翟中和細胞生物學第5章物質(zhì)的跨膜運輸ppt課件

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第5章 物質(zhì)的跨膜運輸,1,本章主要內(nèi)容,膜轉運蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運輸 ATP驅(qū)動泵與主動運輸 胞吞作用與胞吐作用,2,第一節(jié) 膜轉運蛋白與小分子物質(zhì)的跨膜運輸,3,一、脂雙層的不透性和膜轉運蛋白,脂雙層疏水對絕大多數(shù)極性分子、離子以及細胞代謝產(chǎn)物的通透性極低，形成了細胞的滲透屏障 膜轉運蛋白可分為兩類： 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；通過構象改變介導溶質(zhì)分子跨膜轉運 與底物（溶質(zhì)）特異性結合；具有高度選擇性；具有類似于酶與底物作用的飽和動力學特征；但對溶質(zhì)不做任何共價修飾,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的不同載體蛋白,6,（二）通道蛋白及其功能,3 種類型：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 轉運底物時，通道蛋白形成選擇性和門控性跨膜通道,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,離子通道的類型及其 3 個顯著特征,具有極高的轉運速率 沒有飽和值 離子通道非連續(xù)性開放而是門控的,電壓門通道 配體門通道（胞外配體） 配體門通道（胞內(nèi)配體） 應力激活通道,9,估計細胞膜上與物質(zhì)轉運有關的蛋白占核基因編碼蛋白的15~30%，細胞用在物質(zhì)轉運方面的能量達細胞總消耗能量的2/3。 兩類主要轉運蛋白： 載體蛋白：又稱做載體、通透酶和轉運器。介導被動運輸與主動運輸 通道蛋白：能形成親水的通道，允許特定的溶質(zhì)通過。只介導被動運輸,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)大小和電荷和進行辨別，假如通道處于開放狀態(tài)，則足夠小和帶有適當電荷的分子或離子就能通過；而載體蛋白只允許與其結合部位相適應的溶質(zhì)分子通過，并且每次轉運都發(fā)生自身構象的變化。,10,二、小分子物質(zhì)的跨膜運輸類型,3 種類型：簡單擴散、被動運輸和主動運輸,11,（一）簡單擴散 (simple diffusion),順電化學梯度或濃度梯度 不需要細胞提供能量， 無需膜轉運蛋白協(xié)助 脂雙層對溶質(zhì)的通透性大小主要取決于分子大小和分子的極性,12,（二）被動運輸 (passive transport),順著電化學梯度或濃度梯度 協(xié)助擴散 (facilitated diffusion) 膜轉運蛋白協(xié)助 載體蛋白介導 通道蛋白介導,13,1. 葡萄糖轉運蛋白,12 次跨膜α 螺旋 通過構象改變完成葡萄糖的協(xié)助擴散 轉運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),水分子借助質(zhì)膜上的水孔蛋白實現(xiàn)快速跨膜轉運,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，美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)毎にǖ?，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,16,2. 水孔蛋白：水分子的跨膜通道 (2003諾獎),調(diào)節(jié)細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）主動運輸(active transport),載體蛋白所介導、逆著電化學梯度或濃度梯度 3種類型 ATP 驅(qū)動泵（ATP直接供能） 協(xié)同轉運或偶聯(lián)轉運（ATP間接提供能量） 光驅(qū)動泵,18,第二節(jié) ATP驅(qū)動泵與主動運輸,ATP 驅(qū)動泵通常又稱為轉運ATPase，分為4類 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α 催化亞基，具有ATP 結合位點；2 個β 調(diào)節(jié)亞基 至少有一個α 催化亞基發(fā)生磷酸化和去磷酸化反應，改變轉運泵的構象，實現(xiàn)離子的跨膜轉運 轉運泵水解ATP 使自身形成磷酸化的中間體,20,■ P-型離子運輸泵的作用機理,P型泵的主要特點:都是跨膜蛋白，并且是由一條多肽完成所有與運輸有關的功能，包括ATP的水解、磷酸化和離子的跨膜運輸。