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1、第5章 物质的跨膜运输,本章主要内容,膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 ATP驱动泵与主动运输 胞吞作用与胞吐作用,二、小分子物质的跨膜运输类型,3 种类型：简单扩散、被动运输和主动运输,（一）简单扩散 (simple diffusion),顺电化学梯度或浓度梯度 不需要细胞提供能量， 无需膜转运蛋白协助 脂双层对溶质的通透性大小主要取决于分子 大小和分子的极性,（二）被动运输 (passive transport),顺着电化学梯度或浓度梯度 协助扩散 (facilitated diffusion) 膜转运蛋白协助 载体蛋白介导 通道蛋白介导,（一）载体蛋白及其功能,不同部位的生物膜往往含有各
2、自功能相关的不同载体蛋白,1. 葡萄糖转运蛋白,12 次跨膜 螺旋 螺旋带有ser, Thr, Asp, Glu残基。它们的侧链可以同葡萄糖羟基形成氢键。通过构象改变完成葡萄糖的协助扩散 转运方向取决于葡萄糖浓度梯度,载体蛋白及其功能,多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运 与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共价修饰,（二）通道蛋白及其功能,3 种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 大多数通道蛋白都是离子通道 转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道,孔蛋白,水孔蛋白,离子通道,离子通道的类型及其 3 个显著特征,具有极
3、高的转运速率 没有饱和值 离子通道非连续性开放而是门控的,电压门通道 配体门通道（胞外配体） 配体门通道（胞内配体） 应力激活通道,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003诺奖),水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运,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 contr
4、ast to noninjected oocytes.,（三）主动运输(active transport),载体蛋白所介导、逆着电化学梯度或浓度梯度 3种类型 ATP 驱动泵（ATP直接供能） 协同转运或偶联转运（ATP间接提供能量） 光驱动泵,第二节 ATP驱动泵与主动运输,ATP 驱动泵通常又称为转运ATPase，分为4类 P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族,一、P 型泵 (P-type pump),2 个 催化亚基，具有ATP 结合位点；2 个 调节亚基 至少有一个 催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运 转运泵水解ATP 使自身形成磷酸化的中间
5、体,1.,钠钾泵,J. Skou，1957年首先发现,结构：由2个大亚基和2个小亚基构成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶。,作用：维持细胞内的低钠高钾，需要消耗1/3 ATP能量。,工作机制,钠钾泵通过磷酸化和去磷酸化发生构象的改变，导致与钠和钾的亲和力发生改变。在膜内侧，酶与Na+结合，ATP水解，酶被磷酸化，构象发生改变，与Na+结合部位转向膜外侧，这种磷酸化的酶使与Na+亲和力减小，而与K+亲和力增加。因此在膜外，释放Na+，而与K+结合。结合K+后，酶去磷酸化，恢复原状。于是与K+结合部位转向膜内，释放K+，而又与Na+结合。每消耗一个ATP，转出3个Na+ 而转入2个K+。,
6、2. Na+-K+ 泵主要生理功能,维持细胞膜电位 维持动物细胞渗透平衡,四、离子跨膜转运与膜电位,四、离子跨膜转运与膜电位,重症肌无力 Myasthenia Gravis,重症肌无力患者体内产生了乙酰胆碱受体（AChR）分子的自身抗体，这些抗体与骨骼肌细胞质膜上的乙酰胆碱受体结合并使其失活。试解释肌肉功能中哪一步受到了影响？,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,吸收营养 动物细胞对葡萄糖或氨基酸等有机物吸收的能量由蕴藏在Na+ 电化学梯度中的势能提供 植物细胞、真菌和细菌通常利用质膜上的H+-ATPase 形成的H+ 电化学梯度来吸收营养物,（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵,细胞质基质中低
7、Ca2+ 浓度的维持主要得益于质膜或细胞器膜上的钙泵 每消耗1 分子ATP 从细胞质基质泵出 2 个Ca2+,Ca2+-ATP酶作用机理,2. P 型 H+ 泵,植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+-K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) P 型H+ 泵将 H+ 泵出细胞，建立和维持跨膜 H+ 电化学梯度,H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach,二、V 型质子泵和 F 型质子泵,V 型质子泵广泛存在于动物细胞的胞内体膜、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜，以及植物、酵母及其他真菌细胞的液
