细胞膜分子生物学物质的跨膜运输

1、细胞膜分子生物学物质的跨膜运输（Membrane Transport）本章目录小分子物质的跨膜转运简单扩散易化扩散主动运输大分子物质的囊泡转运胞吞和胞吐第一节小分子物质 的跨膜转运一、小分子 极性小分子和离子：H 2O，阴离子 CL- 阳离子 Na+, K+, Mg+, Ca2+, H+ 非极性小分子：O2，CO2, 乙醇， 尿素， 类固醇激素 其他：甘油， 葡萄糖，氨基酸细胞膜是选择性半透膜，对离子选择性通透，产生了细胞内外的电位差，用以传导电信号。小分子物质通过细胞膜的转运主要有三种方式 简单扩散（simple diffusion） 易化扩散（facilitated diffusion）

2、主动运输（active transport）半透膜知识链接 简单扩散（simple diffusion）/被动扩散 影响因素：分子量越小脂溶性越强非极性比极性分子过脂双层膜速率越快 特点：沿浓度梯度扩散 高-低不需要细胞提供代谢能量不需要膜蛋白的协助人工膜链接二、易化扩散/帮助扩散/协助扩散也称促进扩散（facilitated diffusion）。特点： 转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性。 载体：离子载体、通道蛋白。 膜转运蛋白 小分子跨膜转运的载体或通道 载体蛋白(carrier protein) 被动转运（passive）顺浓度梯度或电化学梯度 主动运输（a

3、ctive）逆浓度梯度或电化学梯度 通道蛋白(channel protein) 被动转运 更多载体链接易化扩散运输速率同物质浓度成非线性关系人工细胞膜的选择性通透简单扩散通道蛋白载体蛋白主动运输被动运输电化学梯度载体蛋白（carrier protein）载体蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。红细胞膜上的葡萄糖转运1.载体蛋白介导的被动转运(易化扩散) 特点类似于酶-底物反应 结合溶质分子具有特异性 结合溶质分子具有饱和性 达到饱和状态时转运速率最大(Vmax) 每种载体对各自溶质均有

4、一结合常数(Km) 即V12Vmax时溶质的浓度 结合可被竞争性或非竞争性抑制剂阻断不同点:载体蛋白对被转运溶质无共价修饰 可改变过程的平衡点；不同的运输形式 单向运输（uniport） 协同运输（coupled transport） 同向运输（symport） 对向运输（antiport） 各种协同运输形式配体们通道2.载体蛋白介导的主动运输主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度 高的一侧的跨膜运输方式。 主动运输的特点是：可以逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要消耗细胞代谢能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶

5、联（协同运输）；都有载体蛋白。 能量来源 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 协同运输中的离子梯度动力Na+-k+泵 ATP直接供能对向运输（antiport） 将Na+逆电化学梯度运出细胞 将k+逆电化学梯度运入细胞其动力是自身ATP水解供能Na+-k+-ATP酶由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 。总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。 Na+-K+泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+

6、的细胞内环境，维持细胞的静息电位。静息电位动作电位钠钾泵机制（2）钙泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），这种浓度差由钙泵维持。位置：质膜和内质网膜上每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。 例：肌质网（sarcoplasmic reticulum）上的钙离子泵 ，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。 动作电位引发肌肉收缩的关键是胞质内Ca2+浓度的瞬间变化。肌细胞的动作电位激活肌膜上的L型钙通道并激活ryanodine受体而释放钙。【1】肌膜

7、上的动作电位沿肌膜和由肌膜延续形成的T管膜传播，并激活T管膜和肌膜上的L型通道。【2】激活的L型钙通道激活JSR膜上的ryanodine受体（PYR），使JSR内的Ca2+释放入胞质，胞质内的钙浓度由静息时的不足升高到1-10umol/L。【3】胞质内Ca2+浓度的升高促使Ca2+与TnC结合并引发肌肉收缩。【4】胞质内的Ca2+浓度升高激活LSR膜上的钙泵，钙泵将胞质中的Ca2+逆浓度梯度回收入肌质网。（3）质子泵（H泵） ATP直接供能存在位置：溶酶体膜上作用方式：从胞质中主动将H输入溶酶体 离子梯度驱动的主动转运(同向) 离子梯度驱动的主动转运(对向) 调节细胞内pHNa+-H+交换载体

