物质的跨膜运输

关于物质的跨膜运输的思维导图，分享了 膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输、ATP驱动泵与主动运输、胞吞作用与胞吐作用的知识。

物质的跨膜运输

• 膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输
  • 膜转运蛋白
    • 载体蛋白及其功能
      • 载体蛋白是跨膜蛋白分子，能够与特定的分子，通常是一些小的有机分子，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸或离子等结合，通过自身构象的变化，将与它结合的分子转移到膜的另一侧。每一种膜都含有一套适合于特定功能的不同载体的蛋白，如线粒体内膜中具有输人丙酮酸和ADP以及输出ATP的载体等。
    • 通道蛋白及其功能
      • 横跨膜两侧，其分子中的多肽链折叠成通道，通道内带电荷并充满水，与所转运物质的结合较弱。通道蛋白有所谓的“闸门”结构，可开可关。当“闸门”开时，通道蛋白形成一条通道，能允许水、小的水溶性分子和特定的离子被动地通过，当“闸门”关时，就不允许这些分子通过，这就是构象开关的机制。通道蛋白含有“感受器”，它“感受刺激”时，蛋白的构象改变，“闸门”开闭。通道蛋白分为水孔蛋白，孔蛋白和离子通道三种类型
  • 小分子及离子的跨膜运输类型
    • 简单扩散
      • 小分子或离子以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度梯度直接通过脂双层进出细胞，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，称为简单扩散。
    • 协助扩散
      • 指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫易化扩散，
        • 葡糖转运蛋白
        • 水孔蛋白：水分子的跨膜通道
    • 主动运输
      • 是载体蛋白所介导的物质逆着电化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式
        • ATP驱动泵
        • 协同转运蛋白
          • 包括同向协同转运蛋白和反向协同转运蛋白
        • 光驱动泵
• ATP驱动泵与主动运输
  • P型泵
    • Na+—K+泵
      • 结构与转运机制：Na+—K+泵位于动物细胞的质膜上,由2个α和2个β亚基组成四聚体。Na+—K+泵的转运机制总结如下:在细胞内侧α亚基与Na+相结合促进ATP水解,α亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化,将Na+泵出细胞,同时细胞外的K+与α亚基的另一位点结合,使其失去磷酸化,α亚基的构象再次发生变化,将K+泵入细胞,完成整个循环。
      • 主要生理功能
        • 维持细胞膜电位，泵出3个Na+，泵入2个K+
        • 维持动物细胞渗透平衡
        • 吸收营养
    • Ca+泵及其他P型泵
      • Ca+泵：亦称为Ca2+-ATP酶，它催化质膜内侧的ATP水解，释放出能量，驱动细胞内的钙离子泵出细胞或者泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。由于其活性依赖于ATP与Mg2+的结合，所以又称为(Ca2+，Mg2+)-ATP酶。每消耗一分子的ATP从细胞质基质中泵出两个Ca+
      • P型质子泵：所有P型泵都有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个起调节作用的小的β亚基。在转运离子的过程中，至少有一个α催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运。由于转运泵水解ATP使自身形成磷酸化中间体，因此称作P型泵。大多数P型泵都是离子泵，负责Na+，K+，H+和Ca+离子跨膜梯度的形成和维持。
  • V型质子泵和F型质子泵
    • V型：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。
    • F型：存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上
    • 功能
      • V 型质子泵利用ATP水解供能从细胞质基质中逆 H＋电化学梯度将 H＋泵入细胞器，以维持细胞质基质 pH中性和细胞器内pH酸性
      • F 型质子泵利用质子动力势合成 ATP，即当 H＋顺着电化学梯度通过质子泵时，所释放的能量驱动F型质子泵合成 ATP
      • 两种质子泵都只转运质子，在转运H＋过程中不形成磷酸化的中间体
  • ABC超家族
    • ABC 转运蛋白的结构与工作模式
      • 结构：2个跨膜结构域（T），每个结构域由6个跨膜α螺旋组成，形成底物运输的通路并决定底物的特异性，2个胞质侧ATP结合域（A），具有ATPase活性，凸向胞质。
      • 工作模式：①ATP分子与ABC转运蛋白结合，诱导ABC转运蛋白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②ATP水解以及ADP的解离将导致ATP结合域解离，引起转运蛋白构象恢复原有状态。
