翟中和細(xì)胞生物學(xué)課件物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

第5章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸本文檔共64頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分本章主要內(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本文檔共64頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸本文檔共64頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白脂雙層疏水對絕大多數(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（carrierprotein，transporter）通道蛋白（channelprotein）本文檔共64頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（一）載體蛋白及其功能多次跨膜；通過構(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；但對溶質(zhì)不做任何共價(jià)修飾本文檔共64頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（一）載體蛋白及其功能不同部位的生物膜往往含有各自功能相關(guān)的不同載體蛋白本文檔共64頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（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本文檔共64頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分MainPorinFromMycobacteriumsmegmatis(MSPA)本文檔共64頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分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)速率沒有飽和值離子通道非連續(xù)性開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)力激活通道本文檔共64頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。兩類主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質(zhì)。通道蛋白主要根據(jù)溶質(zhì)大小和電荷和進(jìn)行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當(dāng)電荷的分子或離子就能通過；而載體蛋白只允許與其結(jié)合部位相適應(yīng)的溶質(zhì)分子通過，并且每次轉(zhuǎn)運(yùn)都發(fā)生自身構(gòu)象的變化。本文檔共64頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分二、小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類型3種類型：簡單擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸本文檔共64頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（一）簡單擴(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，無需膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助脂雙層對溶質(zhì)的通透性大小主要取決于分子大小和分子的極性本文檔共64頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（二）被動(dòng)運(yùn)輸(passivetransport)順著電化學(xué)梯度或濃度梯度協(xié)助擴(kuò)散(facilitateddiffusion)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助載體蛋白介導(dǎo)通道蛋白介導(dǎo)本文檔共64頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白12次跨膜α螺旋通過構(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本文檔共64頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分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)Fig.XenopusoocytesmicroinjectedwithAQP1mRNAswellrapidlywhenplacedinahypo-osmoticmedium,incontrasttononinjectedoocytes.本文檔共64頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PeterAgreRoderickMacKinnon

本文檔共64頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分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Fig.PassageofwatermoleculesthroughtheaquaporinAQP1.Becauseofthepositivechargeatthecenterofthechannel,positivelychargedionssuchasH3O+,aredeflected.Thispreventsprotonleakagethroughthechannel.本文檔共64頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（三）主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)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)泵本文檔共64頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分第二節(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超家族本文檔共64頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分一、P型泵(P-typepump)2個(gè)α催化亞基，具有ATP結(jié)合位點(diǎn)；2個(gè)β調(diào)節(jié)亞基至少有一個(gè)α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本文檔共64頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分■P-型離子運(yùn)輸泵的作用機(jī)理P型泵的主要特點(diǎn):都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運(yùn)輸有關(guān)的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離子的跨膜運(yùn)輸。

Na+-K+ATP酶的分子結(jié)構(gòu)：

αβ兩種亞基組成的二聚體。

α亞基具有ATP酶的活性；

β亞基是具有組織特異性的糖蛋白。本文檔共64頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（一）Na+-K+

泵（Na+-K+ATPase）Figure11-14MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)本文檔共64頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.Na+-K+

泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制由2個(gè)α和2個(gè)β亞基組成四聚體烏苯苷（ouabain）用作強(qiáng)心劑的原理？本文檔共64頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.Na+-K+

泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制本文檔共64頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分泵入2K+結(jié)合3Na+磷酸化泵出3Na+結(jié)合2K+

去磷酸化鈉鉀泵工作的特性：P-type：依賴自磷酸化來轉(zhuǎn)運(yùn)離子的離子泵。鈣泵

質(zhì)子泵它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個(gè)蛋白質(zhì)家族。本文檔共64頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分2.Na+-K+

泵主要生理功能維持細(xì)胞膜電位維持動(dòng)物細(xì)胞滲透平衡本文檔共64頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分2.Na+-K+

泵主要生理功能吸收營養(yǎng)

動(dòng)物細(xì)胞對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)梯度來吸收營養(yǎng)物本文檔共64頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分Na+/K+泵具有三個(gè)重要作用:

一是維持了細(xì)胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的滲透作用;二是在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)Na+離子濃度梯度的同時(shí)，為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸泵提供了驅(qū)動(dòng)力;三是Na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。本文檔共64頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（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+本文檔共64頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.Ca2+泵的結(jié)構(gòu)與功能本文檔共64頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分鈣離子泵作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。位置：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。類型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵出2個(gè)Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。本文檔共64頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分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)膜上雖然沒有Na+-K+

