细胞生物学物质的跨膜运输知识点总结

物质的跨膜运输知识点总结：ATP驱动泵与主动运输：转运时一个α亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，存在磷酸化的中间体。

【细胞生物学】04_物质的跨膜运输知识点总结

• 膜转运蛋白与小分子及离子的运输
  • 膜转运蛋白
    • 典型哺乳动物细胞内外离子浓度
      • Na+
        • 胞外
          • 145mmol/L
        • 胞内
          • 5-15mmol/L
      • K+
        • 胞外
          • 5mmol/L
        • 胞内
          • 140mmol/L
      • Mg2+
        • 内外浓度差别不大，胞外稍高
      • Ca2+
        • 内外浓度差异极大
          • 可作为信使
      • Cl-
        • 胞外多于胞内
      • 浓度差使细胞具有处理外界信息的能力，具有可兴奋性
    • 胞内外离子浓度差异分布的调控机制
      • 取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性
        • 载体蛋白
        • 通道蛋白
      • 取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征
        • 能通过的
          • 气体
          • 脂溶性小分子
          • 极性不带电小分子
            • * 水和尿素半透 * 能形成较强的分子间氢键
    • 膜转运蛋白的相关知识
      • 细胞膜上与物质转运有关的蛋白质占核基因编码蛋白的15%-30%
        • 越高等细胞比例越高
      • 细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3
      • 根据跨膜二级结构分类
        • 通过α螺旋跨膜
        • 通过β折叠跨膜
      • 分类
        • 载体蛋白
          • 能与特定的溶质结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运
            • * 转运通量相对低一些
          • 特点
            • * 具有与溶质特异性结合的位点 * 对溶质具有高度选择性 * 具有饱和动力学特征 * 与酶类似 * 既可被底物类似物竞争性抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制 * 对pH有依赖性
          • 三种类型
            • * 单向转运体 * * 共转运体 * 同向协同转运体 * * 反向协同转运体 *
        • 通道蛋白
          • 类型
            • * 离子通道 * 大多数通道蛋白的类型 * 通常形成选择性和门控性跨膜通道 * 不需要与溶质结合 * 对离子的选择取决于通道的直径、形状以及通道内带电荷的氨基酸残基的分布 * 只有大小和电荷适宜的离子才能通过 * 相对载体蛋白不那么精准 * 相较载体蛋白的显著特征 * 具有极高的转运速率 * 10^7-10^8个离子/秒 * 驱动力 * 跨膜的电化学梯度 * 溶质的浓度梯度和跨膜的电位差的合力 * 顺电化学梯度 * 通过的离子量没有饱和值 * 离子通道是门控的 * 影响门控开关的因素 * 膜去极化时开放 * 电压门控通道 * 通过带不同电荷的AA残基感知电压改变而改变构象 * 细胞内/外配体结合时开放 * 配体门控通道 * 受机械力和外界挤压作用开关 * 应力激活通道 * 孔蛋白 * 存在场所 * 革兰氏阴性细菌的外膜 * 线粒体和叶绿体的外膜 * 跨膜区由β折叠片层形成柱状亲水通道 * 选择性很低 * 能通过较大的分子 * 水孔蛋白（AQP） * 分泌性组织需要快速排出水 * 质膜表面有大量AQP * 孔径0.35-0.8nm * 常见的跨膜α-helix * 20个AA * AQP有7条跨膜α-helix * 其中一条是由两个 半螺旋 组成
  • 小分子及离子的跨膜运输类型
    • 简单扩散（自由扩散）
      • 特点
        • 顺电化学梯度或浓度梯度
        • 不消耗细胞本身的代谢能
        • 无需膜转运蛋白的协助
      • 物质穿膜特点与起性质和大小有关
        • 脂溶性越强越易直接穿膜
          • eg. 甾类激素（固醇衍生物）、苯
        • 小非极性分子能直接穿膜
          • eg. O2、N2
          • 脂溶性比大小影响更大
        • 不带电荷的小极性分子能直接穿膜
          • eg. 乙醇、尿素、甘油
        • 不带电荷的大极性分子和各种离子不能直接穿膜，需运输蛋白
      • 物质对膜的通透性 P
        • P=KD/t
          • K：物质在油和水中的分配系数
