物質(zhì)的跨膜運輸細(xì)胞生物學(xué)

關(guān)于物質(zhì)的跨膜運輸細(xì)胞生物學(xué)內(nèi)容提要第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸一、脂雙層的不通透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白二、被動運輸和主動運輸?shù)诙?jié)離子泵和主動運輸一、離子泵二、超家族三、離子跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用一、胞吞作用的類型二、胞吞作用與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)三、胞吐作用第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)膜轉(zhuǎn)運蛋白與物質(zhì)的跨膜運輸細(xì)胞進(jìn)行的物質(zhì)運輸有三種不同的范疇：細(xì)胞運輸(cellulartransport)

這種運輸主要是細(xì)胞與環(huán)境間的物質(zhì)交換胞內(nèi)運輸(intracellulartransport)是真核生物細(xì)胞內(nèi)膜性細(xì)胞器與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的物質(zhì)交換跨細(xì)胞運輸(transcellulartransport)這種運輸是物質(zhì)穿越細(xì)胞的運輸?shù)?頁,共60頁，2024年2月25日，星期天物質(zhì)通過質(zhì)膜的三種主要途徑被動運輸主動運輸胞吞作用與胞吐作用第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天人工脂分子的透性疏水分子：O2、N2、苯小的不帶電荷的極性分子：水、尿素、甘油大的不帶電的極性分子：葡萄糖、蔗糖等離子：Na+、H+

、K+

、HCO3－、Ca＋、Cl－一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天在活細(xì)胞中質(zhì)膜對物質(zhì)

的

通透有高度的選擇性第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞膜與人工脂雙分子膜一樣，能通過簡單擴(kuò)散透過水、非極性分子；還能透過各種極性分子和無機(jī)離子如：核苷酸、糖、氨基酸；第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（一）載體蛋白及其功能P68膜轉(zhuǎn)運蛋白載體蛋白通道蛋白脂雙層濃度下降第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（二）通道蛋白一般認(rèn)為它是橫跨質(zhì)膜形成的親水的通道，能使適宜大小的分子及帶電荷的溶質(zhì)通過。脂雙層親水部分疏水部分第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天離子通道壓力激活通道細(xì)胞內(nèi)外配體門控電壓門控離子選擇性:門控性:第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天A.配體門通道——離子通道型受體第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天B.電壓門通道細(xì)胞內(nèi)外特異離子濃度發(fā)生變化時或其它刺激引起膜電位變化時，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。正常膜電位正常膜電位被電流刺激破壞通道關(guān)閉通道開啟通道失活第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天C:壓力激活通道—機(jī)械門通道

各種各樣的機(jī)械力刺激，將機(jī)械刺激的信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號最終引起細(xì)胞反應(yīng)。第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天二、被動運輸

1、概念:P71順濃度梯度；不消耗能量2、類型:簡單擴(kuò)散（自由擴(kuò)散）:

順濃度梯度，不耗能，不需要膜蛋白。協(xié)助擴(kuò)散（促進(jìn)擴(kuò)散）:

順濃度梯度，不耗能，需要膜蛋白。第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（一）、簡單擴(kuò)散第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天簡單擴(kuò)散也叫自由擴(kuò)散（freediffusion）：①沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；②不需要提供能量；③沒有膜蛋白協(xié)助。通透性P=KD/d，K為分配系數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)，d為膜的厚度。第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1、簡單擴(kuò)散的限制因素

脂溶性:脂溶性越強，通過脂雙層膜的速率越快

相對分子質(zhì)量:相對分子質(zhì)量小，脂溶性高的分子才能快速擴(kuò)散

物質(zhì)的帶電性:

不帶電荷的極性分子第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（二）水孔蛋白（Aquaporin，AQP）：水分子的跨膜通道1991年，Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（三）、協(xié)助擴(kuò)散P71特異的膜轉(zhuǎn)運蛋白“協(xié)助”物質(zhì)轉(zhuǎn)運第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天促進(jìn)擴(kuò)散的速度要快幾個數(shù)量級具有飽和性:當(dāng)溶質(zhì)的跨膜濃度差達(dá)到一定程度時，促進(jìn)擴(kuò)散的速度不再提高。具有高度的選擇性:如運輸?shù)鞍啄軌驇椭咸烟强焖龠\輸，但不幫助與葡萄糖結(jié)構(gòu)類似的糖類運輸。1、協(xié)助擴(kuò)散同簡單擴(kuò)散相比，具有以下一些特點：第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（四）、主動運輸

（一）概念：由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運方式。

第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天主動運輸特點：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；②需要能量；③都有載體蛋白。能量來源：①協(xié)同運輸中的離子梯度動力；②ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量；③光驅(qū)動的泵利用光能運輸物質(zhì)，見于細(xì)菌。第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天主動運輸類型濃度梯度光驅(qū)泵蛋白ATP-驅(qū)動泵蛋白偶聯(lián)載體第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)ATP驅(qū)動泵和主動運輸ATP驅(qū)動泵分類：P—型離子泵V—型質(zhì)子泵F—型質(zhì)子泵ABC超家族第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天P—型離子泵(P74)

對離子的轉(zhuǎn)運循環(huán)依賴自磷酸化過程，所以叫做P-type離子泵。第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（一）、鈉鉀泵—動物細(xì)胞的質(zhì)膜

是Na+-K+ATP酶

,由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體.

