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第5章 物質的跨膜運輸,1,本章主要內容,膜轉運蛋白與小分子物質的跨膜運輸 ATP驅動泵與主動運輸 胞吞作用與胞吐作用,2,第一節(jié) 膜轉運蛋白與小分子物質的跨膜運輸,3,一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白,脂雙層疏水對絕大多數(shù)極性分子、離子以及細胞代謝產(chǎn)物的通透性極低，形成了細胞的滲透屏障 膜轉運蛋白可分為兩類： 載體蛋白（carrier protein，transporter） 通道蛋白（channel protein）,4,（一）載體蛋白及其功能,多次跨膜；通過構象改變介導溶質分子跨膜轉運 與底物（溶質）特異性結合；具有高度選擇性；具有類似于酶與底物作用的飽和動力學特征；但對溶質不做任何共價修飾,5,（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的不同載體蛋白,6,（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 轉運底物時，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,7,Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA),http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif,8,離子通道的類型及其 3 個顯著特征,具有極高的轉運速率 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（胞內配體） 應力激活通道,9,估計細胞膜上與物質轉運有關的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質轉運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。 兩類主要轉運蛋白： 載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉運器。介導被動運輸與主動運輸 通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質通過。只介導被動運輸,兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質。通道蛋白主要根據(jù)溶質大小和電荷和進行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當電荷的分子或離子就能通過；而載體蛋白只允許與其結合部位相適應的溶質分子通過，并且每次轉運都發(fā)生自身構象的變化。,10,二、小分子物質的跨膜運輸類型,3 種類型：簡單擴散、被動運輸和主動運輸,11,（一）簡單擴散 (simple diffusion),順電化學梯度或濃度梯度 不需要細胞提供能量， 無需膜轉運蛋白協(xié)助 脂雙層對溶質的通透性大小主要取決于分子大小和分子的極性,12,（二）被動運輸 (passive transport),順著電化學梯度或濃度梯度 協(xié)助擴散 (facilitated diffusion) 膜轉運蛋白協(xié)助 載體蛋白介導 通道蛋白介導,13,1. 葡萄糖轉運蛋白,12 次跨膜α 螺旋 通過構象改變完成葡萄糖的協(xié)助擴散 轉運方向取決于葡萄糖濃度梯度,14,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎),水分子借助質膜上的水孔蛋白實現(xiàn)快速跨膜轉運,http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html,Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.,15,2003年，美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,16,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎),調節(jié)細胞滲透壓以及生理與病理作用,http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg,Fig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.,17,（三）主動運輸(active transport),載體蛋白所介導、逆著電化學梯度或濃度梯度 3種類型 ATP 驅動泵（ATP直接供能） 協(xié)同轉運或偶聯(lián)轉運（ATP間接提供能量） 光驅動泵,18,第二節(jié) ATP驅動泵與主動運輸,ATP 驅動泵通常又稱為轉運ATPase，分為4類 P型泵、V型質子泵、F型質子泵和ABC超家族,19,一、P 型泵 (P-type pump),2 個α 催化亞基，具有ATP 結合位點；2 個β 調節(jié)亞基 至少有一個α 催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化反應，改變轉運泵的構象，實現(xiàn)離子的跨膜轉運 轉運泵水解ATP 使自身形成磷酸化的中間體,20,■ P-型離子運輸泵的作用機理,P型泵的主要特點:都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運輸有關的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離子的跨膜運輸。