细胞膜与物质的转运

第四章细胞膜与物质转运细胞膜是细胞与外界环境之间的一种选择性通透屏障，具有保障细胞摄取营养物质、排出代谢产物、调节细胞内离子浓度、维持内环境稳定等与细胞代谢活动密切相关的基本功能。第一节小分子和离子的穿膜运输与细胞膜有关的物质运输活动有两种形式：一是小分子和离子的穿膜运输；另一种是大分子和颗粒物质的膜泡运输。物质主要经3种途径通过细胞膜：被动运输、主动运输、胞吞和胞。质膜对溶质的通透性具有以下四个特点：①脂溶性大的分子容易穿过质膜;②分子越小越易穿膜;③不带电荷的分子易穿过膜;④绝大多数离子和亲水性分子的穿膜要依赖于专一的跨膜蛋白。物质穿膜运输的基本类型分为被动运输和主动运输。CellMembranePermeabilityH2OH2OSteroidIonchannels(open/close)Na+Cl-CellMembranePermeabilityH2OH2OSteroidTransporterSucroseProteinsIonchannels(open/close)Na+Cl-Na+Cl-蔗糖小分子和离子进出细胞要横穿细胞膜。简单扩散离子通道扩散易化扩散（帮助扩散）协助扩散一、被动运输（passivetransport）不需要消耗细胞代谢的能量,而将物质从浓度高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧，动力来自于浓度梯度形成的势能。高浓度低浓度不需要消耗能量和不依靠专一膜蛋白分子而使物质顺浓度梯度从膜的一侧转运到另一侧的运输方式脂溶性物质(非极性物质):苯.乙醇.氧.氮不带电荷小分子物质:水.尿素.二氧化碳适合简单扩散的物质:不适合简单扩散的物质:带电荷物质CellMembranePermeabilityH2OH2OSteroidNa+Cl-Sucrose简单扩散高浓度低浓度载体蛋白易化(帮助)扩散借助于载体的帮助不消耗能量物质顺浓度梯度的转运方式称帮助扩散。帮助扩散可运输一些亲水性物质和无机离子等。通道蛋白（channelpr.）：形成贯穿载体蛋白（carrierpr.）：与特定溶质结合改变构象使溶质穿越细胞膜。脂双层之间的通道。转运蛋白（跨膜蛋白）通道蛋白高浓度低浓度载体蛋白葡萄糖以协助扩散的通透系数为10－2cm/s，是简单扩散的10万倍。离子通道扩散绝大多数离子通过膜上通道蛋白的协助，实现顺浓度梯度的跨膜转运。离子通道是镶嵌在膜上的跨膜蛋白质，它由α-螺旋蛋白构成，称为通道蛋白（channelprotein）。其中心具有亲水性通道，对离子具有高度的亲和力，允许适当大小的离子顺浓度梯度瞬间大量地通过。离子通道可迅速地开放和关闭，受通道闸门所控制，而闸门是由通道蛋白的带电分子或基团（如羟基或磷酸基）所构成。有的持续开放，有的间断开放。高浓度低浓度通道蛋白配体间断开放的通道包括三类即①电位依赖性电压门控通道（闸门的开闭受膜电压控制；Na通道、Ca通道、K通道）；②化学物质控制的配体门控通道（闸门开闭受化学物质即配体调节；乙酰胆碱通道等）③机械门控通道。通道扩散高浓度低浓度通道蛋白物质顺浓度梯度经过闸门孔道扩散到细胞膜的另一侧这样的转运过程称闸门通道扩散。配体神经肌肉连接系统：在神经肌肉接头处，沿神经传来的冲动刺激肌肉收缩，整个反应在不到一秒内完成，这样一个看来似乎很简单的反应至少包括4个不同部位的离子通道闸门按一定的顺序开放和关闭。