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专题4:物质的跨膜运输
本章内容
考点一:膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输本章内容考点一
考点二:ATP 驱动泵与主动运输本章内容考点二
考点三:胞吞作用与胞吐作用本章内容考点三
很多内容可以自己看会,不懂的地方请看学长视频讲解
考点一:膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输★★★考点一膜转运蛋白小分子离子跨膜运输膜转运蛋白有哪两类?小分子及离子怎样跨膜运输?
一、概述跨膜运输概述
细胞质膜是细胞与细胞外环境之间一种选择性通透屏障,它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、代谢产物或废物的排除,又能调节细胞内离子浓度,使细胞维持相对稳定的内环境。物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。细胞质膜选择性通透屏障内环境
物质通过细胞质膜的转运主要有三种途径:被动运输(包括简单扩散和协助扩散)、主动运输以及胞吞与胞吐作用。被动运输主动运输胞吞胞吐三种途径
二、膜转运蛋白膜转运蛋白
(一)脂双层的不透性脂双层不透性
(1)Na⁺是细胞外最丰富的阳离子,而K⁺是细胞内最丰富的阳离子。Na⁺K⁺阳离子
(2)活细胞内外的离子浓度是明显不同的。内外浓度的差别主要由两种机制调控:一是取决于一套特殊的膜转运蛋白的活性,二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。离子浓度膜转运蛋白疏水性
(3)除了脂溶性分子和小的不带电荷的分子以简单扩散的方式直接通过脂双层外,脂双层对绝大多数极性分子、离子以及细胞代谢产物通透性都极低,形成了细胞的渗透屏障。这些物质的跨膜转运需要质膜上的膜转运蛋白的参与。渗透屏障简单扩散极性分子
(4)膜转运蛋白类型:一类是载体蛋白;另一类是通道蛋白。有些载体蛋白介导主动运输,有些介导协助扩散,而通道蛋白只介导协助扩散。载体蛋白通道蛋白主动运输协助扩散
(二)载体蛋白及其功能载体蛋白功能
转运机制:每种载体蛋白与特异的溶质结合,通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运。载体蛋白转运机制构象改变
举例:由于基因突变导致肾小管上皮细胞膜转运蛋白异常,在人的胱氨酸尿遗传病患者中发现,这种病人的肾细胞和肠细胞不能将胱氨酸和半胱氨酸转运到血液,从而导致这些氨基酸在尿中积累并在肾中形成胱氨酸结石。胱氨酸尿遗传病膜转运蛋白异常胱氨酸结石
特点:载体蛋白特点
| 特点 | 描述 |
|---|---|
| 多次跨膜 | 载体蛋白结构贯穿细胞膜多次 |
| 特异性结合 | 与特定溶质结合,具有高度选择性 |
| 构象改变 | 通过构象改变介导溶质跨膜转运 |
| 饱和动力学 | 转运速率存在饱和点 |
| 可被抑制 | 可被底物类似物或抑制剂抑制 |
| pH 依赖性 | 转运活性受 pH 影响 |
| 不作共价修饰 | 在转运过程中不对溶质进行共价修饰 |
功能:介导特定溶质参与协助扩散和主动运输载体蛋白功能协助扩散主动运输
(三)通道蛋白及其功能通道蛋白功能
转运机制:通道蛋白通过形成亲水性通道,实现对特异溶质的跨膜转运。通道蛋白转运机制亲水性通道
分类:离子通道(占大多数)、孔蛋白、水孔蛋白。通道蛋白分类离子通道孔蛋白水孔蛋白
通道蛋白特点:①离子通道蛋白通常形成选择性和门控性跨膜通道。离子通道介导协助扩散时不需要与溶质结合,只有大小和电荷适宜的离子才能通过。②孔蛋白存在于革兰氏阴性菌通道蛋白特点选择性门控性孔蛋白
的外膜以及线粒体和叶绿体的外膜上,其跨膜区域由β折叠片层形成柱状亲水性通道。与离子通道蛋白相比,孔蛋白选择性很低,而且能通过较大的分子,如线粒体外膜上的孔蛋白可允许分子量为5000的分子通过。③水孔蛋白是近年来发现的一类新的通道蛋白。孔蛋白水孔蛋白β折叠线粒体外膜
离子通道显著特点:①具有极高的转运速率,比已知任何一种载体蛋白最快转运速率要高1000倍以上;②离子通道并非连续性开放而是门控的,即通道的开启或关闭受膜电位变化、化学信号或压力刺激的调控。离子通道转运速率门控显著特点
离子通道蛋白根据激活信号不同分为:离子通道蛋白分类激活信号
(1)电压门控通道:带电荷的蛋白质结构域会随跨膜电位梯度的改变而发生相应的移动,从而使离子通道开启或关闭。电压门控通道跨膜电位梯度
(2)配体门控通道:细胞内外的某些小分子配体与通道蛋白结合后引起通道开启或关闭。配体门控通道小分子配体
(3)应力激活通道:通道蛋白感受应力而开启通道形成离子流,产生电信号。例如:内耳听觉毛细胞。应力激活通道内耳听觉毛细胞
| 通道蛋白 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 类别 | 转运/激活机制 | 补充 | ||
| 转运机制 | 形成亲水通道,以协助扩散方式运输;通道打开时,允许特定溶质通过(离子通道无需结合溶质,仅大小和电荷适宜者可通过) | 1. 通道蛋白功能:介导特异溶质的被动运输。 | ||
| 分类 | 离子通道蛋白(根据激活信号不同分) | 电压门控通道 | 跨膜电位梯度改变时,蛋白带电荷结构域移动,实现通道开启或关闭 | |
| 配体门控通道 | 细胞内外小分子配体与通道蛋白结合,引发通道开启或关闭 | |||
| 应力激活通道 | 感受应力后开启通道,形成离子流产生电信号(如内耳听觉毛细胞) | |||
| 孔蛋白 | 转运特定物质 | 形成通道,允许适宜物质被动通过 | ||
| 水孔蛋白 | 转运水分子 | 形成亲水通道,介导水分子快速被动运输 |
离子通道蛋白特征:离子通道蛋白特征
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 亲水性通道 | 通过形成亲水性通道实现跨膜转运 |
| 离子选择性 | 通道的直径、形状和带电氨基酸残基分布决定离子选择性 |
| 高转运速率 | 每秒可转运10⁷-10⁸个离子,接近自由扩散 |
| 门控性 | 通道的开启或关闭受多种信号调控 |
比较通道蛋白和载体蛋白通道蛋白载体蛋白比较
| 特点 | 通道蛋白 | 载体蛋白 |
|---|---|---|
| 跨膜机制 | 通过形成亲水性通道实现溶质的跨膜转运 | 通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运 |
| 存在饱和 | 离子通道没有饱和值(或饱和特征不明显) | 载体蛋白的转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征 |
| 溶质分子进行修饰 | 不对其进行修饰,只有大小和电荷适宜的离子才能通过 | 载体蛋白对转运的溶质不作任何共价修饰,只是借助自身构象变化来实现溶质的跨膜运输。 |
| 转运速率 | 极高,每个通道每秒钟可通过10⁷-10⁸个离子 | 较低,转运速率存在饱和点 |
| 调控机制 | 通道的开启或关闭受膜电位变化、化学信号或压力刺激的调控 | 无门控性,转运过程一般不依赖于膜电位变化,有类似于酶调节方式 |
| 能量需求 | 通常不需要能量,但离子通道的开放和关闭可能需要能量 | 可以是被动的也可以是主动的,主动运输需要能量 |
| 运输类型 | 协助扩散 | 主动运输和协助扩散 |
| 选择性 | 对离子的选择性取决于通道的直径、形状和带电氨基酸残基的分布 | 每种载体蛋白能与特定的溶质结合,具有高度选择性 |
三、小分子及离子的跨膜运输类型小分子离子跨膜运输类型
根据跨膜转运是否需要细胞提供能量,跨膜运输分为两种类型:被动运输和主动运输,被动运输中又根据是否需要膜转运蛋白参与,分为两种类型;简单扩散和协助扩散被动运输主动运输简单扩散协助扩散分类
(一)简单扩散(simple diffusion)简单扩散simple diffusion
定义: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。★★★简单扩散名词解释电化学梯度脂双层
影响通透性的因素:简单扩散通透性影响因素
(1)脂溶性越高通透性越大,水溶性越高通透性越小;脂溶性水溶性通透性
(2)非极性分子比极性容易透过,疏水性小分子如O₂、N₂以及不带电荷的极性小分子很容易通过简单扩散进出细胞;非极性分子O₂N₂疏水性小分子
(3)小分子比大分子容易透过,分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过;分子大小葡萄糖蔗糖
(4)人工脂双层对带电荷的物质,如各类离子是高度不通透的。人工脂双层带电荷物质离子
通透性计算:物质对膜的通透性(P)可以根据它在油和水中的分配系数(K)及其扩散系数(D)来计算:P = KD/t,[了解即可,不考]通透性计算分配系数扩散系数了解即可
| 简单扩散 | |
|---|---|
| 类别 | 内容 |
| 定义 | 物质顺浓度/电化学梯度,直接通过脂双层的运输方式。 |
| 运输方向 | 高浓度到低浓度方向 |
| 是否需要膜蛋白 | 否 |
| 是否消耗细胞能量 | 否 |
| 运输物质举例 | O₂、CO₂、N₂、苯 |
| 影响通透性的因素 | 脂溶性:脂溶性越高,通透性越大。 |
| 极性:非极性分子比极性分子容易透过。 | |
| 分子大小:小分子比大分子容易透过。 | |
| 所带电荷:人工脂双层对离子是高度不通透的。 |
(二)协助扩散(facilitated diffusion)协助扩散facilitated diffusion易化扩散
