1、2015年春夏學(xué)期細(xì)胞的物質(zhì)Substance transportation柳華副教授干細(xì)胞和組織工程中心liuhua因在細(xì)胞囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)而獲獎(jiǎng)。獎(jiǎng)委員會(huì)的評(píng)價(jià)：對(duì)我們理解細(xì)胞內(nèi)部和外部發(fā)生運(yùn)送物質(zhì)的時(shí)機(jī)和準(zhǔn)確性產(chǎn)生了很大影響。如果沒有上述運(yùn)送機(jī)制，細(xì)胞就會(huì)陷入。2013 NOBEL PRIZE IN PHYSIOLOGY OR MEDICINE與免疫缺陷性疾?。庖呒?xì)胞成熟、抗原遞呈等等）內(nèi)系統(tǒng)/代謝性疾?。ò谆?、精神癥、帕金森病等等）囊泡參與細(xì)胞多項(xiàng)重要的生命活動(dòng)如神經(jīng)遞質(zhì)的免疫等，其及信息傳遞、激素、天然會(huì)導(dǎo)致多種細(xì)胞器發(fā)生缺陷和細(xì)胞功能紊亂，并與許多疾病密切相關(guān)。腫瘤發(fā)生發(fā)展

2、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)（vesicular transport）穿膜（membrane transport）第一節(jié)、囊泡與囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)（ vesicle and vesicular transport）囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)(vesicular transport)：指囊泡以出芽的形式，從一種細(xì)胞器膜產(chǎn)生、脫離后又定向地與另一種細(xì)胞器膜融合的過程。由囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)所承載和介導(dǎo)的雙向，不僅是細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換和信號(hào)傳遞的重要途徑，也是細(xì)胞物質(zhì)定向的基本形式。知識(shí)要點(diǎn) 囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn) 已知的囊泡類型 囊泡的形成過程 囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的方向囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)方向性；性；芽生；特異性；保守性；高度有序；精密是真核細(xì)胞特有的一種細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)形式。囊泡

3、(vesicle)：真核細(xì)胞中常見的膜泡結(jié)構(gòu)。各種囊泡，均 由細(xì)胞器膜外凸或內(nèi)凹芽生而成。囊泡的產(chǎn)生形成過程，是一個(gè)主動(dòng)的自我裝配過程，并總是伴隨著物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。囊泡的主要類型承擔(dān)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)定向的囊泡類型至少有10種以上。目前了解較多的類型主要有以下三種：n 網(wǎng)格蛋白有被囊泡（clathrin-coated vesicle）n COPI 有被囊泡（COP I-coated vesicle)n COPII有被囊泡（COP II-coated vesicle)網(wǎng)格蛋白有被小泡 (Clathrin-coated vesicle)可產(chǎn)生于高爾基復(fù)合體或細(xì)胞膜。介導(dǎo)Golgiàendosome(

4、and/oràlysosome) àoutsideàcytoplasmClathrin網(wǎng)格蛋白Adaptin銜接蛋白Vesicularmembrane囊膜GTPDynamin形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格蛋白 (Clathrin)Clathrin triskelion and its formed three structuresNature 432, 573-579(2 December 2004)網(wǎng)格蛋白有被小泡的形成衣被組裝及貨運(yùn)選擇有被小泡形成有被小窩形成被網(wǎng)格蛋白有被小泡的Transport vesicles bud off from one compartment an

5、d fuse with anotherCOPI 有被囊泡（COP I-coated vesicle)COP：Coatmer-protein subunits產(chǎn)生于高爾基體，主要負(fù)責(zé)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白的捕捉、回收轉(zhuǎn)運(yùn)以及高爾基體膜內(nèi)蛋白的逆向轉(zhuǎn)移；也能間接進(jìn)行內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的順向轉(zhuǎn)移。COPI 有被囊泡的形成COPI coatmerARF1 receptorThe key steps in the formation of COPI-coated vesicles.COPII 有被囊泡（COP II-coated vesicle)產(chǎn)生于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運(yùn)送。COPII 有被囊

6、泡的形成The key steps in the formation of COPII-coated vesicles.三種囊泡的異同點(diǎn)網(wǎng)格蛋白有被囊泡COPI 有被囊泡COPII有被囊泡細(xì)胞膜、高爾基體高爾基體（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方向細(xì)胞膜高爾基體高爾基體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)成分網(wǎng)格蛋白銜接蛋白發(fā)動(dòng)蛋白COPI（6種亞基） ARF蛋白COPII（5種亞基） Sar蛋白形成過程芽生，需ATP/GTP參與聚合和解聚How vesicles travel in cells?Vesicles travel cellular highwaysThe intracellular compartments i

7、nvolved inbiosynthetic-secretory and endocytic pathway第二節(jié)、穿膜（membrane transport）根據(jù)大小分類p 小/離子p 大一、胞吞二、胞吐/顆粒物質(zhì)一、簡單擴(kuò)散二、易化擴(kuò)散三、主動(dòng)四、離子通道擴(kuò)散根據(jù)是否耗能分類p 主動(dòng)active transport一、ATP泵二、協(xié)同ppassive transport一、簡單擴(kuò)散二、易化擴(kuò)散三、離子通道簡單/擴(kuò)散（simple/passive diffusion）依賴于1） 溶質(zhì)必須能透過膜；2） 膜兩側(cè)存在濃度差；p 自由擴(kuò)散：脂溶性（如醇、苯、甾體類激素）和小的不帶電荷的CO2、NO