神经肌肉接头处的闸门通道①神经末梢膜上的电压闸门Ca2+通道②肌肉细胞膜上的配体闸门通道③肌肉细胞膜上的电压闸门Na+通道④肌浆网上的钙离子通道神经肌肉接头处的闸门通道①②③④①当冲动到达神经末梢，去极化发生，膜电位降低，引起神经末梢膜上的电压闸门通道开放，Ca2+急速进入神经末梢，刺激分泌神经递质——乙酰胆碱；②释放的乙酰胆碱与肌肉细胞膜上的配体闸门通道上的特异部位（受体）结合，闸门瞬间开放，Na+大量涌入细胞，引起局部膜去极化，膜电位改变；③肌肉细胞膜的去极化，又使其膜上的电压闸门Na+通道依次开放，Na+更多地进入，进一步促进膜的去极化扩展到整个肌膜；④肌肉细胞膜去极化又引起肌肉细胞内肌浆网上的钙离子通道开放，钙离子从肌浆网内流入细胞质，细胞质内钙离子浓度急剧升高，肌原纤维收缩。借助于镶嵌在细胞膜上专一性很强的载体蛋白，通过消耗代谢能量，将物质从低浓度处向高浓度处的运输方式。二、主动运输（activetransport）（一）钠钾泵泵为Na＋-K＋ATP酶具有载体和酶的双重作用。大亚基小亚基ATPADP+Pi细胞质钾浓度梯度[30倍]钠浓度梯度[13倍]钾离子钠离子乌本苷钾与乌本苷结合部位钠结合部位++大亚基：为贯穿膜全层的脂蛋白,是该酶的催化部位。小亚基:为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白,其作用机制不详。钠钾泵①Na+结合到膜上；②酶磷酸化；③酶构象变化,Na+释放到细胞外;④K+结合到细胞表面;⑤酶去磷酸化;⑥K+释放到细胞内,酶构象恢复原始状态细胞质钾浓度梯度[30倍]钠浓度梯度[13倍]++大亚基大亚基小亚基Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+PiNa+K+小亚基大亚基大亚基K+ATPADP+Pi钠结合部位K+Pi钾结合部位Mg+大亚基大亚基小亚基钠钾泵（二）钙泵细胞内外的Ca2+梯度部分是由膜上的Ca2+泵维持的。在红细胞存在于细胞膜上，而在肌细胞主要存在于肌浆网膜上。一些Ca2+泵是Ca2+-ATP酶，它能将Ca2+泵出细胞质或泵入某些细胞器。另一些钙泵是一种对向运输器，由Na+电化学梯度驱动。钙泵（Ca2+-ATP酶）100kD跨膜蛋白，与钙调蛋白结合，调节钙泵活性。消耗一个ATP,转运2个Ca2+。胞内低浓度(10－7mol/L)万倍。有些主动运输系统是由离子梯度中贮存的能量驱动的，它们逆浓度梯度进入细胞的的动力不是直接来自水解ATP，而是借助另一物质的浓度梯度或电化学梯度为动力进行的，又称继发性主动运输(协同运输、耦联运输)。（三）离子梯度驱动的主动运输离子电化学梯度驱动的主动运输小肠上皮细胞就是利用这种机制来从肠腔吸收葡萄糖，果糖、甘露糖、半乳糖、氨基酸等养料，再经易化扩散转运至血浆。由膜上的钠泵和共运输的特异载体蛋白共同完成。钠泵把钠泵出细胞外，形成细胞内外的钠离子浓度梯度差，特异载体蛋白上具有钠离子和葡萄糖（或氨基酸）2个结合点。肠上皮细胞的转运蛋白不对称分布造成葡萄糖从肠腔到血液的跨细胞膜运输单运输（uniport）：一载体蛋白将一种溶质从膜的一侧运到另一侧。协同运输：在转运一种溶质分子时，同时或随后伴随转运另一种溶质分子。若伴随转运的溶质转运方向相同，称共运输（symport），转运方向相反称为对向运输（antiport）。胞外大分子物质通过胞吞作用进入细胞时先储存于膜性囊泡内，然后再将其送至溶酶体，进行消化分解，这个运输过程通过囊泡完成。　　同样细胞内合成的蛋白质及颗粒物质进入内质网，然后到达高尔基体，再从高尔基体转运至其他部位也都离不开囊泡。第二节大分子和颗粒的膜泡运输　　囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，此转运过程称为囊泡转运（vesiculartransport）一、囊泡及其转运的分子基础囊泡转运普遍存在于真核细胞中，真核生物的囊泡均由膜包裹，这层膜来源于细胞（器）膜，由膜外凸或内凹形成，称为囊膜。