8、泡膜上 （V 为vesicle） 转运 H+ 过程中不形成磷酸化的中间体 维持细胞质基质 pH 中性和细胞器内 pH 酸性,二、V 型质子泵和 F 型质子泵,F 型质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类 囊体膜上（F 为factor 的第一个字母） 转运 H+ 过程中不形成磷酸化的中间体 F 型质子泵常利用质子动力势合成ATP，又称作 H+-ATP合成酶,动物、植物细胞主动运输比较,三、ABC 超家族,ABC 超家族也是一类ATP 驱动泵 广泛分布于从细菌到人类各种生物中，是最大的一类转运蛋白 通过ATP 分子的结合与水解完成小分子物质的跨膜转运,（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式,4
9、个“核心”结构域 2 个跨膜结构域，分别含6 个跨膜 螺旋，形成底物运输通路决定底物特异性 2 个胞质侧ATP 结合域，有 ATPase 活性 ATP 分子结合诱导 2 个ATP 结合域二聚化，引起转运蛋白构象改变，使底物结合部位暴露于质膜的另一侧,协同运输,协同运输中的离子浓度梯度 间接利用ATP提供的能量,定义：由NaK泵（或H泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输。,直接动力,电化学梯度,维持,NaK泵,消耗ATP实现,根据物质运输方向和离子流动方向分类：,协同运输的方向,1、同向协同（共运输，symport）,指物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对葡萄糖的
10、吸收就是伴随着Na的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。,2、反向协同（对向运输，antiport）,物质跨膜运输的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞通过Na驱动NaH对向运输的方式转运细胞内的H，调节细胞内的pH。,第三节 胞吞作用与胞吐作用,真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等 物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输,Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),一、胞吞作用的类型,吞噬作用 （p
11、hagocytosis） 胞饮作用（pinocytosis）,（一）吞噬作用(phagocytosis),原生生物：摄取食物 巨噬细胞和中性粒细胞摄取营养物，清除病原体、衰老、凋亡的细胞 吞噬作用是一个信号触发的过程,（二）胞饮作用,几乎发生于所有类型真核细胞中 往往连续摄入溶液及可溶性分子 胞饮泡直径一般小于吞噬泡直径,1. 网格蛋白依赖的胞吞作用,网格蛋白 (clathrin) 由3 个二聚体组成， 3 个二聚体形成三脚蛋白复合体 (triskelion)，是包被的结构单位,网格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle）,发动蛋白 衔接蛋白,1. 网格蛋白依赖的胞吞作用
12、,网格蛋白介导的胞吞作用分为 受体介导的胞吞作用 非特异性的胞吞作用,家族性高胆固醇血症的发病机理？,细胞膜上LDL受体缺陷示意图,胞内体：受体介导的胞吞作用分选站,大部分受体返回它们原来的质膜区域 受体结合配体在溶酶体被降解 受体被运至细胞另一侧的质膜，完成跨细胞转运 (transcytosis),2. 其他类型的胞饮作用,Mayor S., and R. E. Pagano. Pathways of Clathrin-Independent Endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8 (8)：603-612.,胞膜窖依赖的胞吞作用,胞膜窖呈内陷的瓶状
13、，特征性蛋白是窖蛋白 胞膜窖在质膜的脂筏区域形成,二、胞吞作用与细胞信号转导,胞吞作用参与了细胞信号转导,（一）胞吞作用对信号转导的下调,细胞通过胞吞作用，将EGF 受体及EGF 吞入细胞内降解，从而导致细胞信号转导活性下调,Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680,（二）胞吞作用对信号转导的激活,胞吞作用对Notch 信号转导的激活,三、胞吐作用(exocytosis),胞吐作用是通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合而将膜泡内的物质运出细胞的过程,本章小结,小分子、离子的跨膜转运方式 载体蛋白和通道蛋白 简单扩散 被动运输 主动运输 大分子、颗粒物质的胞吞和胞吐 受体介导的内吞,Thank you!,