定义:协助扩散是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,又称为易化扩散。协助扩散不需要细胞提供代谢能量,转运的动力来自物质的电化学梯度或浓度梯度。[注意,如上协助扩散这个概念是最新教材描述,在旧版教材中认为协助扩散=被动运输。请以新版教材为准]★★★协助扩散易化扩散名词解释电化学梯度新版教材
借助膜转运蛋白,多种极性小分子和无机离子,包括水分子、糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等,都可以顺着电化学梯度或浓度梯度完成跨膜转运。协助扩散极性小分子无机离子转运物质
协助扩散与简单扩散不同,它需要膜转运蛋白的参与。膜转运蛋白可以是载体蛋白或通道蛋白。载体蛋白通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运,而通道蛋白则通过形成亲水性通道实现对特异溶质的跨膜转运。★★★协助扩散简单扩散区别载体蛋白通道蛋白
| 协助扩散(易化扩散) | |
|---|---|
| 类别 | 内容 |
| 定义 | 溶质顺电化学/浓度梯度,在膜转运蛋白协助下的跨膜转运,不消耗能量。 |
| 转运物质 | 极性小分子和无机离子,包括水、糖、氨基酸、核苷酸、细胞代谢物等 |
| 与简单扩散区别 | 需要膜转运蛋白参与 |
| 膜转运蛋白类型 | 载体蛋白(通过构象改变)、通道蛋白(形成亲水通道) |
1、葡萄糖转运蛋白(GLUT)家族:葡萄糖转运蛋白GLUT 家族
(1)作用:协助葡萄糖分子通过细胞膜的转运★★GLUT作用协助转运
(2)转运方向:顺葡萄糖浓度梯度转运★★GLUT转运方向顺浓度梯度
(3)结构特点:人类基因组编码了十多种葡糖转运蛋白,它们构成了GLUT蛋白家族,这些蛋白具有高度相似的氨基酸序列,并且都含有12个跨膜的α螺旋。★★★GLUT结构特点氨基酸序列相似12个跨膜α螺旋
(4)GLUT1 作用机制:Glut1 是介导葡萄糖进入红细胞及通过血脑屏障的主要转运蛋白,对于维持血糖浓度的稳定和大脑供能起着关键作用。Glut1 的三维晶体结构呈现出该家族成员典型的折叠方式,由 12 个跨膜螺旋组成 N 端和 C 端两个结构域。Glut1 通过开口朝向胞外和开口朝向胞内的有序的构象改变过程,完成葡萄糖的协助转运。★★★Glut1红细胞血脑屏障N端 C端结构域构象改变
| 葡萄糖转运蛋白(GLUT)家族 | |
|---|---|
| 类别 | 核心内容 |
| 作用 | 协助葡萄糖分子通过细胞膜进行转运 |
| 转运方向 | 顺葡萄糖浓度梯度转运 |
| 结构特点 | 1. 由多个成员构成蛋白家族构成 GLUT 家族; 2. 氨基酸序列高度相似; 3. 均含 12 个跨膜α螺旋。 |
| 代表性成员:Glut1 | 1. 主要功能:介导葡萄糖进入红细胞、通过血脑屏障,维持血糖稳定和大脑供能; 2. 结构:12 个跨膜螺旋组成 N 端、C 端两个结构域; 3. 转运方式:通过有序构象改变完成葡萄糖协助转运。 |
2、水孔蛋白水孔蛋白AQP
(1)概述:水孔蛋白是水分子的跨膜通道。例如:肾小管和集合管对水的重吸收、从脑中排出额外的水、唾液和眼泪的形成等,水分子就必须借助质膜上的大量水孔蛋白以实现快速跨膜转运。★★★水孔蛋白跨膜通道肾小管重吸收唾液眼泪名词解释
(2)结构特点:红细胞是研究水孔蛋白的一个理想模型,从红细胞膜中发现了第一个水孔蛋白 CHIP28,后来统一命名为 AQP1,对 AQP1 晶体学数据分析表明,水孔蛋白由 4 个亚基组成四聚体,每个亚基都由 6 个跨膜 α 螺旋组成。每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子通过的中央孔,孔的直径稍大于水分子直径,约 0.28 nm,水孔长约 2 nm。★★★CHIP28AQP1红细胞四聚体6个跨膜α螺旋0.28 nm数值
(3)分布:从细菌到植物,从动物到人,水孔蛋白广泛存在于所有细胞质膜上。★★水孔蛋白分布普遍存在
(4)特异性:AQP1表现出对水分子的特异通透性,这种特异性与两个半跨膜区的Asn-Pro-Ala模式有关。AQP1中央孔的孔径无法通过比水分子大的物质,而两个Asn-Pro-Ala中的Asn残基所带的正电荷也排除了质子的通过,因此,AQP1是一个高度特异的亲水通道,只允许水而不允许离子或其他小分子溶质通过。有些水孔蛋白对溶质的通透不仅局限于水分子,如AQP8对尿素也有通透性,AQP7对甘油具有通透性。★★★AQP1特异性Asn-Pro-Ala半跨膜区排除质子AQP8 尿素AQP7 甘油
(5)功能:水孔蛋白对于细胞渗透压以及生理与病理的调节十分重要;例如:人肾近曲小管对原尿中水重吸收作用,通常一个正常成年人每天要产生180 L的原尿,这些原尿经近曲小管的水孔蛋白的吸收,大部分水分被人体循环利用,最终只有约1L的尿液排出人体。★★★水孔蛋白功能渗透压近曲小管180 L 原尿1L 尿液数值
(6)植物水孔蛋白:植物水孔蛋白在种子萌发、细胞伸长、气孔运动以及受精等过程中调节水分的快速跨膜转运。此外,有些水孔蛋白还在植物逆境应答如抗旱性中起着重要作用。★★植物水孔蛋白种子萌发细胞伸长气孔运动受精抗旱性
| 特点 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 促进水分子的快速跨膜转运 |
| 结构 | 由4个亚基组成四聚体,每个亚基由6个跨膜α螺旋组成 |
| 孔径 | 约0.28 nm,允许水分子通过,阻止其他物质(注意AQP8与AQP7的特例) |
| 特异性 | 对水分子具有高度特异性,不允许离子或其他小分子通过 |
| 作用 | 在细胞渗透压调节、水分重吸收等方面起关键作用 |
(三)主动运输 (active transport)主动运输active transport
1、定义:主动运输是由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。主动运输普遍存在于动,植物细胞和微生物细胞。根据能量来源的不同,可将主动运输分为:由 ATP 直接提供能量(ATP 驱动泵)、间接提供能量(协同转运或偶联转运蛋白)以及光驱动泵三种基本类型★★★主动运输名词解释载体蛋白逆电化学梯度ATP 驱动泵协同转运光驱动泵
2、特点:主动运输特点
(1)逆浓度梯度运输;★★★主动运输逆浓度梯度
(2)依赖于膜运输蛋白;★★★主动运输膜运输蛋白
(3)需要代谢功能,并对代谢毒性敏感(即需要细胞代谢产生能量);★★★主动运输代谢功能代谢毒性敏感
(4)具有选择性和特异性。★★★主动运输选择性特异性
3、根据能量来源不同分类:主动运输能量来源分类
| 主动运输类型 | 能量来源 | 特点 |
|---|---|---|
| ATP 驱动泵 | ATP 水解 | 逆电化学梯度转运离子或小分子 |
| 协同转运蛋白 | 跨膜电化学梯度 | 同向或反向转运离子或分子 |
| 光驱动泵 | 光能 | 主要存在于细菌细胞 |
(1)ATP 驱动泵:ATP 直接供能,是 ATP 酶直接利用水解 ATP 提供的能量,实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输 [ATP 驱动泵下一考点还会有详细展开]★★★ATP 驱动泵ATP 直接供能ATP 酶逆浓度梯度
(2)间接供能:协同转运蛋白即偶联转运蛋白,是指介导各种离子和分子的跨膜运动的转运蛋白。★★★间接供能协同转运蛋白偶联转运蛋白名词解释
分类:协同转运蛋白分类
①同向协同转运蛋白;同向协同转运是偶联物的运输方向相同,如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,就是伴随 Na⁺从细胞外流入细胞内而完成。★★★同向协同转运蛋白小肠上皮细胞肾小管上皮细胞Na⁺葡萄糖氨基酸
②反向协同转运蛋白;反向协同转运是偶联物的运输方向相反,如质膜上 Na⁺/H⁺交换载体在完成 H⁺ 输出细胞的同时伴随着 Na⁺ 输入细胞。★★★反向协同转运蛋白Na⁺/H⁺交换载体质膜
特点:这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度梯度的转运与另一种或多种其他溶质顺着电化学梯度或浓度梯度的转运偶联起来。与 ATP 驱动泵直接利用水解 ATP 提供能量的方式不同,协同转运蛋白所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。★★★协同转运蛋白特点电化学梯度储能与 ATP 驱动泵比较
在动物细胞的质膜上,Na⁺是常用的协同转运离子,它的电化学梯度为另一种物质的主动运输提供了驱动力。在细菌、酵母、植物和动物细胞的被膜细胞器,绝大多数协同运输是靠 H⁺而不是靠 Na⁺电化学梯度来驱动的。★★★Na⁺H⁺协同转运离子被膜细胞器驱动力
(3)光驱动泵:光驱动泵主要发现于细菌细胞,对溶质的主动运输与光能的输入相偶联,如菌紫红质。★★★光驱动泵细菌细胞菌紫红质光能偶联
| 小分子及离子跨膜运输方式对比 | |||
|---|---|---|---|
| 类别 | 被动运输 | 主动运输 | |
| 简单扩散 | 协助扩散 | ||
| 动力/方向 | 顺浓度/电化学梯度 | 顺浓度/电化学梯度 | 逆浓度/电化学梯度 |
| 是否需要蛋白 | 否 | 是 | 是 |
| 是否消耗能量 | 否 | 否 | 是 |
| 代表性物质或蛋白 | O₂,CO₂,N₂ | 水、糖、氨基酸、核苷酸、 | Na⁺、K⁺、Ca²⁺、葡萄糖(在肠道吸收时) |
考点二:ATP 驱动泵与主动运输★★★考点二ATP 驱动泵主动运输ATP 驱动泵有哪几类?它们如何驱动主动运输?
