細胞生物學(xué)之物質(zhì)的跨膜運輸與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

1、,第五章 物質(zhì)的跨膜運輸,第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運與物質(zhì)的跨膜運輸 第二節(jié) 離子泵和協(xié)同轉(zhuǎn)運 第三節(jié) 胞吞和胞吐作用,被動運輸和主動運輸?shù)奶攸c 鈉鉀泵、鈣泵和質(zhì)子泵的轉(zhuǎn)運特點和功能,重點,第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運與物質(zhì)的跨膜運輸,一、膜脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運蛋白 二、被動運輸（passive transport）與 主動運輸（active transport）,第二節(jié) 離子泵和協(xié)同運輸 根據(jù)泵蛋白的結(jié)構(gòu)與功能特性，ATP驅(qū)動泵可分為4類： P型離子泵、 V型質(zhì)子泵、 F型質(zhì)子泵和ABC超家族,一、P-型離子泵 （一）Na+K+泵又稱Na+K+ATP酶 存在于動物細胞質(zhì)膜上 細胞內(nèi)側(cè)亞基與Na+離子結(jié)合促進ATP酶

2、水解，亞基上的一個氨基酸殘基磷酸化引起亞基構(gòu)象發(fā)生變化，將Na+泵出細胞，同時細胞外的K+與亞基的另一位點結(jié)合，使其去磷酸化，亞基構(gòu)象再度發(fā)生變化將K+泵進細胞，完成整個循環(huán)。每個循環(huán)消耗一個ATP分子，泵出3個Na+，和泵進2個K+。,（二）Ca2+泵和其它P-型離子泵,（1）Ca2+泵 作用機理：Ca2+泵（Ca2+ pump）又稱Ca2+ATP酶，有約10個跨膜螺旋，細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)蛋白與之結(jié)合以調(diào)節(jié)Ca2+泵的活性，每消耗一個ATP分子轉(zhuǎn)運出兩個Ca2+。 存在位置：所有真核細胞的細胞膜和某些細胞器（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體和液泡）膜上，將Ca2+輸出細胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲存起來，以維持細胞內(nèi)低濃

3、度的游離Ca2+。Ca2+泵在肌質(zhì)網(wǎng)儲存Ca2+，對調(diào)節(jié)肌細胞的收縮與舒張至關(guān)重要。,（2）H+泵 作用機理： 植物細胞、真菌（包括酵母）和細菌細胞其質(zhì)膜上無Na+K+ pump，而是具有H+泵（H+ATPase），將H+泵出細胞，建立跨膜的H+電化學(xué)梯度，驅(qū)動轉(zhuǎn)運物質(zhì)進入細胞。,二、 V-型質(zhì)子泵和F-型質(zhì)子泵 （1）V-型質(zhì)子泵：又稱膜泡質(zhì)子泵，存在于動物細胞胞內(nèi)體、溶酶體膜、破骨細胞和某些腎小管的質(zhì)膜以及植物、酵母和其他真菌細胞液泡膜上，利用ATP水解供能從細胞質(zhì)基質(zhì)中逆H電化學(xué)梯度泵出H進入細胞器，以維持細胞質(zhì)基質(zhì)pH中性和細胞器內(nèi)pH酸性。 （2）F-型質(zhì)子泵：又稱HATP合成酶（F

4、1F0ATPase），存在于線粒體內(nèi)膜、植物細胞類囊體膜和細菌質(zhì)膜上， H順濃度梯度運動，所釋放的能量耦聯(lián)ATP合成。,活細胞內(nèi)外離子濃度是明顯不同的：表5-1 調(diào)控機制：（1）膜轉(zhuǎn)運蛋白活性 載體蛋白 通道蛋白 （2）質(zhì)膜脂雙層的疏水特性,三、胞吞作用(endocytosis)與胞吐作用(exocytosis）,被動運輸（passive transport)是指通過簡單擴散或協(xié)助擴散實現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度地跨膜轉(zhuǎn)運。,擴散(diffusion)指物質(zhì)沿濃度梯度從半透膜濃度高的一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程。 滲透(osmosis)指水分子以及溶劑通過半透膜的擴散。,（一）簡單擴散（simple

