細(xì)胞5,質(zhì)跨膜運(yùn)輸-2012課件

1、第五章膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸胞吞作用與胞吐作用物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是細(xì)胞維持正常生命活動的基礎(chǔ)之一。 細(xì)胞膜是一種選擇性通透膜。兩種主要調(diào)控機(jī)制：脂膜本身的脂雙層所具有的疏水性特征特殊的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的跨膜運(yùn)輸跨膜運(yùn)輸主要有三種途徑：被動運(yùn)輸、主動運(yùn)輸、胞吞與胞吐作用。一、被動運(yùn)輸通過簡單擴(kuò)散或協(xié)助擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的跨膜運(yùn)輸。轉(zhuǎn)運(yùn)的動力來自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細(xì)胞提供代謝能量。1. 簡單擴(kuò)散疏水小分子或小的不帶電荷的極性分子的跨膜方式。不需要細(xì)胞提供能量，也沒有膜蛋白的協(xié)助。分子通過熱運(yùn)動從膜的一側(cè)通過細(xì)胞膜進(jìn)入膜的另一側(cè)，其結(jié)果是分子沿著濃度梯度降低的方向轉(zhuǎn)運(yùn)。

2、簡單擴(kuò)散中，不同分子的通透系數(shù)區(qū)別很大。小分子比大分子容易穿膜，非極性分子比極性分子容易穿膜。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為兩類載體蛋白：既可介導(dǎo)被動運(yùn)輸，又可介導(dǎo)主動運(yùn)輸.通道蛋白：只能介導(dǎo)被動運(yùn)輸.通道蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)明顯快于載體蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn). 載體蛋白具有通透酶（permease）性質(zhì)；每種都有特異性結(jié)合位點(diǎn)，能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率，KM反映轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性The structure of a bacterial K+ channel.乙酰膽堿受體是配體門通道 離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位膜電位：細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差總和。靜息電位：指細(xì)胞

3、在靜息狀態(tài)下的膜電位，是細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外相對穩(wěn)定的電位差。質(zhì)膜內(nèi)為負(fù)值，質(zhì)膜外為正值（-70 -30mV） ，此現(xiàn)象稱為極化。電壓門控離子通道：開關(guān)變化應(yīng)答于膜電位的變化，即其打開的概率由膜電位控制。在神經(jīng)元電信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要作用。Na+和K+離子通道都是膜上的電壓門控離子通道，當(dāng)細(xì)胞接受刺激信號超過一定閾值時(shí)， 將介導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生動作電位。動作電位：在刺激作用下產(chǎn)生行駛通訊功能的快速變化的膜電位。 離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位細(xì)胞質(zhì)膜膜電位是化學(xué)信號或電信號引起的興奮傳遞的重要方式。盡管不同神經(jīng)元運(yùn)載的信號的重要性各式各樣，但信號的形式都一樣，均由神經(jīng)元跨膜電勢的改變組成。信號傳播是由于細(xì)胞一個(gè)部位的電

4、擾可以傳播到其他部位。神經(jīng)元功能的發(fā)揮有賴于其延伸的結(jié)構(gòu)。二. 主動運(yùn)輸由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。需要與某種釋放能量的過程相偶聯(lián)?？煞譃椋河葾TP直接提供能量(ATP驅(qū)動泵）、ATP間接提供能量（耦聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）以及光能驅(qū)動（光驅(qū)動泵）三種基本類型。由ATP直接提供能量的主動運(yùn)輸依賴于4種ATPasesABC (ATP-binding Cassette，ATP-結(jié)合盒 )V-type ATPases (V for “vesicle”) pump protons into such organelles as vesicles, vacuoles, lysosome

5、s, endosomes, and the Golgi complex.F-type ATPases ( F for “factor” ) are found in bacteria, mitochondria, and chloroplast.Na+-K+ ATPase -A coupling active transport to ATP hydrolysis. 一種P型 ATPase，存在于動物細(xì)胞。水解ATP提供能量，泵出 Na+，泵入K+, 兩者的個(gè)數(shù)比例3:2。功能：維持細(xì)胞內(nèi)低Na+高K+ 的離子環(huán)境，對維持細(xì)胞內(nèi)正常的生命活動，神經(jīng)沖動傳導(dǎo)以及維持細(xì)胞的滲透平衡，恒定細(xì)胞的體積

