物質的跨膜運輸

關于物質的跨膜運輸?shù)?頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日一、脂雙層的不透性與膜轉運蛋白二、小分子物質的跨膜運輸類型第一節(jié)膜轉運蛋白與小分子物質的跨膜運輸?shù)?頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日一、脂雙層的不透性與膜轉運蛋白細胞內最豐富的陽離子是K+，細胞外最豐富的陽離子是Na+。離子濃度差異分布由脂雙層的疏水特征和膜轉運蛋白的活性來調控。膜轉運蛋白（membranetransportprotein）即參與質膜上物質跨膜轉運的蛋白質，包括載體蛋白（transporter,carrierprotein）和通道蛋白（channelprotein）兩類。第3頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日（一）載體蛋白及其功能載體蛋白（carrierproteintransporter）:一種與特異的溶質結合，并通過自身構象的改變介導物質跨膜轉運的蛋白。特性：

a)不同部位的生物膜含有與各自功能相關的載體蛋白。b)載體蛋白具有底物專一性。

c)載體蛋白對轉運的分子不作任何共價修飾。d)載體蛋白即可介導被動運輸，又可介導主動運輸。第4頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日載體蛋白通過構象改變介導溶質（葡萄糖）被動運輸?shù)哪Ｐ妥⒁猓狠d體蛋白對轉運的分子不作任何共價修飾。第5頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日載體蛋白的舉例第6頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日（二）通道蛋白及其功能通道蛋白（channelprotein）：通過形成親水性通道介導特異溶質的跨膜轉運。包括3種類型：離子通道（ionchannel）、孔蛋白（porin）和水孔蛋白（AQP）。通道蛋白形成高效性、選擇性和門控性的跨膜通道。離子通道的三個特征（p69-70)第7頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日3種類型的離子通道示意圖A：電壓門通道B、C：配體門通道D：應力激活通道激活信號的不同。第8頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日二、小分子物質的跨膜運輸類型簡單擴散（simplediffusion）被動運輸（passivetransport）主動運輸（activetransport）第9頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日1、簡單擴散（simplediffusion）定義：小分子物質以熱自由運動的方式順著電化學梯度或濃度梯度直接通過脂雙層進出細胞，既不需要細胞供能，也不需要膜轉運蛋白的協(xié)助。電化學梯度（electrochemicalgradient）：離子的電荷和濃度的總差異，決定物質在兩個區(qū)域之間的運動擴散能力。擴散速率與該物質的性質有關：分子量小、脂溶性、極性小的物質易通過擴散進出細胞。第10頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日不同性質的分子通過無膜轉運蛋白的人工脂雙層第11頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日2、被動運輸（passivetransport）定義：在膜轉運蛋白的協(xié)助下，物質從高電化學勢或高濃度一側向低電化學勢或低濃度一側的跨膜運輸形式，又稱協(xié)助擴散（facilitateddiffusion）。轉運物質：水分子、糖、氨基酸、核苷酸及細胞代謝物等。轉運蛋白：Glucosetransporter;

水孔蛋白。第12頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日水孔蛋白（AQP1）分布與結構A：豚鼠質膜電鏡照片B：水孔蛋白（AQP1）C：水孔蛋白一個亞基（由3對同源的跨膜α螺旋組成）D：一個亞基三維結構的示意圖第13頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日部分水孔蛋白舉例第14頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日3、主動運輸（activetransport）定義：由載體蛋白所介導的物質逆著電化學梯度或濃度梯度進行跨膜運輸?shù)姆绞?。它是一種需要消耗能量的物質跨膜運輸過程。3種類型：

ATP驅動泵（ATP-drivenpump）；

協(xié)同轉運蛋白（cotransporter

，由ATP間接供能）；

光驅動泵（light-drivenpump）。第15頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日主動運輸3種類型第16頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日第二節(jié)ATP驅動泵與主動運輸一、P型泵二、V型質子泵和F型質子泵三、ABC超家族四、離子跨膜轉運與膜電位第17頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日4種類型的ATP驅動泵前3種轉運離子，后一種轉運小分子。第18頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日一

、P型泵P型泵（P-typepump）：由于這類轉運泵水解ATP使自身形成磷酸化（phosphorylation）的中間體，因此稱為P型泵。大多數(shù)P型泵都是離子泵?？煞郑?/p>