5、 diffusion） （二）水孔蛋白 （三）協(xié)助擴散（facilitated diffusion） （四）主動運輸,擴散 Vs 滲透,Vs,Addition,（四）、主動運輸（active transport）,主動運輸是物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度運輸?shù)目缒み\輸方式。,特點： 逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸； 需要能量，與某種釋放能量的過程相耦聯(lián); 需要載體蛋白，具有選擇性和特異性。,類型：,依據(jù),主動運輸,三、胞吞作用與胞吐作用,在大分子與顆粒性物質(zhì)跨膜運輸?shù)霓D(zhuǎn)運過程中，質(zhì)膜內(nèi)陷，形成包圍細胞外物質(zhì)的囊泡，稱膜泡運輸（vesicle transport）。根據(jù)物質(zhì)的運輸方向，膜泡運輸又分為：

6、 胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis） 。,胞飲作用(pinocytosis)和吞噬作用(phagocytosis) 受體介導(dǎo)的胞吞作用 胞飲作用和吞噬作用吞噬的主要區(qū)別,通過細胞膜內(nèi)陷形成囊泡(胞吞泡)，將外界物質(zhì)裹進并輸入細胞的過程。包括胞飲作用和吞噬作用。,胞飲,吞噬,（一）胞吞作用(endocytosis),二、胞吐作用（exocytosis）,將細胞內(nèi)的分泌泡或其他某些膜泡中的物質(zhì)通過細胞質(zhì)膜運出細胞的過程，也稱外排作用。 組成型外排途徑 （constitutive exocytosis pathway） 調(diào)節(jié)型外排途徑 （regulated exoc

7、ytosis pathway）,膜的融合,物質(zhì)的跨膜運輸方式,物質(zhì)的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎(chǔ)之一,簡單擴散,協(xié)助擴散,主動運輸,疏水分子,不帶電極性小分子,不帶電極性大分子,離子,1.特點 沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散； 無需提供能量； 無需膜蛋白協(xié)助。 2. 機制 先溶解在膜脂再擴散到另一側(cè)。 3. 通透性 取決于分子大小和極性。(P105),(一）簡單擴散,（P105）,溶質(zhì)分子,簡單擴散,（三）協(xié)助擴散（facilitated diffusion）,協(xié)助擴散：也稱促進擴散，是各種極性分子和無機離子，如糖、氨基酸、核苷酸及細胞代謝物等順其濃度梯度或電化學(xué)梯度的跨膜轉(zhuǎn)運，不需要

8、細胞提供能量，但需膜轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助。,哺乳類動物的細胞利用血糖作為主要能源，人類基因組編碼12種與糖轉(zhuǎn)運相關(guān)的載體蛋白GLUT1GLUT12,構(gòu)成葡萄糖載體蛋白家族，都具有高度同源的氨基酸序列，均含有12次跨膜的螺旋。 多肽跨膜段由疏水性氨基酸殘基組成，螺旋帶有Ser（絲）、Thr（蘇）、Asp（天）和Glu（谷）殘基，側(cè)鏈同葡萄糖羥基形成氫鍵和結(jié)合位點，完成葡萄糖的協(xié)助擴散。,協(xié)助擴散,1.特點 速率高 比簡單擴散轉(zhuǎn)運速率高； 最大轉(zhuǎn)運速率：在一定限度內(nèi)運輸速率同物質(zhì)濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加（因膜上載體蛋白的結(jié)合位點已達飽和）； 特異性 與特定載體膜轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合

9、。,1.載體蛋白(carrier proteins） 特點 與特定溶質(zhì)分子結(jié)合，通過一系列構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運; 對所轉(zhuǎn)運物質(zhì)有高度選擇性； 載體蛋白又稱為通透酶(Permease),載體蛋白介導(dǎo)被動運輸示意圖,被動運輸,載體蛋白,壓力激活型,電壓門控型,配體門控型 (胞外配體),配體門控型 (胞內(nèi)配體),使通道 關(guān)閉,使通道 開啟,離子濃度或電位變化蛋白構(gòu)象變化,受體與配體結(jié)合蛋白構(gòu)象變化,感受摩擦力、壓力、牽拉、重力、剪拉力電化學(xué)信號蛋白構(gòu)象變化,（胞質(zhì)側(cè)）,（胞質(zhì)側(cè)）,膜通道蛋白的類型及其轉(zhuǎn)運機制,壓力激活型,主動與被動運輸?shù)谋容^,主動運輸能量來源的三種不同類型,ATP驅(qū)動泵 (通過