          • D：物质在油和水中的扩散系数
          • t：膜的厚度
    • 协助扩散（易化扩散）
      • 特点
        • 动力来自浓度梯度或电化学梯度
        • 不消耗细胞本身的代谢能
        • 借助膜转运蛋白
          • 通道蛋白协助扩散
          • 载体蛋白协助扩散
      • 工作特点
        • 比自由扩散转运速率高
        • 载体蛋白存在最大转运速率
        • 有特异性，于特定溶质结合
      • 典型转运蛋白
        • 葡萄糖转运蛋白（GLUT）
          • 12个跨膜α-helix
          • Glut1
            • * 介导葡萄糖进入红细胞及通过血脑屏障的主要转运蛋白
        • 水孔蛋白（AQP）
          • 对细胞渗透压及生理与病理的调节作用十分重要
          • 有的AQP只允许水通过，有的也允许其他特定物质通过
    • 主动运输
      • 特点
        • 逆浓度梯度或电化学梯度运输
        • 与某种释放能量的过程相偶联
        • 借助膜转运蛋白（载体蛋白）
      • 能量来源
        • ATP直接供能
          • ATP驱动泵
            • * 初级主动运输 * 速度 * 10^0-10^3个/秒
        • 间接提供能量
          • 协同转运蛋白
            • * 次级主动运输 * 能量储存在运输溶质中的一种的电化学梯度中 * 动物细胞常用Na+ * 细菌、酵母、植物细胞、动物细胞的被膜细胞器常用H+ * 速度 * 10^2-10^4个/秒 * 典型例子 * 同向协同转运 * 小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物 * 伴随Na+流入胞内 * SGLT * 介导主动运输吸收葡萄糖 * 能量 * Na+电化学梯度 * 反向协同转运 * 质膜上Na+/H+交换载体输出H+ * 伴随Na+输入细胞
        • 光能驱动
          • 光驱动泵
            • * 主要发现于细菌细胞 * eg. 菌紫红质 * 七次跨膜 * 吸收光子实现构象转变转运质子 * 形成质子梯差可转运其他物质
• ATP驱动泵与主动运输
  • P型泵
    • 多数转运离子（阳离子）
    • 结构
      • 两个独立的α亚基
        • 具有ATP结合位点
          • 可被磷酸化修饰，改变构象
      • 绝大多数具有两个小的β亚基
        • 起调节作用
    • 特点
      • 转运时一个α亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，存在磷酸化的中间体
    • 分类
      • 植物、真菌、细菌质膜
        • 转运H+
      • 高等真核生物
        • Na+-K+泵
    • 典型泵
      • Na+-K+泵
        • 结构与转运机制
          • 结构
            • * 2*α * 2*β * 糖基化的多肽 * 帮助在内质网新合成的α亚基进行折叠
          • 转运机制
            • * 1个α亚基 * 结合3*Na+ * 消耗1*ATP * 发生磷酸化 * 泵出Na+ * 结合2*K+ * 去磷酸化 * 泵入K+ * 1*ATP * 3*Na+ out * 2*K+ in
          • 抑制剂
            • * 乌本苷 * 地高辛
        • 主要生理功能
          • 细胞内约1/3 ATP供应钠钾泵
            • * 神经细胞可消耗2/3
          • 生理意义
            • * 维持细胞膜电位 * 维持动物细胞渗透平衡 * 吸收营养 * Na+提供电化学梯度，帮助主动运输
      • Ca2+泵及其他P型泵
        • Ca2+泵的结构与功能
          • 分布
            • * 细胞膜 * 存在钙调蛋白结合位点 * 细胞器膜 * 内质网膜 * 肌肉细胞的肌质网膜90%蛋白均为钙泵 * 肌质网腔Ca2+浓度较高 * 对调节肌细胞收缩运动至关重要 * 对细胞引发刺激-反应偶联具有重要作用 * 叶绿体膜、液泡膜
          • 结构
            • * 1000个AA * 与钠钾泵的α亚基同源
          • 转运机制
            • * 1*ATP * 2*Ca2+
        • P型H+泵
          • 分布
            • * 植物细胞、真菌、细菌细胞质膜
          • 功能
            • * 泵出H+
  • V型和F型质子泵
    • 分布
      • V型质子泵
        • 动物细胞的内体膜（内吞体膜）、溶酶体膜
        • 破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜
        • 植物、真菌的液泡膜
      • F型质子泵
        • 细菌质膜、线粒体内膜、叶绿体类囊体膜
    • 功能与特点
      • 转运质子
        • V型
          • 将质子泵入细胞器
        • F型
          • 还可利用质子梯度合成ATP
      • 不形成磷酸化中间体
  • ABC超家族
    • ABC转运蛋白的结构与工作模式
      • 结构
        • 2*跨膜结构域（T）
          • 各含6个跨膜α-helix
          • 形成底物运输的通路并决定底物的特异性
        • 2*胞质侧ATP结合域（A）
          • 自身不会磷酸化
      • 工作模式
        • 原核
          • 将小分子运入细胞
            • * ATP供能从环境摄取营养物质 * 细菌还可依赖H+浓度梯度吸收营养物质
        • 真核
          • 将小分子运出细胞
            • * 可用于排出细胞毒性物质
        • 一些磷脂分子可借ABC转运蛋白翻转/跨膜
    • ABC转运蛋白与疾病
      • 在肿瘤细胞质膜
        • 多药抗性（MDR）转运蛋白
          • 将脂溶性的抗癌药物从细胞内转运到细胞外
          • 降低化疗效果
      • 疟原虫
        • 排出氯喹
      • 囊性纤维化
        • 囊性纤维化跨膜转运调节蛋白（CFTR）突变
          • 转运Cl-功能异常
  • 离子跨膜转运与膜电位
    • 膜电位
      • 定义
        • 细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和
      • 测量方法
        • 膜片钳
    • 静息电位
      • 产生
        • 动物细胞
          • 由非门控的K+渗漏通道的开放产生
        • 植物和真菌细胞
          • 由ATP驱动的质子泵排出质子产生
      • 影响因素
        • Cl-
        • 细胞中的蛋白质分子
        • 钠钾泵
    • 动作电位
      • 膜电位与离子通透性的变化
        • A：静息状态
          • Na+、K+电控门通道关闭
        • B：去极化期
          • Na+通道打开
        • C：反极化期
          • Na+通道关闭，K+通道全面开启
        • D：超极化期
          • K+不断流出细胞，K+通道关闭
          • 相对不应期
        • E：静息状态
        • 绝对不应期
      • 只有达到一定的刺激阈才会出现
        • 全或无的正反馈阈值
    • 相关通道
      • #####
• 胞吞作用与胞吐作用
  • 胞吞作用的类型
    • 前置知识
      • 胞吞泡
        • 胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡
      • 根据胞吞泡形成的分子机制和胞吞泡的大小差异
        • 吞噬作用
          • 吞噬泡直径>250nm
          • 往往只发生在一些特化的吞噬细胞
        • 胞饮作用
          • 胞饮泡直径<150nm
          • 所有真核细胞
    • 吞噬作用
      • 形成吞噬体
      • 应用
        • 原生生物
          • 摄取胞外营养物质
        • 高等多细胞生物体
          • 发生于巨噬细胞和中性粒细胞
          • 清除侵染机体的病原体及衰老或凋亡的细胞
      • 原理与过程
        • 需要被吞噬物与吞噬细胞表面结合并激活细胞表面的受体
          • 将信号传递到细胞内并引起细胞应答反应
          • eg. 抗体诱发的吞噬作用
        • 吞噬细胞伸出伪足
          • 与细胞内微丝及其结合蛋白在质膜下局部装配有关
        • 包裹吞噬物，形成吞噬体
    • 胞饮作用
      • 分类
        • 网格蛋白依赖的胞饮作用
          • 网格蛋白
            • * 结构 * 3个二聚体形成三角蛋白复合体 * 包被的结构单位 * 并不起捕获特异转运分子的作用
          • 衔接蛋白
            • * 起特异性选择作用 * 功能 * 结合网格蛋白 * 识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号 * 通过网格蛋白包被膜泡介导跨膜受体及其配体的选择性运输
          • 发动蛋白
            • * 一种小分子GTP结合蛋白
          • 胞饮过程
