第5章跨膜運(yùn)輸

細(xì)胞生物學(xué)第五章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

三種運(yùn)輸方式

●被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）

●主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）

●胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）

前2種方式運(yùn)輸小分子后一種運(yùn)輸大分子，有溶酶體和Golgi體參與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸是細(xì)胞維持正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)之一。

兩種機(jī)制

●質(zhì)膜本身的脂雙層疏水特征●膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性

膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

典型的哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的比較第一節(jié)載體蛋白、通道蛋白和小分子物質(zhì)運(yùn)輸

細(xì)胞的小分子運(yùn)輸?shù)念愋?/p>

載體蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性質(zhì)；介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸通道蛋白（channelproteins）特點(diǎn)：具有離子選擇性，轉(zhuǎn)運(yùn)速率高（107－8/s）；沒有飽和值；離子通道是門控的；只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸

類型：電壓門通道（voltage-gatedchannel）

配體門通道（ligand-gatedchannel）

壓力激活通道（stress-activatedchannel）

水通道（waterchannel）一、載體蛋白和通道蛋白擴(kuò)散載體蛋白特異性飽和動(dòng)力學(xué)特征不作共價(jià)修飾載體蛋白工作機(jī)制（一）、載體蛋白：舉例二、通道蛋白類型VoltagegatedK+channel特點(diǎn)：細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外特異離子濃度或電位發(fā)生變化時(shí)，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。K+電位門有四個(gè)亞單位，每個(gè)亞基有6個(gè)跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊(P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道的內(nèi)襯，大小可允許K+通過(guò)。K+通道具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器。1.電壓門通道特點(diǎn)：受體與細(xì)胞外的配體結(jié)合，引起門通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門”打開。又稱離子通道型受體?？煞譃殛?yáng)離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺受體，和陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受體。Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個(gè)α亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位。2.配體門通道受體門通道-

Nicotinicacetylcholinereceptor乙酰膽堿N受體（260KD）外周型：5個(gè)亞基組成（2）調(diào)節(jié)主要為亞基變化通道開啟：Na+

內(nèi)流，K+外流，膜去極化。3.應(yīng)激門（機(jī)械門）通道當(dāng)感受摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等，細(xì)胞將機(jī)械刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)，引起細(xì)胞反應(yīng)的過(guò)程稱為機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。兩類機(jī)械門通道，其一是牽拉活化或失活的離子通道，另一類是剪切力敏感的離子通道，前者幾乎存在于所有的細(xì)胞膜（如：血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、內(nèi)耳毛細(xì)胞），后者僅發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。牽拉敏感的離子通道的特點(diǎn)：對(duì)離子的無(wú)選擇性、無(wú)方向性、非線性以及無(wú)潛伏期。為2價(jià)或1價(jià)的陽(yáng)離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主。1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白CHIP28（28KD），目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白或者水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。4.水孔蛋白AQP1：4個(gè)亞基，每個(gè)有6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，氨基端與羧基端完全對(duì)稱水孔蛋白舉例三、被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）

定義：通過(guò)簡(jiǎn)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轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力來(lái)自物質(zhì)的濃度梯度，不需要細(xì)胞提供代謝能量。特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、跨膜動(dòng)力、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simplediffusion）

協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion） 載體蛋白+通道蛋白

1、簡(jiǎn)單擴(kuò)散

疏水的小分子或小的不帶電荷的極性分子在以簡(jiǎn)單的擴(kuò)散方式跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中，不需要細(xì)胞提供能量，也沒有膜蛋白的協(xié)助，因此稱為簡(jiǎn)單擴(kuò)散。通透性:P=KD/dK:油水中的分配系數(shù)D：擴(kuò)散系數(shù)d：膜的厚度

各種極性分子和無(wú)機(jī)離子，如糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等順濃度梯度或電化學(xué)梯度減小方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，該過(guò)程不需要細(xì)胞提供能量，但需要特異的膜蛋白“協(xié)助”物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),使其轉(zhuǎn)運(yùn)速率增加，轉(zhuǎn)運(yùn)特異性增強(qiáng)，因此稱協(xié)助擴(kuò)散。