10、水解ATP 獲得能量 ),耦聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白 （協(xié)同運輸中的 離子梯度動力 ）,光驅(qū)動泵 (利用光能運輸物質(zhì)，見于細菌 ),小亞基,ATP分解， 酶被磷酸化,酶構(gòu)象變化，與Na+結(jié)合部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè),磷酸化酶對Na+的親和力低而膜外側(cè)釋放Na+；對K+的親和力高而結(jié)合2個K+,K+與磷酸化酶結(jié)合使 酶去磷酸化，與K+結(jié) 合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè),K+與酶的親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而又與Na+結(jié)合,3個Na+與酶結(jié)合 激活A(yù)TP酶活性,Na+K+ 泵的轉(zhuǎn)運機制,動、植物細胞的協(xié)同運輸,靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質(zhì)跨膜運動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵

11、或質(zhì)子泵。,協(xié)同運輸,Na+濃度梯度驅(qū)動,H+濃度梯度驅(qū)動,協(xié)同運輸（cotransport）,小腸上皮細胞吸收葡萄糖（協(xié)同運輸）示意圖,協(xié)同運輸是靠間接提供能量完成的主動運輸方式。物質(zhì)跨膜運動所需要的能量來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)濃度梯度，而維持這種電化學(xué)勢的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。,胞飲作用 細胞吞入的物質(zhì)為液體或極小的顆粒物質(zhì)，這種內(nèi)吞作用稱為胞飲作用(pinocytosis)； 胞飲作用存在于白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、肝巨噬細胞和植物細胞 。,胞飲泡,吞噬作用 細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)，如細菌、細胞碎片等，稱為吞噬作用（phagocytosis）； 吞噬現(xiàn)象是原生動物獲取營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式

12、，在后生動物中亦存在吞噬現(xiàn)象（如在哺乳動物中，中性顆粒白細胞和巨噬細胞具有極強的吞噬能力，以保護機體免受異物侵害）。,胞吞泡,胞內(nèi)體,受體,配體,受體,網(wǎng)格蛋白再循環(huán),接合素蛋白,網(wǎng)格蛋白 有被小泡,GDP結(jié)合蛋白 dynamin,衣被蛋白循環(huán),無被小泡,網(wǎng)格蛋白有被小窩,運輸小泡,次級溶酶體消化,（分選）,穿胞運輸,胞內(nèi)體,受體同配體結(jié)合啟動內(nèi)化作用,網(wǎng)格蛋白組裝在網(wǎng)格蛋白的作用下形成網(wǎng)格蛋白有被小泡進入胞質(zhì)，脫去衣被蛋白、網(wǎng)格蛋白等；蛋白再循環(huán)胞內(nèi)體分選溶酶體消化或穿胞運輸 。,受體介導(dǎo)的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白,衣被 小泡,GDP結(jié)合蛋白,GDP結(jié)合蛋白環(huán),電鏡下的網(wǎng)格蛋白,衣被小泡模式圖,G

13、DP結(jié)合蛋白在衣被小泡形成中的作用,組成型外排,調(diào)節(jié)型外排,所有真核細胞都有從高爾基體區(qū)分泌囊泡向質(zhì)膜運輸?shù)倪^程，作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成質(zhì)膜外周蛋白、細胞外基質(zhì)或作為營養(yǎng)成分和信號分子,特化的分泌細胞產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在分泌泡內(nèi)，當(dāng)細胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合并將內(nèi)含物釋放出去。,胞吞作用和胞吐作用的動態(tài)過程 對質(zhì)膜更新和維持細胞的生存與生長是必要的,F型質(zhì)子泵（HATP酶/ATP合酶）,動、植物細胞協(xié)同運輸作用,P型質(zhì)子泵,V型 質(zhì)子泵,質(zhì)子泵的三種類型及其功能,位于真核細胞膜上，載體蛋白自身磷酸化發(fā)生構(gòu)象改變而協(xié)同運輸,位于泡膜上，水解ATP產(chǎn)生

14、能量，但不自身磷酸化。從胞質(zhì)中泵出H入細胞器。維持細胞質(zhì)中性和細胞器內(nèi)酸性pH,位于細菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜。H順濃度梯度運動，所釋放的能量與ATP合成耦聯(lián)(ATP合酶),三、ABC超家族：特異性地運輸小分子物質(zhì) 在正常生理條件下，ABC蛋白是細菌質(zhì)膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的轉(zhuǎn)運蛋白，是哺乳類細胞質(zhì)膜上磷脂、親脂性藥物、膽固醇和其他小分子的轉(zhuǎn)運蛋白。ABC蛋白在肝、小腸和腎等器官的細胞質(zhì)膜上分布豐富，它們能將天然毒物和代謝廢物排出體外。,四、協(xié)同運輸（cotransport）,（1）同向運輸（symport）：物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相同。 小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸

15、收葡萄糖或氨基酸等有機物。 （2）反向運輸（antiport）：物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反。 腎小管上皮細胞中的Na+-K+交換和Na+-H+交換 。,五、離子跨模轉(zhuǎn)運與膜電位,基本概念 （1)膜電位：在安靜狀態(tài)下細胞膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差的總和，稱跨膜靜息電位或稱靜息電位或膜電位。一般為-20-200mv之間。,離子流與動作電位的關(guān)系圖,電壓門Na+通道的開放導(dǎo)致質(zhì)膜除極化 A.動作電位的產(chǎn)生和膜電位改變； B.動作電位產(chǎn)生的過程中，膜通透性改變與離子通道的開閉（）,（2）極化狀態(tài)：安靜時，細胞膜兩側(cè)的電位呈外“+”內(nèi)“-”狀態(tài)，稱膜的極化狀態(tài) （3）除極化：如果膜電位向內(nèi)

16、負值減小的方向變化，稱作除極化 （4）復(fù)極化：細胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時膜內(nèi)所處的負值恢復(fù)，則稱復(fù)極化。 （5）超極化：當(dāng)靜息電位的數(shù)值向內(nèi)負值方向增大變化時，稱作膜的超極化,受體與配體結(jié)合,信號傳遞 （第二信使）,基因表達,細胞應(yīng)答,配體 （第一信使）,細胞信號通路,細胞接受外界信號，通過一整套特定機制，將胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為胞內(nèi)信號，最終調(diào)節(jié)特定基因表達，引起細胞應(yīng)答反應(yīng)，這是信號系統(tǒng)主線，這種反應(yīng)系列稱之為細胞信號通路。,沒有信號分子結(jié)合時，受體酪氨酸激酶是以無活性單體存在；當(dāng)信號分子與胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合，兩個單體受體分子在膜上形成二聚體，其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域尾部相互接觸，激活其蛋白激酶功能，使

17、尾部酪氨酸殘基磷酸化并裝配成信號復(fù)合物(signaling complex)。細胞內(nèi)信號蛋白(signaling protein)與受體尾部磷酸化部位結(jié)合并激活，通過信號傳遞途徑擴大信息，激活細胞內(nèi)一系列的生化反應(yīng)；或者將不同的信息綜合起來引起細胞進行綜合性的應(yīng)答（如細胞增殖）。,返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域,進入溶酶體,運至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域（穿胞運輸）,胞內(nèi)體的分選途徑,在受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用過程中，不同類型的受體具有不同的胞內(nèi)體分選途徑： 大部分受體返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，如 LDL受體又循環(huán)到質(zhì)膜再利用； 有些受體不能再循環(huán)而是最后進入溶酶體，在那里被消化，如與表皮生長因子（epidermal gr

18、owth factor, EGF）結(jié)合的細胞表面受體； 有些受體被運至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，該過程稱作穿胞運輸（transcytosis）。,胞內(nèi)體的分選途徑,有些通道蛋白呈開放狀態(tài)（如鉀泄漏通道）；有些通道蛋白有選擇性和門控性：平時關(guān)閉，僅在特定刺激下才開放，又稱為門通道(gated channel) 。,通道蛋白類型： 電壓門通道(voltage-gated channel) 配體門通道(ligand-gated channel) 壓力激活通道(stress-activated channel),不與溶質(zhì)分子結(jié)合；形成跨膜通道，介導(dǎo)離子順濃度梯度運輸；,2.通道蛋白(channel prote

19、ins),特點,通道蛋白,協(xié)助擴散與簡單擴散的比較,協(xié)助擴散比簡單擴散 轉(zhuǎn)運速率高；存在Vm，有飽和性；有特異性；類似酶與底物作用的動力學(xué)曲線競爭性抑制特性。與酶不同的是載體蛋白不對轉(zhuǎn)運分子作任何共價修飾。,主動運輸?shù)幕绢愋?（一）由ATP直接提供能量的主動運輸 鈉鉀泵(Na+K+ATP酶） 鈣泵（Ca2+ ATP酶） 質(zhì)子泵：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶 （二）協(xié)同運輸（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+泵）與轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)同作用（耦聯(lián)），靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。,被動運輸 Vs 主動運輸,Na+-K+泵的作用： 維持細胞的滲透性，保持細胞的體積； 維持低Na+高K+的細胞內(nèi)環(huán)境； 維持細胞的靜息電位。,抑制與促進劑： 極少量烏本苷可抑制Na+K+泵的活性，氰化物可使