細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸

細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸Chap3.細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸離子和小分子的跨膜運(yùn)輸生物大分子和顆粒物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)谝还?jié)、離子和小分子的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞質(zhì)膜具有選擇性地進(jìn)行物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)和離子濃度的平衡及滲透壓平衡的能力。膜對(duì)物質(zhì)的通透性由物質(zhì)本身的性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)屬性共同決定。小分子和離子跨膜運(yùn)輸?shù)幕绢?lèi)型分為被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸。

被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）一、被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport）被動(dòng)運(yùn)輸指物質(zhì)從高濃度一側(cè)通過(guò)質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)綕舛鹊偷囊粋?cè)。不需細(xì)胞代謝供能，動(dòng)力來(lái)自濃度梯度和電位差。單純擴(kuò)散（simplediffusion）易化/協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）1.單純擴(kuò)散（simplediffusion）順濃度差或電化學(xué)梯度自由穿越脂質(zhì)雙分子層的運(yùn)輸方式，不需要膜上特定蛋白參與。特點(diǎn)：脂溶性越強(qiáng)的分子越容易通過(guò)；非極性分子比極性分子更容易通過(guò)；小分子比大分子容易通過(guò)；不帶電荷的分子容易通過(guò)。膜的通透性允許通過(guò)質(zhì)膜的主要是小的脂溶性分子和小的不帶電荷的極性分子2.易化/協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）一些非脂溶性物質(zhì)需要借助一定的載體即膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白順濃度梯度運(yùn)輸。特點(diǎn)：①比單純擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)速率高；②特異性；③飽和性。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：①載體蛋白②通道蛋白。

載體蛋白（carrierprotein）與特異性的分子結(jié)合后通過(guò)自身構(gòu)象的改變介導(dǎo)該物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。也可介導(dǎo)主動(dòng)運(yùn)輸。特點(diǎn)：特異性；可逆性；飽和性。通道蛋白（channelprotein）是跨膜的親水性通道，允許適當(dāng)大小的離子順濃度梯度通過(guò)，又稱(chēng)離子通道（IonChannel）。對(duì)離子具有選擇性和高度親和力有些通道蛋白長(zhǎng)期開(kāi)放，如鉀泄漏通道，水通道有些通道蛋白平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在特定刺激下才打開(kāi)，稱(chēng)為門(mén)控通道（gatedchannel）。根據(jù)刺激信號(hào)的類(lèi)型分為：配體門(mén)控通道（ligand-gatedchannel）、電壓門(mén)控通道（voltage-gatedchannel）、壓力門(mén)控通道（stress-gatedchannel）等美國(guó)科學(xué)家因離子通道的研究獲2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