,Na+-K+ATP酶的分子結構： αβ兩種亞基組成的二聚體。 α亞基具有ATP酶的活性； β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+ 泵結構與轉運機制,由2 個α 和2 個β 亞基組成四聚體,烏苯苷（ouabain）用作強心劑的原理？,23,1. Na+-K+ 泵結構與轉運機制,24,泵入2K+,結合3Na+,磷酸化,泵出3Na+,結合2K+,去磷酸化,,,,,,,鈉鉀泵工作的特性： P-type：依賴自磷酸化來轉運離子的離子泵。 鈣泵 質(zhì)子泵 它們組成了功能與結構相似的一個蛋白質(zhì)家族。,25,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,維持細胞膜電位 維持動物細胞滲透平衡,26,2. Na+-K+ 泵主要生理功能,吸收營養(yǎng) 動物細胞對葡萄糖或氨基酸等有機物吸收的能量由蘊藏在Na+ 電化學梯度中的勢能提供 植物細胞、真菌和細菌通常利用質(zhì)膜上的H+-ATPase 形成的H+ 電化學梯度來吸收營養(yǎng)物,27,Na+/K+ 泵具有三個重要作用: 一是維持了細胞Na+離子的平衡，抵消了Na+離子的滲透作用; 二是在建立細胞質(zhì)膜兩側Na+離子濃度梯度的同時，為葡萄糖協(xié)同運輸泵提供了驅(qū)動力; 三是Na+泵建立的細胞外電位，為神經(jīng)和肌肉電脈沖傳導提供了基礎。,地高辛、烏本苷等強心劑抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,28,（二）Ca2+ 泵及其他 P 型泵,細胞質(zhì)基質(zhì)中低Ca2+ 濃度的維持主要得益于質(zhì)膜或細胞器膜上的鈣泵 每消耗1 分子ATP 從細胞質(zhì)基質(zhì)泵出 2 個Ca2+,29,1. Ca2+ 泵的結構與功能,30,鈣離子泵,作用：維持細胞內(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。 類型：P型離子泵，每分解一個ATP分子，泵出2個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,植物細胞、真菌(包括酵母)和細菌細胞質(zhì)膜上雖然沒有Na+-K+ 泵， 但有P 型H+ 泵(H+-ATPase) P 型H+ 泵將 H+ 泵出細胞，建立和維持跨膜 H+ 電化學梯度,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)子泵廣泛存在于動物細胞的胞內(nèi)體膜、溶酶體膜，破骨細胞和某些腎小管細胞的質(zhì)膜，以及植物、酵母及其他真菌細胞的液泡膜上 （V 為vesicle） 轉運 H+ 過程中不形成磷酸化的中間體 維持細胞質(zhì)基質(zhì) pH 中性和細胞器內(nèi) pH 酸性,33,二、V 型質(zhì)子泵和 F 型質(zhì)子泵,F 型質(zhì)子泵存在于細菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類 囊體膜上（F 為factor 的第一個字母） 轉運 H+ 過程中不形成磷酸化的中間體 F 型質(zhì)子泵常利用質(zhì)子動力勢合成ATP，又稱作 H+-ATP合成酶,34,■ 動物細胞和植物細胞主動運輸?shù)谋容^,動物細胞和植物細胞不僅結構有所差別，載體蛋白也有所不同。動物細胞質(zhì)膜上有Na+-K+ ATPase，并通過對Na+、K+ 的運輸建立細胞的電化學梯度；但是在植物細胞(包括細菌細胞)的質(zhì)膜中沒有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通過對H+的運輸建立細胞的電化學梯度，使細胞外H+的濃度比細胞內(nèi)高；與此同時H+泵在周圍環(huán)境中創(chuàng)建了酸性pH，然后通過H+質(zhì)子梯度驅(qū)動的同向運輸，將糖和氨基酸等輸入植物的細胞內(nèi)。在動物細胞溶酶體膜和植物細胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它們作用都一樣，保持這些細胞器的酸性。,35,動物、植物細胞主動運輸比較,36,三、ABC 超家族,ABC 超家族也是一類ATP 驅(qū)動泵 廣泛分布于從細菌到人類各種生物中，是最大的一類轉運蛋白 通過ATP 分子的結合與水解完成小分子物質(zhì)的跨膜轉運,37,（一）ABC轉運蛋白的結構與工作模式,4 個“核心”結構域 2 個跨膜結構域，分別含6 個跨膜α 螺旋，形成底物運輸通路決定底物特異性 2 個胞質(zhì)側ATP 結合域，有 ATPase 活性 ATP 分子結合誘導 2 個ATP 結合域二聚化，引起轉運蛋白構象改變，使底物結合部位暴露于質(zhì)膜的另一側,38,Mammalian MDR1 protein,ABC轉運器與病原體對藥物的抗性有關。