第五章物質的過膜運輸和信號傳遞

第五章

物質的過膜運輸和信號傳遞當前第1頁\共有65頁\編于星期三\10點第一節(jié)物質的跨膜運輸

被動運輸主動運輸

簡單擴散協(xié)助擴散物質過膜方式ATP—驅動泵光驅動泵協(xié)同運輸器內吞和外排當前第2頁\共有65頁\編于星期三\10點一被動運輸(passivetransport)被動運輸是指物質通過自由擴散或協(xié)助擴散，順濃度梯度(concentrationgradient)由高濃度向低濃度的跨膜運輸。動力來自濃度梯度，無需細胞供能，常有膜轉運蛋白（通道蛋白和載體蛋白）參與。當前第3頁\共有65頁\編于星期三\10點(一)簡單(自由)擴散（simplediffusion）特點：①順濃度梯度（或電化學梯度）擴散；②不需要提供能量；③無膜蛋白協(xié)助。某物質對膜的通透性P：

P=KD/tK，油和水中的分配系數(shù)D，擴散系數(shù)（同分子量負相關）t，膜的厚度。當前第4頁\共有65頁\編于星期三\10點人工膜對各類物質的通透率：脂溶性通透性大，水溶性通透性?。环菢O性分子易透過，極性不帶電荷小分子，如H2O等可以透過，但速度較慢；小分子比大分子容易透過；葡萄糖、蔗糖很難透過；帶電荷物質(如離子)是高度不通透的。當前第5頁\共有65頁\編于星期三\10點(二)協(xié)助(促進)擴散

（facilitateddiffusion）

特點：

①比自由擴散轉運速率高；②運輸速率同物質濃度成非線性關系；③有膜轉運蛋白參與，具特異性和飽和性。

當前第6頁\共有65頁\編于星期三\10點膜轉運蛋白通道蛋白載體蛋白離子載體當前第7頁\共有65頁\編于星期三\10點

1通道蛋白(channelprotein)一種跨膜蛋白，具跨膜的親水通道，能使水、小的水溶性分子、離子順濃度/電化學梯度過膜。當前第8頁\共有65頁\編于星期三\10點1)水通道（水孔蛋白）：在質膜上一部分通道蛋白帶電荷的親水區(qū)形成小的水通道，能使水及小的水溶性的溶質通過簡單的自由擴散過膜。水通道多存在于對水具有高滲透性的一些細胞中，如腎小管、唾液腺、紅細胞中。紅細胞中的水通道可使紅細胞快速膨脹和收縮以適應細胞間滲透性的變化。每天大約有180升的原尿經(jīng)腎臟腎小球中的水通道蛋白的過濾，其中大部分水分被人體循環(huán)利用，最終只有約1升的尿液排出人體，水孔蛋白對于腎臟中尿液的濃縮是重要的。當前第9頁\共有65頁\編于星期三\10點2)離子通道(ionchannel)：

膜上僅能通過無機離子的通道蛋白，其上常具有門，故又稱門通道(gatedchannel)。①配體門通道(1igand-gatedchannel)②電壓門通道(voltage-gatedchannel)③壓力激活通道(stress-activatedchannel)當前第10頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第11頁\共有65頁\編于星期三\10點常見的離子通道當前第12頁\共有65頁\編于星期三\10點配體門通道細胞內外特定的配體(1igand)與相應的通道蛋白上的受體(receptor)結合，發(fā)生反應，引起該門通道蛋白的成分發(fā)生構象變化，使門開放，使離子流入門內而過膜。當前第13頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第14頁\共有65頁\編于星期三\10點電壓門通道電壓門通道有特異的電荷蛋白結構域，稱為電壓感受器(voltagesensor)，對膜電位的電荷變化非常敏感。當細胞內、外特異離子濃度發(fā)生變化或由其他刺激引起膜電位變化時，致使通道蛋白的構象變化，門由關閉轉換為開放或反之。當前第15頁\共有65頁\編于星期三\10點電壓門鉀離子通道結構ArgLys電壓感受器當前第16頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第17頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第18頁\共有65頁\編于星期三\10點壓力激活通道通道門的開放由機械力量施于通道蛋白所致。內耳聽毛細胞(auditoryhaircell)質膜上即具有此類通道。聲音震動施壓力于通道，激活通道，門開放，引起離子流入聽毛細胞，由此建立一電信號，此信號由聽毛細胞到聽神經(jīng)，再到腦，產(chǎn)生聽覺。當前第19頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第20頁\共有65頁\編于星期三\10點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。PeterAgreRoderickMacKinnon當前第21頁\共有65頁\編于星期三\10點

