细胞生物学[第五章物质的跨膜运输]课程预习

1、第五章 物质的跨膜运输 物质跨膜运输主要有三种方式： (1)被动运输：包括简单扩散和载体介导的协助扩散；两类蛋白负责物质的跨膜转运：载体蛋白和通道蛋白。 (2)主动运输：由ATP直接提供能量(Na+一K+泵，Ca2+泵和质子泵)，由ATP间接提供能量(协同运输)以及光能驱动三种基本类型。 (3)胞吞作用与胞吐作用：两类胞吞作用(胞饮作用和吞噬作用)；两类胞吐作用(组成型外排与调节型外排)；膜融合与膜泡运输。 一、膜转运蛋白与物质的跨膜运输 (一)脂双层的不透性与物质的跨膜运输 细胞膜上存在膜转运蛋白(membrane transport proteins)，负责无机离子和水溶性有机小分子的跨膜

2、转运。膜转运蛋白可分为两类：载体蛋白(carrier proteins)，它既可介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输。通道蛋白(channel proteins)，只能介导顺浓度或电化学的被动运输。 1载体蛋白及其功能 载体蛋白是几乎是所有类型的细胞膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。载体蛋白又称为通透酶(permease)，因其在细胞膜上有特异性结合位点，可与特异性底物(溶质)结合，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线。既可被底物类似物竞争性抑制，又可被微量的某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH的依赖性等。 2通道蛋白及其功能 通道蛋

3、白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子与带电荷的离子通过。 目前发现的通道蛋白已有100余种。大多数通道蛋白能够形成与离子转运有关的选择性开关的多次跨膜通道，故又称为离子通道。离子通道的举例离子通道有两个显著的特征： (1)具有离子选择性：离子通道对被转运的离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子s，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。 (2)离子通道是门控的：即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。 多数情况下，离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，

4、才开启形成跨膜的离子通道。因此，离子通道又区分为电压门通道(voltage-gated channel)、配体门通道(ligand-gated channel)和应力激活通道(stress-activated channel)。 (二)被动运输与主动运输 1简单扩散 简单扩散(simple diffusion)是指小分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从膜的一侧通过细胞膜进入膜的另一侧，其结果是分子沿着浓度梯度降低的方向转运。疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。 在简单扩散的跨膜转运中，跨膜物质溶解中膜脂中并透入细胞中的通透

5、性主要取决于分子大小和分子的极性。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=KDt(t为膜的厚度)。 2水孔蛋白：水分子的跨膜通道 水通道蛋白(Aquaporin，AQP)具有选择性的让水分子通过的特性。水孔蛋白形成对水分子的高度特异性的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。这种严格的选择性首先是源于通道内高度保守的氨基酸残基(Arg、His以及Asp)侧链与通过的水分子形成氢键，其次是源于非常狭窄的孔径。 水通道的活性调节可能具有以下途径：通过磷酸化使AQP的活性增强；通过膜泡运输改变膜上AQP的含量，如血管加压素(抗利尿激素)

6、对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节；通过调节基因表达，促进AQP的合成。 3协助扩散 协助扩散(facilitated diffusion)是各种极性分子和无机离子如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量。这与简单扩散相同，因此两者均称为被动运输。 协助扩散的特征：转运速率高；存在最大转运率(Vmax)，因此可用最大转运速率的一半时的葡萄糖浓度作为其KM值，用以衡量某种物质的转运速率；不同分子有不同的KM值，表明不同的载体蛋白对溶质的亲和性不同。 4主动运输 主动运输(active transport)是由载体蛋白所介导

7、的逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。转运分子的自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相偶联。根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为三种：ATP驱动泵，偶联转运蛋白，光驱动泵。 二、离子泵和协同转运 在细胞膜的两侧存在很大的离子浓度差，特别是阳离子浓度差。一般的动物细胞要消耗13的ATP来维持细胞内低Na+高K+的离子环境，神经细胞则要消耗23的总ATP，这种特殊的离子环境对维持细胞内正常的生命活动，对神经冲动的传递以及对维持细胞的渗透平衡，恒定细胞的体积都是非常必要的。 (一)P型离子泵 1钠钾泵 Na+一K+泵由和二个亚基组成，亚基的相对分子质