一、ATP 驱动泵ATP 驱动泵
ATP 驱动泵:即转运 ATP 酶,是将 ATP 水解生成 ADP 和无机磷(Pi),并利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运的装置,正常情况下转运 ATP 酶并不能单独水解 ATP,而是将 ATP 的水解与物质的跨膜转运紧密偶联在一起。可分为 4 类:P 型泵、V 型质子泵、F 型质子泵和 ABC 超家族,前三种转运离子,后一种主要转运小分子。★★★ATP 驱动泵转运 ATP 酶ADPPiP 型泵V 型质子泵F 型质子泵ABC 超家族名词解释
二、P 型泵P 型泵
(一)概述P 型泵概述
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使自身形成磷酸化的中间体,因此称作P型泵。大多数P型泵都是离子泵,负责Na⁺、K⁺、H⁺和Ca²⁺跨膜梯度的形成和维持。★★★P 型泵α催化亚基β亚基磷酸化中间体离子泵
(二)Na⁺-K⁺泵Na⁺-K⁺泵
1、定义:Na⁺-K⁺泵,又称Na⁺-K⁺ATP酶,是一种位于动物细胞质膜上的离子泵,负责维持细胞内外Na⁺和K⁺的浓度梯度。★★★Na⁺-K⁺泵Na⁺-K⁺ATP酶动物细胞质膜离子泵名词解释
2、结构:由2个α和2个β亚基组成四聚体。β亚基是糖基化的多肽,并不直接参与离子跨膜转运,但帮助在内质网新合成的α亚基进行折叠。★★★Na⁺-K⁺泵结构四聚体β亚基糖基化多肽α亚基折叠
3、转运机制Na⁺-K⁺泵转运机制
①α亚基内侧与 Na⁺结合→ATP 水解→α亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化→α亚基构象改变→Na⁺被泵出细胞;★★★α亚基Na⁺ATP 水解天冬氨酸残基磷酸化构象改变
②磷酸化的α亚基外表面与 K⁺结合→α亚基去磷酸化→α亚基构象复原→K⁺被泵入细胞;★★★α亚基K⁺去磷酸化构象复原
③Na⁺依赖的磷酸化和 K⁺依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替发生,循环约 1000 次/s;★★★磷酸化去磷酸化交替发生1000 次/s数值
④每次循环消耗1分子ATP,逆着电化学梯度泵出3个Na⁺,泵进2个K⁺。★★★化学计量1分子ATP泵出3个Na⁺泵进2个K⁺数值
4、影响因素:极少量的乌本苷(ouabain)便可抑制Na⁺-K⁺泵的活性,而Mg²⁺和少量的膜脂有助于Na⁺-K⁺泵活性的提高,生物氧化抑制剂如氰化物使ATP供应中断,Na⁺-K⁺泵失去能源以致停止工作。★★★乌本苷ouabainMg²⁺膜脂氰化物生物氧化抑制剂
5、主要生理功能Na⁺-K⁺泵主要生理功能
(1)维持细胞膜电位:细胞在静息状态时膜电位质膜内侧为负,外侧为正。每一个工作循环下来,Na⁺-K⁺泵将从细胞泵出3个Na⁺,并泵入2个K⁺,结果对膜电位的形成起到了一定作用。(常考小题:维持细胞内低钠高钾)★★★膜电位静息状态泵出3个Na⁺泵入2个K⁺低钠高钾常考小题
(2)维持动物细胞渗透平衡:动物细胞内含有多种溶质,包括多种阴离子以及阳离子。如果没有 Na⁺-K⁺ 泵的工作将 Na⁺ 泵出细胞,那么水分子将由于渗透压的缘故顺着自身浓度梯度通过水孔蛋白大量进入细胞引起细胞吸水膨胀。胞外除了高浓度的 Na⁺ 外,还有 Cl★★★渗透平衡阴离子阳离子水孔蛋白吸水膨胀
⁻(靠膜电位停留在胞外)参与维持动物细胞渗透平衡。人的红细胞膜上含有丰富的水孔蛋白,如果利用 Na⁺-K⁺ 泵的抑制剂乌本苷处理,红细胞将因为胞外 Na⁺ 浓度降低而不断吸水膨胀,甚至破裂。★★★Cl⁻膜电位渗透平衡红细胞水孔蛋白乌本苷吸水膨胀
(3)吸收营养:动物细胞对葡萄糖或氨基酸等有机物吸收的能量由蕴藏在 Na⁺电化学梯度中的势能提供。动物细胞利用膜两侧的 Na⁺电化学梯度以协同转运的方式吸收营养物,而植物细胞、真菌和细菌细胞通常利用质膜上的 H⁺-ATP 酶形成的 H⁺电化学梯度来吸收营养物,如在某些细菌中,乳糖的吸收伴随着 H⁺从细胞质膜外进入细胞,每转移一个 H⁺,吸收一个乳糖分子。★★★吸收营养Na⁺电化学梯度H⁺-ATP 酶协同转运乳糖吸收
小肠上皮细胞吸收葡萄糖:Na⁺-K⁺ 泵工作形成的 Na⁺ 电化学梯度驱动葡萄糖协同转运载体以同向协同转运的方式,将葡萄糖等有机物转运进入小肠上皮细胞,然后再经 Glut2 以协助扩散的方式转运进入血液,完成对葡萄糖的吸收。★★★小肠上皮细胞葡萄糖吸收同向协同转运Glut2协助扩散
表格总结表格总结
| Na⁺-K⁺泵 | |
|---|---|
| 类别 | 具体内容 |
| 定义 | 又称 Na⁺-K⁺ ATP 酶,是位于动物细胞质膜上的离子泵,负责维持细胞内外 Na⁺ 和 K⁺ 的浓度梯度。 |
| 结构 | 由 2 个α亚基和 2 个β亚基组成的四聚体。 |
| 转运机制 | 1. 泵出 Na⁺:胞内 3 个 Na⁺ 与α亚基内表面结合 → ATP 水解 → α亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化 → 构象改变 → 将 Na⁺ 泵出细胞; 2. 泵入 K⁺:胞外 2 个 K⁺ 与磷酸化的α亚基外表面结合 → α亚基去磷酸化 → 构象复原 → 将 K⁺ 泵入细胞; 3. 循环:Na⁺ 依赖的磷酸化和 K⁺ 依赖的去磷酸化有序交替,每秒循环约 1000 次; 4. 化学计量:每消耗 1 分子 ATP,泵出 3 个 Na⁺,泵入 2 个 K⁺。 |
| 影响因素 | 抑制剂:乌本苷(可直接抑制 Na⁺-K⁺ 泵的活性)、氰化物(通过抑制 ATP 合成间接抑制)。 激活剂/辅助因子:Mg²⁺、少量膜脂有助于提高其活性。 |
| 主要生理功能 | 1. 维持细胞膜电位; 2. 维持动物细胞渗透平衡; 3. 吸收营养:建立的 Na⁺ 电化学梯度是细胞协同转运葡萄糖、氨基酸等营养物质的驱动力。 |
(三)Ca²⁺泵及其他 P 型泵Ca²⁺泵P 型泵
(1)Ca²⁺离子:Ca²⁺是细胞内重要的信号物质,细胞质基质中游离的Ca²⁺浓度始终维持在一个很低水平。细胞质基质中低Ca²⁺浓度的维持主要得益于质膜或细胞器膜上的钙泵(Ca²⁺pump)将Ca²⁺泵到细胞外或细胞器(内质网腔)内。★★★Ca²⁺信号物质细胞质基质钙泵内质网腔
(2)Ca²⁺泵分布:又称 Ca²⁺-ATP 酶,是另一类 P 型泵,分布在所有真核细胞的质膜和某些细胞器如内质网、叶绿体和液泡膜上。在肌肉细胞的肌质网膜上,Ca²⁺泵占肌质网膜蛋白 90%以上。★★★Ca²⁺-ATP 酶分布内质网叶绿体液泡膜肌质网90%数值
(3)Ca²⁺泵结构:由1000个氨基酸残基组成的跨膜蛋白,与Na⁺-K⁺泵的α亚基同源,含有10个跨膜α螺旋,其中3个螺旋形成了跨越脂双层的中央通道。★★★Ca²⁺泵结构1000个氨基酸残基与Na⁺-K⁺泵α亚基同源10个跨膜α螺旋中央通道
(4)Ca²⁺泵转运机制:在Ca²⁺泵处于非磷酸化状态时,2个通道螺旋中断形成胞质侧结合2个Ca²⁺的空穴,ATP在胞质侧与其结合位点结合,伴随ATP水解使相邻结构域天冬氨酸残基磷酸化,从而导致跨膜螺旋的明显重排。跨膜螺旋的重排破坏了Ca²⁺结合位点并释放Ca²⁺进入膜的另一侧。Ca²⁺泵工作与ATP的水解相偶联,每消耗1分子ATP从细胞质基质泵出2个Ca²⁺。★★★Ca²⁺泵转运机制非磷酸化状态天冬氨酸残基磷酸化跨膜螺旋重排泵出2个Ca²⁺
(5)Ca²⁺泵功能:Ca²⁺泵功能
①Ca²⁺泵主要将 Ca²⁺ 输出细胞或泵入内质网腔中储存起来,以维持细胞质基质中低浓度的游离★★★Ca²⁺泵输出细胞内质网腔储存低浓度游离 Ca²⁺
Ca²⁺。★Ca²⁺泵承接上页
②Ca²⁺泵将 Ca²⁺泵入肌质网,对调节肌细胞的收缩运动至关重要。★★Ca²⁺泵肌质网肌细胞收缩
(6)钙调蛋白:动物细胞质膜上分布的 Ca²⁺泵,其 C 端是细胞内钙调蛋白(CaM)的结合位点,当胞内 Ca²⁺浓度升高时,Ca²⁺与钙调蛋白结合形成激活的 Ca²⁺-CaM 复合物并与 Ca²⁺泵结合,进而调节 Ca²⁺泵的活性。内质网型的 Ca²⁺泵没有钙调蛋白的结合域。★★★钙调蛋白CaMCa²⁺泵质膜内质网
(7)P型H⁺泵:P型泵中除了 Na⁺-K⁺泵和 Ca²⁺泵外,还包括 H⁺ 泵。★P型泵H⁺泵分类
分布:植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜上。★★P型H⁺泵分布植物细胞真菌细菌
功能:P型H⁺泵将H⁺泵出细胞,建立和维持跨膜的H⁺电化学梯度,并用来驱动转运溶质进入细胞。细菌细胞对糖和氨基酸的摄取,主要是由 H⁺ 驱动的同向协同转运完成的。P型H⁺泵的工作也使得细胞周围环境呈酸性。★★P型H⁺泵功能电化学梯度同向协同转运
三、V型质子泵和F型质子泵V型质子泵F型质子泵
(一)V型质子泵V型质子泵
分布:广泛存在于动物细胞的内体膜、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★★★V型质子泵分布溶酶体膜内体膜液泡膜
(二)F型质子泵F型质子泵
分布:存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上★★★F型质子泵分布线粒体内膜类囊体膜
(三)两种质子泵功能V型质子泵F型质子泵功能
(1)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。★★★V型质子泵ATP水解pH细胞器
(2)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,如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用,F型质子泵称作H⁺-ATP合酶或F₀F₁-ATP合酶。★★★F型质子泵质子动力势氧化磷酸化光合磷酸化ATP合酶
(3)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。★★V型质子泵F型质子泵共同点磷酸化中间体
(四)总结V型质子泵F型质子泵总结
| 特性 | V型质子泵 | F型质子泵 |
|---|---|---|
| 存在位置 | 动物细胞的内体膜、溶酶体膜,破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜,植物、酵母和其他真菌细胞的液泡膜 | 细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜 |
