第5章 物质的跨膜运输
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
multidrugresistance， MDR
cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR
http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif
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
配体门通道——AChR
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
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.
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
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
跨细胞转运（transcytosis）
母乳喂养的好处？
转铁蛋白：受体与配体一起再循环
2. 其他类型的胞饮作用
Mayor S., and R. E. Pagano. Pathways of Clathrin-Independent Endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8 (8)：603-612.
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
Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（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
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
– 受体介导的胞吞作用 – 非特异性的胞吞作用
LDL
受体介导的胞吞作用
细胞膜上LDL受体缺陷示意图
家族性高胆固醇血症的发病机理？
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)
• 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-type pump)
H3O+, are deflected. This
prevents proton leakage through the channel.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg
（三）主动运输(active transport)
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach
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
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：
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
2. 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
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
二、胞吞作用与细胞信号转导
• 胞吞作用参与了细胞信号转导
（一）胞吞作用对信号转导的下调
• 细胞通过胞吞作用，将EGF 受体及EGF 吞入细胞 内降解，从而导致细胞信号转导活性下调
Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680
（二）胞吞作用对信号转导的激活
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
• 胞吞作用对Notch 信号转导的激活
三、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
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、颗粒物质的胞吞和胞吐
– 受体介导的内吞
– 载体蛋白（carrier protein，
transporter）
– 通道蛋白（channel protein）
（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
• 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）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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
（二）被动运输 (passive transport)
• 顺着电化学梯度或浓度梯度 • 协助扩散 (facilitated diffusion) • 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
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
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
• 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
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
Thank you!
Copyright © 高等教育出版社 2011
（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
水孔蛋白
离子通道 孔蛋白
Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA)
the patch-clamp technique
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 (simple diffusion)
• 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
四、离子跨膜转运与膜电位
四、离子跨膜转运与膜电位
重症肌无力 Myasthenia Gravis
• 重症肌无力患者体内 产生了乙酰胆碱受体 （AChR）分子的自
身抗体，这些抗体与
骨骼肌细胞质膜上的 乙酰胆碱受体结合并 使其失活。试解释肌 肉功能中哪ຫໍສະໝຸດ Baidu步受到
了影响？
http://jnnp.bmj.com/content/74/suppl_2/ii32/F1.large.jpg
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-coated vesicle） • 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
• 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
multidrugresistance， MDR
cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR
http://bragi.gbf.de/bilder/1UUN.gif
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
配体门通道——AChR
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
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.
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
Fig. Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes.
跨细胞转运（transcytosis）
母乳喂养的好处？
转铁蛋白：受体与配体一起再循环
2. 其他类型的胞饮作用
Mayor S., and R. E. Pagano. Pathways of Clathrin-Independent Endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8 (8)：603-612.
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
Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
（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
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
– 受体介导的胞吞作用 – 非特异性的胞吞作用
LDL
受体介导的胞吞作用
细胞膜上LDL受体缺陷示意图
家族性高胆固醇血症的发病机理？
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)
• 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-type pump)
H3O+, are deflected. This
prevents proton leakage through the channel.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg
（三）主动运输(active transport)
H+/K+ ATPase Control of acid secretion in the stomach
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
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：
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/popular.html
2. 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
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
二、胞吞作用与细胞信号转导
• 胞吞作用参与了细胞信号转导
（一）胞吞作用对信号转导的下调
• 细胞通过胞吞作用，将EGF 受体及EGF 吞入细胞 内降解，从而导致细胞信号转导活性下调
Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680
（二）胞吞作用对信号转导的激活
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
• 胞吞作用对Notch 信号转导的激活
三、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
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、颗粒物质的胞吞和胞吐
– 受体介导的内吞
– 载体蛋白（carrier protein，
transporter）
– 通道蛋白（channel protein）
（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
• 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）
Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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
（二）被动运输 (passive transport)
• 顺着电化学梯度或浓度梯度 • 协助扩散 (facilitated diffusion) • 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
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
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
• 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
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
Thank you!
Copyright © 高等教育出版社 2011
（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
水孔蛋白
离子通道 孔蛋白
Main Porin From Mycobacterium smegmatis (MSPA)
the patch-clamp technique
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 (simple diffusion)
• 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
四、离子跨膜转运与膜电位
四、离子跨膜转运与膜电位
重症肌无力 Myasthenia Gravis
• 重症肌无力患者体内 产生了乙酰胆碱受体 （AChR）分子的自
身抗体，这些抗体与
骨骼肌细胞质膜上的 乙酰胆碱受体结合并 使其失活。试解释肌 肉功能中哪ຫໍສະໝຸດ Baidu步受到
了影响？
http://jnnp.bmj.com/content/74/suppl_2/ii32/F1.large.jpg
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-coated vesicle） • 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