细胞生物学/大分子和颗粒物质的穿膜运输

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细胞膜与物质的穿膜运输 - 细胞膜的化学组成与生物学特性 - 小分子物质和离子的穿膜运输 - 大分子和颗粒物质的穿膜运输 - 细胞膜异常与疾病
小分子物质和离子在膜运输蛋白的介导下进行穿膜运输,但膜运输蛋白不能转运大分子物质如蛋白质、多核苷酸、多糖等。大多数细胞都能摄入和排出大分子物质,有些细胞甚至能吞入大的颗粒,为完成这种功能,细胞进化出一套将细胞外环境中的物质以包入物形式进行摄取的机制。大分子和 颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜,都是由膜包围形成囊泡,通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程,故称为囊泡运输(vesicular transport)。细胞摄入大分子或颗粒物质的过程称为胞吞作用(endocytosis);细胞排出大分子或颗粒物质的过程称为胞吐作用(exocytosis)。在此转运过程中涉及膜泡的组装、断裂、移位与融合等耗能过程,也属于主动转运。这种运输方式常转运较大量的大分子或颗粒物质,又称为批量运输(bulk transport)。小泡运输不仅发生在质膜,胞内各种膜性细胞器(如内质网、高尔基复合体、溶酶体等)之间的物质运输也是以这种方式进行的。所以,小泡运输对细胞内外物质交换、信息交流均有重要作用。本节主要介绍大分子与颗粒物质通过质膜进行的穿膜运输。

胞吞作用[编辑]

胞吞作用又称内吞作用,它是质膜内陷,包围细胞外物质形成胞吞泡,脱离质膜进入细胞内的转 运过程。根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同,可将胞吞作用分为三种类型:吞噬作用、胞饮作用及受体介导的胞吞。

吞噬作用是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程[编辑]

吞噬作用(phagocytosis)由几种特殊细胞完成。为细胞摄取较大的颗粒物质(无机尘粒、细菌、细胞碎片等)或多分子复合物进入细胞的过程。细胞内陷或形成伪足包裹大分子或颗粒物质形成吞噬体进入细胞。吞噬作用包括吸附和吞入两个相对独立的过程。被吞噬的物质首先吸附在细胞表面,一般认为,吸附不具明显的专一性。随之吸附区域的细胞膜向内凹陷形成囊,囊口部分的膜融合封闭形成膜泡,将颗粒物包裹后从膜上分离下来进入细胞,膜泡将与溶酶体融合被消化降解。吞噬形成的膜泡称为吞噬体(phagosome)或吞噬泡(phagocytic vesicle)。对颗粒物质的吞入是由质膜下肌动蛋白丝所驱动。动物体内只有中性粒细胞、单核细胞及巨噬细胞具有吞噬功能,它们广泛分布在血液和组织中,吞噬入侵的微生物、清除损伤、衰老和凋亡的细胞,如人的巨噬细胞每天通过吞噬作用清除约1011个衰老的红细胞。所以吞噬作用在机体防御和稳定内环境中发挥重要作用。

胞饮作用是细胞吞入液体和可溶性物质的过程[编辑]

胞饮作用(pinocytosis)是细胞吞入大分子溶液物质或极微小颗粒物的活动。当细胞周厮环境中某可溶性物质包括氨基酸、蛋白质等达到一定浓度时,引起细胞产生胞饮活动。胞饮作用发生在质膜上的特殊区域,质膜下微丝的收缩使质膜内陷包围液体物质,接着形成一个没有外被包裹的膜性小泡,称为胞饮体(pinosome)或胞饮泡(pinocytic vesicle), 直径小于150nm。根据细胞外物质是否吸附在细胞表面,将胞饮作用分为两种类型:一种是液相内吞(fluid-phase endocytosis), 这是一种非特异的固有内吞作用,通过这种作用,细胞把细胞外液及其中的可溶性物质摄入细胞内。另一种是吸附内吞(absorption endocytosis), 在这种胞饮作用中,细胞外大分子及/或小颗粒物质吸附在细胞表面(与糖蛋白的静电作用或与受体结合),因此具有一定的特异性。胞饮泡进入细胞后与内体(endosome)融合或与溶酶体融合后被降解。但也存在胞饮泡不与溶酶体融合而是穿过细胞质与另一侧的质膜融合胞吐,这个过程称为转胞吞作用(transcytosis), 如母鼠将抗体通过乳汁传递给仔鼠的过程。胞饮作用所造成质膜的损失和吞进的细胞外液,由胞吐作用补偿和平衡。
胞饮作用几乎发生在所有类型的真核细胞中,但在能形成伪足和转运功能活跃的细胞中多见,如 巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞等。