,Na+-K+ATP酶的分子結構： 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。,21,（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）,Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (? Garland Science 2008),22,1. Na+-K+ 泵結構與轉運機制,由2 個α 和2 個β 亞基組成四聚體,烏苯苷（ouabain）用作強心劑的原理？,23,1. Na+-K+ 泵結構與轉運機制,24,泵入2K+,結合3Na+,磷酸化,泵出3Na+,結合2K+,去磷酸化,,,,,,,鈉鉀泵工作的特性： P-type：依賴自磷酸化來轉運離子的離子泵。 鈣泵 質子泵 它們組成了功能與結構相似的一個蛋白質家族。,25,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,維持細胞膜電位 維持動物細胞滲透平衡,26,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,吸收營養(yǎng) 動物細胞對葡萄糖或氨基酸等有機物吸收的能量由蘊藏在Na+ 電化學梯度中的勢能提供 植物細胞、真菌和細菌通常利用質膜上的H+-ATPase 形成的H+ 電化學梯度來吸收營養(yǎng)物,27,Na+/K+ 泵具有三個重要作用: 一是維持了細胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的滲透作用; 二是在建立細胞質膜兩側Na+離子濃度梯度的同時，為葡萄糖協(xié)同運輸泵提供了驅動力; 三是Na+泵建立的細胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導提供了基礎。,地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,28,（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵,細胞質基質中低Ca2+ 濃度的維持主要得益于質膜或細胞器膜上的鈣泵 每消耗1 分子ATP 從細胞質基質泵出 2 個Ca2+,29,1. Ca2+ 泵的結構與功能,30,鈣離子泵,作用：維持細胞內較低的鈣離子濃度（胞內鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。 位置：質膜、內質網(wǎng)膜。 類型：P型離子泵，每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。位于肌質網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質網(wǎng)膜蛋白質的90%。,31,2. P 型 H+ 泵,植物細胞、真菌(包括酵母)和細菌細胞質膜上雖然沒有Na+-K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) P 型H+ 泵將 H+ 泵出細胞，建立和維持跨膜 H+ 電化學梯度,H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach,32,二、V 型質子泵和 F 型質子泵,V 型質子泵廣泛存在于動物細胞的胞內體膜、溶酶體膜，破骨細胞和某些腎小管細胞的質膜，以及植物、酵母及其他真菌細胞的液泡膜上 （V 為vesicle） 轉運 H+ 過程中不形成磷酸化的中間體 維持細胞質基質 pH 中性和細胞器內 pH 酸性,33,二、V 型質子泵和 F 型質子泵,F 型質子泵存在于細菌質膜、線粒體內膜和葉綠體類 囊體膜上（F 為factor 的第一個字母） 轉運 H+ 過程中不形成磷酸化的中間體 F 型質子泵常利用質子動力勢合成ATP，又稱作 H+-ATP合成酶,34,■ 動物細胞和植物細胞主動運輸?shù)谋容^,動物細胞和植物細胞不僅結構有所差別，載體蛋白也有所不同。動物細胞質膜上有Na+-K+ ATPase，并通過對Na+、K+ 的運輸建立細胞的電化學梯度；但是在植物細胞(包括細菌細胞)的質膜中沒有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對H+的運輸建立細胞的電化學梯度，使細胞外H+的濃度比細胞內高；與此同時H+泵在周圍環(huán)境中創(chuàng)建了酸性pH，然后通過H+質子梯度驅動的同向運輸，將糖和氨基酸等輸入植物的細胞內。在動物細胞溶酶體膜和植物細胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細胞器的酸性。,35,動物、植物細胞主動運輸比較,36,三、ABC 超家族,ABC 超家族也是一類ATP 驅動泵 廣泛分布于從細菌到人類各種生物中，是最大的一類轉運蛋白 通過ATP 分子的結合與水解完成小分子物質的跨膜轉運,37,（一）ABC轉運蛋白的結構與工作模式,4 個“核心”結構域 2 個跨膜結構域，分別含6 個跨膜α 螺旋，形成底物運輸通路決定底物特異性 2 個胞質側ATP 結合域，有 ATPase 活性 ATP 分子結合誘導 2 個ATP 結合域二聚化，引起轉運蛋白構象改變，使底物結合部位暴露于質膜的另一側,38,Mammalian MDR1 protein,ABC轉運器與病原體對藥物的抗性有關。