翟中和細(xì)胞生物學(xué)第5章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸ppt課件

第5章 物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸,1,本章主要內(nèi)容,膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸 ATP驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸 胞吞作用與胞吐作用,2,第一節(jié) 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸,3,一、脂雙層的不透性和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,脂雙層疏水對(duì)絕大多數(shù)極性分子、離子以及細(xì)胞代謝產(chǎn)物的通透性極低，形成了細(xì)胞的滲透屏障 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為兩類(lèi)： 載體蛋白（carrier protein，transporter） 通道蛋白（channel protein）,4,（一）載體蛋白及其功能,多次跨膜；通過(guò)構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 與底物（溶質(zhì)）特異性結(jié)合；具有高度選擇性；具有類(lèi)似于酶與底物作用的飽和動(dòng)力學(xué)特征；但對(duì)溶質(zhì)不做任何共價(jià)修飾,5,（一）載體蛋白及其功能,不同部位的生物膜往往含有各自功能相關(guān)的不同載體蛋白,6,（二）通道蛋白及其功能,3 種類(lèi)型：離子通道、孔蛋白以及水孔蛋白 大多數(shù)通道蛋白都是離子通道 轉(zhuǎn)運(yùn)底物時(shí)，通道蛋白形成選擇性和門(mén)控性跨膜通道,孔蛋白,水孔蛋白,離子通道,7,Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA),http:/bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif,8,離子通道的類(lèi)型及其 3 個(gè)顯著特征,具有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率 沒(méi)有飽和值 離子通道非連續(xù)性開(kāi)放而是門(mén)控的,電壓門(mén)通道 配體門(mén)通道（胞外配體） 配體門(mén)通道（胞內(nèi)配體） 應(yīng)力激活通道,9,估計(jì)細(xì)胞膜上與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白占核基因編碼蛋白的1530%，細(xì)胞用在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面的能量達(dá)細(xì)胞總消耗能量的2/3。 兩類(lèi)主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白： 載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉(zhuǎn)運(yùn)器。介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸與主動(dòng)運(yùn)輸 通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過(guò)。只介導(dǎo)被動(dòng)運(yùn)輸,兩者區(qū)別：以不同方式辨別溶質(zhì)。通道蛋白主要根據(jù)溶質(zhì)大小和電荷和進(jìn)行辨別，假如通道處于開(kāi)放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當(dāng)電荷的分子或離子就能通過(guò)；而載體蛋白只允許與其結(jié)合部位相適應(yīng)的溶質(zhì)分子通過(guò)，并且每次轉(zhuǎn)運(yùn)都發(fā)生自身構(gòu)象的變化。,10,二、小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類(lèi)型,3 種類(lèi)型：簡(jiǎn)單擴(kuò)散、被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸,11,（一）簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion),順電化學(xué)梯度或濃度梯度 不需要細(xì)胞提供能量， 無(wú)需膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助 脂雙層對(duì)溶質(zhì)的通透性大小主要取決于分子大小和分子的極性,12,（二）被動(dòng)運(yùn)輸 (passive transport),順著電化學(xué)梯度或濃度梯度 協(xié)助擴(kuò)散 (facilitated diffusion) 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助 載體蛋白介導(dǎo) 通道蛋白介導(dǎo),13,1. 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,12 次跨膜 螺旋 通過(guò)構(gòu)象改變完成葡萄糖的協(xié)助擴(kuò)散 轉(zhuǎn)運(yùn)方向取決于葡萄糖濃度梯度,14,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎(jiǎng)),水分子借助質(zhì)膜上的水孔蛋白實(shí)現(xiàn)快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html,Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.,15,2003年，美國(guó)科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,16,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎(jiǎng)),調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓以及生理與病理作用,http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg,Fig . Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.,17,（三）主動(dòng)運(yùn)輸(active transport),載體蛋白所介導(dǎo)、逆著電化學(xué)梯度或濃度梯度 3種類(lèi)型 ATP 驅(qū)動(dòng)泵（ATP直接供能） 協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)或偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)（ATP間接提供能量） 光驅(qū)動(dòng)泵,18,第二節(jié) ATP驅(qū)動(dòng)泵與主動(dòng)運(yùn)輸,ATP 驅(qū)動(dòng)泵通常又稱為轉(zhuǎn)運(yùn)ATPase，分為4類(lèi) P型泵、V型質(zhì)子泵、F型質(zhì)子泵和ABC超家族,19,一、P 型泵 (P-type pump),2 個(gè) 催化亞基，具有ATP 結(jié)合位點(diǎn)；2 個(gè) 調(diào)節(jié)亞基 至少有一個(gè) 催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化反應(yīng)，改變轉(zhuǎn)運(yùn)泵的構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 轉(zhuǎn)運(yùn)泵水解ATP 使自身形成磷酸化的中間體,20, P-型離子運(yùn)輸泵的作用機(jī)理,P型泵的主要特點(diǎn):都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運(yùn)輸有關(guān)的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離子的跨膜運(yùn)輸。,Na+-K+ATP酶的分子結(jié)構(gòu)： 兩種亞基組成的二聚體。 亞基具有ATP酶的活性； 亞基是具有組織特異性的糖蛋白。,21,（一）Na+-K+ 泵（Na+-K+ ATPase）,Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008),22,1. Na+-K+ 泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,由2 個(gè) 和2 個(gè) 亞基組成四聚體,烏苯苷（ouabain）用作強(qiáng)心劑的原理？,23,1. Na+-K+ 泵結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,24,泵入2K+,結(jié)合3Na+,磷酸化,泵出3Na+,結(jié)合2K+,去磷酸化,鈉鉀泵工作的特性： P-type：依賴自磷酸化來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)離子的離子泵。 鈣泵 質(zhì)子泵 它們組成了功能與結(jié)構(gòu)相似的一個(gè)蛋白質(zhì)家族。,25,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,維持細(xì)胞膜電位 維持動(dòng)物細(xì)胞滲透平衡,26,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,吸收營(yíng)養(yǎng) 動(dòng)物細(xì)胞對(duì)葡萄糖或氨基酸等有機(jī)物吸收的能量由蘊(yùn)藏在Na+ 電化學(xué)梯度中的勢(shì)能提供 植物細(xì)胞、真菌和細(xì)菌通常利用質(zhì)膜上的H+-ATPase 形成的H+ 電化學(xué)梯度來(lái)吸收營(yíng)養(yǎng)物,27,Na+/K+ 泵具有三個(gè)重要作用: 一是維持了細(xì)胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的滲透作用; 二是在建立細(xì)胞質(zhì)膜兩側(cè)Na+離子濃度梯度的同時(shí)，為葡萄糖協(xié)同運(yùn)輸泵提供了驅(qū)動(dòng)力; 三是Na+泵建立的細(xì)胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導(dǎo)提供了基礎(chǔ)。,地高辛、烏本苷等強(qiáng)心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,28,（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中低Ca2+ 濃度的維持主要得益于質(zhì)膜或細(xì)胞器膜上的鈣泵 每消耗1 分子ATP 從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)泵出 2 個(gè)Ca2+,29,1. Ca2+ 泵的結(jié)構(gòu)與功能,30,鈣離子泵,作用：維持細(xì)胞內(nèi)較低的鈣離子濃度（胞內(nèi)鈣濃度10-7M，胞外10-3M）。 位置：質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。 類(lèi)型：P型離子泵，每分解一個(gè)ATP分子，泵出2個(gè)Ca2+。位于肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子泵占肌質(zhì)網(wǎng)膜蛋白質(zhì)的90%。