3 细胞的物质运输

Chap3.细胞的物质运输细胞的物质运输离子和小分子的跨膜运输生物大分子和颗粒物质的跨膜运输细胞内的物质运输第一节、离子和小分子的跨膜运输•细胞质膜具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子浓度的平衡及渗透压平衡的能力。•膜对物质的通透性由物质本身的性质和膜的结构属性共同决定。小分子和离子跨膜运输的基本类型分为被动运输和主动运输。被动运输（passivetransport）主动运输（activetransport）一、被动运输（passivetransport）•被动运输指物质从高浓度一侧通过质膜运输到浓度低的一侧。不需细胞代谢供能，动力来自浓度梯度和电位差。•单纯扩散（simplediffusion）•易化/协助扩散（facilitateddiffusion）1.单纯扩散（simplediffusion）顺浓度差或电化学梯度自由穿越脂质双分子层的运输方式，不需要膜上特定蛋白参与。特点：•脂溶性越强的分子越容易通过；•非极性分子比极性分子更容易通过；•小分子比大分子容易通过；•不带电荷的分子容易通过。膜的通透性允许通过质膜的主要是小的脂溶性分子和小的不带电荷的极性分子2.易化/协助扩散（facilitateddiffusion）•一些非脂溶性物质需要借助一定的载体即膜转运蛋白顺浓度梯度运输。•特点：①比单纯扩散转运速率高；②特异性；③饱和性。•膜转运蛋白：①载体蛋白②通道蛋白。载体蛋白（carrierprotein）与特异性的分子结合后通过自身构象的改变介导该物质的跨膜转运。也可介导主动运输。特点：特异性；可逆性；饱和性。通道蛋白（channelprotein）•是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，又称离子通道（IonChannel）。对离子具有选择性和高度亲和力•有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道，水通道•有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门控通道（gatedchannel）。根据刺激信号的类型分为：配体门控通道（ligand-gatedchannel）、电压门控通道（voltage-gatedchannel）、压力门控通道（stress-gatedchannel）等•美国科学家因离子通道的研究获2003年诺贝尔化学奖Typesofgatedchannel电压门控通道（voltage-gatedchannel）•特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。闸门的开闭主要受膜电位的变化控制。•电压门控通道具有三种状态：开放、关闭和失活。•Na+、K+、Ca2+三种电压门控通道结构相似。VoltagegatedK+channelK+通道有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6)，连接S5-S6段的发夹样β折叠，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。配体门控通道（ligand-gatedchannel）通道蛋白作为受体与细胞外或细胞内的配体结合，引起门控通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。例如ACh受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子ACh相结合的部位。ligand-gatedchannel——Nicotinicacetylcholinereceptor神经肌肉连接处：由ACh配体门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电压门控Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。二、主动运输（activetransport）•主动运输的特点：–逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；–需要能量；–都有载体蛋白参与。•主动运输的类型（能量来源）：–ATP驱动的主动运输——离子泵（ionpump）–离子梯度驱动的主动运输——协同运输（cotransport）–光驱动的泵（见于细菌）1.离子泵（ionpump）介导特定离子跨膜主动运输的载体蛋白，由ATP分解直接提供能量，本质是ATP酶，具有载体和酶的双重活性。Na+-K+pump(Na+-K+ATPase)Ca2+pump(Ca2+ATPase)H+pump(H+ATPase，质子泵)Na+-K+pump(Na+-K+ATPase)Na+-K+泵本质就是Na+-K+ATP酶，由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，大亚基为跨膜蛋白，内侧有结合Na+和ATP的位点，外侧有结合K+和乌本苷（ouabain）的位点。Na+-K+pump作用原理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。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+，而与K+结合。K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与去磷酸化状态的酶亲和力降低，使K+在膜内被释放，而酶又与Na+结合。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+。生电钠泵钠钾泵的工作原理•Na+-K+ATP酶反复进行快速的构象变化，1000次/s，细胞内1/3的ATP用于钠泵的活动。•Mg2+和少量膜脂有助于提高其活性。•Na+-K+泵分布于动物细胞质膜，作用：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na+高K+的细胞内环境；③维持细胞的静息电位。Ca2+pump(Ca2+ATPase)作用：维持细胞内较低的Ca2+浓度（细胞内10-7M，细胞外10-3M）及内质网中的高Ca2+储存。