Chapter 5 跨膜物质转运.ppt

1、Learning Objectives: 1. Principles of membrane transport; 2. Passive transport and active transport; 3. Two main classes of membrane transport proteins: Carriers and Channels; 4. The ion transport systems; 5. Endocytosis and Phagocytosis: cellular uptake of macromolecules and particles.,Chapter 5 Th

2、e Movement of Substances Across Cell Membranes,1. Principles of membrane transport,The plasma membrane is a selectively permeable barrier. It allows for separation and exchange of materials across the plasma membrane. B. The protein-free lipid bilayers are highly impermeable to ions. C. The energeti

3、cs of solute movement:,Diffusion is the spontaneous movement of material from a region of high concentration to a region of low concentration. The free-energy change during diffusion of nonelectrolytes depends on the concentration gradient. The free-energy change during diffusion of electrolytes dep

4、ends on the electrochemical gradient.,Transport processes within an eukaryotic cell,被动运输 主动运输 胞吞与胞吐,2. Passive transport and active transport,A. Comparison of two classes of transport.,熵,米氏动力学平衡,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

5、数（D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度。,人工膜对各类物质的通透率： 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； 非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢； 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,Solutes cross membrane by simple diffusion,Diffusion of small molecules across phospholipid bilayers,If uncharged solutes are small e

6、nough, they can move down their concentration gradients directly across the lipid bilayer by simple diffusion. Most solutes can cross the membrane only if there is a membrane transport protein to transfer them. Passive transport, in the same direction as a concentration gradient. Active transport, i

7、s mediated by carrier proteins, against a concentration gradient, require an input of energy.,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。,The carrier protein, the Glucose transporter (GluT1 ) in the erythrocyte PM, alter conformation to facilitat

8、e the transport of glucose.,Facilitate diffusion: Protein-mediated movement, movement down the gradient,转运效率高 存在最大转运速度Vmax及Km值 细胞质膜上存在转运膜蛋白,协助扩散的特点,B. Two classes of membrane transport proteins,Carrier proteins are responsible for both the passive and the active transport. Channel proteins are only

9、responsible for passive transport.,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。 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，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。,Membrane

10、Transport Proteins,（一）离子载体（ionophore）,是疏水性的小分子，可溶于双脂层，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12个氨基酸组成的环状肽,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。,Valinom

11、ycin,Gramicidin A an antibiotic that acts as an ion pore. 它能够有选择地将单价阳离子按电化学梯度通过膜，但并不显著提高运输速度； 可被短杆菌肽A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+ K+ Na+ Li+。,Mobile Carrier and Channel Former,（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：

12、电位门通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。,Carrier proteins bind one or more solute molecules on one side of the membrane and then undergo a conformational change that transfer the solute to the other side of the membrane.,Characteristic of carrier protein,葡萄糖是通过载体蛋白进行促进扩散的典型例子,运输葡萄糖的载体蛋白主要是通过构型的变化将葡萄糖运输到细胞内，红细胞质膜上

13、有很多这种载体蛋白。运输葡萄糖的载体蛋白有两种构型，一种构型朝向细胞表面暴露出与葡萄糖的结合位点，当有葡萄糖与其结合时，运输蛋白的构型发生变化，这样与葡萄糖结合的位点朝向细胞质面，此时葡萄糖与运输蛋白的结合亲和力降低，从而被释放到细胞质中。当葡萄糖被释放后，运输蛋白又恢复到原来的构型，进行下一轮循环。,细胞对葡萄糖的摄取受胰岛素的调节,胰岛素是内分泌细胞产生的一种激素，它对于维持血糖的适当水平起关键作用。当血液中葡萄糖的水平增高时，激发胰岛素的分泌，胰岛素促使葡萄糖被各种靶细胞吸收，特别是骨骼肌和脂肪细胞吸收。胰岛素应答细胞具有葡萄糖运输蛋白的异构体GLUT4 。在胰岛素浓度低的时候，细胞表面

14、只有很少的促进葡萄糖运输蛋白，但在细胞质的膜泡膜中却有大量的运输蛋白存在。当血液中葡萄糖浓度升高时，胰岛素的水平也随之提高，胰岛素作用于靶细胞，使膜泡中的葡萄糖运输蛋白转移到质膜中，随后将葡萄糖运输到细胞内。,糖尿病主要是由胰岛素活性缺陷引起的,儿童的糖尿病（I型糖尿病）通常是由人体自身合成胰岛素的细胞方面的问题影响胰岛素合成的缺陷所引起，可通过注射胰岛素进行治疗。成年人的糖尿病（II型糖尿病），其胰岛素的水平是正常的，但是它们的靶细胞对胰岛素不产生应答，有可能是胰岛素受体的问题，或是GLUT4运输蛋白的缺陷。,Most of the channel proteins are ion chan