| 功能 | 从细胞质基质中逆 H⁺电化学梯度将 H⁺泵入细胞器,维持细胞质基质 pH 中性和细胞器内的 pH 酸性 | 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 |
| 能量来源 | 利用 ATP 水解供能 | 利用质子动力势 |
| 结构特点 | 含有几种不同的跨膜和胞质侧亚基 | 结构更为复杂,含有几种不同的跨膜和胞质侧亚基 |
| 转运物质 | 只转运质子 | 只转运质子 |
| 中间体形成 | 不形成磷酸化的中间体 | 不形成磷酸化的中间体 |
| 别称 | - | H⁺-ATP 合酶或 F₀F₁-ATP 合酶 |
四、ABC 超家族(ABC 超家族名解经常考,问答题不怎么考)ABC超家族名词解释
(一)结构与工作模式ABC超家族结构工作模式
1、分布:从细菌到人类各种生物中,是最大的一类转运蛋白★★★ABC超家族分布最大的转运蛋白家族
2、结构:ABC超家族结构
(1)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;★★★ABC超家族跨膜结构域T结构域α螺旋底物特异性
(2)2 个胞质侧 ATP 结合域(A),具有 ATPase 活性,凸向胞质★★★ABC超家族ATP结合域A结构域ATPase
3、工作模式ABC超家族工作模式
(1)ATP 分子结合前,ABC 转运蛋白的底物结合位点暴露于胞外一侧(原核细胞)或胞质一侧(真核细胞),一旦 ATP 分子与 ABC 转运蛋白结合,将诱导 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;★★★ABC超家族工作模式ATP结合二聚化构象改变
(2)ATP 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超家族工作模式ATP水解ADP构象恢复
(二)ABC 转运蛋白与疾病ABC超家族疾病
(1)ABC 转运蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白,是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白,ABC 转运蛋白在肝、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;★★★ABC超家族转运物质肝小肠肾解毒
(2)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;从肿瘤细胞鉴定出的 ABC 转运蛋白称为多药抗性转运蛋白,在多种肿瘤细胞中高表达,能利用水解 ATP 的能量将脂溶性的抗癌药物从细胞内转运到细胞外,从而降低细胞内药物浓度,导致肿瘤细胞抗药性增强而降低患者化疗效果。此外,引起疟疾的疟原虫对药物氯喹的抗性也与病原体 ABC 转运蛋白高表达有关。★★★ABC超家族多药抗性转运蛋白抗药性化疗疟原虫氯喹
(3)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。囊性纤维化是白人中最常见的一种常染色体隐性遗传病,又称黏稠物阻塞症,是由于囊性纤维化跨膜转运调节蛋白发生突变。CFTR 是一种 ABC 转运蛋白,常位于肺、汗腺和胰腺等上皮细胞的顶面(又称游离面),调节 Cl⁻ 转运。但由于 CFTR 突变功能异常时,Cl⁻ 转运发生问题,导致细胞外缺水而使得肺部黏稠分泌物堵塞支气管。★★★ABC超家族囊性纤维化CFTR常染色体隐性遗传黏稠物阻塞症Cl⁻转运
| ABC 超家族 | |
|---|---|
| 类别 | 内容 |
| 定义与分布 | 一类广泛存在于从细菌到人类的生物体中、最大且高度保守的转运蛋白家族。 |
| 核心结构 | 包含 2 个跨膜结构域(T)和 2 个胞质 ATP 结合域(A)。 |
| 工作模式 | 1. ATP 结合:诱导两个 ATP 结合域二聚化,引发构象变化,使底物结合部位暴露于质膜的另一侧。 |
| 1. ATP 水解:ADP 解离,ATP 结合域解离,引起转运蛋白构象恢复原有状态。 | |
| 主要功能 | 转运多种物质,如细菌中的糖、氨基酸;哺乳动物细胞中的磷脂、胆固醇、药物等。 |
| 与疾病的关系 | 1. 抗药性:可将抗生素或抗癌药物泵出细胞,导致耐药。 |
| 2. 遗传病:其功能异常与某些疾病相关,如囊性纤维化。 |
| 类型 | 运输物质 | 结构 | 存在部位 | 功能 | |
|---|---|---|---|---|---|
| P型离子泵 | Na⁺-K⁺泵 | Na⁺、K⁺ | 具有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个调节作用的小的β亚基。α亚基发生磷酸化和去磷酸化 | 动物细胞的质膜 | 维持细胞膜电位;维持动物细胞渗透平衡;吸收营养 |
| Ca²⁺泵 | Ca²⁺ | 所有真核细胞的质膜和某些细胞器膜;肌肉细胞的肌质网膜 | 将 Ca²⁺输出细胞或泵入内质网腔中储存起来,以维持细胞质基质中低浓度的游离 Ca²⁺ | ||
| P型 H⁺泵 | H⁺ | 植物细胞、真菌(包括酵母)和细菌细胞质膜 | 将 H⁺泵出细胞,建立和维持跨膜的 H⁺电化学梯度,并用来驱动转运溶质进入细胞 | ||
| V型质子泵 | H⁺ | 多个跨膜和胞质亚基 | 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 | 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 | H⁺ | 多个跨膜和胞质亚基 | 细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜 | 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 | |
| ABC超家族 | 主要转运小分子 | 2个跨膜结构域(T)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 | 细菌质膜;哺乳动物内质网膜;哺乳动物细胞质膜 | 将天然毒物和代谢废物排出体外;将抗生素或其他抗癌药物泵出细胞而赋予细胞抗药性 |
五、离子跨膜转运与膜电位(几乎不考,但是如果考得比较偏,也可能会考)离子跨膜转运膜电位
(一)静息电位静息电位
(1)膜电位概念:不同方式的物质跨膜运动,其结果是产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些带有电荷的物质,特别是对离子来说,就形成了膜两侧的电位差。插入细胞微电极便可测出细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和,即膜电位。★★膜电位概念名词解释微电极
(2)静息电位概念:静息电位是细胞在静息状态下的膜电位,其特点是质膜内为负值,质膜外为正值,这种现象称为极化。静息电位的值在动物细胞中通常在-70到-30毫伏特之间。★★★静息电位概念极化数值名词解释
(3)静息电位产生:静息电位的产生主要与质膜上离子的跨膜运输有关。在静息状态下,动物细胞的质膜对钾离子的通透性大于钠离子,导致钾离子顺电化学梯度从细胞内流向细胞外,而Na⁺则很少通过开放的通道流出。这种K⁺的外流导致细胞内部积累负电荷,形成外正内负的静息电位。★★★静息电位产生机制K⁺外流通透性
(4)静息电位影响因素:静息电位影响因素
Na⁺-K⁺泵在维持静息电位中起着重要作用。该泵利用ATP的能量,逆着电化学梯度将3个Na⁺泵出细胞外,同时泵入2个K⁺进入细胞内,从而维持细胞内外Na⁺和K⁺的浓度梯度。★★★静息电位Na⁺-K⁺泵3Na⁺出2K⁺入浓度梯度
静息电位的维持还与细胞质膜上非门控的 K⁺渗漏通道有关,这些通道在静息状态下通常是开放的,允许 K⁺的持续外流。★★★静息电位K⁺渗漏通道非门控通道
静息电位的大小受到多种因素的影响,包括细胞内外离子浓度、离子通道的开放状态、细胞膜对不同离子的通透性以及细胞内蛋白质分子的电荷等。★★静息电位影响因素离子浓度通透性
(二)动作电位动作电位
(1)动作电位是细胞在受到刺激时,其膜电位发生快速、短暂的去极化和复极化过程,形成一种电信号,用于细胞间的通讯和信号传递。★★★动作电位概念名词解释去极化复极化
(2)动作电位的发生过程可以分为以下几个阶段:动作电位发生过程
①去极化:当细胞接收到足够的刺激信号(电信号或化学信号)超过一定阈值时,电压门控 Na⁺通道打开,Na⁺的通透性大大增加,导致 Na⁺大量流入细胞内,使得静息电位减小乃至消失,即质膜的去极化过程。★★★动作电位去极化电压门控Na⁺通道阈值
②反极化: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的动作电位,称为反极化,动作电位随即达到最大值。★★★动作电位反极化Na⁺平衡电位内正外负
③超极化:随着 Na⁺ 通道的关闭和 K⁺ 通道的打开,K⁺ 流出细胞,使得质膜再度极化,超过原来的静息电位,此时称为超极化。超极化时膜电位使 K⁺ 通道关闭,膜电位又恢复至静息状态。★★★动作电位超极化K⁺通道复极化
(3)动作电位是一种全或无的现象,即只有达到一定的刺激阈值,动作电位才会出现。动作电位的产生和膜电位改变与质膜上 Na⁺、K⁺通道蛋白及 Na⁺-K⁺泵等膜蛋白的规律性关闭和开启有关。★★★动作电位全或无刺激阈值通道蛋白Na⁺-K⁺泵
| 特性 | 静息电位 | 动作电位 |
|---|---|---|
| 定义 | 细胞在未受刺激时质膜两侧的电位差 | 细胞受到刺激时质膜电位的快速变化 |
| 膜电位范围 | -70~-30 mV | 从静息电位开始,去极化至正值,再超极化至比静息电位更负的值 |
| 形成原因 | 质膜对 K⁺的通透性大于 Na⁺,导致 K⁺顺电化学梯度流出细胞 | Na⁺通道打开,Na⁺流入细胞导致去极化;随后 K⁺通道打开,K⁺流出细胞导致超极化 |
| Na⁺和 K⁺通道状态 | 静息状态下,Na⁺通道关闭,K⁺通道部分开放 | Na⁺通道在去极化阶段打开,K⁺通道在超极化阶段打开 |
| 膜电位变化 | 相对稳定 | 全或无的正反馈信号,即动作电位 |
| 生物学意义 | 维持细胞内外的电化学梯度,为细胞提供稳定的环境 | 传递神经或肌肉的兴奋信号 |
| Na⁺-K⁺泵的作用 | 维持静息电位的相对恒定 | 在动作电位后帮助恢复细胞内外离子浓度至静息状态的分布 |
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考点三:胞吞作用与胞吐作用★★★考点三胞吞作用胞吐作用什么是胞吞作用?什么是胞吐作用?