8、Cl-HCO3-交换载体例：红细胞膜band蛋白Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流 呼吸的全过程3、通道蛋白（channel protein）通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通 道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。 机 制在膜上特异性刺激控制下，闸门短暂地开放，随即关闭。 配体闸门通道：信号分子 电压闸门通道：跨膜电位变化各种门通道图解链接载体蛋白既可介导易化扩散， 也可介导逆浓度梯度或电化学梯度的主动运输。通道蛋白只能介导顺浓度梯度或电化学梯度的被动运输。大分子物质的囊泡

9、转运 胞吞和胞吐 囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为囊泡转运。根据物质的运输方向：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis） 共同特点：双向、特异、有序、化学修饰 细胞胞吞作用的两种形式：胞吞作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输吞噬（phagocytosis）由专门的吞噬细胞完成,大的颗粒,直径250nm，最终到达溶酶体被降解。吞饮（pinocytosis）摄入液体和小溶质分子进行消化，直径150nm。吞噬过程吞饮过程胞吞泡的形成：配体和受体结合网格蛋白聚集有被小窝去被的囊泡和胞内体融合有被小泡胞内体是动物细胞内由膜包

10、围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。受体介导的胞吞作用溶酶体过 程受体介导的内吞作用 受体-配体结合而引发的吞饮作用【1】特点所摄入的大分子在质膜上有特异受体内吞由大分子配体与其受体的识别、结合而激发受体配体复合物聚集于质膜的有被小窝内，由有被小泡送至内体。受体介导的胞吞作用网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。大分子物质运输中的三种有被小泡【1】网格蛋白（clathrin）【a】冷冻蚀刻技术发现，有被小凹和小泡上的外被呈网格样结构，这种物质由几种蛋白组成，其中一种就是网格蛋白。【b】网格蛋白在

11、进化上高度保守，分子由3条大肽链和3条小肽链形成三足结构，许多三足结构再组装成六边形或五边形的网格样结构。【c】网格蛋白位于转运小泡的表面，大大提高了小泡的表面张力。网格蛋白(clathrin) 即笼形蛋白 【1】Clathrin网格蛋白即笼形蛋白；【2】COP I；【3】COP II高尔基体内质网内质网高尔基体高尔基体溶酶体质膜内体笼形蛋白衣被小泡的形态 笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 网格蛋白（clathrin）/笼形蛋白笼形衣被小泡的组成 Clathrin衣被小泡的掐断过程 引

12、自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 COP II衣被小泡的组装 引自Juan S. Bonifacino等 2004 KDEL序列链接KDEL信号序列SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs（右上图）。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes，右上图），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在

13、一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。实验证明包含了SNARE的脂质体和包含匹配SNARE的脂质体间可发生融合，尽管速度较慢。这说明除了SNARE之外，还有其他的蛋白参与运输泡与目的膜的融合。t-和v-SNARE引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002SNARE复合体链接【2】 COP I 衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。【3】 COP II 主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于C

14、OP I的衣被小泡，酵母COP II衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。COPI和COPII衣被小泡 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。受体介导的内吞更多参考知识链接 细胞胞吐作用1.胞吐作用的途径结构性途径(constitutive pathway of secretion) 分泌蛋白合成后立即包装入高尔基复合体的分泌囊泡 中，然后被迅速带到细胞膜处排出。调

15、节性途径(regulated pathway of secretion) 细胞分泌的蛋白，储存于特定的分泌囊泡中，只有当 接受细胞外信号（如激素）时，分泌囊泡才移至细胞 膜处，与其融合将分泌物排出。外排作用链接 2.基本过程3.结构性分泌途径几乎存在于所有细胞中 调节性途径主要存在于特化的分泌细胞中4.胞吐作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输5.功能 补充质膜更新所需的物质 分泌各种分子外排作用链接 思考题小分子物质的跨膜转运有哪些？什么叫简单扩散？什么叫易化扩散？什么叫主动运输？大分子物质的囊泡转运有哪些？什么叫胞吞和胞吐？什么叫协同运输？参考答案参考答案参考答案参考答案参考答案参考答案参考答