8、量为120kD，是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na+一K+泵又称为Na+一K+ATP酶。亚基的相对分子质量为50kD，是具有组织特异性的糖蛋白。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。乌本苷(ouabain)能抑制Na+一K+泵的活性。Mg2+而和少量的膜脂提高Na+一K+泵活性。 Na+一K+泵存在于一切动物细胞的细胞膜上。细胞的生命活动需要Na+一K+泵来维持细胞内外Na+、K+的相对稳定的离子浓度。 渗透：由于质膜对水的可透性，水会从低溶质浓度的一侧(高水浓度)向高溶质浓度的一侧(低水浓度)运动，这种运动称为渗透。 渗透压：水分子运动的驱动力等于跨膜

9、水压的差异，称为渗透压(osmotic pressure)。 2钙泵和其他P型离子泵 钙泵(Ca2+pump)又称Ca2+一ATP酶，对细胞基本功能具有重要的作用。泵是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，相对分子质量为100kD，与Na+一K+泵的亚基同源，每一泵单位中有约10个跨膜螺旋，可能它们有共同的进化来源。细胞内钙调蛋白与之结合以调节钙泵的活性。 钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+ (一般细胞内游离浓度Ca2+约10-7molL，细胞外Ca2+为10-3molL)。钙泵在肌质网内储存Ca2+，对调节肌细胞

10、的收缩与舒张是至关重要的。 H+泵(H+一ATP酶)存在于植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞的质膜上。H+泵将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度(取代动物细胞Na+的电化学梯度)，驱动转运溶质进入细胞。例如，细菌细胞对糖和氨基酸的摄入主要是由驱动的同向运输完成的。这一过程中，H+泵的工作也产生细胞周围基质中的酸性pH。在一些光合细菌中，电化学梯度由光驱动的H+泵(如细菌视紫红质)活性建立。 (二)V型质子泵和F型质子泵 V型质子泵存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，转运H+过程中不形成磷酸化的中间体。其功能是从细胞质基质中泵出进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性

11、pH。 F型质子泵即H+一ATP酶，存在于线粒体内膜，植物类囊体膜和多数细菌质膜上，它以相反的方式来发挥其生理作用，即H+顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成偶联起来，如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用。 (三)ABC超家族 ABC转运器(ABC transporter)最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶(transport ATPase)，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区(ATP binding cassette)，故统称为名ABC超家族，它们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的

12、另一侧。 第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白(multidrug resistance protein，MDR)，该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，降低了化学治疗的疗效。约40的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，如临床常用的抗真菌药物有氟康唑、酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的一个重要机制是通过MDR蛋白降低了细胞内的药物浓度。 (四)协同转运 协同运输(cotransport)是一类由Na+一K+泵(或H+泵)与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的直接动力来自于膜两侧离子电化学浓度梯

13、度，而维持这种离子电化学梯度则是通过消耗ATP所实现的。根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同运输又可分为共运输(symport)和对向运输(antiport)。共运输是物质运输方向与离子转移方向相同，如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物，就是伴随Na+从细胞外流入细胞内完成的。完成共运输的载体蛋白有两个结合位点。对向运输是指物质跨膜转运方向与离子转移方向相反，如动物细胞常通过Na+驱动的Na+一H+对向运输的方式来转运以调节细胞内的pH。 (五)离子跨膜转运与膜电位 不同方式的物质跨膜运动，其结果是产生了并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些带有电