泵，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+ATPaseControlofacidsecretioninthestomach本文檔共64頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分二、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+

過程中不形成磷酸化的中間體維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)pH中性和細(xì)胞器內(nèi)pH酸性本文檔共64頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分二、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的第一個(gè)字母）轉(zhuǎn)運(yùn)H+

過程中不形成磷酸化的中間體F型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動(dòng)力勢合成ATP，又稱作H+-ATP合成酶本文檔共64頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分■動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞不僅結(jié)構(gòu)有所差別，載體蛋白也有所不同。動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上有Na+-K+ATPase，并通過對Na+、K+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；但是在植物細(xì)胞(包括細(xì)菌細(xì)胞)的質(zhì)膜中沒有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對H+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度，使細(xì)胞外H+的濃度比細(xì)胞內(nèi)高；與此同時(shí)H+泵在周圍環(huán)境中創(chuàng)建了酸性pH，然后通過H+質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸，將糖和氨基酸等輸入植物的細(xì)胞內(nèi)。在動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細(xì)胞器的酸性。本文檔共64頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分動(dòng)物、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸比較本文檔共64頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分三、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)蛋白通過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)本文檔共64頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（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α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，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)本文檔共64頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分MammalianMDR1proteinABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對藥物的抗性有關(guān)。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。（二）ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病本文檔共64頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（二）ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病multidrug-resistance，MDRcysticfibrosistransmembraneconductanceregulator，CFTR本文檔共64頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位本文檔共64頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位本文檔共64頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用真核細(xì)胞通過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Figure13-1MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)本文檔共64頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分一、胞吞作用的類型吞噬作用（phagocytosis）胞飲作用（pinocytosis）本文檔共64頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（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)的過程本文檔共64頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分（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)攝入溶液及可溶性分子胞飲泡直徑一般小于吞噬泡直徑本文檔共64頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.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)單位本文檔共64頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coatedvesicle）發(fā)動(dòng)蛋白銜接蛋白本文檔共64頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分1.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本文檔共64頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分LDL是一種球形顆粒的脂蛋白(如圖)，直徑為22nm,核心是1500個(gè)膽固醇酯；外面由800個(gè)磷脂和500個(gè)未酯化的膽固醇分子包裹,由于外被脂分子的親水頭露在外部，使LDL能夠溶于血液中；最外面有一個(gè)相對分子質(zhì)量為55kDa的蛋白，叫輔基蛋白B——100(apolipoproteinB-100),它能夠與特定細(xì)胞的表面受體結(jié)合。

LDL顆粒結(jié)構(gòu)示意圖a)由磷脂和未酯化的膽固醇單層構(gòu)成LDL的外膜結(jié)構(gòu),在外膜上結(jié)合一個(gè)親水的apo-B蛋白,該蛋白可以介導(dǎo)LDL與細(xì)胞表面的受體結(jié)合。(b)四種類型脂蛋白的電鏡照片本文檔共64頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分受體介導(dǎo)的胞吞作用本文檔共64頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機(jī)理？細(xì)胞膜上LDL受體缺陷示意圖本文檔共64頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分胞內(nèi)體：受體介導(dǎo)的胞吞作用分選站大部分受體返回它們原來的質(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，完成跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)(transcytosis)本文檔共64頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分轉(zhuǎn)鐵蛋白：受體與配體一起再循環(huán)本文檔共64頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分●鐵的運(yùn)輸所有生長中的細(xì)胞表面都有鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白的受體,在中性pH條件下,轉(zhuǎn)鐵蛋白與鐵結(jié)合,然后通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。在細(xì)胞內(nèi),在內(nèi)體的酸性環(huán)境中,轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放出鐵,但是轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然同膜受體結(jié)合,并與受體一起回到質(zhì)膜；當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境變成中性時(shí),轉(zhuǎn)鐵蛋白同受體脫離,并自由地結(jié)合鐵,然后又開始新一輪循環(huán)。實(shí)際上,轉(zhuǎn)鐵蛋白穿梭于細(xì)胞外液體和內(nèi)體之間,避開了溶酶體,快速傳遞細(xì)胞生長所需的鐵(圖9-61)。本文檔共64頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期三\15點(diǎn)51分2.其他類型的胞飲作用MayorS.,andR.E.Pagano.PathwaysofClathrin-IndependentE