细胞生物学之物质的跨膜运输与信号转导.ppt

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1、第五章 物质的跨膜运输 第一节 膜转运与物质的跨膜运输 第二节 离子泵和协同转运 第三节 胞吞和胞吐作用 被动运输和主动运输的特点 钠钾泵、钙泵和质子泵的转运特点 和功能 重点 第一节 膜转运与物质的跨膜运输 一、 膜脂双层的不透性和膜转运蛋白 二、 被动运输 （ passive transport） 与 主动运输 （ active transport） 第二节 离子泵和协同运输 根据 泵蛋白 的结构与功能特性 ， ATP驱动泵 可分为 4类 ： P 型 离子 泵 、 V型质子泵 、 F型质子泵和 ABC超家族 一、 P-型离子泵 （一） Na+ K+泵 又称 Na+ K+ATP酶 存在于动物

2、细胞质膜上 细胞内侧 亚基与 Na+离子结合促进 ATP酶水解， 亚基上的一个氨基酸残基磷酸化引起 亚基构象 发生变化，将 Na+泵出细胞，同时细胞外的 K+与 亚 基的另一位点结合，使其去磷酸化， 亚基构象再 度发生变化将 K+泵进细胞，完成整个循环。 每个循环 消耗一个 ATP分子，泵出 3个 Na+， 和泵进 2个 K+。 （二） Ca2+泵和其它 P-型离子泵 （ 1） Ca2+泵 作用机理： Ca2+泵（ Ca2+ pump） 又称 Ca2+ ATP酶，有 约 10个跨膜 螺旋，细胞内钙调节蛋白与之结合以调 节 Ca2+泵的活性， 每消耗一个 ATP分子转运出两个 Ca2+。 存在位

3、置：所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如 内质网、叶绿体和液泡）膜上，将 Ca2+输出细胞或泵 入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离 Ca2+。 Ca2+泵在肌质网储存 Ca2+， 对调节肌细胞的收缩 与舒张至关重要。 （ 2） H+泵 作用机理： 植物细胞 、 真菌 （ 包括酵母 ） 和 细菌 细胞 其 质膜 上无 Na+ K+ pump， 而是具 有 H+泵 （ H+ ATPase） ， 将 H+泵出细胞 ， 建立跨膜的 H+电化学梯度 ， 驱动转运物 质进入细胞 。 二、 V-型质子泵和 F-型质子泵 （ 1） V-型质子泵 ：又称膜泡质子泵，存在于动物细胞胞 内体、溶酶体膜、

4、破骨细胞和某些肾小管的质膜以及 植物、酵母和其他真菌细胞液泡膜上，利用 ATP水解供 能从细胞质基质中逆 H 电化学梯度泵出 H 进入细胞器， 以维持细胞质基质 pH中性和细胞器内 pH酸性。 （ 2） F-型质子泵 ：又称 H ATP合成酶（ F1F0 ATPase）， 存在于线粒体内膜、植物细胞类囊体膜和细菌质膜上， H 顺浓度梯度运动，所释放的能量耦联 ATP合成。 活细胞内外离子浓度是明显不同的：表 5-1 调控机制： （ 1） 膜转运蛋白活性 载体蛋白 通道蛋白 （ 2）质膜脂双层的疏水特性 三、 胞吞作用 (endocytosis)与胞吐作用 (exocytosis） 被动运输 （

5、 passive transport)是指通过简单扩散或 协助扩散实现物质 由高 浓度 向低 浓度地 跨膜 转运。 扩散 (diffusion) 指物质沿浓度梯度从半透膜 浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程。 渗透 (osmosis) 指水分子以及溶剂通过半透膜 的扩散。 （一） 简单扩散 （ simple diffusion） （二） 水孔蛋白 （三） 协助扩散 （ facilitated diffusion） （四） 主动运输 扩散 Vs 渗透 Vs Addition （四）、主动运输 （ active transport） 主动运输是 物质 逆浓度梯 度或电化学梯 度 运输的跨膜 运输方