囊膜表面有着特异性的包被蛋白。根据囊泡的包被蛋白不同，可将囊泡分为网格蛋白包被囊泡(clathrin-coatedvesicle)、COPⅡ包被小泡、COPⅠ包被小泡三种类型。①网格蛋白包被囊泡多见于细胞膜与内体以及高尔基体与内体之间的物质运输，也偶尔见于高尔基体与溶酶体间；②COPⅡ包被小泡主要负责蛋白质由粗面内质网向高尔基体方向的转运；③COPⅠ包被小泡负责蛋白质由高尔基体逆向至粗面内质网的转运在细胞分泌和内吞途径中三种类型的被膜小泡及运输途径（一）在多种分子参与下进行的网格蛋白包被囊泡的转运网格蛋白包被囊泡形成的发源地是高尔基体反面的管网结构。网格蛋白包被囊泡是由细胞膜内凹或高尔基体反式囊面膜外凸芽生而成。在囊泡的表面覆盖一层网格蛋白，网格蛋白有三个外展的臂，每一个臂均含一条重链和一条轻链。Structureofclathrin-coatedvesicle.Structureoftheclathrintrisekelion(heavychaintrimer).　　许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形网孔的笼子网格蛋白的结构(a)网格蛋白的三腿复合物;(b)网格蛋白包被亚基;(c)披网格蛋白小泡。披网格蛋白小泡的形成过程　　各种囊泡来源不同，转运分泌蛋白的网格蛋白囊泡由高尔基体芽生而来，转运内吞分子的囊泡来自细胞膜，通过细胞膜内凹形成有被小窝，逐渐被网格蛋白包裹，形成网格蛋白包被小窝。在囊泡形成过程中除了有网格蛋白的参与还有动力素(dynamin)的参与，动力素是一种结合GTP的小分子胞浆蛋白，一般聚合在有被小窝的颈部形成环状结构，水解GTP，将囊泡口收缩，使囊泡与细胞膜脱离。捕获转运分子的接合素　　在网格蛋白包被囊泡的转运过程中，捕获转运分子的作用是由网格蛋白和囊泡之间的转接蛋白完成的。这种转接蛋白称为接合素（adaptin）。接合素的两端分别与网格蛋白的重链末端以及被转运的分子相结合，能催化网格蛋白聚合，捕获转运分子。目前已发现接合素有4种类型，其中AP1、AP2和AP33种接合素的性质已经明确。转接蛋白与膜受体细胞质结构域中的信号序列相互作用转接蛋白参与被膜小泡出芽形成的一些组分接合素捕获转运分子，并与网格蛋白一起组成转运体系，定向转运生物大分子，其过程是：被转运的分子先与质膜上的受体结合，形成复合体，再与接合素结合而被捕获，结合在受体上的分子被整合进入网格蛋白包被囊泡的腔内以便得到运输。（二）由多个亚基构成的COPⅠ包被囊泡COPⅠ包被囊泡最早是在高尔基体中发现的，COPⅠ包被囊泡的表面覆盖着COPⅠ包被蛋白，这种COPⅠ包被蛋白是由多个亚基组成的多聚体，COPⅠ包被囊泡主要负责高尔基体膜内蛋白逆向转运至粗面内质网。也可行使顺行转运功能，即从内质网→高尔基体顺式面→高尔基体反式面。COPⅠ被膜小泡形成的过程COPⅠ包被蛋白GTP结合蛋白　　内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体，如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。　　ER网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在C端含有一回收信号序列，如果它们被意外地逃逸被转运至高尔基体cis面，则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成COPⅠ将它们返回ER。　　