Na+電化學(xué)梯度細(xì)胞外K+電化學(xué)梯度K+結(jié)合位點胞質(zhì)溶膠Na+結(jié)合位點一、P——型離子泵第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天工作原理:細(xì)胞外胞質(zhì)溶膠ATP將泵蛋白磷酸化K+的結(jié)合使泵蛋白去磷酸化第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞必須進(jìn)行滲透壓調(diào)節(jié)(P75)第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞以不同的方式避免被漲破第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天Na+-K+泵的作用：維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；維持細(xì)胞的靜息電位；吸收營養(yǎng)。烏苯苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（二）、鈣泵(P75)及其他P－型離子泵Ca2+

ATP酶

第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天H+泵(P76)—植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜H+

ATP酶，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度，驅(qū)動轉(zhuǎn)運溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)子泵1、P-type：如植物細(xì)胞膜上的H+泵、動物胃表皮細(xì)胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各類小泡膜上，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內(nèi)體、植物液泡膜上。3、F-type：利用質(zhì)子動力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜、類囊體膜上。第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天P-型泵V-型泵第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天定子轉(zhuǎn)子

F-型泵：H+-ATP酶

第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天三、ABC

超家族ABC超家族（ABCsuperfamily）最早發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，屬于一個龐大的蛋白家族，每個成員都有兩個高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATPbindingcassette），故名ABC轉(zhuǎn)運器。第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天MammalianMDR1protein第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞的ABC轉(zhuǎn)運器是多藥抗性蛋白（multidrugresistanceprotein,MDR），約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過度表達(dá)。ABC轉(zhuǎn)運器還與病原體對藥物的抗性有關(guān)。第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天FourtypesofATP-poweredpumps第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天四、協(xié)同運輸（cotransport)—偶聯(lián)轉(zhuǎn)運概念:特點：靠間接提供能量完成主動運輸。所需能量來自膜兩側(cè)離子的濃度梯度。動物細(xì)胞中常常利用膜兩側(cè)Na+濃度梯度來驅(qū)動。植物細(xì)胞和細(xì)菌常利用H+濃度梯度來驅(qū)動。第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

協(xié)同運輸分為：同向協(xié)同和反向協(xié)同

第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1、同向協(xié)同（symport）如小腸細(xì)胞對葡萄糖的吸收伴隨著Na+的進(jìn)入。某些細(xì)菌對乳糖的吸收伴隨著H+的進(jìn)入。2、反向協(xié)同（antiport）如Na+驅(qū)動的Cl--HCO3-交換，即Na+與HCO3-的進(jìn)入伴隨著Cl-和H+的外流，如存在于紅細(xì)胞膜上的帶3蛋白。第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖示意圖葡萄糖濃度：高低低葡萄糖Na+-驅(qū)動同向轉(zhuǎn)運將葡萄糖引入細(xì)胞載體蛋白介導(dǎo)的被動轉(zhuǎn)運將葡萄糖送出細(xì)胞小腸腸腔小腸上皮細(xì)胞Na+-K+泵小腸上皮細(xì)胞微絨毛細(xì)胞外體液第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天三、被動運輸與主動運輸比較主動轉(zhuǎn)運被動轉(zhuǎn)運濃度梯度載體蛋白通道蛋白被轉(zhuǎn)運的分子簡單擴(kuò)散通道蛋白介導(dǎo)載體蛋白介導(dǎo)第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)胞吞作用和胞吐作用膜泡運輸批量運輸主動運輸真核細(xì)胞通過內(nèi)吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸。因貨物包被在囊泡中，又稱膜泡運輸。第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天一、胞吞作用—細(xì)胞外物體（或大分子物質(zhì)）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的渠道胞吞作用胞吞泡胞飲作用吞噬作用胞飲泡吞噬泡第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.胞飲作用與吞噬作用細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細(xì)菌、細(xì)胞碎片等，稱為吞噬作用。第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天吞噬作用：巨噬細(xì)胞正在吞噬死亡的紅細(xì)胞偽足邊緣第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天吞噬作用：嗜中性細(xì)胞正在吞噬分裂中的細(xì)菌細(xì)菌偽足細(xì)胞質(zhì)膜噬中性細(xì)胞第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)。胞飲作用第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天胞飲作用：卵細(xì)胞正在攝取脂蛋白1342細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外網(wǎng)格蛋白脂蛋白球第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天胞飲泡形成機(jī)制網(wǎng)格蛋白分子三角蛋白體（triskelion）三角蛋白體的可能結(jié)構(gòu)組成[含三個輕鏈和三個重鏈]由36個三角蛋白體組成的網(wǎng)格蛋白包被（電鏡圖）網(wǎng)格蛋白第53頁,共60頁，2024年2月25日，星期天網(wǎng)格蛋白小泡的組裝和拆卸銜接蛋白裸露的轉(zhuǎn)運小泡貨物蛋白受體出芽形成貨物蛋白質(zhì)網(wǎng)格蛋白小泡形成蛋白質(zhì)包被組裝;貨物蛋白質(zhì)選擇有被小泡發(fā)動蛋白脫包被具選擇性細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)第54頁,共60頁，2024年2月25日，星期天二、受體介導(dǎo)的胞吞作用細(xì)胞吸收膽固醇：膽固醇在血管里以膽固醇酯存在于脂蛋白顆粒中，叫做“低密度脂蛋白（LDL，lowdensitylipoproteins