15、nels, including four types, with ion channels that they can be opened and closed,1、电位门通道（voltage-gated channel)这类通道的构型变化依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变，从而将“门”打开。在很多情况下，电位门通道有其自己的关闭机制它能快速地自发关闭；开放往往只有几毫秒时间。在这短暂瞬息时间里，一些离子代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。电位闸门通道主要存在于神经细胞，在神经细胞的信号转导中起重要作用；也存在于其他的一些细胞，包括肌细胞、卵细胞、原

16、生动物和植物细胞。大家熟知的例子就是含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位闸门通道传递信号的。,电位门K+通道有四个亚单位，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。 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。,Voltage gated K+ channel,K+ channel,4th subunit not shown,Ion-channel linked recepto

17、rs in neurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,2、配体门通道(ligand gated channel),特点：这类通道在其细胞内外的特定配体(ligand)与膜受体结合时发生反应，引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化，结果使“门”打开。因此这类通道被称为配体闸门通道（ligand-gated channel），它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。又称离子通道型受体、配体闸门通道（ligand-gated ch

18、annel） 。 可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。 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。,Nicotinic acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,3、压力门通道,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（mechanotransduction ）。 目前比较明确的

19、有两类压力门通道，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。,压力门通道这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛细胞的离子通道就是一个极好的例子。声音的振动推开牵张闸门通道（stretch-gated channel），允许离子进入听觉毛细胞，这样建立起一种电信号并且从毛细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。,4、环核苷酸门通道,CNG通道与

20、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。,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。水是一种特别的物质，因为水分子虽然不溶于脂，并且具有极性，但也很容易通过膜。 大多数水是直接通过脂双层进入细胞的，有部分水是通过蛋白通道进行扩散的。水的通道蛋白

21、称为水通道蛋白(aquaporin),在动物和植物细胞中已经发现几种不同的水通道蛋白。在动物细胞中已经鉴定了水通道蛋白家族中的6个成员，在植物中发现了具有类似功能的蛋白质。膜的水通道蛋白AQP1是1988年发现的，开始将这种蛋白质称为通道形成整合蛋白(CHIP），是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。 AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞中。AQPl及它的同系物能够让水自由通过（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。AQPl对水的通透性受氯化汞的可逆性抑制，对汞的敏感位点是结构域5与6之间的189位的半胱氨酸。其他几种AQP1

22、与肾功能有关。 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）。,第二节 主动运输,主动运输的特点是： 能逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 都有载体蛋白。 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。,Active transport: Carrier protein-mediated movement up the gradient,A. This process di

23、ffers from facilitated diffusion in two crucial aspects:,Active transport maintains the gradients for potassium(钾), sodium（钠）, calcium（钙）, and other ions across the cell membrane. Always moves solutes up a concentration or electrochemical gradient;,Active transport couples the movement of substances

24、 against gradients to ATP hydrolysis. i.e Always requires the input of energy.,参与主动运输的ATPase 在被动运输中，有些分子不需要膜运输蛋白的帮助就可直接通过脂双层进入细胞或膜细胞器，但主动运输全部需要膜蛋白的帮助，因此是载体蛋白依赖性的。不仅如此，在被动运输的促进扩散中，膜运输蛋白虽然也可称为透性酶，但并不具有真正的酶活性，不能起催化反应，只是通过变构作用将物质从高浓度向低浓度运输。但在主动运输中，载体蛋白本身就是酶，能够催化某种反应，如水解ATP使自身磷酸化，然后利用ATP水解释放的能量将离子或分子从低浓度

25、运向高浓度。所以在主动运输中，不仅需要膜运输蛋白的存在，而且需要这些运输蛋白具有活性，否则是不能进行物质的主动运输。 参与主动运输的载体蛋白常被称为泵，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。,P型泵（P-type 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+泵, Ca2+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

26、-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factor的缩写）。F型泵工作时不会消耗ATP，而是将ADP转化成ATP，但是它们在一定的条件下也会具有ATPase的活性。 ABC型泵，又称ABC运输蛋白(ATP-binding cassette transporter),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。,共有4种类型的运输ATPase，或称运输泵,Four types of ATP-powered pumps,The Na+-K+