所谓胞吞作用,就是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;而胞吐作用则是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。★★★胞吞作用胞吐作用名词解释必背
一、胞吞作用的类型胞吞作用类型
(一)定义胞吞作用定义
胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡,称胞吞泡;根据胞吞泡形成的分子机制不同和胞吞泡的大小差异,胞吞作用可分为两种类型:吞噬作用和胞饮作用。★★★胞吞泡吞噬作用胞饮作用名词解释必背
吞噬作用形成的吞噬泡直径往往大于 250 nm,而胞饮作用形成的胞饮泡直径一般小于 150 nm。★★★吞噬泡胞饮泡数值250 nm150 nm必背
此外,所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子,而吞噬作用往往发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞★★★胞饮作用吞噬作用巨噬细胞易混必背
(二)吞噬作用(phagocytosis)吞噬作用phagocytosis
1、定义:吞噬作用是一类特殊的胞吞作用,通过吞噬作用形成的胞吞泡叫做吞噬体。★★★吞噬作用吞噬体名词解释必背
2、特点:吞噬作用特点
(1)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。例如:抗体诱发的吞噬作用。★★★吞噬作用信号触发受体抗体诱发必背
(2)吞噬作用形成的吞噬泡直径往往大于 250 nm。★★吞噬泡数值250 nm
3、作用:吞噬作用作用
(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。★吞噬作用原生生物溶酶体营养
(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。★吞噬作用巨噬细胞中性粒细胞病原体清除
4、吞噬作用过程:吞噬细胞伸出伪足,包裹病原微生物形成吞噬体,吞噬体与溶酶体融合,在各种酸性水解酶的作用下,将病原微生物分解。未被分解的物质形成残余小体,可通过胞吐作用的方式将残余物质释放到细胞外。★★★吞噬作用过程伪足吞噬体残余小体大题
(三)胞饮作用(pinocytosis)胞饮作用pinocytosis
1、定义胞饮作用定义
与吞噬作用不同的是,胞饮作用几乎发生于所有类型的真核细胞中。胞饮作用可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用以及非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。★★★胞饮作用网格蛋白胞膜窖大型胞饮作用分类必背
2、特点胞饮作用特点
(1)真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子。★★胞饮作用真核细胞可溶性分子
(2)胞饮作用形成的胞饮泡直径一般小于 150 nm。★★胞饮泡数值150 nm
3、网格蛋白依赖的胞吞作用(学界了解最多的胞饮作用)网格蛋白依赖的胞吞作用Clathrin
网格蛋白结构:网格蛋白由 3 个二聚体组成,每个二聚体包括 1 条 180 kDa 的重链和 1 条 35~40 kDa 的轻链。3 个二聚体形成三脚蛋白复合体,是包被的结构单位。★★★网格蛋白Clathrin三脚蛋白复合体重链轻链数值必背
网格蛋白包被小泡形成机制(过程)网格蛋白包被小泡形成机制
①网格蛋白包被小窝形成:当配体与膜上受体结合后,网格蛋白聚集在膜下,逐渐形成直径 50~100 nm 的质膜凹陷,称网格蛋白包被小窝★★★网格蛋白包被小窝Clathrin配体受体数值必背
②发动蛋白组装成环:一种小分子GTP结合蛋白——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,最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡。★★★发动蛋白DynaminGTP缢缩必背
③包被的完成与去装配:网格蛋白便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,从而将转运分子及胞外液体摄入细胞。★★★去装配脱包被早期内体重复使用必背
几种蛋白作用网格蛋白衔接蛋白发动蛋白对比
网格蛋白包被小泡形成过程中网格蛋白起到形成凹陷的作用★★★网格蛋白Clathrin凹陷易混必背
衔接蛋白起到捕获特异转运分子、有特异性选择作用★★★衔接蛋白特异性选择易混必背
发动蛋白起到缢缩包被小窝将其从质膜上脱离下来作用。★★★发动蛋白Dynamin缢缩易混必背
4、受体介导的内吞过程受体介导的胞吞作用内吞过程
(1)根据胞吞的物质是否具有专一性,可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性胞吞作用。受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制,既可摄入特定的大分子,同时又可避免吸入大量胞外液体。(例:动物细胞摄取胆固醇,鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白,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,巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌乃至衰老细胞的识别和摄入,以及其他一些基本代谢物如合成血红蛋白所必需的维生素 B₁₂和铁的摄取,流感病毒和AIDS病毒(HIV))★★★受体介导的胞吞作用选择性浓缩机制LDL转铁蛋白名词解释必背
(2)以低密度脂蛋白为例来说明受体介导的内吞作用的过程(其实就是上述网格蛋白包被小泡形成机制的应用,考试很容易考,难理解,但要重点掌握):★★★LDL受体介导的胞吞作用大题必背
①LDL 与受体结合:LDL 颗粒与细胞表面的低密度脂蛋白受体特异性结合,形成受体-LDL 复合物。★★★LDL低密度脂蛋白受体受体-LDL 复合物必背
②网格蛋白包被小窝形成:当形成受体-LDL 复合物后,网格蛋白聚集在膜下,逐渐形成直径 50~100 nm 的质膜凹陷,称网格蛋白包被小窝★★★网格蛋白包被小窝Clathrin数值必背
③发动蛋白组装成环:一种小分子 GTP 结合蛋白一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,最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡。★★★发动蛋白DynaminGTP缢缩必背
④膜泡的脱离与融合:网格蛋白包被膜泡脱离质膜,几秒钟后,网格蛋白从包被膜泡上脱离,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。★★★脱包被早期内体重复使用必背
⑤受体的循环利用:在内体中,低pH环境引起LDL与受体分离。内体以出芽的方式形成含有受体的小囊泡,返回细胞质膜,受体重复使用。★★★内体低 pH受体循环出芽必背
⑥LDL 的消化:含有 LDL 的内体与溶酶体融合,低密度脂蛋白被水解,释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。★★★溶酶体胆固醇脂肪酸必背
(3)受体的命运(基本不考,了解跨细胞转运概念即可):★受体的命运跨细胞转运
①大部分受体返回它们原来的质膜区域,如上述 LDL 受体循环到质膜再利用;★受体循环LDL 受体
②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体被消化,如与表皮生长因子(EGF)结合的细胞表面受体,大部分在溶酶体被降解,从而导致细胞表面EGF受体浓度降低,这种现象称为受体下行调节;★★受体下行调节EGF溶酶体降解名词解释
③有些受体被运至细胞另一侧的质膜。该过程称为跨细胞转运,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。即转运的物质通过胞吞作用从上皮细胞的一侧被摄入细胞,再通过胞吐作用从细胞的★★跨细胞转运极性上皮细胞胞吞胞吐名词解释
另一侧释放出去。母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中,乳鼠肠上皮细胞将抗体摄入体内,都是通过跨细胞转运完成的。★★跨细胞转运抗体母乳实例
5、其他胞饮作用(考试最多考名词解释)其他胞饮作用名词解释
(1)胞膜窖依赖的胞吞作用:胞膜窖在质膜的脂筏区域形成,特征性蛋白是窖蛋白。胞吞时,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,然后转交给内体样的细胞器——膜窖体,或者跨细胞转运到质膜的另一侧。★★★胞膜窖Caveolin窖蛋白脂筏膜窖体名词解释必背
(2)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,大型胞饮作用形成的胞吞泡也比较大,质膜皱褶的形成过程也依赖微丝及其结合蛋白。★★★大型胞饮作用质膜皱褶微丝名词解释必背
(3)非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用:这种胞吞作用不依赖于网格蛋白或胞膜窖,例如位于淋巴细胞膜上的白介素2受体就是介导非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。★★★非网格蛋白/胞膜窖依赖白介素2受体淋巴细胞名词解释必背
6、对比总结胞饮作用对比总结
| 胞饮作用类型 | 特点 | 作用 |
|---|---|---|
| 网格蛋白依赖的胞吞作用 | 需要网格蛋白参与,形成网格蛋白包被小窝和膜泡 | 选择性运输跨膜受体及其结合配体 |
| 胞膜窖依赖的胞吞作用 | 胞膜窖在脂筏区域形成,特征性蛋白是窖蛋白 | 可能作为细胞信号转导的平台 |
| 大型胞饮作用 | 通过质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡 | 启动者受体位于多种细胞表面,参与细胞生长等生理功能 |
| 非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用 | 不依赖网格蛋白或胞膜窖 | 例如淋巴细胞膜上的白介素2受体介导的胞吞作用 |
(四)胞饮作用与吞噬作用的区别胞饮作用吞噬作用区别
| 特征 | 吞噬作用 | 胞饮作用 |
|---|---|---|
| 定义 | 吞噬作用是一类特殊的胞吞作用,通过吞噬作用形成的胞吞泡叫作吞噬体。 | 胞饮作用几乎发生于所有类型的真核细胞中,可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用以及非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。 |
| 形成囊泡大小 | 吞噬泡直径往往大于 250 nm。 | 胞饮泡直径一般小于 150 nm。 |
| 发生细胞 | 吞噬作用往往发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞。 | 胞饮作用几乎发生于所有类型的真核细胞中。 |
| 功能 | 吞噬作用在原生生物中是摄取食物的一种方式,在高等多细胞生物体中主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。 | 胞饮作用是细胞从胞外摄取特定大分子的有效途径,也是一种选择性浓缩机制,避免了摄入细胞外大量的液体。 |
| 例子 | 巨噬细胞通过吞噬作用清除衰老的红细胞。 | 动物细胞通过受体介导的胞饮作用对胆固醇的摄取、鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白以及肝细胞摄入转铁蛋白等。 |
二、胞吞作用与细胞信号转导关系胞吞作用细胞信号转导
胞吞作用参与了细胞信号转导,而信号转导过程也对胞吞作用进行调控,二者相互调节、彼此整合,在细胞生长、发育、代谢及增殖等过程中发挥着重要作用。胞吞作用对信号转导的影响主要体现在两个方面,一是下调信号转导活性,二是激活信号转导活性。★★★胞吞作用信号转导下调激活必背
①胞吞作用对信号转导的下调:EGF 是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。细胞通过胞吞作用,将 EGF 受体及 EGF 吞入细胞内降解,从而导致细胞信号转导活性下调,这种调节作用即受体下行调节。★★★EGF受体下行调节信号转导下调必背
②胞吞作用对信号转导的激活:胞吞作用激活信号转导的最典型例子就是 Notch 信号通路,Notch 信号是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。★★★Notch 信号通路信号转导激活细胞分化必背
胞吞作用与细胞信号转导相互调节,对生命活动的调控发挥了很重要的作用。除了网格蛋白依赖性胞吞方式以外,细胞还通过非网格蛋白依赖性胞吞作用调节其他很多的细胞表面受体。不同类型的受体有不同的胞吞方式,对细胞信号调节、受体活性关闭与放大、信号持续时间长短等发挥着关键作用。★胞吞作用信号转导非网格蛋白依赖性胞吞总结
三、胞吐作用胞吐作用
定义: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。★★★胞吐作用分泌泡质膜融合名词解释必背
分类:胞吐作用分类
①组成型胞吐途径:真核细胞具有从高尔基体反面网状结构分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程,通过这种组成型的胞吐途径,新合成的蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新,从而确保细胞分裂前质膜的生长;囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外,有的成为质膜外周蛋白,有的形成胞外基质组分,有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。★★★组成型胞吐途径高尔基体反面网状结构质膜更新胞外基质名词解释必背
②调节型胞吐途径:特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径,这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,当细胞在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。★★★调节型胞吐途径特化的分泌细胞分泌泡胞外信号名词解释必背
章节题库 · A组+B组 共 120 题(C组、D组按你的要求未收录)
AA 组题(一轮复习,注意按照发给你的学习计划刷题)
考点一:膜转运蛋白与小分子及离子的跨膜运输混合
考点二:ATP 驱动泵与主动运输混合
考点三:胞吞作用与胞吐作用混合
BB 组题(二轮复习,经典题、经典真题合集)
一、填空题填空题
二、判断题判断题
三、选择题选择题
四、问答题问答题
教材原文对照1 处
There are two types of membrane transport proteins—transporters and channels. Both form protein pathways across the lipid bilayer. Whereas transmembrane movement mediated by transporters can be either active or passive, solute flow through channel proteins is always passive. Ion transport across the membrane is influenced by the ion’s concentration gradient and the membrane potential; that is, its electrochemical gradient.
