医学细胞生物学的物质运输

1、2015年春夏学期细胞的物质Substance transportation柳华副教授干细胞和组织工程中心liuhua因在细胞囊泡转运机制的新发现而获奖。奖委员会的评价：对我们理解细胞内部和外部发生运送物质的时机和准确性产生了很大影响。如果没有上述运送机制，细胞就会陷入。2013 NOBEL PRIZE IN PHYSIOLOGY OR MEDICINE与免疫缺陷性疾病（免疫细胞成熟、抗原递呈等等）内系统/代谢性疾病（白化病、精神症、帕金森病等等）囊泡参与细胞多项重要的生命活动如神经递质的免疫等，其及信息传递、激素、天然会导致多种细胞器发生缺陷和细胞功能紊乱，并与许多疾病密切相关。肿瘤发生发展

2、囊泡转运（vesicular transport）穿膜（membrane transport）第一节、囊泡与囊泡转运（ vesicle and vesicular transport）囊泡转运(vesicular transport)：指囊泡以出芽的形式，从一种细胞器膜产生、脱离后又定向地与另一种细胞器膜融合的过程。由囊泡转运所承载和介导的双向，不仅是细胞内外物质交换和信号传递的重要途径，也是细胞物质定向的基本形式。知识要点 囊泡转运的特点 已知的囊泡类型 囊泡的形成过程 囊泡转运的方向囊泡转运的特点方向性；性；芽生；特异性；保守性；高度有序；精密是真核细胞特有的一种细胞物质内外转运形式。囊泡

3、(vesicle)：真核细胞中常见的膜泡结构。各种囊泡，均 由细胞器膜外凸或内凹芽生而成。囊泡的产生形成过程，是一个主动的自我装配过程，并总是伴随着物质的转运。囊泡的主要类型承担细胞内物质定向的囊泡类型至少有10种以上。目前了解较多的类型主要有以下三种：n 网格蛋白有被囊泡（clathrin-coated vesicle）n COPI 有被囊泡（COP I-coated vesicle)n COPII有被囊泡（COP II-coated vesicle)网格蛋白有被小泡 (Clathrin-coated vesicle)可产生于高尔基复合体或细胞膜。介导Golgiàendosome(

4、and/oràlysosome) àoutsideàcytoplasmClathrin网格蛋白Adaptin衔接蛋白Vesicularmembrane囊膜GTPDynamin形态结构网格蛋白 (Clathrin)Clathrin triskelion and its formed three structuresNature 432, 573-579(2 December 2004)网格蛋白有被小泡的形成衣被组装及货运选择有被小泡形成有被小窝形成被网格蛋白有被小泡的Transport vesicles bud off from one compartment an

5、d fuse with anotherCOPI 有被囊泡（COP I-coated vesicle)COP：Coatmer-protein subunits产生于高尔基体，主要负责内质网逃逸蛋白的捕捉、回收转运以及高尔基体膜内蛋白的逆向转移；也能间接进行内质网到高尔基体的顺向转移。COPI 有被囊泡的形成COPI coatmerARF1 receptorThe key steps in the formation of COPI-coated vesicles.COPII 有被囊泡（COP II-coated vesicle)产生于内质网，主要介导内质网到高尔基体的物质运送。COPII 有被囊

6、泡的形成The key steps in the formation of COPII-coated vesicles.三种囊泡的异同点网格蛋白有被囊泡COPI 有被囊泡COPII有被囊泡细胞膜、高尔基体高尔基体（内质网）内质网方向细胞膜高尔基体高尔基体内质网高尔基体内质网成分网格蛋白衔接蛋白发动蛋白COPI（6种亚基） ARF蛋白COPII（5种亚基） Sar蛋白形成过程芽生，需ATP/GTP参与聚合和解聚How vesicles travel in cells?Vesicles travel cellular highwaysThe intracellular compartments i