MDR （multidrug resistance protein ）是第一個被發(fā)現(xiàn)的真核細胞ABC轉運器，是多藥抗性蛋白，約40%患者的癌細胞內(nèi)該基因過度表達。,（二）ABC 轉運蛋白與疾病,39,（二）ABC 轉運蛋白與疾病,multidrug-resistance，MDR,cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR,,40,四、離子跨膜轉運與膜電位,41,四、離子跨膜轉運與膜電位,42,第三節(jié) 胞吞作用與胞吐作用,真核細胞通過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，因此又稱膜泡運輸,Figure 13-1 Molecular Biology of the Cell (? Garland Science 2008),43,一、胞吞作用的類型,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 巨噬細胞和中性粒細胞攝取營養(yǎng)物，清除病原體、衰老、凋亡的細胞 吞噬作用是一個信號觸發(fā)的過程,45,（二）胞飲作用,幾乎發(fā)生于所有類型真核細胞中 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 個二聚體組成， 3 個二聚體形成三腳蛋白復合體 (triskelion)，是包被的結構單位,47,網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle）,發(fā)動蛋白 銜接蛋白,48,1. 網(wǎng)格蛋白依賴的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白介導的胞吞作用分為 受體介導的胞吞作用 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個膽固醇酯；外面由800個磷脂和500個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；最外面有一個相對分子質(zhì)量為55 kDa的蛋白，叫輔基蛋白B——100(apolipoprotein B-100), 它能夠與特定細胞的表面受體結合。,LDL顆粒結構示意圖,a)由磷脂和未酯化的膽固醇單層構成LDL的外膜結構, 在外膜上結合一個親水的apo-B蛋白,該蛋白可以介導LDL與細胞表面的受體結合。(b)四種類型脂蛋白的電鏡照片,50,受體介導的胞吞作用,51,家族性高膽固醇血癥的發(fā)病機理？,細胞膜上LDL受體缺陷示意圖,52,胞內(nèi)體：受體介導的胞吞作用分選站,大部分受體返回它們原來的質(zhì)膜區(qū)域 受體結合配體在溶酶體被降解 受體被運至細胞另一側的質(zhì)膜，完成跨細胞轉運 (transcytosis),53,轉鐵蛋白：受體與配體一起再循環(huán),54,● 鐵的運輸,所有生長中的細胞表面都有鐵結合轉鐵蛋白的受體,在中性pH條件下,轉鐵蛋白與鐵結合, 然后通過內(nèi)吞作用進入細胞。在細胞內(nèi),在內(nèi)體的酸性環(huán)境中, 轉鐵蛋白釋放出鐵, 但是轉鐵蛋白仍然同膜受體結合, 并與受體一起回到質(zhì)膜；當細胞外環(huán)境變成中性時, 轉鐵蛋白同受體脫離,并自由地結合鐵, 然后又開始新一輪循環(huán)。實際上, 轉鐵蛋白穿梭于細胞外液體和內(nèi)體之間, 避開了溶酶體, 快速傳遞細胞生長所需的鐵(圖9-61)。,55,2. 其他類型的胞飲作用,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、胞吞作用與細胞信號轉導,胞吞作用參與了細胞信號轉導,59,（一）胞吞作用對信號轉導的下調(diào),細胞通過胞吞作用，將EGF 受體及EGF 吞入細胞內(nèi)降解，從而導致細胞信號轉導活性下調(diào),Aguilar R C , Wendland B PNAS 2005;102:2679-2680,60,（二）胞吞作用對信號轉導的激活,胞吞作用對Notch 信號轉導的激活,61,三、胞吐作用(exocytosis),胞吐作用是通過分泌泡或其他膜泡與質(zhì)膜融合而將膜泡內(nèi)的物質(zhì)運出細胞的過程,62,本章小結,小分子、離子的跨膜轉運方式 載體蛋白和通道蛋白 簡單擴散 被動運輸 主動運輸 大分子、顆粒物質(zhì)的胞吞和胞吐 受體介導的內(nèi)吞,63,Thank you!,64,