27、 ATPase -A coupling active transport to ATP hydrolysis.,The Na+-K+ ATPase requires K+ outside, Na+ and ATP inside, and is inhibited by ouabain. The ratio of Na+:K+ pumped is 3:2 for each ATP hydrolyzed. The Na+-K+ ATPase is a P-type pump.This ATPase sequentially phosphorylates and dephosphory- lates

28、 itself during the pumping cycle. The Na+-K+ ATPase is found only in animals.,A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase,The active transport of Na+/K+ ATPase is used to maintains electrochemical ion gradients, and thereby maintains cells excitability.,The Na+/K+ pump is required to maintain osmotic ba

29、lance and stabilize cell volume,The biological functions of Na+/K+ pump,临床上用毛地黄治疗充血性心力衰竭，其机制可能是通过毛地黄对心肌细胞Na+K + ATPase的抑制。在正常情况下，心脏的收缩是由肌细胞胞质中Ca2浓度瞬息增加触发的。然后，可通过几种方式将Ca2除去，包括细胞质膜的逆向Na Ca2离子（是由Na十梯度驱动的）交换。毛地黄是一种ATPase抑制剂，可降低Na+的梯度，结果， Ca2就不能有效地除去，细胞内Ca2浓度的增加，增强了心肌的收缩活性。,Membrane Potentials and Nerve

30、Impulses,K+ gradients maintained by the Na+-K+ ATPase are responsible for the resting membrane potential.,Resting state: All Na+ and K+ channels closed. Depolarizing phase: Na+ channels open,triggering an action potential. Repolarizing phase: Na+ channels inactivated, K+ channels open. Hyperpolarizi

31、ng phase: K+ channels remain open, Na+ channels inactivated.,B. The action potential: The changes in ion channels and membrane potential.,Other P-type pumps: including Ca2+ and H+ ATPases,Ca2+ pump: Ca2+-ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the ER. It contain 10 transmembr

32、ane helices. This Ca2+ pump functions to actively transport Ca2+ out of the cytosol into either the extracellular space or the lumen of the ER.,所有真核生物的细胞质膜中都含有Ca2+-ATPase，它每水解一个ATP将两个Ca2+从胞质溶胶输出到细胞外。Ca2+-ATPase也存在于肌细胞的内质网膜及原核生物的细胞质膜中。Ca2+-ATPase将Ca2+泵出细胞质，使Ca2+在细胞内维持低水平从而建立Ca2+梯度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10

33、-3M）。存在于肌细胞的肌质网上的Ca2+泵可以将Ca2+从细胞质运到肌质网中储存。通过Ca2+ ATPase建立的Ca2+梯度能够控制细胞的许多活动，如肌收缩、分泌和微管装配。Ca2+-ATPase的活性受Ca2+的触发，这些Ca2+可能是由于质膜和ER膜的电位闸门通道和配体闸门通道的扩散进入到细胞质膜中。正常情况下，Ca2+-ATPase是自我抑制的。,Ca2+ ATPase,Maintains low cytosolic Ca2+ Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca2+ ATPase Con

34、formation change,Ca2+泵的工作原理类似于Na+Ca2+-ATPase。在细胞质膜的一侧有同Ca2+结合的位点，一次可以结合两个Ca2+ ， Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随ATP的水解和酶被磷酸化， Ca2+泵构型发生改变，结合Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力降低Ca2+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+-ATPase有10个跨膜结构域，在细胞质膜内侧有两个大的细胞质环状结构，第一个环位于跨膜结构域2和3之间，第二个环位于跨膜结构域4和5之间。在第一个环上有Ca2+结合位点；在第二个环上有激活位点，包括ATP的结合位

35、点。Ca2+-ATPase的氨基端和羧基端都在细胞的内侧，羧基端含有抑制区域。在静息状态，羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合，使泵失去功能，这就是自我抑制。,Ca2+-ATPase有两种激活机制，一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白(CaM）复合物的激活，另一种是被蛋白激酶C激活。当细胞内Ca2+浓度升高时， Ca2+同钙调蛋白结合，形成激活的Ca2+钙调蛋白复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。当细胞内Ca2+浓度下降时，CaM同抑制区脱离，抑制区又同激活位点结合，使泵处于静息状态。在另一种情况下，蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同

36、激活位点结合，起抑制作用。 在Ca2+-ATPase的羧基端有3个功能位点（区域）：同激活位点结合区、同CaM结合区、磷酸化位点。,Plant cells have a H+-transpoting plasma membrane pump . This proton pump plays a key role in the secondary transport of solutes, in the control of cytosolic pH, and possibly in control of cell growth by means of acidification of the