16、案综合细胞课程大纲学时分配序号 内 容 学时按排 小计 备注1细胞的基本结构 22细胞膜与细胞连接I 23细胞膜与细胞连接II 24细胞骨架与细胞运动25细胞内膜系统 46线粒体 27细胞核和染色体 28细胞周期 218人 工 膜渗透（osmosis）的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。返回第5页含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制（a）由单亚基膜蛋白形成的通道；（b）由多亚基蛋白形成的通道。返回27页各种门通道图解听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图水通道蛋白（aquaporin）促进扩散与简单扩散的动力学比较返回27页衣被小泡的类型与功能表

17、 衣被类型GTP酶组成与衔接蛋白运输方向Clathrin网格蛋白即笼形蛋白 ArfClathrin重链与轻链，AP2质膜内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体溶酶体高尔基体植物液泡COP IArfCOP高尔基体内质网COP IISar 1Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体， Sec 16，Sec 12内质网高尔基体返回42页返回38页SNARE复合体返回41页SNARE复合体的解离受体介导的内吞 细胞的内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phase endocytosis）和受体介导的内吞(Receptor mediat

18、ed endocytosis, RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，如培养细胞摄入辣根过氧化物酶。细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又避免了吸入细胞外大量的液体。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。返回43页受体介导的内吞衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，约占肝细胞和成纤维细胞膜表面积的2%。受体大量集中于此处，凹陷的胞质侧具有大量的笼形蛋白和衔接蛋白，类似的结构也存在于高尔基体的TGN区。受体在衣被

19、小窝处的集中与是否结合配体无关。衣被小窝就相当一个分子过滤器（molecular filter），帮助细胞获取所需要的大分子物质。运输小泡的衣被中，除笼形蛋白外，还有衔接蛋白（adaptin）。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。衔接蛋白存在有不同的种类，可分别结合不同类型的受体。跨膜受体蛋白的胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-），此序列是发生内吞作用的信号，X表示任何一种氨基酸，为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡（coate

20、d vesicles）。衣被小泡进入胞质后，衣被蛋白随即脱去，分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡。其过程和高尔基体的TGN区形成溶酶体小泡的过程相似。返回43页受体介导的内吞胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL），释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da，直径2030nm，芯部含有大约1500个胆固醇分子，这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围，脂单层包含磷脂分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质 (apolipoprotein B-100)，这个蛋白质分子可以和靶膜上的

21、受体结合（见下页图）。返回43页LDL的结构 当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。在溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用（见左下图）。细胞对胆固醇的利用具有调节能力，当细胞中的胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身的胆固醇，同时也关闭了LDL受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为LDL受体蛋白编码的基因有遗传缺陷，造成血液中胆固醇含量过

22、高（图6-17B），因而会过早地患动脉粥样硬化症（atherosclerosis），这种人往往因易患冠心病而英年早逝。clathrin 衣被的组装，异常的受体不能形成包含货物的运输小泡返回43页受体介导的内吞LDL的内吞 受体介导的内吞 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 返回43页受体介导的内吞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：大部分受体返回它们原来的质膜结构域，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 fac

23、tor，EGF）结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；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，图6-19）。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。返回43页穿胞运输 引自Molecular Biology of the Cell

24、. 4th ed. 2002 返回43页外排作用 与细胞的内吞作用相反，外排作用是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。组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）：所有真核细胞都有从高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程，其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。调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）：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。调节型的外排途径存在于特化的分泌细胞。其蛋白分选信号存在于蛋白本身，由高尔基体TGN上特殊的受体选择性地包装为运输小泡。组成型的外排途径通过default pathway完成蛋白质的转运过程。在粗面内质网中合成的蛋白质除了某些有特殊标志的蛋白驻留在ER或高尔基体中或选择