Typesofgatedchannel電壓門(mén)控通道（voltage-gatedchannel）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(mén)”打開(kāi)。閘門(mén)的開(kāi)閉主要受膜電位的變化控制。電壓門(mén)控通道具有三種狀態(tài)：開(kāi)放、關(guān)閉和失活。Na+、K+、Ca2+三種電壓門(mén)控通道結(jié)構(gòu)相似。VoltagegatedK+channelK+通道有四個(gè)亞單位，每個(gè)亞基有6個(gè)跨膜α螺旋(S1-S6)，連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊，構(gòu)成通道的內(nèi)襯，大小可允許K+通過(guò)。配體門(mén)控通道（ligand-gatedchannel）通道蛋白作為受體與細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)的配體結(jié)合，引起門(mén)控通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，“門(mén)”打開(kāi)。又稱(chēng)離子通道型受體。例如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。ligand-gatedchannel——Nicotinicacetylcholinereceptor神經(jīng)肌肉連接處：由ACh配體門(mén)控通道開(kāi)放而出現(xiàn)終板電位時(shí)，可使肌細(xì)胞膜中的電壓門(mén)控Na+通道和K+通道相繼激活，出現(xiàn)動(dòng)作電位；引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道打開(kāi)，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引發(fā)肌肉收縮。二、主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport）主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)：逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運(yùn)輸；需要能量；都有載體蛋白參與。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)念?lèi)型（能量來(lái)源）：ATP驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸——離子泵（ionpump）離子梯度驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸——協(xié)同運(yùn)輸（cotransport）光驅(qū)動(dòng)的泵（見(jiàn)于細(xì)菌）1.離子泵（ionpump）介導(dǎo)特定離子跨膜主動(dòng)運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白，由ATP分解直接提供能量，本質(zhì)是ATP酶，具有載體和酶的雙重活性。Na+-K+pump(Na+-K+ATPase)Ca2+pump(Ca2+ATPase)H+pump(H+ATPase，質(zhì)子泵)Na+-K+pump(Na+-K+ATPase)Na+-K+泵本質(zhì)就是Na+-K+ATP酶，由2個(gè)大亞基、2個(gè)小亞基組成的4聚體，大亞基為跨膜蛋白，內(nèi)側(cè)有結(jié)合Na+和ATP的位點(diǎn)，外側(cè)有結(jié)合K+和烏本苷（ouabain）的位點(diǎn)。Na+-K+pump作用原理Na+-K+ATP酶通過(guò)磷酸化和去磷酸化過(guò)程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。在膜內(nèi)側(cè)Na+與酶結(jié)合，激活A(yù)TP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，構(gòu)象發(fā)生變化，于是與Na+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜外側(cè)；這種磷酸化的酶對(duì)Na+的親和力低，對(duì)K+的親和力高，因而在膜外側(cè)釋放Na+，而與K+結(jié)合。K+與磷酸化的酶結(jié)合后促使酶去磷酸化，酶的構(gòu)象恢復(fù)原狀，于是與K+結(jié)合的部位轉(zhuǎn)向膜內(nèi)側(cè)，K+與去磷酸化狀態(tài)的酶親和力降低，使K+在膜內(nèi)被釋放，而酶又與Na+結(jié)合。總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個(gè)ATP；轉(zhuǎn)運(yùn)出三個(gè)Na+，轉(zhuǎn)進(jìn)兩個(gè)K+。生電鈉泵鈉鉀泵的工作原理Na+-K+ATP酶反復(fù)進(jìn)行快速的構(gòu)象變化，1000次/s，細(xì)胞內(nèi)1/3的ATP用于鈉泵的活動(dòng)。Mg2+和少量膜脂有助于提高其活性。Na+-K+泵分布于動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜，作用：①維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；②維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境；③維持細(xì)胞的靜息電位。Ca2+pump(Ca2+ATPase)作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的Ca2+濃度（細(xì)胞內(nèi)10-7M，細(xì)胞外10-3M）及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的高Ca2+儲(chǔ)存。位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。原理：與鈉鉀泵相似，每分解一個(gè)ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Ca2+。2.協(xié)同運(yùn)輸（cotransport

）借助另一物質(zhì)的濃度梯度為動(dòng)力的主動(dòng)運(yùn)輸方式。所依賴(lài)的離子通常是Na＋（動(dòng)物細(xì)胞）或H＋（植物細(xì)胞和細(xì)菌），因此間接提供能量的是鈉鉀泵或質(zhì)子泵。同向協(xié)同（symport）：如小腸上皮細(xì)胞吸收單糖和aa都通過(guò)Na＋依賴(lài)的載體蛋白實(shí)現(xiàn)；反向協(xié)同（antiport）：如動(dòng)物細(xì)胞膜通過(guò)Na＋-H＋交換機(jī)制，清除細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的H＋，維持適當(dāng)PH.易化擴(kuò)散（單運(yùn)輸）同向協(xié)同反向協(xié)同載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散和協(xié)同運(yùn)輸Glucoseisabsorbedbysymport第二節(jié)、生物大分子和顆粒物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸屬于膜泡運(yùn)輸，是主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程。胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）膜泡運(yùn)輸：指生物大分子和顆粒物質(zhì)穿過(guò)細(xì)胞膜或在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸過(guò)程，是通過(guò)形成膜包圍的轉(zhuǎn)運(yùn)小泡完成的。一、胞吞作用（endocytosis）通過(guò)質(zhì)膜的變形運(yùn)動(dòng)將細(xì)胞外的大分子或顆粒物質(zhì)包裹成小泡攝入細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程。分為三種類(lèi)型：吞噬作用（phagocytosis）胞飲作用（pinocytosis）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（receptor-mediatedendocytosis）二、胞吐作用（exocytosis）