8、和H2O）等。（O2、Factors Affecting the Rate of Diffusion膜蛋白（Membrane transport protein）載體蛋白（Carrier protein）介導(dǎo)主動(dòng)易化擴(kuò)散（）通道蛋白（Channel protein）介導(dǎo)易化擴(kuò)散/（facilitated diffusion/passivetransport）易化擴(kuò)散的條件：p 膜兩邊存在濃度差;p 載體蛋白的存在非脂溶性（親水性）如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等。易化擴(kuò)散Facilitated Diffusion主動(dòng)（active transport）p 主動(dòng)是載體蛋白介導(dǎo)的小物質(zhì)逆電

9、化學(xué)梯度，由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進(jìn)行的穿膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式，需要耗能和膜上特異性載體蛋白介導(dǎo)。p 主動(dòng)可分為ATP驅(qū)動(dòng)泵（由ATP直接提供能量）和協(xié)同（ATP間接提供能量）兩種類型。對(duì)向順濃度梯度ATP水解光吸收共p ATP驅(qū)動(dòng)泵(ATP pump)A.P-型離子泵； B. V-型質(zhì)子泵；C. F-型質(zhì)子泵；D. ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體(P-class ion pump)(V/F-class proton pump)(ABC transports)以Na+-K+泵 (Na+-K+ pump)為例(P-型離子泵)水解1個(gè)ATP，輸出3個(gè)Na+，轉(zhuǎn)入2個(gè)K+p 協(xié)同協(xié)同（co-transport）是一類由Na+-

10、K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動(dòng)根據(jù)溶質(zhì)方式。方向與順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)移的離子（Na+或H+）方向的關(guān)系，又可分為共運(yùn)輸（symport）與對(duì)向（antiport）。小腸上皮細(xì)胞共轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖入血示意圖Na+-葡萄糖協(xié)同蛋白共轉(zhuǎn)運(yùn)：物質(zhì)的逆濃度梯度穿膜與所依賴的另一物質(zhì)的順濃度梯度的穿膜兩者方向相同。共載體蛋白專一地輸入某一種糖（如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖）或氨基酸。離子通道 （ion channel）離子通道的特點(diǎn) 通道蛋白介導(dǎo)的，通道是雙向的。 對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小和所帶電荷都有高度的選擇性。 轉(zhuǎn)運(yùn)速率高 。 多數(shù)離子通道不持續(xù)開放，離子通道開放受“”。離子通道

11、的類型Ø 配體門控通道Ø 電壓門控通道Ø 應(yīng)力激活通道（1）配體門控通道配體門控通道（ligand-gated channel）與細(xì)胞外的特定配體（ligand）結(jié)合后，發(fā)生構(gòu)象改變，結(jié)果將“門”打開，某種離子快速穿膜擴(kuò)散。乙酰膽堿受體（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配體門控通道。其他如氨基丁酸受體、甘氨酸受體、5-羥色氨受體及谷氨酸門控陰離子通道等。M2亮氨酸殘基紐扣結(jié)構(gòu)乙酰膽堿受體模式圖（2）電壓門控通道膜電位的改變是電壓門控通道（voltage-gatedchannel）開放與關(guān)閉的直接因素。電壓門控通道主要存在于神經(jīng)元、

12、肌細(xì)胞及腺上皮細(xì)胞等可興奮細(xì)胞，包括鉀通道、鈣通道、鈉通道和氯通道。（3）應(yīng)力激活通道：應(yīng)力激活通道（stress-activated channel）是通道蛋白感受應(yīng)力而改變構(gòu)象，開啟通道使“門”打開，離子通過親水通道進(jìn)入細(xì)胞，引起膜電位變化，產(chǎn)生電信號(hào)。內(nèi)耳聽覺毛細(xì)胞頂部的聽毛即具有應(yīng)力激活通道。水通道 (aquaporin, AQP)u 水通道的分類 ：11個(gè)成員（AQP0AQP10）u 水通道蛋白的結(jié)構(gòu)： AQP1的結(jié)構(gòu)比較清楚。Peter AgreAmerican physician, professor, and molecular biologist who was awarde

13、d the 2003 Nobel Prize in Chemistry for his discovery of aquaporins .Asn-Pro-Ala (NPA)水的轉(zhuǎn)運(yùn)不消耗能量，也不受門控機(jī)制調(diào)控，其通過水通道的方向由兩側(cè)的滲透壓決定，低的一側(cè)流向高的一側(cè)。腎性水腫星形細(xì)胞膠質(zhì)瘤腦水腫大和顆粒穿膜/小泡p 胞吞作用 (endocytosis)：細(xì)胞攝入大顆粒物質(zhì)的過程p 胞吐作用 (exocytosis)：細(xì)胞排出大粒物質(zhì)的過程或或顆蛋白質(zhì)、多核苷酸、多糖。屬主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。胞吞作用（pinocytosis）（phagocytosis）p 胞飲作用p 吞噬作用p 受體介導(dǎo)的胞吞作用 （receptor-mediated endocytosis）p 胞飲作