第5章物质的跨膜运输

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第5章物质的跨膜运输本章主要内容•膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输•ATP驱动泵与主动运输•胞吞作用与胞吐作用第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输一、脂双层的不透性和膜转运蛋白•脂双层疏水对绝大多数极性分子、离子以及细胞代谢产物的通透性极低，形成了细胞的渗透屏障•膜转运蛋白可分为两类：–载体蛋白（carrierprotein，transporter）–通道蛋白（channelprotein）（一）载体蛋白及其功能•多次跨膜；通过构象改变介导溶质分子跨膜转运•与底物（溶质）特异性结合；具有高度选择性；具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征；但对溶质不做任何共价修饰（一）载体蛋白及其功能•不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同载体蛋白（二）通道蛋白及其功能•3种类型：离子通道、孔蛋白以及水孔蛋白•大多数通道蛋白都是离子通道•转运底物时，通道蛋白形成选择性和门控性跨膜通道孔蛋白水孔蛋白离子通道MainPorinFromMycobacteriumsmegmatis(MSPA)离子通道的类型及其3个显著特征•具有极高的转运速率•没有饱和值•离子通道非连续性开放而是门控的A.电压门通道B.配体门通道（胞外配体）C.配体门通道（胞内配体）D.应力激活通道•估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。•两类主要转运蛋白：–载体蛋白：又称做载体、通透酶和转运器。介导被动运输与主动运输–通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。只介导被动运输两者区别：以不同方式辨别溶质。通道蛋白主要根据溶质大小和电荷和进行辨别，假如通道处于开放状态，则足够小和带有适当电荷的分子或离子就能通过；而载体蛋白只允许与其结合部位相适应的溶质分子通过，并且每次转运都发生自身构象的变化。二、小分子物质的跨膜运输类型•3种类型：简单扩散、被动运输和主动运输（一）简单扩散(simplediffusion)•顺电化学梯度或浓度梯度•不需要细胞提供能量，•无需膜转运蛋白协助•脂双层对溶质的通透性大小主要取决于分子大小和分子的极性（二）被动运输(passivetransport)•顺着电化学梯度或浓度梯度•协助扩散(facilitateddiffusion)•膜转运蛋白协助–载体蛋白介导–通道蛋白介导1.葡萄糖转运蛋白•12次跨膜α螺旋•通过构象改变完成葡萄糖的协助扩散•转运方向取决于葡萄糖浓度梯度2.水孔蛋白：水分子的跨膜通道(2003诺奖)•水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运年，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。PeterAgreRoderickMacKinnon2.水孔蛋白：水分子的跨膜通道(2003诺奖)•调节细胞渗透压以及生理与病理作用（三）主动运输(activetransport)•载体蛋白所介导、逆着电化学梯度或浓度梯度•3种类型–ATP驱动泵（ATP直接供能）–协同转运或偶联转运（ATP间接提供能量）–光驱动泵第二节ATP驱动泵与主动运输•ATP驱动泵通常又称为转运ATPase，分为4类–P型泵、V型质子泵、F型质子泵和ABC超家族一、P型泵(P-typepump)•2个α催化亚基，具有ATP结合位点；2个β调节亚基•至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运•转运泵水解ATP使自身形成磷酸化的中间体■P-型离子运输泵的作用机理P型泵的主要特点:都是跨膜蛋白，并且是由一条多肽完成所有与运输有关的功能，包括ATP的水解、磷酸化和离子的跨膜运输。Na+-K+ATP酶的分子结构：αβ两种亚基组成的二聚体。α亚基具有ATP酶的活性；β亚基是具有组织特异性的糖蛋白。（一）Na+-K+泵（Na+-K+ATPase）Figure11-14MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)1.Na+-K+泵结构与转运机制•由2个α和2个β亚基组成四聚体乌苯苷（ouabain）用作强心剂的原理？1.Na+-K+泵结构与转运机制泵入2K+结合3Na+磷酸化泵出3Na+结合2K+去磷酸化钠钾泵工作的特性：P-type：依赖自磷酸化来转运离子的离子泵。钙泵质子泵它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族。2.Na+-K+泵主要生理功能A.维持细胞膜电位B.维持动物细胞渗透平衡2.Na+-K+泵主要生理功能C.吸收营养动物细胞对葡萄糖或氨基酸等有机物吸收的能量由蕴藏在Na+电化学梯度中的势能提供植物细胞、真菌和细菌通常利用质膜上的H+-ATPase形成的H+电化学梯度来吸收营养物Na+/K+泵具有三个重要作用:一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用;二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。（二）Ca2+泵及其他P型泵•细胞质基质中低Ca2+浓度的维持主要得益于质膜或细胞器膜上的钙泵•每消耗1分子ATP从细胞质基质泵出2个Ca2+1.Ca2+泵的结构与功能钙离子泵•作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。