37、plant cell wall.,The V-type pump: utilize the energy of ATP without forming a phosphorylated protein intermediate.,Vacuolar(V-type) pump actively transport H+ across the walls of cytoplasmic organelles and vacuoles.,They present in lysosomes, secretory granules（分泌泡）, and plant cell vacuoles, have al

38、so been found in the plasma membranes of a variety of cells (kidney tubules).,细菌视紫红质质子泵,嗜盐的厌氧菌Halobacterium halobium生活在阳光充足的盐水池中。在进化过程中，这种菌的细胞质膜上出现了多种能被光线激活的蛋白质，“紫膜”是该菌质膜上一些特化的区域（斑块），上面只含一种蛋白质，就是细菌视紫红质。该蛋白含有7个a螺旋，每个螺旋长3-4nm，在蛋白的中部有几个能够吸收光的视黄醛基团，又称发色基团；当该基团被一个光子激活时，就能引起整个分子的构型发生变化，导致两个H从细胞内运送到细胞外。结果造

39、成了细胞内外的质子浓度差，这种浓度梯度可被另一种膜蛋白用于ATP的合成。在这个系统中，H的运输是由光提供能量。,ABC运输蛋白最早在细菌中发现，位于细菌的内膜，主要参与糖、氨基酸和小肽的运输，运输时需要水解ATP提供能量。糖、氨基酸等物质先通过外膜的选择性孔蛋白进入膜间腔，然后被一种周质结合蛋白所结合。结合蛋白有两个结构域，一个同糖结合，该结构域与糖等物质结合后，会引起另一个结构域发生构型变化并同ABC运输蛋白结合。在水解ATP供能的情况下，ABC运输蛋白将糖等运入细胞内。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（ATP binding cassette），故名ABC转运

40、器。,ABC运输蛋白的运输作用,Mammalian MDR1 protein,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），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。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。,Indirect active transport is driven by Ion gradients - Cotranspor

41、t,A. Sugars, amino acids, and other organic molecules into cells:,The inward transport of such molecules up their concentration gradients is often coupled to, and driven by, the concomitant inward movement of these ions down their electrochemical gradients: Animal cells-Sodium ions (Na+/K+ ATPase) P

42、lant, fungi, bacterium-Protons(H+ ATPase),Gradients created by active ion pumping store energy that can be coupled to other transport processes.,The difference between animal and plant cells to absorb nutrients,动物细胞和植物细胞不仅结构有所差别，载体蛋白也有所不同。动物细胞质膜上有NaK-ATPase，并通过对Na、K十的运输建立细胞的电化学梯度；但在植物细胞（包括细菌细胞）的质膜中没

43、有NaK +-ATPase，代之的是H-ATPase，并通过对H的运输建立细胞的电化学梯度，使细胞外H的浓度比细胞内高；与此同时，H泵在周围环境中创建了酸性pH,然后通过H质子梯度驱动的同向运输，将糖和氨基酸等输入植物的细胞内。在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H-ATPase，它们的作用都一样，保持这些细胞器的酸性。,Cotransport（协同运输）: Symport（同向协同） and antiport（反向协同）,Na+-linked symporters import amino acids and glucose into many animal cells,Na+-lin

44、ked antiporter exports Ca+ from cardiac muscle cells,Medicine,Ouabain（乌本苷)and digoxin(地高辛） increase the force of heart muscle contraction by inhibiting the Na+/K+ ATPase. Fewer Ca+ ions are exported,How is it possible for some molecules to be at equilibrium across a biological membrane and yet not b

45、e at the same concentration on both sides? Ion transporters are linked together-not physically, but as a consequence of their actions. For example, cells can raise their intracellular pH, when it becomes too acidic, by exchanging external Na+ for internal H+, using a Na+-H+ anti-porter. The change i

46、n internal Na+ is then redressed using the Na+-K+ pump. A. Can these two transporters, operating together, normalize both the H+ and the Na+ concentrations inside the cell? B. Does the linked action of these two pumps cause imbalances in either the K+ concentration or the membrane potential? Why or

47、why not?,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。在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,第三节 膜泡运输的基本概念,Endocytosis: Large molecules enter into cells,Endocytosis imports extracellular molecules dissolved or suspended in fluid by forming vesicles from the plasma