    • ABC转运蛋白与疾病
      • ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官分布丰富，它们能将天然毒物和代谢废物排出体外
      • 有些ABC转运蛋白能够将抗生素或其他抗癌药物泵出细胞而赋予细胞抗药性
      • 一些人类遗传病的发生与ABC转运蛋白功能改变有关，如囊性纤维化
  • 离子跨膜转运与膜电位
    • 膜电位：膜电位是指细胞质膜两侧各种带电物质形成电位差的总和
    • 静息电位：静息电位是指细胞在静息状态下的膜电位，内负外正
    • 动作电位：动作电位是指细胞在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位，内正外负
    • 极化：极化是指细胞在静息电位状态下出现膜内外相对稳定的电位差，质膜内为负值，质膜外为正值的现象
    • 去极化：去极化是指当细胞接受刺激信号（电信号或化学信号）超过一定阈值时，电位门 Na＋通道将介导细胞产生动作电位，使得细胞膜内外侧所带电荷数发生改变的现象
    • 反极化：反极化是指当细胞内 Na＋进一步增加达到 Na＋平衡电位，形成瞬间的内正外负动作电位的现象。
    • 超极化：超极化是指在Na＋大量进入细胞时，K＋通透性也逐渐增加，随着动作电位出现，Na＋通道从失活到关闭，电位门 K＋通道完全打开，K＋流出细胞从而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位的现象。
• 胞吞作用与胞吐作用
  • 胞吞作用的类型
    • 吞噬作用
      • 吞噬作用常发生于一些特化的吞噬细胞中，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，是一个信号触发的过程。吞噬作用往往发生在巨噬细胞和中性粒细胞中。
      • 作用：①对于原生生物，细胞通过吞噬作用将胞外的营养物摄取到吞噬体，最后在溶酶体中消化降解成小分子物质供细胞利用，吞噬作用是原生生物摄食的一种方式； ②对于高等多细胞生物体，吞噬作用常发生于巨噬细胞和中性粒细胞，除了摄取营养物，更主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞
    • 胞饮作用
      • 网格蛋白依赖的胞吞作用
        • 当配体（即被胞吞物）与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在质膜下，导致质膜凹陷，形成网格蛋白包被小窝（clathrin-coated pit）。一种小分子GTP结合蛋白——发动蛋白（dynamin）在包被小窝的颈部组装成环，水解与其结合的GTP引起颈部缩缩，最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesi-cle）。脱包被后的膜泡与早胞内体（early endosome）融合，完成从胞外摄取物质
      • 其他类型的胞饮作用
        • 胞膜窖依赖的胞吞作用
        • 大型胞饮作用
        • 非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用
    • 定义：胞吞作用是指细胞通过质膜内陷形成囊泡，将胞外的生物大分子、颗粒性物质或液体等摄取到细胞内，以维持细胞正常的代谢活动的过程
  • 胞吞作用与细胞信号转导
    • 胞吞作用对信号转导的下调研究最为清楚的一个例子就是表皮生长因子及其受体的胞吞作用。当EGF受体与其结合后，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，引起细胞下游信号级联反应。而该信号的终止可通过胞吞作用来实现。细胞将EGF及其受体吞入细胞并在溶酶体内降解。这种调节作用即受体下行调节
    • 胞吞作用对信号转导的激活最典型例子就是Notch信号通路。Notch信号通路对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用，其激活还依赖DSL和Notch的胞吞作用。配体DSL与Notch受体结合，导致Notch暴露出其胞外S2切割位点并被裂解，胞外部分与配体都被信号细胞内吞，然后，Notch受体被靶细胞内吞至胞内体并在S3位点被λ-分泌酶切割产生有活性的Notch受体胞内活性片段。该片段进入细胞核，调控靶基因表达，产生相应的细胞响应
  • 胞吐作用
    • 作用：胞吐作用是指细胞内合成的生物分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程
    • 组成型胞吐途径：组成型的胞吐途径是指细胞持续合成新的蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新，可溶性蛋白持续分泌到细胞外的胞吐途径
    • 调节型胞吐途径：调节型胞吐途径是指某些分泌细胞产生的分泌物（如激素、黏液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去的胞吐途径
    • 意义：①保证物质有序地跨膜转运②胞吐作用使质膜在各个区域的面积增加或减少达到动态平衡，对于质膜成分的更新和维持细胞的生存与生长十分必要