膜转运蛋白有两类——载体蛋白和通道蛋白。二者都在脂双层上形成蛋白质通路。载体蛋白介导的跨膜运动可以是主动的也可以是被动的,而通过通道蛋白的溶质流动则始终是被动的。离子的跨膜转运受其浓度梯度和膜电位共同影响,即受其电化学梯度影响。
教材原文对照1 处
All channels and some transporters allow solutes to cross the membrane only passively (“downhill”), a process called passive transport. In the case of transport of a single uncharged molecule, the difference in the concentration on the two sides of the membrane—its concentration gradient—drives passive transport and determines its direction
所有通道蛋白以及部分载体蛋白只允许溶质被动地(「顺坡」)跨膜,这一过程称为被动运输。转运单一不带电分子时,膜两侧的浓度差——即浓度梯度——驱动被动运输并决定其方向。
教材原文对照1 处
As explained earlier, because of the action of the Na+-K+ pump, there is little Na+ inside the cell, and other intracellular inorganic cations have to be plentiful enough to balance the charge carried by the cell’s fixed anions—the negatively charged organic molecules that are confined inside the cell. This balancing role is performed largely by K+, which is actively pumped into the cell by the Na+-K+ pump and can also move in or out through the K1 leak channels in the plasma membrane.
如前所述,由于Na⁺-K⁺泵的作用,细胞内Na⁺很少,因此必须有足量的其他胞内无机阳离子来平衡细胞固定阴离子(被限制在细胞内的带负电荷有机分子)所带的电荷。承担这一平衡作用的主要是K⁺:它被Na⁺-K⁺泵主动泵入细胞,也可经质膜上的K⁺渗漏通道进出。
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The SR is a specialized type of endoplasmic reticulum that forms a network of tubular sacs in the muscle-cell cytoplasm, and it serves as an intracellular store of Ca2+. When an action potential depolarizes the muscle-cell plasma membrane, Ca2+ is released into the cytosol from the SR through Ca21-release channels, stimulating the muscle to contract
肌质网是一种特化的内质网,在肌细胞胞质中形成管状囊网络,充当细胞内的Ca²⁺储库。当动作电位使肌细胞质膜去极化时,Ca²⁺经Ca²⁺释放通道从肌质网释放到细胞质基质,激发肌肉收缩。
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Virtually all eukaryotic cells continually ingest portions of their plasma membrane in the form of small pinocytic (endocytic) vesicles. The rate at which plasma membrane is internalized in this process of pinocytosis varies between cell types, but it is usually surprisingly high. A macrophage, for example, ingests 25% of its own volume of fluid each hour.
几乎所有真核细胞都持续以小胞饮泡(胞吞泡)的形式摄入自身的一部分质膜。不同细胞类型中质膜经胞饮作用被内化的速率不同,但通常高得惊人。例如一个巨噬细胞每小时摄入的液体相当于自身体积的25%。
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A particularly well-understood and physiologically important example is the process that mammalian cells use to import cholesterol. Many animal cells take up cholesterol through receptor-mediated endocytosis and, in this way, acquire most of the cholesterol they require to make new membrane. If the uptake is blocked, cholesterol accumulates in the blood and can contribute to the formation in blood vessel (artery) walls of atherosclerotic plaques, deposits of lipid and fibrous tissue that can cause strokes and heart attacks by blocking arterial blood flow.
一个研究得特别透彻、生理上又很重要的例子,是哺乳动物细胞摄取胆固醇的过程。许多动物细胞通过受体介导的胞吞摄取胆固醇,并以此获得合成新膜所需的大部分胆固醇。一旦摄取受阻,胆固醇就在血液中蓄积,可促成血管(动脉)壁上动脉簥样硬化斑块的形成——由脂质和纤维组织构成的沉积物,会阻塞动脉血流而引起中风和心肌梗死。
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By generating inorganic ion–concentration differences across the lipid bilayer, cell membranes can store potential energy in the form of electrochemical gradients, which drive various transport processes, convey electrical signals in electrically excitable cells, and (in mitochondria, chloroplasts, and bacteria) are harnessed to make most of the cell’s ATP.
通过在脂双层两侧制造无机离子的浓度差,细胞膜能以电化学梯度的形式储存势能;这些梯度驱动各种转运过程,在可兴奋细胞中传递电信号,并且(在线粒体、叶绿体和细菌中)被用来合成细胞的大部分ATP。
五、实验题实验题
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Although water can slowly diffuse across synthetic lipid bilayers, cells use dedicated channel proteins (called water channels, or aquaporins) that greatly increase the permeability of their membranes to water, as we discuss later.
虽然水能缓慢地扩散通过人工脂双层,但细胞使用专门的通道蛋白(称为水通道或水孔蛋白)来大幅提高其膜对水的通透性,这一点后文还会讨论。
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真名词解释16 题
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Ion channels form aqueous pores across the lipid bilayer and allow inorganic ions of appropriate size and charge to cross the membrane down their electrochemical gradients at rates about 1000 times greater than those achieved by any known transporter. The channels are “gated” and usually open transiently in response to a specific perturbation in the membrane, such as a change in membrane potential (voltage-gated channels), or the binding of a neurotransmitter to the channel (transmitter-gated channels).
离子通道在脂双层上形成含水的孔道,允许大小和电荷合适的无机离子顺各自的电化学梯度跨膜,速率比任何已知载体蛋白高约1000倍。这类通道是「门控」的,通常只在膜受到特定扰动时短暂开放,例如膜电位改变(电压门控通道),或神经递质与通道结合(递质门控通道)。
The second important distinction between ion channels and aqueous pores is that ion channels are not continually open. Instead, they are gated, which allows them to open briefly and then close again. Moreover, with prolonged (chemical or electrical) stimulation, most ion channels go into a closed “desensitized,” or “inactivated,” state, in which they are refractory to further opening until the stimulus has been removed, as we discuss later.
离子通道与普通含水孔道的第二个重要区别是:离子通道并非持续开放,而是门控的,使其能短暂开启后再次关闭。而且在持续的(化学或电)刺激下,大多数离子通道会进入一种关闭的「脱敏」或「失活」状态,在刺激撤除前对进一步开放不再反应。
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When an action potential arrives at the presynaptic site, the depolarization of the membrane opens voltage-gated Ca2+ channels that are clustered in the presynaptic membrane. Ca2+ influx triggers the release into the cleft of small signal molecules known as neurotransmitters that are stored in membrane-enclosed synaptic vesicles and released by exocytosis
动作电位到达突触前部位时,膜去极化使聚集在突触前膜的电压门控Ca²⁺通道开放。Ca²⁺内流触发神经递质释放到突触间隙——这些小信号分子储存在有膜包裹的突触小泡内,靠胞吐作用释放。
Unlike the voltage-gated channels responsible for action potentials, transmitter-gated channels are relatively insensitive to the membrane potential and therefore cannot by themselves produce a selfamplifying excitation. Instead, they produce local permeability increases, and hence changes of membrane potential, that are graded according to the amount of neurotransmitter released at the synapse and how long it persists there.
与产生动作电位的电压门控通道不同,递质门控通道对膜电位相对不敏感,因而自身不能产生自我放大的兴奋。它们引起的是局部通透性升高、进而引起膜电位改变,其幅度随突触处释放的神经递质量以及递质滞留时间的长短而分级。
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The pores allow specific solutes (such as inorganic ions of appropriate size and charge, and in some cases small molecules, including water, glycerol, and ammonia) to pass through them and thereby cross the membrane. Because no stepwise conformational changes are required once a channel is opened, it is not surprising that transport through channels occurs at a much faster rate than transport mediated by transporters.
这些孔道允许特定溶质通过从而跨膜,包括大小与电荷合适的无机离子,某些情况下还包括水、甘油和氨等小分子。通道一旦开放就不再需要逐步的构象改变,所以通过通道的转运速率远高于载体蛋白介导的转运。
Transporters (sometimes called carriers or permeases) bind the specific solute to be transported and undergo a series of conformational changes that alternately expose solute-binding sites on one side of the membrane and then on the other side to transfer the solute across it. Channels, by contrast, interact much more transiently with the solute to be transported. When opened by conformational changes, channels form continuous pores that extend across the lipid bilayer.
载体蛋白(有时称 carrier 或 permease)结合待转运的特定溶质,并经历一系列构象改变,使溶质结合位点交替暴露于膜的一侧再暴露于另一侧,从而把溶质转运过膜。相比之下,通道蛋白与待转运溶质的相互作用短暂得多;构象改变使其开放时,通道形成贯穿脂双层的连续孔道。
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The plasma membrane of all electrically excitable cells—not only neurons, but also muscle, endocrine, and egg cells—contains voltage-gated cation channels, which are responsible for generating the action potentials. An action potential is triggered by a depolarization of the plasma membrane; that is, by a shift in the membrane potential to a less negative value inside.
所有可兴奋细胞的质膜——不只是神经元,还有肌细胞、内分泌细胞和卵细胞——都含有电压门控阳离子通道,动作电位由它们产生。动作电位由质膜去极化触发,即膜电位向膜内负值减小的方向移动。
Each domain also contains a voltage sensor that is characterized by an unusual transmembrane helix, S4, that contains many positively charged amino acids. When the membrane is polarized, these charges are exposed on the negatively charged cytosolic side of the membrane. Because of the charge compensation, this conformation is thermodynamically stabilized in a polarized membrane. As the membrane becomes depolarized, the S4 helices experience the electrostatic force that now stabilizes an alternative conformation in which the helices have twisted and expose the charges to the opposite, extracellular side of the membrane.
每个结构域还含有一个电压感受器,其特征是一条不寻常的跨膜螺旋S4,内含许多带正电荷的氨基酸。膜处于极化状态时,这些电荷暴露在膜的带负电荷的胞质侧;由于电荷补偿,该构象在极化膜中被热力学稳定。当膜去极化时,S4螺旋受到静电力作用,此时被稳定的是另一种构象——螺旋发生扭转,把电荷暴露到膜的另一侧即胞外侧。
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In addition to the direct diffusion of water across the lipid bilayer, some prokaryotic and eukaryotic cells have water channels, or aquaporins, embedded in their plasma membranes to allow water to move more rapidly. Aquaporins are particularly abundant in animal cells that must transport water at high rates, such as the epithelial cells of the kidney or exocrine cells that must transport or secrete large volumes of fluids
除水分子直接经脂双层扩散外,一些原核细胞和真核细胞的质膜上还嵌有水通道(水孔蛋白),使水的移动更快。水孔蛋白在必须高速转运水的动物细胞中特别丰富,例如肾的上皮细胞,以及必须转运或分泌大量液体的外分泌细胞。
The pore is too narrow for any hydrated ion to enter, and the energy cost of dehydrating an ion would be enormous because the hydrophobic wall of the pore cannot interact with a dehydrated ion to compensate for the loss of water. This design readily explains why the aquaporins cannot conduct K+, Na+, Ca2+, or Cl– ions.