ER网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和分子伴侣，均具典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL,图）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX），同样可保证它们的回收。COPⅠ衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。（三）COPⅡ包被囊泡COPⅡ包被囊泡负责从内质网→高尔基体的物质运输。COPⅡ包被蛋白由5种蛋白亚基组成，其中包括一类分子量为24000的膜蛋白家族，该类蛋白只能与转运到高尔基体的某些可溶性蛋白选择性结合，而不与内质网驻留蛋白结合。COPⅡ蛋白能识别内质网合成的细胞膜蛋白上的分选信号，并与之结合，将其选择性地运出内质网。COPⅡ包被囊泡的组装二、囊泡与靶细胞器的特定锚定与融合转运囊泡以出芽方式自细胞（器）膜产生后，将按一定的路径到达靶细胞器，转运囊泡通过对靶细胞器进行识别而卸载其 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 物，这种识别称为锚定（dock）锚定后的囊泡与靶细胞（器）膜融合，释放出转运分子。（一）囊泡与靶细胞器间的特异性识别转运囊泡被运输到靶细胞器后，必须对靶细胞器进行特异性识别，然后囊泡才能与靶细胞器膜融合，释放转运分子。目前研究发现，细胞内各类转运囊泡及细胞器膜的表面均存在一套特有的、互补的SNAREs序列,其中转运囊泡表面的VAMP相关蛋白被称为囊泡SNAREs（v-SNAREs)，而靶细胞器膜上的syntaxin则为靶细胞膜上SNAREs的对应序列（t-SNAREs)，囊泡必须先脱去包被蛋白，随后VAMP与syntaxin相互识别，此种识别具有较高的特异性，使得锚定与融合过程较为准确，保证了转运囊泡与靶细胞器质膜的准确融合。（二）与转运囊泡融合有关的蛋白质转运囊泡的融合涉及三种融合锚定蛋白，v-SNARE、t-SNARE和SNAP25。此外还有N－乙基马来酰亚胺敏感因子（NSF)参与，α、β、γSNAP也参与囊泡融合过程。除了上述锚定蛋白外，Rab等其他一些蛋白也参与调节囊泡转运。Rab蛋白在小泡运输和融合中的调节作用Rab蛋白通过不断结合与水解GTP调节囊泡的融合速度胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用(phagocytosis)受体介导的胞吞作用(receptermediatedendocytosis)大分子及颗粒物质并不直接穿过细胞膜,而是通过一系列膜囊泡形成和融合来完成的转运过程。三、胞吞作用和胞吐作用(vesiculartransport)胞吐作用吞噬作用胞饮作用吞噬体吞饮体是细胞将胞外的大分子或颗粒物质转运到细胞内的方式。当被转运的大分子或颗粒物质靠近细胞膜并结合于细胞表面后，膜逐渐内陷将其包围，形成吞噬（饮）小泡进入细胞内。Endocytosis胞吞作用巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞胞饮作用（pinocytosis）：细胞对液体物质或细微颗粒物质的摄入和消化过程。吞噬作用(phagocytosis):细胞对微生物、衰老死亡细胞及细胞碎片等大颗粒物质的转运入胞过程。受体介导的胞吞作用(receptermediatedendocytosis)需要膜受体参与的吞噬或吞饮作用，是某些大分子物质或颗粒性物质进入细胞的特殊方式，具有较强的特异性。