2載體蛋白(carrierprotein)

一種跨膜蛋白分子，能與特定的分子,如一些小有機分子(糖、氨基酸、核苷酸)或金屬離子等結合，將它們轉運過膜。特點高度選擇性；順濃度梯度將物質轉運過膜時，無需ATP；能使溶質流動，但不能決定其方向；帶電荷的溶質過膜由電化學梯度(electrochemicalgradient)(濃度梯度和膜電位)驅動。當前第22頁\共有65頁\編于星期三\10點葡萄糖載體(glucosecarrier)轉運葡萄糖當前第23頁\共有65頁\編于星期三\10點3離子載體(ionophore)離子載體是小的疏水分子，溶于膜的脂雙層中，它能保護帶電荷的離子順著電化學梯度通過脂雙層。類型：可動離子載體(mobileioncarrier)：纈氨霉素(valinomycin):使K+擴散速率提高105倍.離子載體A23187:Ca2+形成通道載體(channelformingcarrier)：短桿菌肽:H+

〉NH4+〉K+〉Na+〉Li+

當前第24頁\共有65頁\編于星期三\10點纈氨霉素疏水側鏈K＋短桿菌肽由15個aa組成的線性肽,其中8個是L-氨基酸,7個是D-氨基酸,具疏水側鏈,兩個分子在一起形成跨膜的通道,能有選擇地將單價陽離子順電化學梯度通過膜。離子載體分子多為細菌產(chǎn)生的抗生素,其通過提高靶細胞膜通透性,使其無法維持胞內離子正常濃度梯度而殺死某些微生物,離子載體并非是自然狀態(tài)下存在于膜中的運輸?shù)鞍?而是人工用來研究膜運輸?shù)鞍椎囊粋€概念。

當前第25頁\共有65頁\編于星期三\10點二主動運輸主動運輸(activetransport)：由載體蛋白介導的逆濃度梯度或電化學梯度由低向高濃度的一種物質跨膜轉運方式。特點：①逆濃度梯度（逆化學梯度）運輸；②需要能量；③都有載體蛋白參與。當前第26頁\共有65頁\編于星期三\10點典型哺乳動物細胞內外離子濃度差當前第27頁\共有65頁\編于星期三\10點主動運輸方式：ATP—驅動泵(ATP-drivenpump)協(xié)同運輸器(co-transporter)光驅動泵(1ight—drivenpump)當前第28頁\共有65頁\編于星期三\10點

1ATP—驅動泵

能夠催化ATP，由ATP水解提供能量，主動運輸Na+、K+、Ca2+等，鈉鉀泵鈣泵質子泵當前第29頁\共有65頁\編于星期三\10點1）Na+-K+泵(Na+-K+pump)

構成：2個大亞基(ATP酶)、2個小亞基

分布:

動物細胞的質膜作用：維持細胞的膜靜息電位；調節(jié)細胞體積、維持細胞的滲透平衡；胞內高K＋是蛋白合成和保持某些酶活的必要條件；驅動細胞營養(yǎng)物的吸收。(協(xié)同運輸)當前第30頁\共有65頁\編于星期三\10點鈉鉀泵的泵循環(huán)圖解模型當前第31頁\共有65頁\編于星期三\10點鈉鉀泵特性：地高辛、烏本苷等強心劑可同K＋結合部位特異結合，抑制其活性；ATP合成抑制劑可間接抑制其活性（CN,NaN3）；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。生物細胞為何不會脹破？動物細胞（鈉鉀泵維持滲透平衡）植物細胞（液泡調節(jié)，細胞壁）原生生物（胞吐排水）當前第32頁\共有65頁\編于星期三\10點2）Ca2+泵(Ca2+-pump)是一種Ca2+-ATP酶，存在于細胞膜和內質網(wǎng)膜；功能：將Ca2+泵出細胞或泵入內質網(wǎng)腔，維持細胞質中低Ca2+水平。運輸機制：類似于Na+—K+泵，每個ATP分子水解，運輸2個Ca2+，并可逆向運輸1個Mg2+離子。當前第33頁\共有65頁\編于星期三\10點3）質子泵