孔道太窄,任何水合离子都进不去;而使离子脱水的能量代价极大,因为孔道的疏水壁无法与脱水离子相互作用来补偿失水的损失。这一设计很容易解释水孔蛋白为何不能通过K⁺、Na⁺、Ca²⁺或Cl⁻。
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The last type of transport ATPase that we discuss here is the family of ABC transporters, so named because each member contains two highly conserved ATPase domains, or ATP-binding “cassettes,” on the cytosolic side of the membrane. ATP binding brings together the two ATPase domains, and ATP hydrolysis leads to their dissociation
本节讨论的最后一类转运ATP酶是ABC转运蛋白家族,得名于每个成员在膜的胞质侧都含有两个高度保守的ATP酶结构域,即ATP结合「盒」。ATP结合使这两个ATP酶结构域靠拢,ATP水解则使它们解离。
Although each transporter is thought to be specific for a particular molecule or class of molecules, the variety of substrates transported by this superfamily is great and includes inorganic ions, amino acids, monosaccharides and polysaccharides, peptides, lipids, drugs, and, in some cases, even proteins that can be larger than the transporter itself. The first eukaryotic ABC transporters identified were discovered because they pump hydrophobic drugs out of the cytosol. One of these transporters is the multidrug resistance (MDR) protein, also called P-glycoprotein.
虽然每种转运蛋白被认为只对某一特定分子或某类分子有特异性,但这个超家族转运的底物种类极多,包括无机离子、氨基酸、单糖和多糖、肽、脂质、药物,某些情况下甚至包括比转运蛋白本身还大的蛋白质。最早被鉴定出来的真核ABC转运蛋白,是因为能把疏水性药物泵出细胞质基质而被发现的;其中之一就是多药抗性(MDR)蛋白,又称P-糖蛋白。
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In addition to passive transport, cells need to be able to actively pump certain solutes across the membrane “uphill,” against their electrochemical gradients. Such active transport is mediated by transporters whose pumping activity is directional because it is tightly coupled to a source of metabolic energy, such as an ion gradient or ATP hydrolysis, as discussed later. Transmembrane movement of small molecules mediated by transporters can be either active or passive, whereas that mediated by channels is always passive
除被动运输外,细胞还须能把某些溶质逆电化学梯度「上坡」主动泵过膜。这种主动运输由载体蛋白介导,其泵送具有方向性,因为它与代谢能量来源紧密偶联,如离子梯度或ATP水解。载体蛋白介导的小分子跨膜运动可以是主动的也可以是被动的,而通道蛋白介导的则始终是被动的。
ATP-driven pumps are often called transport ATPases because they hydrolyze ATP to ADP and phosphate and use the energy released to pump ions or other solutes across a membrane. There are three principal classes of ATP-driven pumps
ATP驱动泵常被称为转运ATP酶,因为它们把ATP水解为ADP和磷酸,并利用释放的能量把离子或其他溶质泵过膜。ATP驱动泵主要有三类。
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Enzymatic studies and analyses of the three-dimensional structures of transport intermediates of the SR Ca2+ pump and related pumps have revealed the molecular mechanism of P-type transport ATPases in great detail. They all have similar structures, containing 10 transmembrane α helices connected to three cytosolic domains
对肌质网Ca²⁺泵及相关泵的转运中间体所做的酶学研究和三维结构分析,已十分详尽地揭示了P型转运ATP酶的分子机制。它们的结构都相似,含10个跨膜α螺旋,连接3个胞质侧结构域。
Ca2+ binding triggers a series of conformational changes that close the passageway to the cytosol and activate a phosphotransfer reaction in which the terminal phosphate of the ATP is transferred to an aspartate that is conserved among all P-type ATPases. The ADP then dissociates and is replaced with a fresh ATP, causing another conformational change that opens a passageway to the SR lumen through which the two Ca2+ ions exit.
Ca²⁺结合触发一系列构象改变,关闭通向细胞质基质的通路,并激活一次磷酸基转移反应——ATP的末端磷酸被转移到一个在所有P型ATP酶中都保守的天冬氨酸残基上。随后ADP解离,由新的ATP取代,引起另一次构象改变,打开通向肌质网腔的通路,2个Ca²⁺由此排出。
教材原文对照2 处
The nonselective constitutive secretory pathway transports most other proteins directly to the cell surface. Because entry into this pathway does not require a particular signal, it is also called the default pathway. Thus, in an unpolarized cell such as a white blood cell or a fibroblast, it seems that any protein in the lumen of the Golgi apparatus is automatically carried by the constitutive pathway to the cell surface unless it is specifically returned to the ER, retained as a resident protein in the Golgi apparatus itself, or selected for the pathways that lead to regulated secretion or to endosomes.
非选择性的组成型分泌途径把其余大多数蛋白质直接送到细胞表面。由于进入该途径不需要特定信号,它又称为默认途径。因此,在白细胞、成纤维细胞这类非极性细胞中,高尔基体腔内的任何蛋白质似乎都会被组成型途径自动带到细胞表面,除非它被专门送回内质网、作为驻留蛋白留在高尔基体内,或被选入通向调节型分泌或内体的途径。
When a secretory vesicle fuses with the plasma membrane, its contents are discharged from the cell by exocytosis and its membrane becomes part of the plasma membrane. Although this should increase the surface area of the plasma membrane, it does so only transiently, because an equivalent amount of membrane is removed from the surface by endocytosis almost as fast as it is added by exocytosis, a process reminiscent of the endocytic–exocytic cycle discussed later.
分泌泡与质膜融合时,其内含物经胞吐作用排出细胞,其膜则成为质膜的一部分。虽然这本应增加质膜表面积,但这种增加只是暂时的,因为胞吞作用几乎以同样快的速度从表面移走等量的膜,这一过程令人想到后文讨论的胞吞-胞吐循环。
教材原文对照1 处
The Ca2+ pump, which accounts for about 90% of the membrane protein of the SR, moves Ca2+ from the cytosol back into the SR. The endoplasmic reticulum of non-muscle cells also stores Ca2+ using a closely homologous Ca2+ pump and Ca2+-release channels.
Ca²⁺泵约占肌质网膜蛋白的90%,它把Ca²⁺从细胞质基质送回肌质网。非肌细胞的内质网也用一种高度同源的Ca²⁺泵和Ca²⁺释放通道储存Ca²⁺。
教材原文对照2 处
Phagocytosis is a special form of endocytosis in which a cell uses large endocytic vesicles called phagosomes to ingest large particles such as microorganisms and dead cells. Phagocytosis is distinct, both in purpose and mechanism, from macropinocytosis, which we discussed earlier. In protozoa, phagocytosis is a form of feeding: large particles taken up into phagosomes end up in lysosomes, and the products of the subsequent digestive processes pass into the cytosol to be used as food.
吞噬作用是胞吞作用的一种特殊形式,细胞用称为吞噬体的大型胞吞泡摄入微生物、死细胞等大颗粒。吞噬作用在目的和机制上都不同于前面讨论过的大型胞饮作用。在原生动物中,吞噬作用是一种取食方式:进入吞噬体的大颗粒最终到达溶酶体,随后消化产生的产物进入细胞质基质作为食物利用。
Phagocytosis is a cargo-triggered process. That is, it requires the activation of cell-surface receptors that transmit signals to the cell interior. Thus, to be phagocytosed, particles must first bind to the surface of the phagocyte (although not all particles that bind are ingested). Phagocytes have a variety of cell-surface receptors that are functionally linked to the phagocytic machinery of the cell.
吞噬作用是由货物触发的过程,也就是说,它需要细胞表面受体被激活并把信号传向细胞内部。因此,颗粒要被吞噬,必先结合到吞噬细胞表面(不过并非所有结合上去的颗粒都会被摄入)。吞噬细胞具有多种细胞表面受体,它们在功能上与细胞的吞噬机器相连。
教材原文对照1 处
Two important properties distinguish ion channels from aqueous pores. First, they show ion selectivity, permitting some inorganic ions to pass, but not others. This suggests that their pores must be narrow enough in places to force permeating ions into intimate contact with the walls of the channel so that only ions of appropriate size and charge can pass.
有两个重要性质把离子通道与普通含水孔道区分开。第一,它们表现出离子选择性,只让某些无机离子通过而不让另一些通过。这说明其孔道必有足够狭窄之处,迫使通过的离子与通道壁紧密接触,因而只有大小和电荷合适的离子才能通过。
教材原文对照1 处
Eukaryotic cells maintain very low concentrations of free Ca2+ in their cytosol (∼10–7 M) in the face of a very much higher extracellular Ca2+ concentration (∼10–3 M). Therefore, even a small influx of Ca2+ significantly increases the concentration of free Ca2+ in the cytosol, and the flow of Ca2+ down its steep concentration gradient in response to extracellular signals is one means of transmitting these signals rapidly across the plasma membrane
真核细胞把细胞质基质中的游离Ca²⁺维持在很低浓度(约10⁻⁷ M),而胞外Ca²⁺浓度要高得多(约10⁻³ M)。因此,哪怕少量Ca²⁺内流也会显著提高胞质游离Ca²⁺浓度;Ca²⁺响应胞外信号顺其陡峭的浓度梯度流动,正是把信号迅速传过质膜的一种方式。
教材原文对照1 处
Whereas transport vesicles containing materials for constitutive release fuse with the plasma membrane once they arrive there, secretory vesicles in the regulated pathway wait at the membrane until the cell receives a signal for the vesicles to secrete their cargo. The signal can be an electrical nerve impulse (an action potential) or an extracellular signal molecule, such as a hormone. In either case, it leads to a transient increase in the concentration of free Ca2+ in the cytosol, which is the trigger for secretory vesicle fusion.
载有组成型释放物质的转运膜泡一到达质膜就与之融合;而调节型途径的分泌泡则停在膜下等待,直到细胞收到让其分泌内含物的信号。该信号可以是电性的神经冲动(动作电位),也可以是激素等胞外信号分子。两种情况下,信号都会使细胞质基质中游离Ca²⁺浓度短暂升高,这正是分泌泡融合的触发因素。
教材原文对照2 处
Others function as coupled transporters, in which the transfer of one solute strictly depends on the transport of a second. Coupled transport involves either the intimately coupled transfer of a second solute in the same direction, performed by symporters (also called co-transporters), or the transfer of a second solute in the opposite direction, performed by antiporters (also called exchangers)
另一些载体蛋白作为偶联转运蛋白工作,其中一种溶质的转移严格依赖于第二种溶质的转运。偶联转运要么由同向转运蛋白(协同转运蛋白)把第二种溶质紧密偶联地朝同一方向转移,要么由反向转运蛋白(交换体)把第二种溶质朝相反方向转移。
In bacteria, yeasts, and plants, as well as in many membrane-enclosed organelles of animal cells, most ion-driven active transport systems depend on H+ rather than Na+ gradients, reflecting the predominance of H+ pumps in these membranes. An electrochemical H+ gradient across the bacterial plasma membrane, for example, drives the inward active transport of many sugars and amino acids.
在细菌、酵母和植物中,以及在动物细胞的许多被膜细胞器上,大多数由离子驱动的主动运输系统依赖H⁺梯度而非Na⁺梯度,这反映了这些膜上以H⁺泵为主。例如细菌质膜两侧的H⁺电化学梯度,就驱动着许多糖和氨基酸向内的主动运输。
教材原文对照1 处
Such ion-driven coupled transporters are said to mediate secondary active transport. The Na+ that enters the cell during coupled transport is subsequently pumped out by an ATP-driven Na+-K+ pump in the plasma membrane (as we discuss later), which, by exchanging K+ for Na+, maintains the Na+ gradient, indirectly driving the coupled transport. Such ATP-driven pumps are therefore said to mediate primary active transport because in these the free energy of ATP hydrolysis is used to directly drive the transport of a solute against its electrochemical gradient.