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同，分为：胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别需要微丝及其结合蛋白的参与需受体介导的信号触发过程大于250nm吞噬作用需要笼形蛋白形成包被及接合素蛋白连接连续发生的过程小于150nm胞饮作用内吞泡形成机制转运方式内吞泡的大小特征(receptermediatedendocytosis)需要膜受体参与的吞噬或吞饮作用，是某些大分子物质或颗粒性物质进入细胞的特殊方式，具有较强的特异性。受体介导入胞LDL颗粒髓心约含1500个胆固醇分子，外周包饶着脂质双层，一种特异的膜蛋白分子——载脂蛋白嵌插在脂层中介导LDL与其受体结合。有被小窝——细胞膜上进行胞吞作用的特定区域，此区可见细胞膜凹陷，其细胞质侧有毛状结构覆盖。（可聚集大约1000个各类受体，已发现有25种受体参与胞吞作用。有被小泡（coatedvesicle）——有被小窝（coatedpit）形成后即内陷入细胞，与细胞膜脱离形成有被小泡。有些有被小泡由内质网和高尔基体产生。LDL颗粒LDL受体有被小窝有被小泡内吞去被无被小泡胞内体融合受体与大分子颗粒分开胞内体部分受体再循环胞内体部分初级溶酶体融合吞噬溶酶体网格/笼形蛋白（clathrin）——在受体介导的入胞作用中参与有被小泡形成的一种特殊蛋白，其单体由一条重链和一条轻链组成，3个笼形蛋白单体常组合成三叉辐射型复合体作为组装六角形或五角形蓝网结构的基本单位，多个复合体组装成的笼形结构成为有被小泡/窝的包被或衣被。内吞去被胞内体融合受体再循环初级溶酶体融合受体介导的内吞作用的生物学意义1.胎儿摄取抗体的过程2.机体清除有害物质的过程3.特异摄取胆固醇过程受体介导的胞吞作用过程：在进行胞吞作用时，大分子或颗粒结合于互补的细胞表面受体，受体聚集于有被小窝内，在胞吞小泡内形成受体大分子复合物进入细胞。脱去网格蛋白被膜，并与其它囊泡融合成内体（endosome），受体分离随转移囊泡返回细胞膜（受体循环），被吞入颗粒被溶酶体酶降解。LDL颗粒LDL受体有被小窝有被小泡内吞去被无被小泡胞内体融合受体与大分子颗粒分开胞内体部分受体再循环胞内体部分初级溶酶体融合吞噬溶酶体受体介导的对LDL的入胞作用内体初级溶酶体吞噬体异溶酶体吞饮体异溶酶体自噬体自溶酶体分泌颗粒分泌溶酶体次级溶酶体残质体异噬作用自噬作用胞外消化根据作用方式胞吐作用分为结构性和调节性分泌。结构性分泌指由真核细胞高尔基体分泌的囊泡向细胞膜流动并与之融合，然后释放内容物（分泌性蛋白）的这一稳定过程。调节性分泌结构性分泌调节性分泌特化的分泌细胞产生的分泌物储存在分泌泡内，当细胞受到外界信号刺激时，分泌泡与细胞膜融合并释放内容物，如胰岛素的分泌过程。调节性分泌结构性分泌细胞内外物质转运穿膜运输囊泡运输出胞作用入胞作用吞噬作用胞饮作用受体介导入胞作用被动运输主动运输（activetransport）简单扩散帮助扩散Na+-K+泵Ca2泵+离子梯度驱动的主动运输同向运输对向运输载体蛋白介导通道蛋白介导单运输协同运输持续开放瞬时开放同向运输对向运输配体闸门通道电压闸门通道离子闸门通道作业与思考1.以肝细胞吸取LDL为例，说明受体介导的胞吞作用及有被小窝和有被小泡的形成在胞吞过程中的作用。2.解释名词：receptermediatedendocytosis;pinocytosis;phagocytosis;endocytosis;exocytosis二、内体为胞吞物质向内运输的中转站经胞吞入胞的物质首先被运至内体（endosome）,内体分为早期内体和晚期内体两种。