位置：质膜和内质网膜。位于肌质网上的钙泵占肌质网膜蛋白质的90%。原理：与钠钾泵相似，每分解一个ATP，转运2个Ca2+。2.协同运输（cotransport）借助另一物质的浓度梯度为动力的主动运输方式。所依赖的离子通常是Na＋（动物细胞）或H＋（植物细胞和细菌），因此间接提供能量的是钠钾泵或质子泵。同向协同（symport）：如小肠上皮细胞吸收单糖和aa都通过Na＋依赖的载体蛋白实现；反向协同（antiport）：如动物细胞膜通过Na＋-H＋交换机制，清除细胞内过量的H＋，维持适当PH.易化扩散（单运输）同向协同反向协同载体蛋白介导的易化扩散和协同运输Glucoseisabsorbedbysymport第二节、生物大分子和颗粒物质的跨膜运输•属于膜泡运输，是主动运输过程。胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）膜泡运输：指生物大分子和颗粒物质穿过细胞膜或在细胞内的运输过程，是通过形成膜包围的转运小泡完成的。一、胞吞作用（endocytosis）通过质膜的变形运动将细胞外的大分子或颗粒物质包裹成小泡摄入细胞内的过程。分为三种类型：吞噬作用（phagocytosis）胞饮作用（pinocytosis）受体介导的内吞作用（receptor-mediatedendocytosis）二、胞吐作用（exocytosis）胞吐与胞吞作用相反。细胞的分泌活动几乎都以胞吐方式进行。组成型分泌（constitutivesecretion）和调节型分泌（regulatedsecretion）细胞的分泌——组成型分泌和调节型分泌第三节、细胞内的物质运输细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向转运到特定的细胞器取决于两个方面：–蛋白质中包含特殊的信号序列（signalsequence）。–细胞器上具特定的信号识别装置－分选受体（sortingreceptor）。蛋白质的分选(proteinsorting)：指细胞合成的蛋白质通过自身的信号序列与靶细胞器的特定识别装置的相互作用，从而正确运输到行使功能部位的过程。一、蛋白质分选（proteinsorting）指蛋白质分子上与靶细胞器的分选受体发生特异识别的特殊氨基酸序列。①信号肽（signalpeptide，信号序列）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-30个aa残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除。每一种信号肽决定特殊的蛋白质转运方向；同一个目的地的信号肽是可以互换的。②信号斑（signalpatch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。1.蛋白质分选信号（sortingsignal）signalpeptide&signalpatch信号序列是决定蛋白质分选定位的关键因素功能信号序列输入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-输出细胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入线粒体+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输入质体+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-输入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-COO-输入内质网+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-返回内质网-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-一些典型的分选信号细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都起始于细胞质基质中游离核糖体。共翻译运输/共转移：游离核糖体上合成不久，产生信号肽，附着于RER，附着核糖体上合成的新生肽进入RER，部分成为居留蛋白，其它进行膜泡运输；翻译后运输/后转移：游离核糖体上合成的蛋白释放到胞质，少数带分选信号的被分别引导到相应细胞器，其它成为基质蛋白。游离和附着核糖体的结构和功能相同，但合成的蛋白质性质不同。2.蛋白质合成和运输途径共翻译运输：边合成边分选翻译后运输：先合成再分选信号假说（signalhypothesis）胞质中的信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP）介导带有信号肽的核糖体与分布了SRP受体的内质网膜结合……信号假说（signalhypothesis）—共翻译运输机制信号肽引导核糖体附着于RER，新生肽进入ER腔的机制实际上就是信号假说的内容：首先在游离核糖体上开始蛋白质合成，当多肽链延伸到80个aa左右时,N端有信号肽的就与胞质中信号识别颗粒SRP结合，终止肽链延伸。随后SRP-核糖体复合体与内质网膜上的SRP受体（停泊蛋白，dockingprotein，DP）结合，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体。核糖体与内质网膜的转位子结合，SRP脱离复合体返回基质被重新利用，肽链又开始延伸。环化构像的信号肽与转位子结合后使其通道打开，延伸的肽链进入内质网腔，同时信号肽被切除。完整的多肽合成后，核糖体脱离RER重新加入核糖体循环。3.蛋白质分选运输的机制门控运输（gatedtransport）：主要指通过核孔复合体的核输入和核输出。跨膜运输（transmembranetransport）：通过膜上特殊的转运蛋白进入靶细胞器，且蛋白必须是非折叠的或由分子伴侣解折叠膜泡运输（vesiculartransport）：在内质网或高尔基体中加工成转运小泡，以出芽方式在细胞器之间运输。二、膜泡运输（vesiculartransport）细胞内合成的物质在不同细胞器之间的转运以及大分子和颗粒的跨质膜运输都是通过形成转运小泡（脂双层