存在于動物、植物和細菌細胞中。P-type：利用ATP，自磷酸化發(fā)生構象的改變來轉移質子，如植物細胞膜上的H+泵、動物胃表皮細胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。V-type：存在于各類小泡(vacuole)膜上，由許多亞基構成，水解ATP產(chǎn)生能量，但不發(fā)生自磷酸化，位于溶酶體膜、內體、植物液泡膜上。F-type：是由許多亞基構成的管狀結構，利用質子動力勢合成ATP，也叫ATP合成酶，位于細菌質膜，線粒體內膜和葉綠體類囊體膜上。當前第34頁\共有65頁\編于星期三\10點P型離子泵：

“P”即磷酸化，指在泵的運轉周期中，ATP水解導致磷酸基團轉移到泵的某個氨基酸上，從而引起其構象變化，這種構象變化將導致被運輸離子與泵親和性的改變，從而將離子運輸?shù)侥韧?。Na+-K+泵Ca2+泵和P-type質子泵均屬此類。當前第35頁\共有65頁\編于星期三\10點

2協(xié)同運輸(co-transport)靠間接提供能量完成的主動運輸方式動物細胞利用跨膜的Na+濃度、植物細胞和細菌利用跨膜的H+濃度實現(xiàn)物質轉運；能量來自膜兩側離子的電化學濃度梯度

鈉鉀泵或質子泵維持跨膜的電化學勢當前第36頁\共有65頁\編于星期三\10點動物細胞和植物細胞中的協(xié)同運輸當前第37頁\共有65頁\編于星期三\10點協(xié)同運輸離子被運輸?shù)姆肿油蜻\輸(symport)物質運輸方向與離子轉移方向相同。反向運輸(antiport)物質跨膜運動的方向與離子轉移的方向相反。協(xié)同運輸類型：

當前第38頁\共有65頁\編于星期三\10點同向運輸Na+參與的：動物小腸細胞對腸腔中葡萄糖的吸收；H+參與的：在某些細菌中，乳糖的吸收伴隨著H+的進入，每轉移一個H+吸收一個乳糖分子小腸細胞存在的葡萄糖過膜方式當前第39頁\共有65頁\編于星期三\10點反向運輸

Na+/Cl--HCO3-交換器：Na+與HCO3-的進入伴隨著Cl-和H+的外流，紅細胞膜上的帶3蛋白Na+/H+交換器：常存在于動物細胞中，調節(jié)細胞pH值。

鈉鈣交換器（Na+-Ca2+exchanger）：

通過鈉鈣交換向胞外轉運鈣離子；烏本苷、地高辛等可用作強心劑的原因？

它們能抑制心肌細胞Na+-K+泵的活性;從而降低鈉鈣交換器效率,使內流鈣離子增多,加強心肌收縮,而具強心作用。當前第40頁\共有65頁\編于星期三\10點

3光驅動泵某些光合細菌膜上有H+泵，利用光能產(chǎn)生跨膜的H+電化學梯度，驅動溶質進入細胞。細菌視紫紅質質子泵:細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin),存在于嗜鹽厭氧菌H.halobium質膜上,能被光激活,含七個α螺旋，中部有吸光的視黃醛基,吸收光子后被激活，引起整個分子構型變化，使2H+由胞內運到胞外,產(chǎn)生胞內外的質子濃度差。當前第41頁\共有65頁\編于星期三\10點一種細菌H＋載體三維結構圖當前第42頁\共有65頁\編于星期三\10點三胞吞作用和胞吐作用胞吞作用：通過細胞膜內陷形成囊泡，將外界物質裹進并輸入細胞的過程。胞吐作用：細胞的分泌物或其他胞內物質通過形成小囊泡從細胞內部移至細胞表面，小囊泡的膜與質膜融合，將物質排出細胞外的過程。

胞吞胞吐當前第43頁\共有65頁\編于星期三\10點特征：

1)攝入或分泌的物質包裹在小囊泡中；

2)每個小囊泡只與特定的膜融合；

3)小囊泡有序地轉移；

4)需細胞提供能量，以完成膜的融合和斷裂，為主動運輸。當前第44頁\共有65頁\編于星期三\10點1吞噬作用和胞飲作用：吞噬作用(phagocytosis)：內吞的物質為固體物、形成的囊泡較大(D>250nm)。胞飲作用(pinocytosis)：內吞的物質為液體或溶質、形成的囊泡較小(D<150nm)