这类由离子驱动的偶联转运蛋白被称为介导次级主动运输。偶联转运过程中进入细胞的Na⁺,随后被质膜上由ATP驱动的Na⁺-K⁺泵泵出;该泵以K⁺交换Na⁺,维持Na⁺梯度,从而间接驱动偶联转运。因此这类ATP驱动泵被称为介导初级主动运输,因为其中ATP水解的自由能被直接用来驱动溶质逆电化学梯度的转运。
真选择题10 题
真填空题2 题
真简答题5 题
教材原文对照1 处
An Na1-K1 pump, or Na1-K1 ATPase, found in the plasma membrane of virtually all animal cells, maintains these concentration differences. Like the Ca2+ pump, the Na+-K+ pump belongs to the family of P-type ATPases and operates as an ATP-driven antiporter, actively pumping Na+ out of the cell against its steep electrochemical gradient and pumping K+ in
几乎所有动物细胞质膜上都有的Na⁺-K⁺泵(Na⁺-K⁺ATP酶)维持着这些浓度差。与Ca²⁺泵一样,Na⁺-K⁺泵属于P型ATP酶家族,作为ATP驱动的反向转运蛋白工作,主动把Na⁺逆其陡峭的电化学梯度泵出细胞,同时把K⁺泵入。
教材原文对照1 处
Because ligands are selectively captured by receptors, receptor-mediated endocytosis provides a selective concentrating mechanism that increases the efficiency of internalization of particular ligands more than a hundredfold. In this way, even minor components of the extracellular fluid can be efficiently taken up in large amounts.
由于配体被受体选择性捕获,受体介导的胞吞提供了一种选择性浓缩机制,使特定配体的内化效率提高100倍以上。这样,即使是胞外液中含量很少的成分也能被大量高效地摄取。
教材原文对照1 处
AP2 then recruits clathrin to initiate endocytosis. Because coated pits constantly pinch off to form coated vesicles, any LDL particles bound to LDL receptors in the coated pits are rapidly internalized in coated vesicles. After shedding their clathrin coats, the vesicles deliver their contents to early endosomes. Once the LDL and LDL receptors encounter the low pH in early endosomes, LDL is released from its receptor and is delivered via late endosomes to lysosomes. There, the cholesterol esters in the LDL particles are hydrolyzed to free cholesterol, which is now available to the cell for new membrane synthesis
随后AP2招募网格蛋白,启动胞吞。由于有被小窝不断缢缩形成有被小泡,凡是结合在有被小窝内LDL受体上的LDL颗粒都被迅速内化进有被小泡。小泡脱去网格蛋白外被后,把内容物送入早期内体。LDL和LDL受体一旦遇到早期内体中的低pH,LDL即从受体上释放,经晚期内体送到溶酶体。在溶酶体中,LDL颗粒里的胆固醇酯被水解为游离胆固醇,供细胞合成新膜使用。
教材原文对照2 处
In some cases, the receptor is lacking altogether. In others, the receptors are defective—in either the extracellular binding site for LDL or the intracellular binding site for the AP2 adaptor protein in clathrin-coated pits. In the latter case, normal numbers of LDL receptors are present, but they fail to become localized in clathrin-coated pits. Although LDL binds to the surface of these mutant cells, it is not internalized, directly demonstrating the importance of clathrin-coated pits for the receptor-mediated endocytosis of cholesterol.
有些病例中受体完全缺失;另一些病例中受体有缺陷——或是LDL的胞外结合位点异常,或是网格蛋白有被小窝内衔接蛋白AP2的胞内结合位点异常。后一种情况下LDL受体数量正常,却无法定位到网格蛋白有被小窝中。这类突变细胞表面虽能结合LDL,却不能把它内化,这直接证明了网格蛋白有被小窝对胆固醇受体介导胞吞的重要性。
Early endosomes are the main sorting stations in the endocytic pathway, just as the cis and trans Golgi networks serve this function in the secretory pathway. In the mildly acidic environment of the early endosome, many internalized receptor proteins change their conformation and release their ligand, as already discussed for the M6P receptors.
早期内体是胞吞途径中主要的分选站,正如高尔基体顺面网状结构和反面网状结构在分泌途径中所起的作用。在早期内体的弱酸性环境中,许多被内化的受体蛋白改变构象并释放其配体,这一点在讨论M6P受体时已经提过。
教材原文对照1 处
The major protein component of clathrin-coated vesicles is clathrin, which forms the outer layer of the coat. Clathrin is composed of a large subunit (the heavy chain) and a small subunit (the light chain). Three heavy chains and three light chains assemble into a three-legged structure called a triskelion
网格蛋白有被小泡的主要蛋白成分是网格蛋白,它构成外被的外层。网格蛋白由一个大亚基(重链)和一个小亚基(轻链)组成。3条重链和3条轻链装配成一个三脚结构,称为三脚蛋白复合体。
真问答题4 题
教材原文对照2 处
Because the Na+-K+ pump drives three positively charged ions out of the cell for every two it pumps in, it is electrogenic: it drives a net electric current across the membrane, tending to create an electrical potential, with the cell’s inside being negative relative to the outside. This electrogenic effect of the pump, however, seldom directly contributes more than 10% to the membrane potential. The remaining 90%, as we discuss later, depends only indirectly on the Na+-K+ pump.
Na⁺-K⁺泵每泵入2个正离子就泵出3个,因此是生电性的:它驱动净电流跨膜,倾向于产生一个膜内相对膜外为负的电位。不过泵的这种生电效应对膜电位的直接贡献很少超过10%,其余90%只是间接依赖Na⁺-K⁺泵。
Some transporters move a single solute “downhill,” whereas others can act as pumps to move a solute “uphill” against its electrochemical gradient, by using energy provided by ATP hydrolysis, by a downhill flow of another solute (such as Na1 or H1), or by light to drive the requisite series of conformational changes in an orderly manner. Transporters belong to a small number of protein families. Each family evolved from a common ancestral protein, and its members all operate by a similar mechanism. The family of P-type transport ATPases, which includes Ca21 and Na1-K1 pumps, is an important example; each of these ATPases sequentially phosphorylates and dephosphorylates itself during the pumping cycle.
有些载体蛋白只把单一溶质「顺坡」运输,另一些则可作为泵把溶质「逆坡」逆其电化学梯度转运,能量来自ATP水解、另一种溶质(如Na⁺或H⁺)的顺梯度流动,或来自光,用以有序地驱动所需的一系列构象改变。载体蛋白只归属于少数几个蛋白质家族。每个家族都由一个共同的祖先蛋白演化而来,成员的工作机制都相似。P型转运ATP酶家族即是一个重要例子,它包括Ca²⁺泵和Na⁺-K⁺泵,这些ATP酶在泵送循环中依次使自身磷酸化和去磷酸化。
教材原文对照1 处
When a cell needs cholesterol for membrane synthesis, it makes transmembrane receptor proteins for LDL at the ER and transports them to the plasma membrane. Once in the plasma membrane, the LDL receptor diffuses until an endocytosis signal in its cytoplasmic tail binds the adaptor protein AP2 after AP2’s conformation has been locally unlocked by binding to PI(4,5)P2 on the plasma membrane.
细胞需要胆固醇合成膜时,就在内质网上合成LDL的跨膜受体蛋白,并把它们运到质膜。到达质膜后,LDL受体在膜上扩散,直到其胞质尾部的胞吞信号与衔接蛋白AP2结合——此前AP2须先结合质膜上的PI(4,5)P₂,构象被局部解锁。
教材原文对照1 处
Aquaporins contain two strategically placed asparagines, which bind to the oxygen atom of the central water molecule in the line of water molecules traversing the pore, imposing a bipolarity on the entire single-file column of water molecules
水孔蛋白含有两个位置关键的天冬酰胺残基,它们结合穿过孔道的那列水分子中中央那个水分子的氧原子,使整列单行排列的水分子呈现两极性。
教材原文对照1 处
Aquaporins must solve a problem that is opposite to that facing ion channels. To avoid disrupting ion gradients across membranes, they have to allow the rapid passage of water molecules while completely blocking the passage of ions. The three-dimensional structure of an aquaporin reveals how it achieves this remarkable selectivity.
水孔蛋白必须解决一个与离子通道相反的问题:为避免破坏膜两侧的离子梯度,它们必须让水分子快速通过,同时完全阻断离子通过。水孔蛋白的三维结构揭示了它如何实现这种非凡的选择性。
真论述题1 题
教材原文对照1 处
Na+-linked symporters located in the apical (absorptive) domain of the plasma membrane actively transport nutrients into the cell, building up substantial concentration gradients for these solutes across the plasma membrane. Uniporters in the basal and lateral (basolateral) domain allow the nutrients to leave the cell passively down these concentration gradients to enter the bloodstream for use in the rest of the body.
位于质膜顶端(吸收)域的Na⁺偶联同向转运蛋白把营养物主动转运进细胞,在质膜两侧为这些溶质建立起相当大的浓度梯度。基底侧(基底面与侧面)域的单向转运蛋白则让营养物顺这些浓度梯度被动离开细胞,进入血流供全身使用。
真实验题1 题
教材原文对照2 处
Cells also contain a high concentration of solutes, including numerous negatively charged organic molecules that are confined inside the cell (the so-called fixed anions) and their accompanying cations that are required for charge balance. This creates an osmotic gradient, which mostly is balanced by an opposite osmotic gradient due to a high concentration of inorganic ions—chiefly Na+ and Cl–—in the extracellular fluid. The small remaining osmotic force tends to “pull” water into the cell, causing it to swell until the forces are balanced.
细胞内还含有高浓度溶质,包括大量被限制在细胞内的带负电荷有机分子(所谓固定阴离子)以及为平衡电荷而伴随的阳离子。这造成一个渗透梯度,它大体被胞外液中高浓度无机离子(主要是Na⁺和Cl⁻)产生的相反渗透梯度所抵消。剩下的微小渗透力倾向于把水「拉」进细胞,使细胞膨胀,直到各力平衡。
In general, the smaller the molecule and the more hydrophobic, or nonpolar, it is, the more easily it will diffuse across a lipid bilayer. Small nonpolar molecules, such as O2 and CO2, readily dissolve in lipid bilayers and therefore diffuse rapidly across them. Small uncharged polar molecules, such as water or urea, also diffuse across a bilayer, albeit much more slowly
一般来说,分子越小、疏水性(非极性)越强,就越容易扩散通过脂双层。O₂和CO₂这类小的非极性分子易溶于脂双层,因而扩散得很快。水或尿素这类小的不带电极性分子也能扩散通过脂双层,只是慢得多。