7、nvolved inbiosynthetic-secretory and endocytic pathway第二节、穿膜（membrane transport）根据大小分类p 小/离子p 大一、胞吞二、胞吐/颗粒物质一、简单扩散二、易化扩散三、主动四、离子通道扩散根据是否耗能分类p 主动active transport一、ATP泵二、协同ppassive transport一、简单扩散二、易化扩散三、离子通道简单/扩散（simple/passive diffusion）依赖于1） 溶质必须能透过膜；2） 膜两侧存在浓度差；p 自由扩散：脂溶性（如醇、苯、甾体类激素）和小的不带电荷的CO2、NO

8、和H2O）等。（O2、Factors Affecting the Rate of Diffusion膜蛋白（Membrane transport protein）载体蛋白（Carrier protein）介导主动易化扩散（）通道蛋白（Channel protein）介导易化扩散/（facilitated diffusion/passivetransport）易化扩散的条件：p 膜两边存在浓度差;p 载体蛋白的存在非脂溶性（亲水性）如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等。易化扩散Facilitated Diffusion主动（active transport）p 主动是载体蛋白介导的小物质逆电

9、化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式，需要耗能和膜上特异性载体蛋白介导。p 主动可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同（ATP间接提供能量）两种类型。对向顺浓度梯度ATP水解光吸收共p ATP驱动泵(ATP pump)A.P-型离子泵； B. V-型质子泵；C. F-型质子泵；D. ABC转运体(P-class ion pump)(V/F-class proton pump)(ABC transports)以Na+-K+泵 (Na+-K+ pump)为例(P-型离子泵)水解1个ATP，输出3个Na+，转入2个K+p 协同协同（co-transport）是一类由Na+-

10、K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动根据溶质方式。方向与顺电化学梯度转移的离子（Na+或H+）方向的关系，又可分为共运输（symport）与对向（antiport）。小肠上皮细胞共转运葡萄糖入血示意图Na+-葡萄糖协同蛋白共转运：物质的逆浓度梯度穿膜与所依赖的另一物质的顺浓度梯度的穿膜两者方向相同。共载体蛋白专一地输入某一种糖（如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖）或氨基酸。离子通道 （ion channel）离子通道的特点 通道蛋白介导的，通道是双向的。 对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。 转运速率高 。 多数离子通道不持续开放，离子通道开放受“”。离子通道

11、的类型Ø 配体门控通道Ø 电压门控通道Ø 应力激活通道（1）配体门控通道配体门控通道（ligand-gated channel）与细胞外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，结果将“门”打开，某种离子快速穿膜扩散。乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配体门控通道。其他如氨基丁酸受体、甘氨酸受体、5-羟色氨受体及谷氨酸门控阴离子通道等。M2亮氨酸残基纽扣结构乙酰胆碱受体模式图（2）电压门控通道膜电位的改变是电压门控通道（voltage-gatedchannel）开放与关闭的直接因素。电压门控通道主要存在于神经元、

12、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。（3）应力激活通道：应力激活通道（stress-activated channel）是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通道使“门”打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。水通道 (aquaporin, AQP)u 水通道的分类 ：11个成员（AQP0AQP10）u 水通道蛋白的结构： AQP1的结构比较清楚。Peter AgreAmerican physician, professor, and molecular biologist who was awarde

13、d the 2003 Nobel Prize in Chemistry for his discovery of aquaporins .Asn-Pro-Ala (NPA)水的转运不消耗能量，也不受门控机制调控，其通过水通道的方向由两侧的渗透压决定，低的一侧流向高的一侧。肾性水肿星形细胞胶质瘤脑水肿大和颗粒穿膜/小泡p 胞吞作用 (endocytosis)：细胞摄入大颗粒物质的过程p 胞吐作用 (exocytosis)：细胞排出大粒物质的过程或或颗蛋白质、多核苷酸、多糖。属主动转运。胞吞作用（pinocytosis）（phagocytosis）p 胞饮作用p 吞噬作用p 受体介导的胞吞作用 （receptor-mediated endocytosis）p 胞饮作