 输出到细胞外同时将K+输

17、入细胞内的运输泵钠钾泵对离子的转运循 环依赖自磷酸化过程 （ATP上的一个磷酸基团 转移到钠钾泵的一个天冬 氨酸残基上，导致构象变 化），所以这类离子泵叫 做P-type。构成：由2个大亚 基、2个小亚基组成 的4聚体，实际上就 是 Na+-K+ATP 酶 ， 分布于动物细胞的质 膜。亚基是跨膜蛋白，在膜的内 侧有ATP结合位点;在亚基上 有Na+和K+结合位点 运输机制 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。在膜内侧 Na+与酶结合，激活ATP酶 活性，使ATP分解，酶被磷 酸化，构象发生变化，于是 与Na+结合的部位转向膜外

18、侧；这种磷酸化的酶对Na+ 的亲和力低，对K+的亲和 力高，因而在膜外侧释放 Na+、而与K+结合。K+与 磷酸化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，K+与酶的亲和力 降低，使K+在膜内被释 放，而又与Na+结合。其总 的结果是每一循环消耗一个 ATP；转运出三个Na+，转 进两个K+。 Na+/K+ ATPase 工作原理示意图 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。 地高辛、乌本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、钙离子泵 作用：维持细胞内较低的钙

19、离子浓度（细胞内钙离子浓度 10-7M，细胞外10-3M）。 位置：质膜和内质网膜。 类型： - P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。 - 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。 Ca+ ATPase Maintains low cytosolic Ca+ Present In Plasma and ER membranesModel for mode of action for Ca+ ATPase Conformation change 三、质子

20、泵 1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，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(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，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：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动 力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内 膜和叶绿体的类囊体膜上。Four types of ATP-powered pumps四、ABC 转运器 自学 ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个

21、成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。 每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。Mammalian MDR1 protein第一个被发现的真核细胞的第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白转运器是多药抗性蛋白 （multidrug resistance protein, MDR），约），约40%患者的患者的 癌细胞内该基因过度表达。癌细胞内该基因过度表达。ABC转运器还与病原体对药物的转运器还与病原体对药物的 抗性有关。抗性有关。五、协同运输cotransport 协同运输又称偶联运输， 它不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的电化学梯度， 所以又将离子泵称为初级主动运输(primary active transport)， 将协同运输称为次级主动运输(secondary active transport)。 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 - 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。 根据物