            • * 配体与膜上受体结合 * 网格蛋白聚集在膜下，形成直径50-100nm的质膜凹陷 * 网格蛋白包被小窝 * 发动蛋白在深陷的包被小窝的颈部组装成环 * 发动蛋白水解与其结合的GTP引起颈部缢缩，脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡 * 几秒后，网格蛋白脱离包被膜泡，返回质膜附近区域以便重复使用 * 脱包被的囊泡与早期内体融合，将转运分子及胞外液体摄入细胞
          • 内体
            • * 动物细胞内由膜包裹的细胞器 * 作用 * 传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体 * 内体膜上有ATP驱动的质子泵 * 酸性环境在分选过程中起关键作用 * 低pH促进受体与配体的分离 * 膜泡运输的主要分选站之一 * 受体的分选途径 * 大部分受体以出芽方式返回细胞质膜再利用 * 有些受体不能再循环而是进入溶酶体消化 * 受体下行调节 * 细胞表面受体浓度降低的现象 * 被转运至细胞另一侧的质膜 * 跨细胞转运 * 在具有极性的上皮细胞中，这是一种将胞吞作用与胞吐作用相结合的物质跨细胞转运方式
          • 根据胞吞物质是否具有专一性
            • * 受体介导的胞吞作用 * 大多数动物细胞从胞外摄取特定大分子的有效途径 * 一种选择性浓缩机制 * 重要例子 * 动物细胞摄取胆固醇 * 胆固醇 * 主要在肝细胞中合成 * 极端不溶 * 通过与磷脂和蛋白质结合形成低密度脂蛋白（LDL）颗粒在血液中运输 * 胞吞后含有LDL的内体的低pH促进LDL和受体的分离，受体出芽回到质膜 * 含LDL的内体与溶酶体融合，水解低密度脂蛋白，释放胆固醇和脂肪酸供细胞利用 * 鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白 * 鸟类肝细胞摄取转铁蛋白 * 胰岛素与靶细胞表面受体结合进入细胞 * 可被某些病毒所利用 * 流感病毒 * HIV * 新冠病毒 * 非特异性的胞吞作用
        • 其他类型的胞饮作用
          • 胞膜窖依赖的胞吞作用
            • * 在质膜的脂筏区域形成 * 特征性蛋白 * 窖蛋白 * 整合膜蛋白，不会从胞吞泡膜上解离下来 * 过程 * 胞膜窖携带着内吞物，利用发动蛋白的收缩作用从质膜上脱落 * 转交给内体样的细胞器——膜窖体，或跨细胞转运到质膜的另一侧
          • 大型胞饮作用
            • * 通过质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡完成胞吞作用 * 与吞噬作用类似 * 形成的胞吞泡较大 * 质膜褶皱的形成过程依赖微丝及其结合蛋白 * 与吞噬作用的区别 * 吞噬作用的受体往往位于特异细胞表面 * 大型胞饮作用的受体位于很多类型的细胞表面 * 受体还能启动其他生理功能
          • 非网格蛋白/窖蛋白依赖的胞吞作用
  • 胞吞作用与信号转导
    • 胞吞作用对信号转导的下调
      • 典型例子
        • 表皮生长因子（EGF）及其受体的胞吞作用
          • EGF
            • * 一类分子量较小的胞外信号蛋白分子 * 能够刺激上皮细胞及其他多种细胞增殖
          • 作用过程
            • * EGF受体与EGF结合后，受体二聚化并引起受体胞质结构域酪氨酸残基自磷酸化而被活化 * 开启细胞下游信号级联反应 * 细胞通过胞吞作用，将EGF受体及EGF吞入细胞内降解 * 导致细胞信号转导活性下调
    • 胞吞作用对信号转导的激活
      • 典型例子
        • Notch信号通路
          • 细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一
            • * 对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用
          • 作用过程
            • * 配体DSL与Notch受体结合 * 导致Notch暴露出其细胞外S2切割位点并被裂解 * 胞外部分与配体被信号细胞内吞 * Notch受体被靶细胞内吞至内体 * 在S3位点被γ-分泌酶切割 * 产生有活性的Notch受体胞内活性片段 * 活性片段进入细胞核，调控靶基因表达，产生相应的细胞相应
  • 胞吐作用
    • 真核细胞
      • 组成型胞吐途径
        • 从高尔基体反面网状结构（TGN）分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程
        • 新和成的蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新
          • 确保细胞分裂前质膜的生长
      • 调节性胞吐途径
        • 分泌细胞产生的分泌物储存在分泌泡内
          • 当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与脂膜融合并将内含物释放出去