6、式。 特点 ： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量，与某种释放能量的过程相耦联 ; 需要载体蛋白，具有选择性和特异性。 类型 ： 依据 主动运输 三、胞吞作用与胞吐作用 在大分子与颗粒性物质跨膜运输的转运 过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的 囊泡，称 膜泡运输 （ vesicle transport）。 根据物质的运输方向，膜泡运输又分为： 胞吞作用 （ endocytosis） 胞吐作用 （ exocytosis） 。 胞饮作用 (pinocytosis)和 吞噬作用 (phagocytosis) 受体介导的胞吞作用 胞饮作用和吞噬作用 吞 噬的主要区别 通过细胞膜内陷形成囊泡 (

7、胞吞泡 )，将外界物质裹进 并 输入细胞 的过程。包括胞 饮作用和吞噬作用 。 胞饮 吞噬 （一）胞吞作用 (endocytosis) 二、胞吐作用 （ exocytosis） 将细胞内的分泌泡或其他某 些膜泡中的物质通过细胞质膜 运出细胞 的过程 ， 也称外排作 用 。 组成型外排途径 （ constitutive exocytosis pathway） 调节型外排途径 （ regulated exocytosis pathway） 膜 的 融 合 物质的跨膜运输方式 物质的跨膜运输是细胞维持 正常生命活动的基础之一 简单扩散 协助扩散 主动运输 疏水分子 不带电极 性小分子 不带电极 性大

8、分子 离子 1.特点 沿浓度梯度 （ 或电 化学梯度 ） 扩散； 无需提供能量； 无需膜蛋白协助 。 2. 机制 先溶解在膜 脂再扩散到另一侧。 3. 通透性 取决于分 子大小和极性。 (P105) (一）简单扩散 （ P105） 溶 质 分 子 简单 扩散 （ 三）协助扩散 （ facilitated diffusion） 协助扩散 ：也称 促进扩散， 是 各种极性分子和无机离子，如糖、 氨基酸、核苷酸及细胞代谢物等顺 其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转 运，不需要细胞提供能量，但 需膜 转运蛋白的协助 。 肠道 葡萄 糖载 体 紧密连接 运输蛋白促 使葡萄糖的 扩散 哺乳类动物的细胞利用 血糖

9、 作为主要能源，人类基因组 编码 12种与 糖转运 相关的载 体蛋白 GLUT1 GLUT12,构成 葡萄糖载体蛋白家族，都具 有高度同源的氨基酸序列， 均含有 12次跨膜的 螺旋。 多肽跨膜段由疏水性氨基酸 残基组成， 螺旋带有 Ser （丝） 、 Thr（苏） 、 Asp（天） 和 Glu（谷） 残基，侧链同葡萄糖羟基形 成氢键和结合位点，完成葡 萄糖的协助扩散。 协助扩散 1.特点 速率高 比简单扩散转运速率高； 最大转运速率 ：在一定限度内运输速率同物质浓 度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输 也不再增加（因膜上载体蛋白的结合位点已达饱 和）； 特异性 与特定载体 膜转运蛋白 结

10、合。 1.载体蛋白 (carrier proteins） 特点 与特定溶质分 子结合 ，通过一 系列 构象改变 介 导溶质跨膜转运 ; 对所转运物质 有高度选择性； 载体蛋白又称 为通透酶 (Permease) 载体蛋白介导被动运输示意图 被动运输 载体蛋白 压力激活型 电压门控型 配体门控型 (胞外配体 ) 配体门控型 (胞内配体 ) 使通道 关闭 使通道 开启 离子浓度 或电位变 化 蛋白 构象变化 受体与配 体结合 蛋白构象 变化 感受摩擦力、 压力、牵拉、 重力、剪拉力 电化学信号 蛋白构象变 化 （胞质侧） （胞质侧） 膜通道蛋白的类型及其转运机制 压力激活型 主动与被动运输的比较