Na+-K+泵（

Na+-K+pump）；Ca2+泵（Ca2+pump）；

P型H+泵（P-typeH+pump）等。第19頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日Na+-K+泵又稱Na+-K+ATPase，能水解ATP，使α亞基磷酸化或去磷酸化，將3個Na+泵出細胞，而將2個K+泵入細胞的膜轉運載體蛋白。鈉鉀泵需要鈉和ATP在細胞膜的內側，而鉀在膜外；每消耗一分子ATP，轉運3個鈉和2個鉀；只有動物細胞有鈉鉀泵。第20頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日Na+-K+泵的結構（A）與工作模式（B）Na+依賴性的磷酸化和K+依賴性的去磷酸化引起Na+-K+泵構象發(fā)生有序變化每個工作循環(huán)消耗1個ATP分子，可以逆著電化學梯度泵出3個Na+和泵入2個K+。第21頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日小腸上皮細胞吸收葡萄糖的示意圖一般動物細胞要消耗1/3（神經(jīng)細胞消耗2/3）的總ATP供Na+-K+泵工作以維持細胞內高K+低Na+Na+-的離子環(huán)境。

Na+-K+泵主要生理功能：（1）維持細胞膜電位；（2）維持動物細胞滲透平衡；（3）吸收營養(yǎng)（見左圖）。第22頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日肌質網(wǎng)Ca+泵轉運Ca+前（A）和后（B）的工作模型

N:核苷酸結合部位P:磷酸化部位A:活化部位Ca2+泵和P型H+泵（略）第23頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日二、V型質子泵和F型質子泵V型質子泵（V-typeprotonpump）：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，以及植物和真菌細胞的液泡（首字母為V）膜上。

V型質子泵H+將從細胞質基質中泵入細胞器。F型質子泵（F-typeprotonpump，F(xiàn)1F0-ATPase）：廣泛存在于細菌質膜、線粒體內膜和葉綠體的類囊體膜上（F為Factor的首字母）。

F型質子泵常利用質子動力勢合成ATP。第24頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日三、ABC超家族定義：ABC超家族（ATPbindingcassettesuper-family）又叫ABC轉運蛋白，也是一類ATP驅動泵，利用ATP水解釋放的能量將糖、氨基酸、磷脂、膽固醇、肽和其它多種小分子物質進行跨膜轉運。ABC轉運蛋白是分布最廣的一類轉運蛋白，從細菌到人類都有。4個“核心”結構域：2個跨膜結構域（T），每個含6個跨膜α螺旋，形成底物運輸?shù)耐凡Q定底物的特異性；2個凸向胞質側的ATP結合域（A），具有ATPase活性。第25頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日原核細胞（A）和真核細胞（B）ABC超家族結構與工作示意圖工作模式：（1）ATP結合前，ABC轉運蛋白的底物結合位點暴露于一側（原核細胞胞外一側或真核細胞胞內一側）；（2）ATP結合，ATP結合域二聚化并轉運底物到ABC轉運蛋白通路的另一側內；（3）ATP水解及ADP解離，ATP結合域解離（恢復原狀），同時釋放底物。第26頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日每種ABC轉運蛋白對于底物或底物的某些基團有特異性。與疾病的關系：

有些ABC轉運蛋白能夠將抗生素或其它親脂性抗癌藥物泵出細胞，賦予細胞抗藥性；

遺傳病囊性纖維化（肺、汗腺和胰腺等中）的發(fā)生也是ABC轉運蛋白突變引起。第27頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日四、離子跨膜轉運與膜電位膜電位（membranepotential）：細胞質膜兩側各種帶電物質形成的電位差的總和。靜息電位（restingpotential）：可興奮細胞在其不受外來刺激時測得的膜電位差（-30~-70mV）。靜息電位是細胞質膜內外相對穩(wěn)定的電位差，質膜內為負值，質膜外為正值，這種現(xiàn)象又稱極化（polarization）。動作電位（activepotential）：指細胞在刺激作用下產生的行使通訊功能的快速變化的膜電位。第28頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日靜息電位的形成：動物細胞質膜對K+的通透性大于Na+是產生靜息電位的主要原因。