6、等起重要作用。胞外高濃度Na+也可儲存大量能量。A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase鈣泵另一類P-型離子泵，與ATP的水解相偶聯(lián)，每消耗一個(gè)ATP轉(zhuǎn)運(yùn)出兩個(gè)Ca2+。主要存在于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，它將Ca2+輸出細(xì)胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，以維持細(xì)胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+ （胞內(nèi)10-7mol/L, 胞外10-3 mol/L。鈣泵在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲存Ca2+ ，對調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的收縮和舒張至關(guān)重要。肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+泵的工作模型ABC (ATP-binding Cassette，ATP-結(jié)合盒 )更多的成員，更為多樣。每種ABC蛋白對于單一底物或相關(guān)底物的基團(tuán)是特異性的。都

7、共享一個(gè)由4個(gè)“核心”結(jié)構(gòu)域組成的結(jié)構(gòu)模式。很多腫瘤細(xì)胞高水平表達(dá)多抗藥性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（multidrug resistance (MDR) protein）。細(xì)菌可用該酶進(jìn)行物質(zhì)進(jìn)胞轉(zhuǎn)運(yùn)。載體蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)有三種形式：單一運(yùn)輸同向共運(yùn)輸反向共運(yùn)輸一類通過Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，靠間接消耗ATP所完成的主動運(yùn)輸。(物質(zhì)跨膜運(yùn)動所需直接動力來自膜兩側(cè)離子電化學(xué)濃度梯度，而維持這種離子電化學(xué)梯度則是通過Na+-K+泵(或H+泵)消耗ATP所實(shí)現(xiàn)。)An Asymmetric Distribution of Transporters in Epithelial CellsUnder

8、lies the Transcellular Transport of Solutes.動物細(xì)胞利用膜兩側(cè)的Na+電化學(xué)梯度驅(qū)動，植物細(xì)胞和細(xì)菌利用H+電化學(xué)梯度驅(qū)動。某些動物細(xì)胞器、細(xì)菌等通過H+泵協(xié)同完成。主動運(yùn)輸小結(jié)：都需要消耗能量，所需能量可直接來自ATP、離子電化學(xué)梯度或光能；需要膜上的特異性載體蛋白，它們不僅具有結(jié)構(gòu)上的特異性，而且具有結(jié)構(gòu)上的可變性（構(gòu)象變化影響親和力的改變。）三、 包吞作用和胞吐作用真核細(xì)胞進(jìn)行大分子與顆粒性物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)耐緩健＾D(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，物質(zhì)包裹在脂雙層膜圍繞的囊泡中，需消耗能量，屬于主動運(yùn)輸。常可同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)不同種類、不同數(shù)量的物質(zhì)，也可稱批量運(yùn)輸。胞吞作用是通過細(xì)

9、胞膜內(nèi)陷形成胞吞泡，將外界物質(zhì)裹進(jìn)并輸入細(xì)胞的過程。根據(jù)形成胞吞泡的大小和包吞物的不同，可分為：胞飲作用和吞噬作用，根據(jù)胞吞的物質(zhì)是否有專一性，可分為受體介導(dǎo)的胞吞作用和非特異性胞吞作用。胞飲作用和吞噬作用，二者主要區(qū)別在：胞飲作用中胞吞物為溶液，吞噬作用的胞吞物為大顆粒性物質(zhì)。吞噬泡的大小不同(前者about 100 nm in diameter，后者 generally 250 nm in diameter)。胞飲連續(xù)發(fā)生，吞噬是一個(gè)信號觸發(fā)的過程。胞吞泡形成機(jī)制不同。胞飲泡的形成需要網(wǎng)格蛋白（clathrin）或類似蛋白的幫助，吞噬泡的形成需要微絲及其結(jié)合蛋白的幫助。吞噬作用:由專門的吞

10、噬細(xì)胞完成吞噬作用（phagocytosis）是一種特殊的內(nèi)吞作用，細(xì)胞通過形成大的吞噬泡（吞噬小體）來攝取大顆粒物質(zhì)，如微生物、死細(xì)胞等。對原生生物而言，吞噬是獲取食物和養(yǎng)分的重要方式。動物體中的吞噬作用主要由巨噬細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞完成，起防護(hù)和清除作用。吞噬體的大小由被攝取顆粒的大小決定，可大至噬菌細(xì)胞本身。吞噬體通過與溶酶體融合將被攝取物降解，不可降解的殘留物通過形成殘余小體釋放到胞外。 吞噬細(xì)胞表面有大量不同種類的受體，被攝取顆粒通過與受體結(jié)合，并經(jīng)過引發(fā)而發(fā)生吞噬過程。偽足延伸和吞噬體形成通過肌動蛋白的解聚和重組而驅(qū)動。吞噬體形成處特定磷酸肌醇的積累導(dǎo)致肌動蛋白的解聚和重組。三聯(lián)體骨

