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5章物质的跨膜运输细胞膜运输物质方式穿膜运输：小分子和离子膜泡运输：大分子和颗粒物质内吞外排穿膜运输膜泡运输本章主要内容•膜转运蛋白与物质的跨膜运输•ATP驱动泵与主动运输•胞吞作用与胞吐作用物质穿膜的性能称为通透性(permeability)，物质通透性的大小与物质的性质和大小有关。物质穿膜的特点(1)脂溶性：脂溶性越大的分子越容易穿膜;(2)分子量:小分子比大分子容易穿膜;(3)带电性：不带电荷的分子容易穿膜;(4)亲水性：亲水性分子和离子的穿膜依赖于专一性的跨膜蛋白。影响物质穿过脂双层膜的通透性的因素有：物质的通透性物质本身的属性膜的结构性质共同决定(麻醉剂、热、辐射、pH值等)细胞生理状态环境条件影响环境刺激也能使肌细胞和神经细胞的膜透性提高。(肌)细胞处于活动状态时，营养物质更容易透过质膜物质通透性的影响及其决定因素脂溶性分子量带电性亲水性水分子能快速进出细胞与膜上的水孔蛋白(aquaporin)通道有关。具有高度专一性(只允许水分子通过，而不允许其他分子或离子通过)。广泛存在于动物、植物和细菌的质膜以及植物液泡膜上第一节膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输“运输工具”：参与物质穿膜运输的蛋白质称为膜转运蛋白(membranetransportproteins)载体蛋白（carrierproteins）：它的一侧与溶质结合，经过载体构象的变化把溶质转运到膜的另一端。介导被动运输与主动运输。通道蛋白（channelproteins）：它在膜上形成极小的亲水孔，溶质能扩散通过该孔。只介导被动运输。（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；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离子通道的类型、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.应力激活通道特点：通道蛋白在跨膜电位变化时开放电压门通道通道蛋白配体高浓度低浓度特点：通道蛋白在与神经递质或其他信号分子结合时开放配体门通道内耳听觉毛细胞应力激活通道毛细胞顶部的听毛受到应力作用产生弯曲，应力通道开放，离子进入毛细胞，将声波信号传递给神经元感知碰触的细胞应力激活通道开启细胞自身膜电位发生改变电压门通道开启产生电信号作用于叶子基部的特化细胞细胞失水含羞草“害羞”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适合简单扩散的物质：脂溶性物质(非极性物质):苯.乙醇.氧.不带电荷小分子物质:水.尿素.二氧化碳不适合简单扩散的物质：带电荷物质（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2014年中国十大科技进展新闻清华大学医学院颜宁教授研究组在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示了其工作机制及相关疾病的致病机理。该成果在《自然》杂志发表后，诺贝尔化学奖得主布莱恩·克比尔卡评价，针对人类疾病开发药物，获得人源转运蛋白结构至关重要。因此这是一项伟大的成就。该成果对于研究癌症和糖尿病的意义不言而喻。人体中的GLUTs共有14种，目前研究较清楚的是GLUT1-4。GLUT1是第一个被确定特征的转运蛋白，是负责红细胞的葡萄糖摄入以及穿越血脑屏障运输的主要葡萄糖转运蛋白；GLUT2在胰腺β细胞、肠、肾和肝中表达，可响应喂食或禁食状态来控制葡萄糖的摄取和外流；GLUT3被称作为“神经元葡萄糖转运蛋白”，主要在神经元中发挥功能，它还负责精子、植入前胚胎和循环红血细胞的葡萄糖摄取。GLUT4可对脂肪细胞和肌肉中的胰岛素做出响应。葡萄糖转运蛋白GLUTs失活性突变或异常调控与许多的疾病，包括GLUT1缺陷综合症、2型糖尿病及阿尔茨海默式症有关联。GLUT1和GLUT3在多种不同的实体瘤中过表达。在缺氧情况下肿瘤对于葡萄糖的需求显著增高以补偿ATP的生成，这种现象便被称作为Warburg效应。基于过表达GLUTs的癌症诊断及潜在疗法，吸引了越来越多的关注。此外，还有一些研究将焦点放在了利用葡萄糖转运蛋白来提高膜通透性及组织特异性传送抗癌药物上。确定GLUTs尤其是与配体构成的复合物的结构对于设计和优化配体的先决条件。葡萄糖转运蛋白GLUT1如何结晶?•构建突变体N45T：天冬酰胺-苏氨酸•E329Q：谷氨酸-谷氨酰胺•低温结晶CrystalstructureofthehumanglucosetransporterGLUT1DongDeng,ChaoXu,PengchengSun,JianpingWu,ChuangyeYan,MingxuHu&NiengYan.CrystalstructureofthehumanglucosetransporterGLUT1.Nature,18May2014;doi:10.1038/nature133062.水孔蛋白：水分子的跨膜通道2.水孔蛋白：水分子的跨膜通道2.水孔蛋白：水分子的跨膜通道•水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运Fig.XenopusoocytesmicroinjectedwithAQP1mRNAswellrapidlywhenplacedinahypo-osmoticmedium,incontrasttononinjectedoocytes.水通道介导水的快速转运（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（Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能）–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型离子泵、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（一）Na+-K+泵（Na+-K+ATPase）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1.Na+-K+泵结构与转运机制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（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+泵的结构与功能作用：维持细胞内低外高的浓度差、跨膜信息传递、肌肉收缩二、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•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•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（二）ABC转运蛋白与疾病multidrug-resistance，MDR多药抗性转运蛋白：利用水解ATP的能量将抗癌药物从细胞内转移到细胞外，降低细胞内药物浓度，导致肿瘤细胞抗药性增强等。（例秋水仙碱、长春花碱）四、协同运输协同运输(cotransport)是指一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种溶质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者伴随进行。膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能为协同运输供能，属于次级主动运输(secondaryactivetransport)。细胞对葡萄糖的吸收是与Na+的同向穿膜运输(左)及其模式图解(下)协同运输（coupledtransport）一些共运输载体如葡萄糖-Na+、Na+-H+等载体可以同时转运两种物质，称为协同运输。共运输(symport)：同方向转运两种物质对向运输(antiport)：反方向转运两种物质。同向反向单向运输协同运输协同运输离子协同运输物质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，因此又称膜泡运输胞吐作用吞噬作用吞噬体phagosome胞饮作用吞饮体pinosome（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•直径大于250nm的颗粒物质（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•直径小于150nm胞吞作用的类型MayorS.,andR.E.Pagano.PathwaysofClathrin-IndependentEndocytosis.NatRevMolCellBiol，2007，8(8)：603-612.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（三）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)其他类型的胞饮作用MayorS.,andR.E.Pagano.PathwaysofClathrin-IndependentEndocytosis.NatRevMolCellBiol，2007，8(8)：603-612.胞膜窖依赖的胞吞作用•胞膜窖呈内陷的瓶状，特征性蛋白是窖蛋白•胞膜窖在质膜的脂筏区域形成二、胞吐作用(exocytosis)胞吐作用是通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合而将膜泡内的物质运出细胞的过程两种形式：1.组成型胞吐途径(constitutivepathwayofsecretion)：分泌蛋白、高尔基体分泌囊泡。2.调节型胞吐途径(regulatedpathwayofsecretion)：储存于分泌囊泡、外界信号。本章小结•小分子、离子的跨膜转运方式–载体蛋白和通道蛋白–简单扩散–被动运输–主动运输•大分子、颗粒物质