由于内体膜上的ATP依赖性H+泵不断将胞浆中H+泵入内体中,内体腔呈酸性,该酸性环境可使被转运的物质与之结合的受体解离,所以内体内的酸性环境对物质的转运有重要意义.内体中被转运的受体受体蛋白被溶酶体分解受体蛋白重返细胞膜原位受体蛋白进入质膜的不同区域被转运物质与受体解离后进入溶酶体,被溶酶体消化分解.AspeculativemodelofhowSNAREscausemembranestofuse.ThoughitisclearthatSNAREsareinvolvedinmembranefusion,exactlyhowfusionoccursisstillfullofuncertaintiesandcontradictoryresults.ThereisevidenceinsomesystemsthatotherproteinsmayactdownstreamofSNAREs,thoughthisiscontroversial.(e.g.Nature409:581)内膜系统是普遍存在于真核细胞中，由多种在形态、结构、功能与发生上有密切联系的膜性细胞器组成。它们所拥有的膜成分占细胞总的膜成分很大部分。内质网是内膜系统中最引人注目的细胞器之一。因为它不仅构成了细胞内最典型的膜性网状结构，而且它拥有承载核糖体的蛋白质合成，进行膜脂构建，加工新生蛋白质及参与糖原代谢和解毒等重要和多样化的功能。内膜系统章节小结内质网分为糙面内质网和光面内质网。糙面内质网的表面结合了众多核糖体，这些膜附着核糖体所合成的多肽链的共同特征是它们的-NH2端都含有信号肽，由于这一肽段的引导，多肽链才得以在合成的同时穿过内质网膜进入内质网腔。这些多肽链将成为未来的分泌蛋白、溶酶体酶蛋白和膜镶嵌蛋白。这些蛋白质在合成同时穿膜进入内质网腔并始终与内膜系统相伴，进行糖基化、磷酸化、剪切修饰及各种加工，并由膜泡或管道运输，在胞内发挥各种效能，直至与细胞脱离并被排出胞外。蛋白质的糖基化以将糖链连接到肽链上天冬酰胺残基的NH3+基团上，又称N-连接糖基化为主。另外还有0-连接糖基化，糖基化使细胞的特异性更好地表达，并更加丰富了糖蛋白的多样性。光面内质网主要是以合成膜脂及各种脂类和胆固醇类激素为主，并参与细胞的解毒及糖原的代谢过程。由于它的表面无核糖体附着，故为较光滑的形态。高尔基复合体是内质网膜上附着核糖体合成的蛋白质进行后加工和分拣运输的场所。高尔基复合体的扁平囊各自独立，并由一至几个扁平囊形成特定的生化区室。蛋白质之间以出芽方式形成小泡进行运输。高尔基复合体的功能主要是:对蛋白质进行糖链修饰和进一步糖基化;对多肽链进行水解加工，将各种蛋白进行分拣运输。特别是在分泌功能发达的细胞中，高尔基复合体发达，连成立体网状结构广布于胞质中。溶酶体酶蛋白以甘露糖-6-磷酸为信号，以形成有被小泡的方式被运出高尔基体，暂为内体性溶酶体。此后便与内吞体融合，发挥其水解作用，成为吞噬性溶酶体，吞噬性溶酶体又依其底物的来源分为异噬溶酶体和自噬溶酶体。溶酶体内酶蛋白主要是酸性水解酶，其最适pH为5.0。溶酶体膜上的ATP依赖质子泵不断将H+泵入溶酶体内以维持酸性环境，溶酶体的主要功能有消化作用、自溶作用和胞外消化作用。过氧化物酶体是另一类含酶膜泡，其中含过氧化氢酶等多种氧化酶。过氧化氢酶可消除对细胞有毒害作用的过氧化氢(H2O2)，将其还原成水，并可使乙醇氧化成乙醛而被解毒。此外，过氧化物酶体中的脂肪酸β-氧化酶可以将长链脂肪酸分解，提供给线粒体作进一步氧化。内吞体溶酶体的发生rER顺面高尔基网反面高尔基网高尔基复合体溶酶体水解酶前体加入磷酸基团M-6-P溶酶体酶前溶酶体ATPADP+PiH+去除磷酸PH=6成熟溶酶体本章目标1.掌握囊泡运输概念及囊泡转运的分子基础。2.熟悉胞吞作用和吞饮作用的过程。