生物細(xì)胞學(xué)課件：第5章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

1、第5章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸本章主要內(nèi)容膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸ATP驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸胞吞作用與胞吐作用第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白脂雙層疏水對(duì)絕大多數(shù)極性分子、離子以及細(xì)胞代謝產(chǎn)物的通透性極低，形成了細(xì)胞的滲透屏障膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為兩類：載體蛋白（carrier protein，transporter）通道蛋白（channel protein）（一）載體蛋白及其功能多次跨膜；通過(guò)構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與底物（溶質(zhì)）特異性結(jié)合；具有高度選擇性；具有類似于酶與底物作用的飽和動(dòng)力學(xué)特征；但對(duì)溶質(zhì)不做任何共價(jià)修飾01（一）載體蛋白及其功能不同部位的生物

2、膜往往含有各自功能相關(guān)的不同載體蛋白（二）通道蛋白及其功能3 種類型：離子通道、孔蛋白以及水孔蛋白大多數(shù)通道蛋白都是離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)底物時(shí)，通道蛋白形成選擇性和門控性跨膜通道孔蛋白水孔蛋白離子通道Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA)http:/bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif離子通道的類型及其 3 個(gè)顯著特征具有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率沒(méi)有飽和值離子通道非連續(xù)性開(kāi)放而是門控的電壓門通道配體門通道（胞外配體）配體門通道（胞內(nèi)配體）應(yīng)力激活通道二、小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類型3 種類型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸 (1)概念:一些脂溶

3、性物質(zhì)由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)移動(dòng)的過(guò)程。（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion)細(xì)胞膜外內(nèi)載體比方：球往低處滾（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion)（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion)順電化學(xué)梯度或濃度梯度不需要細(xì)胞提供能量，無(wú)需膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助脂雙層對(duì)溶質(zhì)的通透性大小主要取決于分子 大小和分子的極性等滲溶液中細(xì)胞一定能維持正常形態(tài)嗎？（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion)高滲低滲等滲（二）被動(dòng)運(yùn)輸 (passive transport)順著電化學(xué)梯度或濃度梯度協(xié)助擴(kuò)散 (facilitated diffusion)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助載體

4、蛋白介導(dǎo)通道蛋白介導(dǎo)外 細(xì)胞膜 內(nèi)比方：卡車載貨下坡（二）被動(dòng)運(yùn)輸 (passive transport)02（1）經(jīng)Carrier proteins的協(xié)助擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)：葡萄糖、氨基酸等小分子親水物質(zhì)（2）經(jīng)Channel proteins的協(xié)助擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì):各種帶電離子1. 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白12 次跨膜 螺旋通過(guò)構(gòu)象改變完成葡萄糖的協(xié)助擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)方向取決于葡萄糖濃度梯度2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎(jiǎng))水分子借助質(zhì)膜上的水孔蛋白實(shí)現(xiàn)快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.htmlFig. Xenopus ooc

5、ytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎(jiǎng))調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓以及生理與病理作用/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpgFig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positiv

6、e charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.（三）主動(dòng)運(yùn)輸(active transport)載體蛋白所介導(dǎo)、逆著電化學(xué)梯度或濃度梯度3種類型ATP 驅(qū)動(dòng)泵（ATP直接供能）協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)或偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)（ATP間接提供能量）光驅(qū)動(dòng)泵外 細(xì)胞膜 內(nèi)能量比方：卡車載貨上坡（三）主動(dòng)運(yùn)輸(active transport)第二節(jié) ATP驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸ATP 驅(qū)動(dòng)泵通常又稱為

7、轉(zhuǎn)運(yùn)ATPase，分為4類P型泵、V型質(zhì)子泵、F型質(zhì)子泵和ABC超家族一、P 型泵 (P-type pump)2 個(gè) 催化亞基，具有ATP 結(jié)合位點(diǎn)；2 個(gè) 調(diào)節(jié)亞基至少有一個(gè) 催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化反應(yīng)，改變轉(zhuǎn)運(yùn)泵的構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)泵水解ATP 使自身形成磷酸化的中間體（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)1. Na+-K+ 泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制由2 個(gè) 和2 個(gè) 亞基組成四聚體烏苯苷（ouabain）用作強(qiáng)心劑的原理？胞外胞內(nèi)1.

8、Na+-K+ 泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制032. Na+-K+ 泵主要生理功能維持細(xì)胞膜電位維持動(dòng)物細(xì)胞滲透平衡2. Na+-K+ 泵主要生理功能吸收營(yíng)養(yǎng) 動(dòng)物細(xì)胞對(duì)葡萄糖或氨基酸等有機(jī)物吸收的能量由蘊(yùn)藏在Na+ 電化學(xué)梯度中的勢(shì)能提供 植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌通常利用質(zhì)膜上的H+-ATPase 形成的H+ 電化學(xué)梯度來(lái)吸收營(yíng)養(yǎng)物0405（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中低Ca2+ 濃度的維持主要得益于質(zhì)膜或細(xì)胞器膜上的鈣泵每消耗1 分子ATP 從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)泵出 2 個(gè)Ca2+1. Ca2+ 泵的結(jié)構(gòu)與功能2. P 型 H+ 泵植物細(xì)胞、真菌(包括酵母)和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上雖然沒(méi)有Na+-K+ 泵，