2、協(xié)助擴(kuò)散四、主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）●定義：是由載體蛋白所介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度由濃度低的一側(cè)向高濃度的一側(cè)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的方式。需要細(xì)胞提供能量。●特點(diǎn)：運(yùn)輸方向、能量消耗、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

被動(dòng)與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^●類型：三種基本類型

1.由ATP直接提供能量的ATP驅(qū)動(dòng)泵：初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸2.協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)（cotransport）或耦聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)3.光驅(qū)動(dòng)泵物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位1、三種基本類型ATP驅(qū)動(dòng)泵：又稱初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸協(xié)同運(yùn)輸、耦聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)：次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸光泵驅(qū)動(dòng):主要在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)由ATP直接提供能量的主動(dòng)運(yùn)輸

一、P-型離子泵鈉鉀泵（結(jié)構(gòu)與機(jī)制）（P-型離子泵）鈣泵（Ca2+-ATP酶）（P-型離子泵）H+-泵（P-型質(zhì)子泵）（植物、細(xì)菌、真菌細(xì)胞膜上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)攝入細(xì)胞）二、質(zhì)子泵：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵和F-型質(zhì)子泵（H+-ATP合成酶）三、ABC超家族（主要轉(zhuǎn)運(yùn)小分子）

第二節(jié)ATP驅(qū)動(dòng)離子泵和協(xié)同運(yùn)輸cotransport一、P-型離子泵1.鈉鉀泵1.鈉鉀泵的工作原理生物學(xué)意義細(xì)胞的正常生命活動(dòng)神經(jīng)沖動(dòng)的傳遞維持滲透壓的平衡恒定的細(xì)胞體積結(jié)構(gòu):1000個(gè)aa構(gòu)成的跨膜蛋白，與Na+-K+泵的α亞基同源。工作原理：泵工作與ATP的水解相偶聯(lián)，每消耗一個(gè)ATP分子轉(zhuǎn)運(yùn)出兩個(gè)Ca2＋。鈣泵主要存在于細(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)腔中儲(chǔ)存起來(lái)，以維持細(xì)胞內(nèi)低濃度的游離Ca2＋。鈣泵在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存Ca2＋,對(duì)調(diào)節(jié)肌細(xì)胞的收縮與舒張是至關(guān)重要的。2.鈣泵二、質(zhì)子泵：可分三種：第一種與Na+-K+泵和Ca2＋泵結(jié)構(gòu)類似，在轉(zhuǎn)運(yùn)H＋的過(guò)程中涉及磷酸化和去磷酸化（哺乳動(dòng)物胃H+-K+泵），存在于植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌的細(xì)胞膜上，稱P型質(zhì)子泵；第二種（v型質(zhì)子泵）存在于動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞液泡膜。轉(zhuǎn)運(yùn)H＋過(guò)程中不形成磷酸化的中間體，稱v型質(zhì)子泵，其功能是從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中泵出H＋進(jìn)入細(xì)胞器，有助于保持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中性pH和細(xì)胞器內(nèi)的酸性PH；第三種（F型質(zhì)子泵）存在于線粒體內(nèi)膜、植物類囊體膜和多數(shù)細(xì)菌質(zhì)膜上，它以相反的方式來(lái)發(fā)揮其生理作用，即H＋順濃度梯度運(yùn)動(dòng)，將所釋放的能量與ATP合成偶聯(lián)起來(lái)，如線粒體的氧化磷酸化和葉綠體的光合磷酸化作用，因此稱為H＋—ATP合成酶更合適。H＋—ATP合成酶

ABC超家族，一種ATP驅(qū)動(dòng)泵：種類繁多：幾百種不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，廣泛分布在從細(xì)菌到人類各種生物體中；特異性底物：離子、單糖、氨基酸、磷脂、肽、多糖、蛋白質(zhì)；分布：肝、腎、小腸等質(zhì)膜分布豐富，能將天然毒物和代謝廢物排除體外。真核細(xì)胞第一個(gè)ABC：腫瘤MDR1三、ABC超家族