14、荷的物质，特别是对离子来说，就形成了膜两侧的电位差。插入细胞微电极便可测出细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，即膜电位。在静息状态下的膜电位称为静息电位(resting potential)。在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位，即动作电位(active：potential)。 极化(polarization)是指静息电位时，质膜内为负值，质膜外为正值。静息电位主要由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成。去极化过程(depolarization)是指当细胞接受的刺激信号第五章物质的跨膜运输(电信号或化学信号)超过一定阈值时，电位门Na+通道将介导细胞产生动作电位。细胞接受闯

15、值刺激，Na+通道打开，引起通透性大大增加，瞬间大量的Na+流入细胞内，致使静息膜电位减少乃至消失，即为质膜的去极化过程。Na+进一步增加达到平衡电位，形成瞬间的内正外负的动作电位，此时，动作电位随即达到最大值，称质膜的反极化。在Na+大量进入细胞时，K+通透性也逐渐增加，随着动作电位出现，K+通道从失活到关闭，电位门K+通道完全打开，K+流出细胞从而使质膜再度极化，以致于超过原来的静息电位，此时称超极化(super polarization)。超极化时，电位使K+通道关闭，膜电位又恢复至静息状态。 三、胞吞作用与胞吐作用 真核细胞通过胞吞作用(endocytosis)和胞吐作用(exocyt

16、osis)完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等。在转运过程中，物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中，因此又称膜泡运输。 在这种形式的运输过程中涉及到膜的融合与断裂，因此也需要消耗能量，属于主动运输。这种运输方式常常可同时转运一种或多种数量不等的大分子和颗粒性物质，故称为批量运输(bulk transport)。 (一)胞饮作用与吞噬作用 胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡(endocytic vesicle)，将外界物质裹进并输入细胞的过程。根据形成的吞泡的大小和胞吞物质，胞吞作用又可分为两类。 (1)胞吞物若为溶液，形成的囊泡较小，则称为胞饮作用(pinocytos

17、is)。 (2)胞吞物基为大的颗粒性物质(如微生物或细胞碎片)，形成的囊泡较大，则称为吞噬作用(phagocytosis)。 胞饮作用和吞噬作用的区别： (1)胞吞泡的大小不同，胞饮泡直径一般小于150nm，而吞噬泡直径大于250nm。 (2)所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液和分子，而大的颗粒性物质则主要是通过特殊的吞噬细胞摄入的。前者是一个连续发生的过程。后者先需被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，因此是一个信号触发过程(triggered process)。 (3)胞吞泡形成机制不同。胞饮泡的形成需要网格蛋白(clathrin)或这一类蛋白的帮助。网格蛋白是由一重链和一个轻链

18、的二聚体。 (二)受体介导的胞吞作用 根据胞吞的物质是否有专一性，可分为：受体介导的胞吞作用(receptor mediated endocytosis)和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外液摄取特定大分子的有效途径。被转运的大分子物质(配体)与细胞表面的受体相结合，形成受体一配体复合物，并引发内化作用(internalization)。首先是该处质膜部位在网格蛋白参与下形成有被小窝(coated pits)，然后是深陷的小窝脱离质膜形成有被小泡(coated vesicles)。 受体介导的胞吞作用是一种选择浓缩机制(selective conc

19、entrating mechanism)，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。 在细胞胞吞过程中，胞内体被认为是膜泡运输的主要分选站之一。其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。 已知有25种以上的不同受体，具有不同的分选信号，参与不同类型分子的受体介导的胞吞作用。不同类型的受体在胞内体分选途径： (1)大部分受体返回它们原来的质膜结构域。 (2)有些受体不能再循环而是进入溶酶体被消化。导致受体的数量下降，称为受体下行调节(receptor down-regulation)。 (3)有些受体被运至质膜不同的结构区域，该过程称作跨细胞的转运(transcytosis)。 (三)胞吐作用 与细胞的胞吞作用相反，胞吐作用是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。胞吐作用分为组成型胞吐途径和调节型胞吐途径两种。 组成型胞吐途径(constitutive exocytosis pathway