9、 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase)P 型H+ 泵將 H+ 泵出細(xì)胞，建立和維持跨膜 H+ 電化學(xué)梯度H+/K+ ATPaseControl of acid secretion in the stomach06二、V 型質(zhì)子泵和 F 型質(zhì)子泵V 型質(zhì)子泵廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞的胞內(nèi)體膜、溶酶體膜，破骨細(xì)胞和某些腎小管細(xì)胞的質(zhì)膜，以及植物、酵母及其他真菌細(xì)胞的液泡膜上 （V 為vesicle）轉(zhuǎn)運(yùn) H+ 過(guò)程中不形成磷酸化的中間體逆勢(shì)，維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) pH 中性和細(xì)胞器內(nèi) pH 酸性二、V 型質(zhì)子泵和 F 型質(zhì)子泵F 型質(zhì)子泵存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類 囊體膜上（F 為factor

10、的第一個(gè)字母）轉(zhuǎn)運(yùn) H+ 過(guò)程中不形成磷酸化的中間體順勢(shì)，F(xiàn) 型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，又稱作 H+-ATP合成酶動(dòng)物、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸比較三、ABC 超家族ABC 超家族也是一類ATP 驅(qū)動(dòng)泵;廣泛分布于從細(xì)菌到人類各種生物中，是最大的一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette);通過(guò)ATP 分子的結(jié)合與水解完成小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)原核細(xì)胞真核細(xì)胞（一）ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與工作模式4 個(gè)“核心”結(jié)構(gòu)域2 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，分別含6 個(gè)跨膜 螺旋，形成底物運(yùn)輸通路決定底物特異性2 個(gè)胞質(zhì)側(cè)ATP 結(jié)合域，有 ATPase 活性ATP 分子結(jié)合誘導(dǎo) 2 個(gè)ATP 結(jié)合域二聚化

11、，引起轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白構(gòu)象改變，使底物結(jié)合部位暴露于質(zhì)膜的另一側(cè)（二）ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病multidrug-resistance，MDRcystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR多藥抗性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)蛋白四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位07第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用真核細(xì)胞通過(guò)胞吞作用和胞吐作用完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等物質(zhì)包裹在脂雙層膜包被的囊泡中，因此又稱膜泡運(yùn)輸Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell ( Garla

12、nd Science 2008)08一、胞吞作用的類型吞噬作用 （phagocytosis）胞飲作用（pinocytosis）Pinocytosis: 胞吞物為液體或溶質(zhì)，形成的囊泡較小，小于150nm，所有真核細(xì)胞。Phagocytosis: 胞吞物為大的顆粒性物質(zhì)，形成的囊泡較大大于250nm，特化的吞噬細(xì)胞；一、胞吞作用的類型（一）吞噬作用(phagocytosis)原生生物：攝取食物巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞攝取營(yíng)養(yǎng)物，清除病原體、衰老、凋亡的細(xì)胞吞噬作用是一個(gè)信號(hào)觸發(fā)的過(guò)程09（一）吞噬作用(phagocytosis)巨噬細(xì)胞的吞噬作用（二）胞飲作用幾乎發(fā)生于所有類型真核細(xì)胞中往往連續(xù)攝入

13、溶液及可溶性分子胞飲泡直徑一般小于吞噬泡直徑101. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用網(wǎng)格蛋白 (clathrin) 由3 個(gè)二聚體組成， 3 個(gè)二聚體形成三腳蛋白復(fù)合體 (triskelion)，是包被的結(jié)構(gòu)單位11網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle）發(fā)動(dòng)蛋白銜接蛋白121. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用分為受體介導(dǎo)的胞吞作用非特異性的胞吞作用LDL載脂蛋白受體介導(dǎo)的胞吞作用13家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機(jī)理？細(xì)胞膜上LDL受體缺陷示意圖 胞內(nèi)體：受體介導(dǎo)的胞吞作用分選站大部分受體返回它們?cè)瓉?lái)的質(zhì)膜區(qū)域受體結(jié)合配體在溶酶體被降解受體被運(yùn)至細(xì)胞另一側(cè)的質(zhì)膜，完

14、成跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn) (transcytosis)跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)（transcytosis）母乳喂養(yǎng)的好處？轉(zhuǎn)鐵蛋白：受體與配體一起再循環(huán)2. 其他類型的胞飲作用Mayor S., and R. E. Pagano. Pathways of Clathrin-Independent Endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8 (8)：603-612.胞膜窖依賴的胞吞作用胞膜窖呈內(nèi)陷的瓶狀，特征性蛋白是窖蛋白胞膜窖在質(zhì)膜的脂筏區(qū)域形成二、胞吞作用與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)胞吞作用參與了細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（一）胞吞作用對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的下調(diào)細(xì)胞通過(guò)胞吞作用，將EGF 受體及EGF 吞入細(xì)胞內(nèi)降解