靜息膜允許K+通過開放的非門控的滲漏通道順電化學梯度流向胞外，產生外正內負的靜息電位。動作電位的形成：極化（靜息）（K+滲漏出）→去極化（Na+通道流入）→反極化（Na+通道關閉，K+通道流出）→再極化（K+通道流出）→超極化（K+通道關閉）（見圖5-12）。第29頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日第三節(jié)胞吞作用與胞吐作用定義：p79分布：真核細胞作用：大分子（蛋白質、多核苷酸及多糖等）和顆粒物質的跨膜運輸。第30頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日一、胞吞作用的類型(1)胞飲作用（pinocytosis）(2)吞噬作用（phagocytosis）特征物質胞吞泡的大小轉運方式胞吞泡形成機制胞飲作用溶液小于150nm連續(xù)的過程網(wǎng)格蛋白和接合素蛋白吞噬作用大顆粒大于250nm受體介導的信號觸發(fā)過程微絲和結合蛋白區(qū)別:第31頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日胞吞作用的類型第32頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日（1）吞噬作用吞噬作用（phagocytosis）：針對胞外生物大分子和顆粒性物質的胞吞作用。在原生生物中，吞噬作用是攝取食物的一種方式；在高等多細胞生物體中，吞噬作用往往發(fā)生于巨噬細胞和中性粒細胞，其作用不僅僅是攝取營養(yǎng)物，主要是清除侵染機體的病原體以及衰老或凋亡的細胞。第33頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日抗體誘發(fā)的吞噬作用胞吞泡（endocyticvesicle）:胞吞時質膜內陷脫落形成的囊泡，稱胞吞泡；吞噬體（phagosome）：通過吞噬作用形成的胞吞泡稱吞噬體。第34頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日（2）胞飲作用胞飲作用（pinocytosis）：針對胞外生物大分子或液體物質的胞吞作用?？梢苑譃榫W(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用、胞膜窖依賴的胞吞作用、大型胞飲作用和非網(wǎng)格蛋白/胞膜窖依賴的胞吞作用4種類型。

胞飲作用可分為受體介導型（具有專一性和濃縮性）和非受體介導型。第35頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日網(wǎng)格蛋白（clathrin）：又稱籠形蛋白，是一類包被蛋白，由3個二聚體（1條重鏈和1條輕鏈）組成三腿蛋白（triskelion），作為包被的結構單位，組裝形成多面體籠形結構。當配體與膜上受體結合后，網(wǎng)格蛋白聚集在膜下，逐漸形成直徑50~100nm的質膜凹陷，即網(wǎng)格蛋白包被小窩（clathrin-coatedpit）。銜接蛋白（adaptin）：對轉運分子有特異性選擇作用，它既能結合網(wǎng)格蛋白，又能識別跨膜受體胞質面的尾部肽信號，從而通過網(wǎng)格蛋白包被泡介導跨膜受體及其結合配體的選擇性運輸。發(fā)動蛋白（dynamin）：一種小G蛋白，在深陷的包被小窩的頸部組裝成環(huán)，水解與其結合的GTP，引起頸部縊縮，最終脫離質膜形成網(wǎng)格蛋白包被膜泡。第36頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日通過網(wǎng)格蛋白包被膜泡介導的選擇性運輸示意圖被轉運分子→受體→內化→網(wǎng)格蛋白包被膜泡→脫包被膜泡→胞內體（分選）→被轉運分子到溶酶體降解，受體返回質膜第37頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日受體介導的胞吞作用

受體（receptor）：受體是任何能與特定信號分子（配體）結合的（膜）蛋白分子，通常導致細胞攝取反應或細胞信號轉導。受體介導的胞吞作用（receptormediatedendocytosis）：通過網(wǎng)格蛋白有被小泡從胞外基質攝取特定大分子的途徑。被轉運的大分子物質與細胞表面互補性的受體結合，形成受體-配體復合物并引發(fā)細胞質膜局部內化作用，然后小窩脫離質膜形成有被小泡而將物質吞入細胞內。胞內體（endosome）：動物細胞內由膜包圍的細胞器，其作用是轉運由胞吞作用新攝取的物質到溶酶體中降解。第38頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日LDL（低密度脂蛋白）通過受體介導的胞吞作用進入細胞第39頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日其它類型的胞飲作用（圖5-13）（1）胞膜窖依賴的胞吞作用（caveoladependentendocytosis（2）大型胞飲作用（macropinocytosis）：通過質膜皺褶包裹內吞物形成囊泡完成胞飲作用。（3）非網(wǎng)格蛋白/胞膜窖依賴的胞吞作用（clathrinandcaveolaindependentendocytosis）第40頁，共45頁，星期日，2025年，2月5日二、胞吞作用與細胞信號轉導（一）胞吞作用對信號轉導的下調當引起下游信號級聯(lián)反應后，細胞通過胞吞作用將EGF（表皮生長因子）和EGF受體吞入細胞內降解，從而導致細胞信號轉導活性下調。（二）胞吞作用對信號轉導的激活