受体介导的胞吞提高摄取特定物质的效率[编辑]

受体介导的胞吞(receptor-mediated endocytosis)是细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子物质的过程。有些大分子在细胞外液中的浓度很低,进入细胞需先与膜上特异性受体识别并结合,然后通过膜的内陷形成裂泡,粪泡脱离质膜而进入细胞。这种作用使细胞特异性地摄取细胞外含量很低的成分,而不需要摄入大量的细胞外液,与非特异的胞吞作用相比,可使特殊大分子的内化效率增加1000多倍。
1、有被小窝和有被小泡的形成 细胞膜上有多种配体的受体,如激素、生长因子、酶和血浆蛋白的受体等。受体集中在质膜的特定区域,称为有被小窝(coated pits)。有被小窝具有选择受体的功能,该处集中的受体的浓度是质膜其他部分的10~20倍。体外培养细胞中,有被小窝约占质膜表面积的2%。电镜下有被小窝处质膜向内凹陷,直径约50~lOOnm, 凹陷处的质膜内表面覆盖若一层毛剌状电子致密物,其中包括网格蛋白和衔接蛋白。
受体介导的胞吞,第一步是细胞外溶质(配体)同有被小窝处的受体结合,形成配体-受体复合物,网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧,有被小窝形成后进一步内陷,与质膜断离后形成有被小泡(coated vesicle)进入细胞。有被小泡负责将细胞外特性物质向细胞内转运,其外表面包被由网格蛋白组装成的笼状篮网结构。
网格蛋白(clathrin)也称作成笼蛋白,是一种蛋白复合物,由3条重链和3条轻链组成。重链是一种纤维蛋白,分子量180kD,轻链分子量为35kD, 二者组成二聚体,三个二聚体又形成三腿蛋白复合体(triskelion), 是包被的结构单位。三腿蛋白复合体聚合成六角形或五角形的篮网状结构,覆盖于有被小窝(或有被小泡)胞质一侧的表面。三腿蛋白复合体具有自我装配的能力,它们在试管中能自动装配成封闭的篮网结构。网格蛋白的作用主要是牵拉质膜向内凹陷,参与捕获特定的膜受体使其聚集于有被小窝内。
在有被小泡的蛋白包被中,还有一种介于网格蛋白与配体-受体复合物之间的衔接蛋白(adaptin),参与包被的形成。目前发现,网格蛋白没有特异性,本身不起捕获特异性转运分子的作用。衔接蛋白既能结合网格蛋白,又能特异性地结合跨膜受体胞质面的尾部肽信号(peptide signal), 从而通过网格蛋白包被小泡实现受体介导的选择性运输。
2、无被小泡形成并依次与内体和溶酶体融合 当配体与膜上受体结合后,网格蛋白聚集在膜的胞质侧,通过一些六边形转变成五边形的网格,促进网格蛋白外被弯曲转变成笼形结构,牵动质膜凹陷。有一种小分子GTP结合蛋白——发动蛋白(dynamin), 在深陷的有被小窝颈部组装形成环,发动蛋白水解与其结合的GTP后发生构象改变引起颈部溢缩,将有被小泡从质膜上切离下来,形成网格蛋白包被小泡(clathrin coated vesicle)。一旦小泡从质膜上脱离下来,几秒钟后脱去包被变成表面光滑的无被小泡,网格蛋白分子返回到质膜下方,参与形成新的衣被小泡重复使用。无被小泡继而与早期内体(early endosome)融合。内体是动物细胞质中经胞吞作用形成的一种由膜包围的细胞器,其作用是运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。内体膜上有ATP驱动的质子泵,将甘泵入内体腔中,使腔内pH降低(pH5~6)。大多数情况下,内体的低pH改变了受体和配体分子的亲和状态,从而释放出与其结合的配体分子。受体与配体分离后,内体以出芽的方式形成运载受体的小囊泡,返回质膜,受体重新利用,开始下一轮的内吞作用。含有配体的内体将与溶酶体融合,内吞的物质被溶酶体酶降解消化。
动物细胞对许多重要物质的摄取都是依赖于受体介导的胞吞,大约有50种以上的不同蛋白质、激素、生长因子、淋巴因子以及铁、维生素B12等通过这种方式进入细胞。流感病毒和AIDS病毒(HIV)也通过这种胞吞途径感染细胞的。动物细胞通过受体介导的胞吞摄入所需的大部分胆固醇。
胆固醇是构成生物膜的主要成分,还是很多重要生物活性分子的前体化合物,如类固醇激素、维生素D和胆酸等。胆固醇在肝脏中合成并包装成低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)在血液中运输。LDL为球形颗粒,直径约为22nm, 中心含有大约1500个酷化的胆固醇分子,其外包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分子。载脂蛋白ApoBlOO是细胞膜上LDL受体的配体,它将酯化胆固醇、磷脂、游离胆固醇组装成球形颗粒。
LDL受体是由839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白,当细胞需要利用胆固醇时,细胞即合成LDL受体,并将其镶嵌到质膜中。如果细胞内游离胆固醇积累过多时,细胞通过反馈调节,停止胆固醇及LDL受体的合成。正常人每天降解45%的LDL,其中2/3经由受体介导的胞吞途径摄入细胞而被降解利用。如果细胞对LDL的摄入过程受阻,血液中胆固醇含量过高易形成动脉粥样硬化,是家族性高胆固醇血症发病的主要原因。