,31,2. P 型 H+ 泵,植物細(xì)胞、真菌(包括酵母)和細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上雖然沒(méi)有Na+-K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) P 型H+ 泵將 H+ 泵出細(xì)胞，建立和維持跨膜 H+ 電化學(xué)梯度,H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach,32,二、V 型質(zhì)子泵和 F 型質(zhì)子泵,V 型質(zhì)子泵廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞的胞內(nèi)體膜、溶酶體膜，破骨細(xì)胞和某些腎小管細(xì)胞的質(zhì)膜，以及植物、酵母及其他真菌細(xì)胞的液泡膜上 （V 為vesicle） 轉(zhuǎn)運(yùn) H+ 過(guò)程中不形成磷酸化的中間體 維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) pH 中性和細(xì)胞器內(nèi) pH 酸性,33,二、V 型質(zhì)子泵和 F 型質(zhì)子泵,F 型質(zhì)子泵存在于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類(lèi) 囊體膜上（F 為factor 的第一個(gè)字母） 轉(zhuǎn)運(yùn) H+ 過(guò)程中不形成磷酸化的中間體 F 型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，又稱作 H+-ATP合成酶,34, 動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^,動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞不僅結(jié)構(gòu)有所差別，載體蛋白也有所不同。動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上有Na+-K+ ATPase，并通過(guò)對(duì)Na+、K+ 的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度；但是在植物細(xì)胞(包括細(xì)菌細(xì)胞)的質(zhì)膜中沒(méi)有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過(guò)對(duì)H+的運(yùn)輸建立細(xì)胞的電化學(xué)梯度，使細(xì)胞外H+的濃度比細(xì)胞內(nèi)高；與此同時(shí)H+泵在周?chē)h(huán)境中創(chuàng)建了酸性pH，然后通過(guò)H+質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)的同向運(yùn)輸，將糖和氨基酸等輸入植物的細(xì)胞內(nèi)。在動(dòng)物細(xì)胞溶酶體膜和植物細(xì)胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細(xì)胞器的酸性。,35,動(dòng)物、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸比較,36,三、ABC 超家族,ABC 超家族也是一類(lèi)ATP 驅(qū)動(dòng)泵 廣泛分布于從細(xì)菌到人類(lèi)各種生物中，是最大的一類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 通過(guò)ATP 分子的結(jié)合與水解完成小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),37,（一）ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與工作模式,4 個(gè)“核心”結(jié)構(gòu)域 2 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，分別含6 個(gè)跨膜 螺旋，形成底物運(yùn)輸通路決定底物特異性 2 個(gè)胞質(zhì)側(cè)ATP 結(jié)合域，有 ATPase 活性 ATP 分子結(jié)合誘導(dǎo) 2 個(gè)ATP 結(jié)合域二聚化，引起轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白構(gòu)象改變，使底物結(jié)合部位暴露于質(zhì)膜的另一側(cè),38,Mammalian MDR1 protein,ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器與病原體對(duì)藥物的抗性有關(guān)。MDR （multidrug resistance protein ）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核細(xì)胞ABC轉(zhuǎn)運(yùn)器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細(xì)胞內(nèi)該基因過(guò)度表達(dá)。,（二）ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病,39,（二）ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與疾病,multidrug-resistance，MDR,cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR,40,四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位,41,四、離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與膜電位,42,第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用,真核細(xì)胞通過(guò)胞吞作用和胞吐作用完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，如蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖等 物質(zhì)包裹在脂雙層膜包被的囊泡中，因此又稱膜泡運(yùn)輸,Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008),43,一、胞吞作用的類(lèi)型,吞噬作用 （phagocytosis） 胞飲作用（pinocytosis）,44,（一）吞噬作用(phagocytosis),原生生物：攝取食物 巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞攝取營(yíng)養(yǎng)物，清除病原體、衰老、凋亡的細(xì)胞 吞噬作用是一個(gè)信號(hào)觸發(fā)的過(guò)程,45,（二）胞飲作用,幾乎發(fā)生于所有類(lèi)型真核細(xì)胞中 往往連續(xù)攝入溶液及可溶性分子 胞飲泡直徑一般小于吞噬泡直徑,46,1. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白 (clathrin) 由3 個(gè)二聚體組成， 3 個(gè)二聚體形成三腳蛋白復(fù)合體 (triskelion)，是包被的結(jié)構(gòu)單位,47,網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle）,發(fā)動(dòng)蛋白 銜接蛋白,48,1. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用分為 受體介導(dǎo)的胞吞作用 非特異性的胞吞作用,49,LDL是一種球形顆粒的脂蛋白(如圖)，直徑為22nm, 核心是1500個(gè)膽固醇酯；外面由800個(gè)磷脂和500個(gè)未酯化的膽固醇分子包裹,由于外被脂分子的親水頭露在外部，使LDL能夠溶于血液中；最外面有一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為55 kDa的蛋白，叫輔基蛋白B100(apolipoprotein B-100), 它能夠與特定細(xì)胞的表面受體結(jié)合。,LDL顆粒結(jié)構(gòu)示意圖,a)由磷脂和未酯化的膽固醇單層構(gòu)成LDL的外膜結(jié)構(gòu), 在外膜上結(jié)合一個(gè)親水的apo-B蛋白,該蛋白可以介導(dǎo)LDL與細(xì)胞表面的受體結(jié)合。(b)四種類(lèi)型脂蛋白的電鏡照片,50,受體介導(dǎo)的胞吞作用,51,家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機(jī)理？,細(xì)胞膜上LDL受體缺陷示意圖,52,胞內(nèi)體：受體介導(dǎo)的胞吞作用分選站,大部分受體返回它們?cè)瓉?lái)的質(zhì)膜區(qū)域 受體結(jié)合配體在溶酶體被降解 受體被運(yùn)至細(xì)胞另一側(cè)的質(zhì)膜，完成跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn) (transcytosis),53,轉(zhuǎn)鐵蛋白：受體與配體一起再循環(huán),54, 鐵的運(yùn)輸,所有生長(zhǎng)中的細(xì)胞表面都有鐵結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白的受體,在中性pH條件下,轉(zhuǎn)鐵蛋白與鐵結(jié)合, 然后通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。在細(xì)胞內(nèi),在內(nèi)體的酸性環(huán)境中, 轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放出鐵, 但是轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然同膜受體結(jié)合, 并與受體一起回到質(zhì)膜；當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境變成中性時(shí), 轉(zhuǎn)鐵蛋白同受體脫離,并自由地結(jié)合鐵, 然后又開(kāi)始新一輪循環(huán)。實(shí)際上, 轉(zhuǎn)鐵蛋白穿梭于細(xì)胞外液體和內(nèi)體之間, 避開(kāi)了溶酶體, 快速傳遞細(xì)胞生長(zhǎng)所需的鐵(圖9-61)。,55,2. 其他類(lèi)型的胞飲作用,Mayor S., and R. E. Pagano. Pathways of Clathrin-Independent Endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8 (8)：603-612.,56,胞膜窖依賴的胞吞作用,胞膜窖呈內(nèi)陷的瓶狀，特征性蛋白是窖蛋白 胞膜窖在質(zhì)膜的脂筏區(qū)域形成,57,the main features of caveolae and caveolins,Parton RG, Simons K. The multiple faces of caveolae. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007,8(3):185-194.,58,二、胞吞作用與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),胞吞作用參與了細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),59,（一）胞吞作用對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的下調(diào),細(xì)胞通過(guò)胞吞作用，將EGF 受體及EGF 吞入細(xì)胞內(nèi)降解，從而導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)活性下調(diào),Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680,60,（二）胞吞作用對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活,胞吞作用對(duì)Notch 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活,61,三、胞吐作用(exocytosis),胞吐作用是通過(guò)分泌泡或其他膜泡與質(zhì)膜融合而將膜泡內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)出細(xì)胞的過(guò)程,62,本章小結(jié),小分子、離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式 載體蛋白和通道蛋白 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 被動(dòng)運(yùn)輸 主動(dòng)運(yùn)輸 大分子、顆粒物質(zhì)的胞吞和胞吐 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞,63,Thank you!,64,