11、性质 简单扩散 协助扩散 主动运输 参与运输的膜成份 脂 蛋白 蛋白 载体蛋白 不需要 需要 需要 能量来源 浓度梯度 浓度梯度 ATP水解或浓 度梯度 运输方向 顺浓度梯 度 顺浓度梯 度 逆浓度梯度 特异性 无 有 有 运输分子饱和性 无 有 有 主动运输能量来源的三种不同类型 ATP驱动泵 (通过水解 ATP 获得能量 ) 耦联转运蛋白 （ 协同运输中的 离子梯度动力 ） 光驱动泵 (利用光能运输物 质，见于细菌 ) 小亚基 ATP分解， 酶被磷酸化 酶构象变化，与 Na+ 结合部位转向膜外侧 磷酸化酶对 Na+的亲和力 低而膜外侧释放 Na+； 对 K+的亲和力高而结合 2个 K+ K

12、+与磷酸化酶结合使 酶去磷酸化，与 K+结 合的部位转向膜内侧 K+与酶的亲和力降低， 使 K+在膜内被释放， 而又与 Na+结合 3个 Na+与酶结合 激活 ATP酶活性 Na+ K+ 泵的转运机制 动、植物细胞的协同运输 靠 间接提供 能量 完成的主 动运输方式。 物质跨膜运动 所需要的能量 来自膜两侧离 子的电化学浓 度梯度，而维 持这种电化学 势的是 钠钾泵 或 质子泵 。 协同运输 Na+浓度 梯度驱动 H+浓度 梯度驱动 协同运输 （ cotransport） 小 肠 上 皮 细 胞 吸 收 葡 萄 糖 （ 协 同 运 输 ） 示 意 图 协同运输是靠间接提供能量完成的主动运输方式

13、。物质跨膜运动所 需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学 势的是钠钾泵或质子泵。 胞饮作用 细胞吞入的物质 为 液体 或 极小的颗 粒 物质，这种内吞 作用称为胞饮作用 (pinocytosis)； 胞饮作用存在于 白细胞、肾细胞、 小肠上皮细胞、肝 巨噬细胞和植物细 胞 。 胞饮泡 吞噬作用 细胞内吞较大的 固体 颗粒 物质，如细菌、细 胞碎片等，称为吞噬作 用 （ phagocytosis）； 吞噬现象是原生动物 获取营养物质的主要方 式，在后生动物中亦存 在吞噬现象（如在哺乳 动物中，中性颗粒白细 胞和巨噬细胞具有极强 的吞噬能力，以保护机 体免受异物侵害）。 胞吞泡

14、 胞内体 受体 配体 受体 网格蛋 白再循 环 接合 素蛋 白 网格蛋白 有被小泡 GDP结合蛋白 dynamin 衣被蛋 白循环 无被小泡 网格蛋白有被小窝 运输小泡 次级溶酶 体消化 （分选） 穿胞运输 胞内体 受体 同 配体 结合 启 动内化作用 ,网格蛋白 组装 在网格蛋白的作 用下形成 网格蛋白有被 小泡 进入胞质 ， 脱去 衣被蛋白、网格蛋白等； 蛋白再 循环 胞内体 分 选 溶酶体消化或穿胞 运输 。 受体介导的胞吞作用 网格蛋白 衣被 小泡 GDP结 合蛋白 GDP结合 蛋白环 电 镜 下 的 网 格 蛋 白 衣 被 小 泡 模 式 图 GDP结合蛋白 在衣被小泡形成中的作用

15、组成型外排 调节型外排 所有真核细胞都有从高尔基体区分泌囊泡向质膜运输的过程，作用在于更新 膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质或作为营养成分和信号分子 特化的分泌细胞产生的分泌物 （ 如激素 、 粘液或消化酶 ） 储存在分泌泡内 ， 当细胞在受到胞外信号刺激时 ， 分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去 。 胞吞作用和胞吐作用的动态过程 对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的 F型质子泵（ H ATP酶 /ATP合酶） 动、植物细胞协同运输作用 P型质子泵 V型 质 子 泵 质子泵的三种类型及其功能 位于真核细胞 膜上，载体蛋 白自身磷酸化 发生构象改变 而协同运输 位于泡膜上，水解 A