。當前第45頁\共有65頁\編于星期三\10點吞噬作用和胞飲作用的區(qū)別內含物不同;胞吞泡大小不同；吞噬作用需要觸發(fā)，而胞飲為連續(xù)發(fā)生過程；形成機制不同，胞飲需網(wǎng)格蛋白參與，而吞噬需微絲及其結合蛋白的參與；當前第46頁\共有65頁\編于星期三\10點

2受體介導的胞吞作用

網(wǎng)格蛋白參與進一步凹陷并脫落受體處質膜凹陷形成有被小窩(coatedpits)有被小囊(coatedvesicles)特定大分子結合細胞表面受體過程大部分動物細胞通過受體介導的內吞作用，使一些特定的大分子進入細胞。當前第47頁\共有65頁\編于星期三\10點網(wǎng)格蛋白參與的受體介導內吞作用當前第48頁\共有65頁\編于星期三\10點受體介導的內吞過程中一些重要階段：受體蛋白和運輸分子結合：內吞分子不同受體則不同（＞25種）；有被小窩和有被小囊；胞內體：有被小囊形成后離開質膜，幾秒鐘即脫被與早胞內體(earlyendosome)融合，胞內體是內吞途徑的分選站。當前第49頁\共有65頁\編于星期三\10點當前第50頁\共有65頁\編于星期三\10點低密度脂蛋白(LDL)膽固醇磷脂膽固醇酯脫輔基蛋白膽固醇在肝細胞中合成后即與磷脂和蛋白質形成LDL，隨血液運輸。受體介導的LDL胞吞作用當前第51頁\共有65頁\編于星期三\10點1）細胞膜合成需膽固醇時，LDL受體被合成并嵌入質膜中；2）LDL顆粒與受體結合，集中于有被小窩中；3）有被小窩內陷，形成有被小泡；4）有被小泡脫去包被，成為無被小泡，網(wǎng)格蛋白返回質膜被重復使用；5）無被小泡與細胞內其它小泡融合，成為胞內體（endosome）；6）胞內體膜上質子泵使腔內pH降低，導致配體和受體分離，受體返回細胞膜并可被重復使用。7）LDL囊泡與初級溶酶體結合，被降解并釋放出游離膽固醇，用于合成新的生物膜。過程當前第52頁\共有65頁\編于星期三\10點受體介導的LDL胞吞作用過程H+當前第53頁\共有65頁\編于星期三\10點缺乏LDL受體血液中LDL不能被有效吸收,濃度過高，在血管壁累積,導致動脈粥狀硬化，易患冠心病。動脈硬化病因：LDL受體蛋白與有被小窩結合部位有缺陷當前第54頁\共有65頁\編于星期三\10點3胞吐作用

組成型胞吐途徑：由高爾基體的反面區(qū)連續(xù)地分泌囊泡到質膜與其融合，為質膜提供新合成的脂類和蛋白。調節(jié)型胞吐途徑：僅存在于特化的分泌細胞中，它們產(chǎn)生大量的特定分泌物（激素、粘液或消化酶等）貯存在分泌囊泡中，當細胞外信號刺激細胞時，它們才與質膜融合，釋放到細胞外。當前第55頁\共有65頁\編于星期三\10點P122當前第56頁\共有65頁\編于星期三\10點

4運輸囊泡的定向運輸、停靠和融合機理

由J．Rothman等對動物細胞融合研究而提出動物細胞融合需要一種可溶的胞質蛋白,

N-乙基馬來酰亞胺敏感的融合蛋白(N-ethylmaleimide-sensitivefusionprotein,NSF,一種ATPase)和NSF附著蛋白(solubleNSFattachmentprotein,SNAPs);NSF/SNAPs無特異性，可介導不同小泡融合；不同的小泡和靶膜上存在特異的SNAP受體蛋白(SNAPreceptors，SNAREs)；小泡的V-SNARE可識別并結合靶膜上的T-SNARE,保證了小泡正確運輸。

1）運輸小泡尋靶:SNARE假說當前第57頁\共有65頁\編于星期三\10點NSFSNAPNSF附著蛋白