第五章物质的过膜运输和信号传递

第五章

物质的过膜运输和信号传递当前第1页\共有65页\编于星期三\10点第一节物质的跨膜运输

被动运输主动运输

简单扩散协助扩散物质过膜方式ATP—驱动泵光驱动泵协同运输器内吞和外排当前第2页\共有65页\编于星期三\10点一被动运输(passivetransport)被动运输是指物质通过自由扩散或协助扩散，顺浓度梯度(concentrationgradient)由高浓度向低浓度的跨膜运输。动力来自浓度梯度，无需细胞供能，常有膜转运蛋白（通道蛋白和载体蛋白）参与。当前第3页\共有65页\编于星期三\10点(一)简单(自由)扩散（simplediffusion）特点：①顺浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③无膜蛋白协助。某物质对膜的通透性P：

P=KD/tK，油和水中的分配系数D，扩散系数（同分子量负相关）t，膜的厚度。当前第4页\共有65页\编于星期三\10点人工膜对各类物质的通透率：脂溶性通透性大，水溶性通透性小；非极性分子易透过，极性不带电荷小分子，如H2O等可以透过，但速度较慢；小分子比大分子容易透过；葡萄糖、蔗糖很难透过；带电荷物质(如离子)是高度不通透的。当前第5页\共有65页\编于星期三\10点(二)协助(促进)扩散

（facilitateddiffusion）

特点：

①比自由扩散转运速率高；②运输速率同物质浓度成非线性关系；③有膜转运蛋白参与，具特异性和饱和性。

当前第6页\共有65页\编于星期三\10点膜转运蛋白通道蛋白载体蛋白离子载体当前第7页\共有65页\编于星期三\10点

1通道蛋白(channelprotein)一种跨膜蛋白，具跨膜的亲水通道，能使水、小的水溶性分子、离子顺浓度/电化学梯度过膜。当前第8页\共有65页\编于星期三\10点1)水通道（水孔蛋白）：在质膜上一部分通道蛋白带电荷的亲水区形成小的水通道，能使水及小的水溶性的溶质通过简单的自由扩散过膜。水通道多存在于对水具有高渗透性的一些细胞中，如肾小管、唾液腺、红细胞中。红细胞中的水通道可使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。每天大约有180升的原尿经肾脏肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约1升的尿液排出人体，水孔蛋白对于肾脏中尿液的浓缩是重要的。当前第9页\共有65页\编于星期三\10点2)离子通道(ionchannel)：

膜上仅能通过无机离子的通道蛋白，其上常具有门，故又称门通道(gatedchannel)。①配体门通道(1igand-gatedchannel)②电压门通道(voltage-gatedchannel)③压力激活通道(stress-activatedchannel)当前第10页\共有65页\编于星期三\10点当前第11页\共有65页\编于星期三\10点常见的离子通道当前第12页\共有65页\编于星期三\10点配体门通道细胞内外特定的配体(1igand)与相应的通道蛋白上的受体(receptor)结合，发生反应，引起该门通道蛋白的成分发生构象变化，使门开放，使离子流入门内而过膜。当前第13页\共有65页\编于星期三\10点当前第14页\共有65页\编于星期三\10点电压门通道电压门通道有特异的电荷蛋白结构域，称为电压感受器(voltagesensor)，对膜电位的电荷变化非常敏感。当细胞内、外特异离子浓度发生变化或由其他刺激引起膜电位变化时，致使通道蛋白的构象变化，门由关闭转换为开放或反之。当前第15页\共有65页\编于星期三\10点电压门钾离子通道结构ArgLys电压感受器当前第16页\共有65页\编于星期三\10点当前第17页\共有65页\编于星期三\10点当前第18页\共有65页\编于星期三\10点压力激活通道通道门的开放由机械力量施于通道蛋白所致。内耳听毛细胞(auditoryhaircell)质膜上即具有此类通道。声音震动施压力于通道，激活通道，门开放，引起离子流入听毛细胞，由此建立一电信号，此信号由听毛细胞到听神经，再到脑，产生听觉。当前第19页\共有65页\编于星期三\10点当前第20页\共有65页\编于星期三\10点2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。PeterAgreRoderickMacKinnon当前第21页\共有65页\编于星期三\10点

2载体蛋白(carrierprotein)

一种跨膜蛋白分子，能与特定的分子,如一些小有机分子(糖、氨基酸、核苷酸)或金属离子等结合，将它们转运过膜。特点高度选择性；顺浓度梯度将物质转运过膜时，无需ATP；能使溶质流动，但不能决定其方向；带电荷的溶质过膜由电化学梯度(electrochemicalgradient)(浓度梯度和膜电位)驱动。当前第22页\共有65页\编于星期三\10点葡萄糖载体(glucosecarrier)转运葡萄糖当前第23页\共有65页\编于星期三\10点3离子载体(ionophore)离子载体是小的疏水分子，溶于膜的脂双层中，它能保护带电荷的离子顺着电化学梯度通过脂双层。类型：可动离子载体(mobileioncarrier)：缬氨霉素(valinomycin):使K+扩散速率提高105倍.离子载体A23187:Ca2+形成通道载体(channelformingcarrier)：短杆菌肽:H+