16、TP 产生能量，但不自身磷 酸化。从胞质中泵出 H 入细胞器。维持细胞质 中性和细胞器内酸性 pH 位于细菌质膜、线 粒体内膜和叶绿体 的类囊体膜。 H 顺 浓度梯度运动，所 释放的能量与 ATP 合成耦联 (ATP合酶 ) 三、 ABC超家族 ：特异性地运输小分子物质 在正常生理条件下， ABC蛋白是细菌质膜上糖、 氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜 上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运 蛋白。 ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官的细胞质膜上 分布丰富，它们能将天然毒物和代谢废物排出体外。 四、 协同运输（ cotransport） （ 1） 同向运输 （ symport） ：

17、 物质跨膜转运方向 与离子转移的方向相同 。 小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或 氨基酸等有机物。 （ 2）反向运输 （ antiport） ：物质跨膜转运方 向与离子转移的方向相反。 肾小管上皮细胞中的 Na+-K+交换和 Na+-H+交换 。 五、离子跨模转运与膜电位 基本概念 （ 1)膜电位： 在安静状态下细 胞 膜两侧 各种带电物质形成 的电位差的总和，称跨膜静 息电位或称静息电位或膜电 位 。 一般为 -20 -200mv之间。 离子流与动作电位的关系图 电压门 Na+通道的开放导致质膜除极化 A.动作电位的产生和膜电位改变； B.动作电位产生的过程中，膜通透性改变 与离子通道

18、的开闭（） （ 2）极化状态： 安静时，细胞膜 两侧 的电位呈 外 “ +” 内 “ -” 状态，称膜的极化状态 （ 3）除极化： 如果膜电位 向内 负值减小的方向变化，称 作除极化 （ 4）复极化： 细胞先发生去极化，然后再向正常安静时 膜 内 所处的 负值 恢复，则称复极化。 （ 5）超极化： 当静息电位的数值向 内 负值方向增大变化 时，称作膜的超极化 受体与配体结合 信号传递 （第二信使） 基因表达 细胞应答 配体 （第一信使） 细 胞 信 号 通 路 细胞接受 外界信号， 通过一整套 特定机制， 将胞外信号 转导为胞内 信号，最终 调节特定基 因表达，引 起细胞应答 反应，这是 信号

19、系统主 线，这种反 应系列称之 为细胞信号 通路。 没有信号分子结合时，受体酪 氨酸激酶是以无活性单体存在； 当信号分子与胞外结构域结合， 两个单体受体分子在膜上形成 二聚体 ，其胞内结构域尾部相 互接触，激活其蛋白激酶功能， 使尾部酪氨酸残基磷酸化并装 配成 信号复合物 (signaling complex)。 细胞内 信号蛋白 (signaling protein)与受体尾部 磷酸化部位结合并激活，通过 信号传递途径扩大信息，激活 细胞内一系列的生化反应；或 者将不同的信息综合起来引起 细胞进行综合性的应答（如细 胞增殖）。 返回原来 的质膜结 构域 进入溶酶体 运至质膜不 同的结构域 （

20、穿胞运输） 胞 内 体 的 分 选 途 径 在受体介导的内吞作用过程中，不同类型的受 体具有不同的胞内体分选途径： 大部分受体 返回原来的质膜结构域 ，如 LDL受 体又循环到质膜再利用； 有些受体不能再循环而是最后 进入溶酶体 ，在 那里被消化，如与表皮生长因子 （ epidermal growth factor, EGF） 结合的细胞表面受体； 有些受体被 运至质膜不同的结构域 ，该过程称 作穿胞运输（ transcytosis）。 胞内体的分选途径 有些通道蛋白呈开放 状态（如钾泄漏通道）； 有些通道蛋白有选择性 和门控性：平时关闭， 仅在特定刺激下才开放， 又称为 门通道 (gated