胞吐與胞吞作用相反。細(xì)胞的分泌活動(dòng)幾乎都以胞吐方式進(jìn)行。組成型分泌（constitutivesecretion）和調(diào)節(jié)型分泌（regulatedsecretion）細(xì)胞的分泌——組成型分泌和調(diào)節(jié)型分泌第三節(jié)、細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等物質(zhì)之所以能夠定向轉(zhuǎn)運(yùn)到特定的細(xì)胞器取決于兩個(gè)方面：蛋白質(zhì)中包含特殊的信號(hào)序列（signalsequence）。細(xì)胞器上具特定的信號(hào)識(shí)別裝置－分選受體（sortingreceptor）。蛋白質(zhì)的分選(proteinsorting)：指細(xì)胞合成的蛋白質(zhì)通過(guò)自身的信號(hào)序列與靶細(xì)胞器的特定識(shí)別裝置的相互作用，從而正確運(yùn)輸?shù)叫惺构δ懿课坏倪^(guò)程。一、蛋白質(zhì)分選（proteinsorting）指蛋白質(zhì)分子上與靶細(xì)胞器的分選受體發(fā)生特異識(shí)別的特殊氨基酸序列。①信號(hào)肽（signalpeptide，信號(hào)序列）：存在于蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)上的線性序列，通常15-30個(gè)aa殘基，有些在完成蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)移后被信號(hào)肽酶切除。每一種信號(hào)肽決定特殊的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方向；同一個(gè)目的地的信號(hào)肽是可以互換的。②信號(hào)斑（signalpatch）：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號(hào)斑的信號(hào)序列之間可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號(hào)。1.蛋白質(zhì)分選信號(hào)（sortingsignal）signalpeptide&signalpatch信號(hào)序列是決定蛋白質(zhì)分選定位的關(guān)鍵因素功能信號(hào)序列輸入細(xì)胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-輸出細(xì)胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-輸入線粒體+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-輸入質(zhì)體+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-輸入過(guò)氧化物酶體-Ser-Lys-Leu-COO-輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-一些典型的分選信號(hào)細(xì)胞中蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，并都起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體。共翻譯運(yùn)輸/共轉(zhuǎn)移：游離核糖體上合成不久，產(chǎn)生信號(hào)肽，附著于RER，附著核糖體上合成的新生肽進(jìn)入RER，部分成為居留蛋白，其它進(jìn)行膜泡運(yùn)輸；翻譯后運(yùn)輸/后轉(zhuǎn)移：游離核糖體上合成的蛋白釋放到胞質(zhì)，少數(shù)帶分選信號(hào)的被分別引導(dǎo)到相應(yīng)細(xì)胞器，其它成為基質(zhì)蛋白。游離和附著核糖體的結(jié)構(gòu)和功能相同，但合成的蛋白質(zhì)性質(zhì)不同。2.蛋白質(zhì)合成和運(yùn)輸途徑共翻譯運(yùn)輸：邊合成邊分選翻譯后運(yùn)輸：先合成再分選信號(hào)假說(shuō)（signalhypothesis）胞質(zhì)中的信號(hào)識(shí)別顆粒（signalrecognitionparticle,SRP）介導(dǎo)帶有信號(hào)肽的核糖體與分布了SRP受體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合……信號(hào)假說(shuō)（signalhypothesis）—共翻譯運(yùn)輸機(jī)制信號(hào)肽引導(dǎo)核糖體附著于RER，新生肽進(jìn)入ER腔的機(jī)制實(shí)際上就是信號(hào)假說(shuō)的內(nèi)容：首先在游離核糖體上開(kāi)始蛋白質(zhì)合成，當(dāng)多肽鏈延伸到80個(gè)aa左右時(shí),N端有信號(hào)肽的就與胞質(zhì)中信號(hào)識(shí)別顆粒SRP結(jié)合，終止肽鏈延伸。隨后SRP-核糖體復(fù)合體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的SRP受體（停泊蛋白，dockingprotein，DP）結(jié)合，形成SRP-SRP受體-核糖體復(fù)合體。核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的轉(zhuǎn)位子結(jié)合，SRP脫離復(fù)合體返回基質(zhì)被重新利用，肽鏈又開(kāi)始延伸。環(huán)化構(gòu)像的信號(hào)肽與轉(zhuǎn)位子結(jié)合后使其通道打開(kāi)，延伸的肽鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，同時(shí)信號(hào)肽被切除。完整的多肽合成后，核糖體脫離RER重新加入核糖體循環(huán)。

3.蛋白質(zhì)分選運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制門(mén)控運(yùn)輸（gatedtransport）：主要指通過(guò)核孔復(fù)合體的核輸入和核輸出?？缒み\(yùn)輸（transmembranetransport）：通過(guò)膜上特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入靶細(xì)胞器，且蛋白必須是非折疊的或由分子伴侶解折疊

膜泡運(yùn)輸（vesiculartransport）：在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體中加工成轉(zhuǎn)運(yùn)小泡，以出芽方式在細(xì)胞器之間運(yùn)輸。二、膜泡運(yùn)輸（vesiculartransport）細(xì)胞內(nèi)合成的物質(zhì)在不同細(xì)胞器之間的轉(zhuǎn)運(yùn)以及大分子和顆粒的跨質(zhì)膜運(yùn)輸都是通過(guò)形成轉(zhuǎn)運(yùn)小泡（脂雙層膜包圍的囊泡）的形式進(jìn)行的，因此合稱(chēng)膜泡運(yùn)輸各類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)小泡所以能準(zhǔn)確地運(yùn)到靶細(xì)