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1、Chap 3.细胞的物质运输,细胞的物质运输离子和小分子的跨膜运输生物大分子和颗粒物质的跨膜运输细胞内的物质运输,第一节、离子和小分子的跨膜运输,细胞质膜具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子浓度的平衡及渗透压平衡的能力。膜对物质的通透性由物质本身的性质和膜的结构属性共同决定。小分子和离子跨膜运输的基本类型分为被动运输和主动运输。,被动运输（passive transport）主动运输（active transport）,一、被动运输（passive transport）,被动运输指物质从高浓度一侧通过质膜运输到浓度低的一侧。不需细胞代谢供能，动力来自浓度梯度和电位差。单纯扩散（
2、simple diffusion）易化/协助扩散（facilitated diffusion）,1.单纯扩散（simple diffusion）,顺浓度差或电化学梯度自由穿越脂质双分子层的运输方式，不需要膜上特定蛋白参与。特点：脂溶性越强的分子越容易通过；非极性分子比极性分子更容易通过；小分子比大分子容易通过；不带电荷的分子容易通过。,膜的通透性,允许通过质膜的主要是小的脂溶性分子和小的不带电荷的极性分子,2.易化/协助扩散（facilitated diffusion）一些非脂溶性物质需要借助一定的载体即膜转运蛋白顺浓度梯度运输。特点：比单纯扩散转运速率高；特异性；饱和性。膜转运蛋白：载体蛋白
3、 通道蛋白。,载体蛋白（carrier protein）与特异性的分子结合后通过自身构象的改变介导该物质的跨膜转运。也可介导主动运输。特点：特异性；可逆性；饱和性。,通道蛋白（channel protein）是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，又称离子通道（Ion Channel）。对离子具有选择性和高度亲和力有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道，水通道有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，称为门控通道（gated channel）。根据刺激信号的类型分为：配体门控通道（ligand-gated channel）、电压门控通道（voltage-gated chan
4、nel）、压力门控通道（stress-gated channel）等美国科学家因离子通道的研究获2003年诺贝尔化学奖,Types of gated channel,电压门控通道(voltage-gated channel）特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。闸门的开闭主要受膜电位的变化控制。电压门控通道具有三种状态：开放、关闭和失活。Na+、K+、Ca2+三种电压门控通道结构相似。,Voltage gated K+channel,K+通道有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6)，连接S5-S6段的发夹样折叠，构成通道的内衬，大小可允许K+通
5、过。,配体门控通道（ligand-gated channel）通道蛋白作为受体与细胞外或细胞内的配体结合，引起门控通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。,例如ACh受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子ACh相结合的部位。,ligand-gated channelNicotinic acetylcholine receptor,神经肌肉连接处：由ACh配体门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电压门控Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收
6、缩。,二、主动运输（active transport）,主动运输的特点：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白参与。主动运输的类型（能量来源）：ATP驱动的主动运输离子泵（ion pump）离子梯度驱动的主动运输协同运输（cotransport）光驱动的泵（见于细菌）,1.离子泵（ion pump）介导特定离子跨膜主动运输的载体蛋白，由ATP分解直接提供能量，本质是ATP酶，具有载体和酶的双重活性。Na+-K+pump(Na+-K+ATPase)Ca2+pump(Ca2+ATPase)H+pump(H+ATPase，质子泵),Na+-K+pump(Na+-K+ATPase),Na
7、+-K+泵本质就是Na+-K+ATP酶，由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，大亚基为跨膜蛋白，内侧有结合Na+和ATP的位点，外侧有结合K+和乌本苷（ouabain）的位点。,Na+-K+pump作用原理,Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+，而与K+结合。K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K
8、+与去磷酸化状态的酶亲和力降低，使K+在膜内被释放，而酶又与Na+结合。总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。生电钠泵,钠钾泵的工作原理,Na+-K+ATP酶反复进行快速的构象变化，1000次/s，细胞内1/3的ATP用于钠泵的活动。Mg2+和少量膜脂有助于提高其活性。Na+-K+泵分布于动物细胞质膜，作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境；维持细胞的静息电位。,Ca2+pump(Ca2+ATPase)作用：维持细胞内较低的Ca2+浓度（细胞内10-7M，细胞外10-3M）及内质网中的高Ca2+储存。位置：质膜和内质网膜。位于肌质网上