21、 channel) 。 通道蛋白类型 ： 电压门通道 (voltage-gated channel) 配体门通道 (ligand-gated channel) 压力激活通道 (stress-activated channel) 不与溶质分子结合 ； 形成跨膜通道，介导离 子顺浓度梯度运输； 2.通道蛋白 (channel proteins) 特点 通道 蛋白 协助扩散与简单扩散的比较 协助扩散比简单扩散 转运速率高； 存 在 Vm，有饱和性； 有特异性； 类似酶 与底物作用的动力学 曲线 竞争性抑制 特性。与酶不同的是 载体蛋白不对转运分 子作任何共价修饰。 主动运输的基本类型 （一） 由 A

22、TP直接提供能量 的主动运输 钠钾泵 (Na+ K+ATP酶） 钙泵（ Ca2+ ATP酶） 质子泵： P-型质子泵、 V-型质子泵、 H+-ATP酶 （二） 协同运输（ cotransport） 由 Na+-K+泵 （或 H+泵 ）与 转运蛋白 协同作用 （耦联），靠 间接消耗 ATP所完成的主动运输方式。 被动运输 Vs 主动运输 Na+-K+泵的作用： 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低 Na+高 K+的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。 等渗液状态 低渗液状态 高渗液状态 血细胞膨胀 血细胞邹缩 血细胞原状 抑制与促进剂： 极少量 乌本苷 可抑制 Na+ K+泵的活性， 氰化物

23、 可使 ATP供应中断。 Mg2+和少量的膜脂有助于 Na+ K+泵活性的提高。 动物细胞靠 ATP水解供能驱动 Na+ K+泵工作，结果造成膜两侧的 Na+、 K+分布不均匀，有助于维持细胞内低浓度溶质和维持动物 细胞的渗透平衡。 机制 ：与钠钾泵相似，每分解 1个 ATP，泵出 2个 Ca2+； 受钙调蛋白调节。 功能 ：维持细胞内较低的 Ca2+浓度 （ 胞内 10-7M,胞外 10-3M)；与信号传递有关： Ca2+浓度 变化触发细胞 内信号途径，导致相应的生理变化。 钙泵 （ Ca2+ PUMP)/Ca2+ ATP酶 ( Ca2+ ATPase） 质膜或内质网 (肌质网 )膜 结构上

24、与钠钾泵 的大亚基同源 胞饮作用与吞噬作用主要区别 特征 物 质 胞吞泡 的大小 转运方式 胞吞泡形成机 制 胞饮 作用 溶 液 小于 150nm 连续的过程 网格蛋白和接 合素蛋白 吞噬 作用 大 颗 粒 大于 250nm 受体介导的信 号触发过程 微丝和结合蛋 白 (Agre , 2003诺贝尔化学奖 ) 细 胞 膜 蛋 白 水 通 道 1988年 Agre在分 离纯化红细胞膜 上的 Rh血型抗原 时，发现了一个 28 KD 的疏水性 跨膜蛋白，水通 透实验揭示了细 胞膜上存在水通 道。目前在人类 细胞中已发现至 少有 11种水通道 蛋白 (Aquaporin， AQP）， 均具有 选 择性的水分子通 过的特性 。 （二）水孔蛋白 (AQP) 水孔蛋白即水分子的跨膜通道，是内在膜蛋白的一个家族， 在各种特异性组织 (肾小管、脑、唾腺、泪腺等 )细胞中，提供 了快速跨膜运动的通道。 水孔蛋白结构及其亚基示意图 A.水孔蛋白由 4 个亚基组成的 四聚体； B.每个亚基由 3 对同源的跨膜 螺旋组成； C.水孔亚基三维 结构，中间球 形分子为水分 子 水孔蛋白形成 对水分子高度 特异的亲水通 道，只容许水 而不容许离子 或其他小分子 溶质通过。