〉NH4+〉K+〉Na+〉Li+

当前第24页\共有65页\编于星期三\10点缬氨霉素疏水侧链K＋短杆菌肽由15个aa组成的线性肽,其中8个是L-氨基酸,7个是D-氨基酸,具疏水侧链,两个分子在一起形成跨膜的通道,能有选择地将单价阳离子顺电化学梯度通过膜。离子载体分子多为细菌产生的抗生素,其通过提高靶细胞膜通透性,使其无法维持胞内离子正常浓度梯度而杀死某些微生物,离子载体并非是自然状态下存在于膜中的运输蛋白,而是人工用来研究膜运输蛋白的一个概念。

当前第25页\共有65页\编于星期三\10点二主动运输主动运输(activetransport)：由载体蛋白介导的逆浓度梯度或电化学梯度由低向高浓度的一种物质跨膜转运方式。特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量；③都有载体蛋白参与。当前第26页\共有65页\编于星期三\10点典型哺乳动物细胞内外离子浓度差当前第27页\共有65页\编于星期三\10点主动运输方式：ATP—驱动泵(ATP-drivenpump)协同运输器(co-transporter)光驱动泵(1ight—drivenpump)当前第28页\共有65页\编于星期三\10点

1ATP—驱动泵

能够催化ATP，由ATP水解提供能量，主动运输Na+、K+、Ca2+等，钠钾泵钙泵质子泵当前第29页\共有65页\编于星期三\10点1）Na+-K+泵(Na+-K+pump)

构成：2个大亚基(ATP酶)、2个小亚基

分布:

动物细胞的质膜作用：维持细胞的膜静息电位；调节细胞体积、维持细胞的渗透平衡；胞内高K＋是蛋白合成和保持某些酶活的必要条件；驱动细胞营养物的吸收。(协同运输)当前第30页\共有65页\编于星期三\10点钠钾泵的泵循环图解模型当前第31页\共有65页\编于星期三\10点钠钾泵特性：地高辛、乌本苷等强心剂可同K＋结合部位特异结合，抑制其活性；ATP合成抑制剂可间接抑制其活性（CN,NaN3）；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。生物细胞为何不会胀破？动物细胞（钠钾泵维持渗透平衡）植物细胞（液泡调节，细胞壁）原生生物（胞吐排水）当前第32页\共有65页\编于星期三\10点2）Ca2+泵(Ca2+-pump)是一种Ca2+-ATP酶，存在于细胞膜和内质网膜；功能：将Ca2+泵出细胞或泵入内质网腔，维持细胞质中低Ca2+水平。运输机制：类似于Na+—K+泵，每个ATP分子水解，运输2个Ca2+，并可逆向运输1个Mg2+离子。当前第33页\共有65页\编于星期三\10点3）质子泵

存在于动物、植物和细菌细胞中。P-type：利用ATP，自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。V-type：存在于各类小泡(vacuole)膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合成酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。当前第34页\共有65页\编于星期三\10点P型离子泵：

“P”即磷酸化，指在泵的运转周期中，ATP水解导致磷酸基团转移到泵的某个氨基酸上，从而引起其构象变化，这种构象变化将导致被运输离子与泵亲和性的改变，从而将离子运输到膜内外。Na+-K+泵Ca2+泵和P-type质子泵均属此类。当前第35页\共有65页\编于星期三\10点

2协同运输(co-transport)靠间接提供能量完成的主动运输方式动物细胞利用跨膜的Na+浓度、植物细胞和细菌利用跨膜的H+浓度实现物质转运；能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度

钠钾泵或质子泵维持跨膜的电化学势当前第36页\共有65页\编于星期三\10点动物细胞和植物细胞中的协同运输当前第37页\共有65页\编于星期三\10点协同运输离子被运输的分子同向运输(symport)物质运输方向与离子转移方向相同。反向运输(antiport)物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。协同运输类型：

当前第38页\共有65页\编于星期三\10点同向运输Na+参与的：动物小肠细胞对肠腔中葡萄糖的吸收；H+参与的：在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子小肠细胞存在的葡萄糖过膜方式当前第39页\共有65页\编于星期三\10点反向运输

Na+/Cl--HCO3-交换器：Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，红细胞膜上的带3蛋白Na+/H+交换器：常存在于动物细胞中，调节细胞pH值。

钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger）：

通过钠钙交换向胞外转运钙离子；乌本苷、地高辛等可用作强心剂的原因？

它们能抑制心肌细胞Na+-K+泵的活性;从而降低钠钙交换器效率,使内流钙离子增多,加强心肌收缩,而具强心作用。当前第40页\共有65页\编于星期三\10点

3光驱动泵某些光合细菌膜上有H+泵，利用光能产生跨膜的H+电化学梯度，驱动溶质进入细胞。细菌视紫红质质子泵:细菌视紫红质（bacteriorhodopsin),存在于嗜盐厌氧菌H.halobium质膜上,能被光激活,含七个α螺旋，中部有吸光的视黄醛基,吸收光子后被激活，引起整个分子构型变化，使2H+由胞内运到胞外,产生胞内外的质子浓度差。当前第41页\共有65页\编于星期三\10点一种细菌H＋载体三维结构图当前第42页\共有65页\编于星期三\10点三胞吞作用和胞吐作用胞吞作用：通过细胞膜内陷形成囊泡，将外界物质裹进并输入细胞的过程。胞吐作用：细胞的分泌物或其他胞内物质通过形成小囊泡从细胞内部移至细胞表面，小囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞外的过程。

胞吞胞吐当前第43页\共有65页\编于星期三\10点特征：

1)摄入或分泌的物质包裹在小囊泡中；

2)每个小囊泡只与特定的膜融合；

3)小囊泡有序地转移；

4)需细胞提供能量，以完成膜的融合和断裂，为主动运输。当前第44页\共有65页\编于星期三\10点1吞噬作用和胞饮作用：吞噬作用(phagocytosis)：内吞的物质为固体物、形成的囊泡较大(D>250nm)。胞饮作用(pinocytosis)：内吞的物质为液体或溶质、形成的囊泡较小(D<150nm)

。当前第45页\共有65页\编于星期三\10点吞噬作用和胞饮作用的区别内含物不同;胞吞泡大小不同；吞噬作用需要触发，而胞饮为连续发生过程；形成机制不同，胞饮需网格蛋白参与，而吞噬需微丝及其结合蛋白的参与；当前第46页\共有65页\编于星期三\10点

2受体介导的胞吞作用

网格蛋白参与进一步凹陷并脱落受体处质膜凹陷形成有被小窝(coatedpits)有被小囊(coatedvesicles)特定大分子结合细胞表面受体过程大部分动物细胞通过受体介导的内吞作用，使一些特定的大分子进入细胞。当前第47页\共有65页\编于星期三\10点网格蛋白参与的受体介导内吞作用当前第48页\共有65页\编于星期三\10点受体介导的内吞过程中一些重要阶段：受体蛋白和运输分子结合：内吞分子不同受体则不同（＞25种）；有被小窝和有被小囊；胞内体：有被小囊形成后离开质膜，几秒钟即脱被与早胞内体(earlyendosome)融合，胞内体是内吞途径的分选站。当前第49页\共有65页\编于星期三\10点当前第50页\共有65页\编于星期三\10点低密度脂蛋白(LDL)胆固醇磷脂胆固醇酯脱辅基蛋白胆固醇在肝细胞中合成后即与磷脂和蛋白质形成LDL，随血液运输。受体介导的LDL胞吞作用当前第51页\共有65页\编于星期三\10点1）细胞膜合成需胆固醇时，LDL受体被合成并嵌入质膜中；2）LDL颗粒与受体结合，集中于有被小窝中；3）有被小窝内陷，形成有被小泡；4）有被小泡脱去包被，成为无被小泡，网格蛋白返回质膜被重复使用；5）无被小泡与细胞内其它小泡融合，成为胞内体（endosome）；6）胞内体膜上质子泵使腔内pH降低，导致配体和受体分离，受体返回细胞膜并可被重复使用。7）LDL囊泡与初级溶酶体结合，被降解并释放出游离胆固醇，用于合成新的生物膜。过程当前第52页\共有65页\编于星期三\10点受体介导的LDL胞吞作用过程H+当前第53页\共有65页\编于星期三\10点缺乏LDL受体血液中LDL不能被有效吸收,浓度过高，在血管壁累积,导致动脉粥状硬化，易患冠心病。动脉硬化病因：LDL受体蛋白与有被小窝结合部位有缺陷当前第54页\共有65页\编于星期三\10点3胞吐作用

组成型胞吐途径：由高尔基体的反面区连续地分泌囊泡到质膜与其融合，为质膜提供新合成的脂类和蛋白。调节型胞吐途径：仅存在于特化的分泌细胞中，它们产生大量的特定分泌物（激素、粘液或消化酶等）贮存在分泌囊泡中，当细胞外信号刺激细胞时，它们才与质膜融合，释放到细胞外。当前第55页\共有65页\编于星期三\10点P122当前第56页\共有65页\编于星期三\10点

4运输囊泡的定向运输、停靠和融合机理

由J．Rothman等对动物细胞融合研究而提出动物细胞融合需要一种可溶的胞质蛋白,

N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白(N-ethylmaleimide-sensitivefusionprotein,NSF,一种ATPase)和NSF附着蛋白(solubleNSFattachmentprotein,SNAPs);NSF/SNAPs无特异性，可介导不同小泡融合；不同的小泡和靶膜上存在特异的SNAP受体蛋白(SNAPreceptors，SNAREs)；小泡的V-SNARE可识别并结合靶膜上的T-SNARE,保证了小泡正确运输。

1）运输小泡寻靶:SNARE假说当前第57页\共有65页\编于星期三\10点NSFSNAPNSF附着蛋白