MDR （multidrug resistance protein ）是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細胞ABC轉運器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細胞內該基因過度表達。,（二）ABC 轉運蛋白與疾病,39,（二）ABC 轉運蛋白與疾病,multidrug-resistance，MDR,cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR,,40,四、離子跨膜轉運與膜電位,41,四、離子跨膜轉運與膜電位,42,第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用,真核細胞通過胞吞作用和胞吐作用完成大分子與顆粒性物質的跨膜運輸，如蛋白質、多核苷酸、多糖等 物質包裹在脂雙層膜包被的囊泡中，因此又稱膜泡運輸,Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (? Garland Science 2008),43,一、胞吞作用的類型,吞噬作用 （phagocytosis） 胞飲作用（pinocytosis）,44,（一）吞噬作用(phagocytosis),原生生物：攝取食物 巨噬細胞和中性粒細胞攝取營養(yǎng)物，清除病原體、衰老、凋亡的細胞 吞噬作用是一個信號觸發(fā)的過程,45,（二）胞飲作用,幾乎發(fā)生于所有類型真核細胞中 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,46,1. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白 (clathrin) 由3 個二聚體組成， 3 個二聚體形成三腳蛋白復合體 (triskelion)，是包被的結構單位,47,網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle）,發(fā)動蛋白 銜接蛋白,48,1. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白介導的胞吞作用分為 受體介導的胞吞作用 非特異性的胞吞作用,49,LDL是一種球形顆粒的脂蛋白(如圖)，直徑為22nm, 核心是1500個膽固醇酯；外面由800個磷脂和500個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；最外面有一個相對分子質量為55 kDa的蛋白，叫輔基蛋白B——100(apolipoprotein B-100), 它能夠與特定細胞的表面受體結合。,LDL顆粒結構示意圖,a)由磷脂和未酯化的膽固醇單層構成LDL的外膜結構, 在外膜上結合一個親水的apo-B蛋白,該蛋白可以介導LDL與細胞表面的受體結合。(b)四種類型脂蛋白的電鏡照片,50,受體介導的胞吞作用,51,家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機理？,細胞膜上LDL受體缺陷示意圖,52,胞內體：受體介導的胞吞作用分選站,大部分受體返回它們原來的質膜區(qū)域 受體結合配體在溶酶體被降解 受體被運至細胞另一側的質膜，完成跨細胞轉運 (transcytosis),53,轉鐵蛋白：受體與配體一起再循環(huán),54,● 鐵的運輸,所有生長中的細胞表面都有鐵結合轉鐵蛋白的受體,在中性pH條件下,轉鐵蛋白與鐵結合, 然后通過內吞作用進入細胞。在細胞內,在內體的酸性環(huán)境中, 轉鐵蛋白釋放出鐵, 但是轉鐵蛋白仍然同膜受體結合, 并與受體一起回到質膜；當細胞外環(huán)境變成中性時, 轉鐵蛋白同受體脫離,并自由地結合鐵, 然后又開始新一輪循環(huán)。實際上, 轉鐵蛋白穿梭于細胞外液體和內體之間, 避開了溶酶體, 快速傳遞細胞生長所需的鐵(圖9-61)。,55,2. 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.,56,胞膜窖依賴的胞吞作用,胞膜窖呈內陷的瓶狀，特征性蛋白是窖蛋白 胞膜窖在質膜的脂筏區(qū)域形成,57,the main features of caveolae and caveolins,Parton RG, Simons K. The multiple faces of caveolae. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007,8(3):185-194.,58,二、胞吞作用與細胞信號轉導,胞吞作用參與了細胞信號轉導,59,（一）胞吞作用對信號轉導的下調,細胞通過胞吞作用，將EGF 受體及EGF 吞入細胞內降解，從而導致細胞信號轉導活性下調,Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680,60,（二）胞吞作用對信號轉導的激活,胞吞作用對Notch 信號轉導的激活,61,三、胞吐作用(exocytosis),胞吐作用是通過分泌泡或其他膜泡與質膜融合而將膜泡內的物質運出細胞的過程,62,本章小結,小分子、離子的跨膜轉運方式 載體蛋白和通道蛋白 簡單擴散 被動運輸 主動運輸 大分子、顆粒物質的胞吞和胞吐 受體介導的內吞,63,Thank you!,64,