•位置：质膜、内质网膜。•类型：P型离子泵，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。2.P型H+泵•植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上虽然没有Na+-K+泵，但有P型H+泵(H+-ATPase)•P型H+泵将H+泵出细胞，建立和维持跨膜H+电化学梯度H+/K+ATPaseControlofacidsecretioninthestomach二、V型质子泵和F型质子泵•V型质子泵广泛存在于动物细胞的胞内体膜、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜，以及植物、酵母及其他真菌细胞的液泡膜上（V为vesicle）•转运H+过程中不形成磷酸化的中间体•维持细胞质基质pH中性和细胞器内pH酸性二、V型质子泵和F型质子泵•F型质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上（F为factor的第一个字母）•转运H+过程中不形成磷酸化的中间体•F型质子泵常利用质子动力势合成ATP，又称作H+-ATP合成酶■动物细胞和植物细胞主动运输的比较动物细胞和植物细胞不仅结构有所差别，载体蛋白也有所不同。动物细胞质膜上有Na+-K+ATPase，并通过对Na+、K+的运输建立细胞的电化学梯度；但是在植物细胞(包括细菌细胞)的质膜中没有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通过对H+的运输建立细胞的电化学梯度，使细胞外H+的浓度比细胞内高；与此同时H+泵在周围环境中创建了酸性pH，然后通过H+质子梯度驱动的同向运输，将糖和氨基酸等输入植物的细胞内。在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。动物、植物细胞主动运输比较三、ABC超家族•ABC超家族也是一类ATP驱动泵•广泛分布于从细菌到人类各种生物中，是最大的一类转运蛋白•通过ATP分子的结合与水解完成小分子物质的跨膜转运（一）ABC转运蛋白的结构与工作模式•4个“核心”结构域–2个跨膜结构域，分别含6个跨膜α螺旋，形成底物运输通路决定底物特异性–2个胞质侧ATP结合域，有ATPase活性•ATP分子结合诱导2个ATP结合域二聚化，引起转运蛋白构象改变，使底物结合部位暴露于质膜的另一侧MammalianMDR1proteinABC转运器与病原体对药物的抗性有关。MDR（multidrugresistanceprotein）是第一个被发现的真核细胞ABC转运器，是多药抗性蛋白，约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。（二）ABC转运蛋白与疾病（二）ABC转运蛋白与疾病multidrug-resistance，MDRcysticfibrosistransmembraneconductanceregulator，CFTR四、离子跨膜转运与膜电位四、离子跨膜转运与膜电位第三节胞吞作用与胞吐作用•真核细胞通过胞吞作用和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等•物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输Figure13-1MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)一、胞吞作用的类型•吞噬作用（phagocytosis）•胞饮作用（pinocytosis）（一）吞噬作用(phagocytosis)•原生生物：摄取食物•巨噬细胞和中性粒细胞摄取营养物，清除病原体、衰老、凋亡的细胞•吞噬作用是一个信号触发的过程（二）胞饮作用•几乎发生于所有类型真核细胞中•往往连续摄入溶液及可溶性分子•胞饮泡直径一般小于吞噬泡直径1.网格蛋白依赖的胞吞作用•网格蛋白(clathrin)由3个二聚体组成，3个二聚体形成三脚蛋白复合体(triskelion)，是包被的结构单位网格蛋白包被膜泡（clathrin-coatedvesicle）•发动蛋白•衔接蛋白1.网格蛋白依赖的胞吞作用•网格蛋白介导的胞吞作用分为–受体介导的胞吞作用–非特异性的胞吞作用LDL是一种球形颗粒的脂蛋白(如图)，直径为22nm,核心是1500个胆固醇酯；外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹,由于外被脂分子的亲水头露在外部，使LDL能够溶于血液中；最外面有一个相对分子质量为55kDa的蛋白，叫辅基蛋白B——100(apolipoproteinB-100),它能够与特定细胞的表面受体结合。LDL颗粒结构示意图a)由磷脂和未酯化的胆固醇单层构成LDL的外膜结构,在外膜上结合一个亲水的apo-B蛋白,该蛋白可以介导LDL与细胞表面的受体结合。(b)四种类型脂蛋白的电镜照片受体介导的胞吞作用家族性高胆固醇血症的发病机理？细胞膜上LDL受体缺陷示意图胞内体：受体介导的胞吞作用分选站1.大部分受体返回它们原来的质膜区域2.受体结合配体在溶酶体被降解3.受体被运至细胞另一侧的质膜，完成跨细胞转运(transcytosis)转铁蛋白：受体与配体一起再循环●铁的运输所有生长中的细胞表面都有铁结合转铁蛋白的受体,在中性pH条件下,转铁蛋白与铁结合,然后通过内吞作用进入细胞。在细胞内,在内体的酸性环境中,转铁蛋白释放出铁,但是转铁蛋白仍然同膜受体结合,并与受体一起回到质膜；当细胞外环境变成中性时,转铁蛋白同受体脱离,并自由地结合铁,然后又开始新一轮循环。实际上,转铁蛋白穿梭于细胞外液体和内体之间,避开了溶酶体,快速传递细胞生长所需的铁(图9-6