胞吐作用[编辑]

胞吐作用又称外排作用或出胞作用,指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜,与质膜融合后将物质排出细胞外的过程,与胞吞作用过程相反。胞吐作用是将细胞分泌产生的酶、激素及一些未被分解的物质排出细胞外的重要方式。根据方式的不同,胞吐作用分为连续性分泌和受调分泌两种形式。

连续性分泌是不受调节持续不断的细胞分泌[编辑]

连续性分泌(constitutive secretion)又称固有分泌,是指分泌蛋白在粗面内质网合成之后,转运至高尔基复合体,经修饰、浓缩、分选,形成分泌泡,随即被运送至细胞膜,与质膜融合将分泌物排出细胞外过程。在这个连续稳定的过程中,新合成的膜蛋白和膜脂不断地供给质膜更新;分泌到细胞外的成分包括细胞外基质各组分、质膜外周蛋白等参与细胞各种生命活动。这种分泌途径普遍存在于动物细胞中。

受调分泌是细胞外信号调控的选择性分泌[编辑]

受调分泌(regulated secretion)是指分泌性蛋白合成后先储存于分泌囊泡中,只有当细胞接受到细胞外信号(如激素)的刺激,引起细胞内Ca2+浓度瞬时升高,才能启动胞吐过程,使分泌囊泡与细胞膜融合,将分泌物释放到细胞外。这种分泌途径只存在于分泌激素、酶、神经递质的细胞内。
真核细胞质膜对大分子和颗粒物质运输的胞吞和胞吐作用都是通过膜泡形式进行的,而且转运的膜泡只与特定的靶膜融合,从而保证了物质有序的跨膜运输。此外胞吞作用导致质膜成分减少会通过质膜其他部位的胞吐作用补充,这种动态平衡对质膜成分的更新和维持细胞的生存、生长是必不可少的。