48、membrane,Bulk-phase endocytosis（批量内吞） does not require surface membrane recognition.It is the nonspecific uptake of extracellular fluids. Receptor-mediated endocytosis(RME) follows the binding of substances to membrane receptors.,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。,一、吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,二、胞饮作用,三、胞吐（外排）

49、作用exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。,四、穿胞运输 在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如： 肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管； 大鼠中，母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。 五、胞内膜泡运输 细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。,二、蛋白质分选运输机制,1、门控运输（gated transport）：如通过核孔复合体的运输。 2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过

50、跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入线粒体。 3、膜泡运输（vesicular transport）：被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。,小泡运输的三个关键问题,小泡是如何形成的?为什么有些膜整合 蛋白能够被选择性地包入小泡? 不同类型的运输小泡具有什么样的信号 标记，这些标记如何帮助它们同特定类 型细胞器的膜结合? 运输小泡的膜同靶膜相互融合的机理是什么?,细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类运输泡之所以能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。 大多数运输小泡是

51、在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。,衣被小泡在细胞内沿微管运输。 与膜泡运输有关的马达蛋白有3类，在这些马达蛋白的牵引下，可将膜泡运到特定的区域。 动力蛋白（dynein），趋向微管负端； 驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端； 肌球蛋白（myosin），趋向微丝正极。,一、衣被类型,已知三类： 笼形蛋白（clathrin） COPI COPII 主要作用： 选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡； 如同模具一样决定运输小泡的外部特征。,三种衣被小泡的功能,被膜小泡运输的信号及相关性质,

52、（一）笼形蛋白衣被小泡,相关运输途径：质膜内体，高尔基体内体，高尔基体溶酶体、植物液泡。 结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。网格蛋白及被膜亚基：二聚体(Dimer): 三联体骨架(triskelion): 被膜亚基(coat subunits): 衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。,网格蛋白,网格蛋白亚基装配,Clathrin coated vesicles,披网格蛋白小窝(Clathrin-Coated

53、 Pit) 披网格蛋白小泡(Clathrin-Coated Vesicles) 有被小泡(Coat Vesicles) 无被小泡(Uncoat Vesicles) 分子伴侣Hsp70蛋白参与该过程，并且需要ATP。另外Ca2+也参与了包被的形成和去被的过程。,披网格蛋白小泡的形成,Selective transport by clathrin coated vesicles,发动蛋白(dynamin) 发动蛋白在网格蛋白小泡形成过程中同出芽的颈部结合，一旦小泡装配完成，发动蛋白立即水解其本身结合的GTP从而将小泡与质膜切离。当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的

54、颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。,衔接蛋白(adaptin),衔接蛋白的作用 On their outer (cytosolic) surface, the adaptors bind to clathrin molecules, holding the clathrin scaffolding onto the surface of the vesicle. On their inner surface, the adaptors bind to sorting signals in the cytosolic tail

55、s of integral membrane proteins. 衔接蛋白的种类 AP1:识别M6P受体 AP2:识别细胞质膜受体,衔接蛋白的作用,COP-被膜小泡形成的机理,Small GTP-binding proteins 单体G蛋白(monomeric GTP-binding protein) 活性调节 鸟嘌呤核苷释放蛋白(guanine- nucleotide-releasing protein, GNRP) GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein, GAP),Types,ARF :Assembly reaction factor, 参与COPI被膜小泡

56、的装配 Sar1参与COPII被膜小泡的装配 功能 Which appear to regulate the binding of coat proteins to the membrane.,ARF在COP I被膜小泡形成中作用,（二）COP I衣被小泡,功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网，由7种蛋白组成COP 。 回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。 内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号Lys-Lys-X-X。 COP I还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。,Cop I Vesicles,Cop I

57、and II Vesicles,Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）,（三）COP衣被小泡,介导从内质网到高尔基体的物质运输。 由多种蛋白质构成，Sar1GTP酶与Sec23/Sec24复合体结合在一起，Sec13/Sec31复合体覆盖在外层。 衣被小泡形成的部位，称为内质网出口（exit sites），该处没有核糖体。 大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合。 分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序DEXDE ，如Asp-X-Glu序列 。,二、衣被形成,衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的，为单体GTP酶（monomeric GTPase），即G蛋白。调节因子有： 鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchange factor, GEF） GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein, GAP）。 衣被召集GTP酶包括ARF蛋白和SAR 1蛋白。 ARF参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成。 SAR 1参与内质网上COP II衣被的形成。,衣被召集GTP酶存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。 内质网