四、協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協(xié)同運(yùn)輸，靠間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)所需要的能量來(lái)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(shì)的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。類型：根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸方向與離子沿濃度梯度的轉(zhuǎn)移方向分為共運(yùn)輸（symport）和反向運(yùn)輸(antiport)

動(dòng)物、植物細(xì)胞由載體蛋白

介導(dǎo)的協(xié)同運(yùn)輸異同點(diǎn)的比較膜電位：細(xì)胞膜兩側(cè)各種帶電物質(zhì)形成的電位差的總和。靜息電位：在靜息狀態(tài)下的膜電位。（極化）K＋電化學(xué)梯度。動(dòng)作電位：在刺激作用下產(chǎn)生行使通訊功能的快速變化的膜電位。Na+通道打開，瞬時(shí)大量Na+離子內(nèi)流。五、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位：總結(jié)：細(xì)胞的小分子運(yùn)輸?shù)念愋偷谌?jié)胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）

真核細(xì)胞通過(guò)胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，物質(zhì)包裹脂雙層圍繞的囊泡內(nèi)，因此又稱膜泡運(yùn)輸，也稱為批量運(yùn)輸（bulktransport），屬于主動(dòng)運(yùn)輸。

●胞吞作用通過(guò)細(xì)胞膜內(nèi)陷形成囊泡，稱胞吞泡，將外界物質(zhì)裹進(jìn)并輸入細(xì)胞的過(guò)程。

●胞吐作用將細(xì)胞內(nèi)的分泌泡或其它某些膜泡中的物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜運(yùn)出的過(guò)程。一、胞吞作用endocytosis

●胞飲作用（pinocytosis）與吞噬作用（phagocytosis）。 胞飲作用與吞噬作用主要有三點(diǎn)區(qū)別●網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運(yùn)輸過(guò)程●受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用●

胞內(nèi)體（endosome）及其分選作用1、胞飲作用（pinocytosis）胞飲泡的形成機(jī)制1.1.通過(guò)網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運(yùn)輸示意圖

1.2.受體介導(dǎo)的胞吞作用

選擇濃縮機(jī)制（selectiveconcentratingmechanism）Fig.LDL的受體介導(dǎo)的胞吞作用

在細(xì)胞胞吞過(guò)程中，胞內(nèi)體被認(rèn)為是膜泡運(yùn)輸?shù)闹饕诌x站之一，其中的酸性環(huán)境在分選過(guò)程中起關(guān)鍵作用。在受體介導(dǎo)的胞吞作用過(guò)程中，不同類型的受體具有不同的胞內(nèi)體分選途徑：一、大部分受體返回它們?cè)瓉?lái)的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，如上面討論過(guò)的LDL受體又循環(huán)到質(zhì)膜再利用；二、有些受體不能再循環(huán)而是最后進(jìn)入溶酶體，在那里被消化，如與表皮生長(zhǎng)因子結(jié)合的細(xì)胞表面受體，大部分在溶酶體被降解，從而導(dǎo)致細(xì)胞表面EGF受體濃度降低．稱為受體下行調(diào)節(jié)；三、有些受體被運(yùn)至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，該過(guò)程稱作跨細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)。1.3.胞內(nèi)體的分選作用2、吞噬作用（phagocytosis）二、胞吐作用●組成型胞吐途徑（constitutiveexocytosispathway）膜脂、膜蛋白、胞外基質(zhì)組分、營(yíng)養(yǎng)或信號(hào)分子）

defaultpathway：除某些有特殊標(biāo)志的駐留蛋白和調(diào)節(jié)型分泌泡外，其余蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→分泌泡→細(xì)胞表面●調(diào)節(jié)型胞吐途徑（regulatedexocytosispathway）

特化的分泌細(xì)胞儲(chǔ)存——刺激——釋放

產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分選機(jī)制，分選信號(hào)存在于蛋白本身，分選主要由高爾基體TGN上的受體類蛋白