11、架/三腿蛋白網(wǎng)格蛋白小泡網(wǎng)格蛋白胞飲作用:通過網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運(yùn)輸結(jié)合素蛋白（adaptin）具有特異性選擇作用，既能結(jié)合網(wǎng)格蛋白，又能識別跨膜受體胞質(zhì)面的尾部肽信號，進(jìn)而通過網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)跨膜受體及其結(jié)合配體的選擇性運(yùn)輸。結(jié)合素蛋白有不同種類，不同途徑的轉(zhuǎn)運(yùn)小泡可結(jié)合不同的包被蛋白。 發(fā)動蛋白（dynamin）:是網(wǎng)格蛋白小泡形成的裝配反應(yīng)因子（assembly reaction factor, ARF），其作用是在被膜小窩的頸部聚合，通過水解GTP調(diào)節(jié)自己收縮，最后將小泡與質(zhì)膜割開。受體介導(dǎo)的胞吞作用細(xì)胞通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用選擇性輸入胞外大分子細(xì)胞有各種各樣的受體參與受

12、體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。受體介導(dǎo)的網(wǎng)格蛋白小泡轉(zhuǎn)運(yùn)是高度調(diào)節(jié)的。內(nèi)陷小窩起到分子過濾器的作用。不同的受體可進(jìn)入到同一個(gè)內(nèi)陷小窩，同一個(gè)網(wǎng)格蛋白小泡中的內(nèi)吞蛋白在胞內(nèi)的命運(yùn)各不同。依賴于小凹的胞飲作用除了網(wǎng)格蛋白小泡，還有其他形式的胞飲作用。小凹(Caveolae)是細(xì)胞膜上獨(dú)立的區(qū)域（細(xì)胞膜穴樣內(nèi)陷） ，主要是在絕大多數(shù)細(xì)胞表面的脂筏區(qū)。小凹蛋白(Caveolin)是小凹的結(jié)構(gòu)蛋白。小凹利用小凹膜的特殊脂組成來攝取和聚集蛋白。小凹蛋白起著穩(wěn)定這些脂筏區(qū)域的作用。內(nèi)吞過程可分為初級胞內(nèi)體和次級胞內(nèi)體兩個(gè)階段初級胞內(nèi)體是內(nèi)吞途徑的分選站，形成初級胞內(nèi)體后，大部分受體可返回到原來的質(zhì)膜，然后含有被吞噬物的

13、胞內(nèi)體通過形成多泡體次級胞內(nèi)體的途徑成熟。進(jìn)入次級胞內(nèi)體的物質(zhì)進(jìn)而被運(yùn)送到溶酶體被降解。low-density lipoproteins (LDLs)膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)上皮細(xì)胞的內(nèi)吞作用通過轉(zhuǎn)胞吞作用轉(zhuǎn)移大分子穿過上皮細(xì)胞層上皮細(xì)胞有兩種不同的早期內(nèi)涵體，但只有一種晚期內(nèi)涵體。胞吐作用是將細(xì)胞內(nèi)的分泌泡或其他膜泡中的物質(zhì)通過細(xì)胞質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)倪^程。組成型胞吐（default pathway） ：從高爾基體反面管網(wǎng)區(qū)分泌的囊泡向質(zhì)膜流動并與之融合的穩(wěn)定過程。新合成的囊泡膜的蛋白和脂類不斷供應(yīng)給質(zhì)膜更新，并確保細(xì)胞分裂前質(zhì)膜的生長。囊泡內(nèi)蛋白被分泌到胞外等部位。調(diào)節(jié)型胞吐：存在于特殊機(jī)能的分泌細(xì)胞中。細(xì)胞產(chǎn)生的分泌物儲存在分泌泡(Secretory Vesicles)內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞在受到胞外信號刺激時(shí)，分泌泡與質(zhì)膜融合并將內(nèi)含