9、的钙泵占肌质网膜蛋白质的90%。原理：与钠钾泵相似，每分解一个ATP，转运2个Ca2+。,2.协同运输（cotransport）借助另一物质的浓度梯度为动力的主动运输方式。所依赖的离子通常是Na（动物细胞）或H（植物细胞和细菌），因此间接提供能量的是钠钾泵或质子泵。同向协同（symport）：如小肠上皮细胞吸收单糖和aa都通过Na依赖的载体蛋白实现；反向协同（antiport）：如动物细胞膜通过Na-H交换机制，清除细胞内过量的H，维持适当PH.,易化扩散（单运输）同向协同 反向协同,载体蛋白介导的易化扩散和协同运输,Glucose is absorbed bysymport,第二节、生物大分
10、子和颗粒物质的跨膜运输,属于膜泡运输，是主动运输过程。胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）,膜泡运输：指生物大分子和颗粒物质穿过细胞膜或在细胞内的运输过程，是通过形成膜包围的转运小泡完成的。,一、胞吞作用（endocytosis）,通过质膜的变形运动将细胞外的大分子或颗粒物质包裹成小泡摄入细胞内的过程。分为三种类型：吞噬作用（phagocytosis）胞饮作用（pinocytosis）受体介导的内吞作用（receptor-mediated endocytosis）,二、胞吐作用（exocytosis）,胞吐与胞吞作用相反。细胞的分泌活动几乎都以胞吐方式进行。组成型
11、分泌（constitutive secretion）和调节型分泌（regulated secretion）,细胞的分泌组成型分泌和调节型分泌,第三节、细胞内的物质运输,细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向转运到特定的细胞器取决于两个方面：蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence）。细胞器上具特定的信号识别装置分选受体（sorting receptor）。蛋白质的分选(protein sorting)：指细胞合成的蛋白质通过自身的信号序列与靶细胞器的特定识别装置的相互作用，从而正确运输到行使功能部位的过程。,一、蛋白质分选（protein sorting）,指蛋白质分子
12、上与靶细胞器的分选受体发生特异识别的特殊氨基酸序列。信号肽（signal peptide，信号序列）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-30个aa残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除。每一种信号肽决定特殊的蛋白质转运方向；同一个目的地的信号肽是可以互换的。信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。,1.蛋白质分选信号（sorting signal）,signal peptide&signal patch,信号序列是决定蛋白质分选定位的关键因素,一些典型的分选信号,细胞中蛋白质都是在核糖
13、体上合成的，并都起始于细胞质基质中游离核糖体。共翻译运输/共转移：游离核糖体上合成不久，产生信号肽，附着于RER，附着核糖体上合成的新生肽进入RER，部分成为居留蛋白，其它进行膜泡运输；翻译后运输/后转移：游离核糖体上合成的蛋白释放到胞质，少数带分选信号的被分别引导到相应细胞器，其它成为基质蛋白。游离和附着核糖体的结构和功能相同，但合成的蛋白质性质不同。,2.蛋白质合成和运输途径,共翻译运输：边合成边分选,翻译后运输：先合成再分选,信号假说（signal hypothesis）,胞质中的信号识别颗粒（signal recognition particle,SRP）介导带有信号肽的核糖体与分布了
14、SRP受体的内质网膜结合,信号假说（signal hypothesis）共翻译运输机制信号肽引导核糖体附着于RER，新生肽进入ER腔的机制实际上就是信号假说的内容：首先在游离核糖体上开始蛋白质合成，当多肽链延伸到80个aa左右时,N端有信号肽的就与胞质中信号识别颗粒SRP结合，终止肽链延伸。随后SRP-核糖体复合体与内质网膜上的SRP受体（停泊蛋白，docking protein，DP）结合，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体。核糖体与内质网膜的转位子结合，SRP脱离复合体返回基质被重新利用，肽链又开始延伸。环化构像的信号肽与转位子结合后使其通道打开，延伸的肽链进入内质网腔，同时信号肽被切除
15、。完整的多肽合成后，核糖体脱离RER重新加入核糖体循环。,3.蛋白质分选运输的机制,门控运输（gated transport）：主要指通过核孔复合体的核输入和核输出。跨膜运输（transmembrane transport）：通过膜上特殊的转运蛋白进入靶细胞器，且蛋白必须是非折叠的或由分子伴侣解折叠 膜泡运输（vesicular transport）：在内质网或高尔基体中加工成转运小泡，以出芽方式在细胞器之间运输。,二、膜泡运输（vesicular transport）,细胞内合成的物质在不同细胞器之间的转运以及大分子和颗粒的跨质膜运输都是通过形成转运小泡（脂双层膜包围的囊泡）的形式进行的，因
16、此合称膜泡运输各类转运小泡所以能准确地运到靶细胞器，主要取决于小泡膜的表面识别特征即蛋白质构成的衣被（coat）的类型，已知三类：COPI/COPII/笼形蛋白(clathrin)大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽方式产生。GC在膜泡运输中起重要的枢纽作用，TGN进行分选。,高尔基复合体在膜泡运输中起重要的枢纽作用,具有COPII衣被的小泡被准确地运输到CGN，膜泡运输都是在马达蛋白（motor protein）牵引下沿微管进行的。,第四节、细胞内的蛋白质加工和分泌,蛋白质在内质网和GC的糖基化修饰几乎所有在内质网合成的蛋白质最终都被糖基化，糖基化修饰的作用：1）保证蛋白质不被消化酶分解；2
17、）赋予蛋白质转导信号的功能；3）某些蛋白只有在糖基化后才能正确折叠。蛋白质的水解修饰一些蛋白产物刚被合成时是分子量大的蛋白原，需在GC中被切除部分肽段才成为成熟的分泌蛋白。蛋白质的分泌通过膜泡运输的方式，分为组成型分泌和调节型分泌。,思考题：1.被动运输的概念、分类特点2.载体蛋白与通道蛋白的特点3.门控通道的概念和分类4.主动运输的特点和类型5.离子泵的主要类型和作用6.钠钾泵的本质、作用和工作原理7.协同运输的特点和类型8.胞吞作用的概念和分类9.蛋白质分选的概念，两类分选信号的特点10.蛋白质合成和运输的途径11.信号假说的要点（蛋白质进入内质网的机制）12.膜泡运输的概念13.如何理解GC在细胞内运输中的枢纽作用,
