生物大分子和颗粒的跨膜转运

第二节　生物大分子和颗粒的跨膜转运

转运蛋白可以介导许多极性小分子的跨膜运输，但不能转运蛋白质、核酸、多糖等大分子及其他颗粒物质。生物大分子和颗粒物质通过细胞膜以及在细胞内的转运过程，是由膜包围形成小泡来进行的包括胞吞作用(endocytosis)和胞吐作用(exocytosis)两种基本形式。

一、胞吞作用

被摄入的物质先被细胞膜逐渐包裹，然后内陷形成小泡，再与细胞膜分离脱落进入细胞质，这个过程称为胞吞作用。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同，胞吞作用分为3种类型(图4-8):胞饮作用(pinocytosis)、吞噬作用(phagocytosis)和受体介导的胞吞作用(receptor-mediated endocytosis)。吞入的物质最终进入溶酶体，被溶酶体酶消化分解。

图4-8　胞吞作用的3种方式

(一)胞饮作用

胞饮作用即细胞的“喝、饮”，也就是吞入液体和小溶质分子的过程，形成的囊泡较小。细胞周围环境中的液体和小溶质分子先吸附在细胞表面，然后通过该部位细胞膜下微丝的收缩作用，使膜凹陷，包围了液体物质，接着与膜分离、脱落形成直径＜150nm的胞饮体(pinosome)或胞饮小泡(pinocytic vesicle)进入细胞质内。这种现象主要发生于人体的上皮细胞、黏液细胞、成纤维细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管细胞和巨噬细胞等。有报道，一个巨噬细胞1h饮入的液体，可达细胞体积的20％～30％。

(二)吞噬作用

吞噬作用即细胞的“吃”，也就是吞入较大的固体颗粒和大分子复合物的过程，如吞噬细菌和细胞的碎片。吞噬作用形成的囊泡称为吞噬体(phagosome)或吞噬泡(phagocytic vesicle)，直径一般＞250nm。哺乳动物的大多数细胞没有吞噬作用，只有少数特化细胞才具有这一功能，如网状内皮系统的巨噬细胞、单核细胞和多形核白细胞等，它们广泛地分布在组织和血流中，共同消灭异物，防御微生物的侵入，清除衰老和死亡的细胞等。

(三)受体介导的胞吞作用

除了一般进行的非选择性的胞吞和胞饮作用外，大分子物质内吞往往首先与细胞膜上的特异性受体结合，然后内陷形成有衣小窝(在电镜图像上可见其外表面覆盖有毛刺状结构)，继而形成有衣小泡进入细胞。这种受体介导的胞吞作用是高度特异性的，能使细胞摄入大量特定的配体，而不需摄入很多细胞外液，大大提高了内吞效率(可达非特异性的胞吞作用效率的1000倍)。激素、转换蛋白和低密度脂蛋白(LDL)等大分子都是通过这种途径进入细胞的。

用负染方法在电镜下观察，有衣小泡的衣被呈五边形或六边形排列闭合的足球状晶体结构(图4-9)，最主要的组成成分是网格蛋白(clathrin)。这是一种高度稳定的纤维状蛋白，相对分子质量为180000。网格蛋白是由1条重链和1条轻链组成的二聚体，3个二聚体形成三脚蛋白复合体(triskelion)，呈三分支状排列，它们在有衣小泡表面组装成五角形或六角形的网状结构。人类的网格蛋白重链基因有2个拷贝，在大脑组织中大量表达，编码1675个氨基酸的蛋白质，具有高度的进化保守性。轻链能与钙和钙调蛋白结合，易磷酸化，可能调控影响网格蛋白的组装和拆卸。网格蛋白的作用与有衣小窝最初的形成有关，一旦小泡形成，网格蛋白即解体脱下，可再去参加形成新的有衣小泡。网格蛋白与膜的结合依赖衣被中的其他蛋白，膜受体在有衣小窝内的固定也依赖衣被中的其他蛋白。

图4-9　有衣小泡的结构和装配

受体介导胞吞作用的典型例子是细胞对胆固醇的摄取(图4-10)。胆固醇是动物细胞生物膜形成的必需原料，如果胆固醇不能被利用而积累在血液中，将造成动脉粥样硬化。通常血中胆固醇与蛋白质结合，以LDL的形式存在和运输。当细胞需要胆固醇时，LDL颗粒可与细胞膜上LDL受体特异结合，这种结合可诱使尚未结合的LDL受体向有衣小窝处移动来与LDL结合，并引起有衣小窝继续内陷，形成有衣小泡。这样与受体结合的LDL颗粒很快被摄入细胞，接着有衣小泡迅速脱去网格蛋白衣被，并与细胞内其他囊泡融合，形成内体(endosome)。在内体内的LDL颗粒与受体分开，受体随转移囊泡返回到细胞膜，完成受体的再循环;LDL颗粒则被溶酶体酶水解为游离的胆固醇进入细胞质，用于合成新的生物膜。每一个LDL受体往返一次约需100min，24h内可往返数百次。

图4-10　LDL受体介导的胞吞作用

二、胞吐作用

胞吐作用与胞吞作用过程相反:细胞内某些物质由膜包围形成小泡，从细胞内部逐步移到细胞膜下方，小泡膜与质膜融合，最后把物质排出细胞外。真核细胞的分泌活动几乎都是以胞吐的形式进行的。

在真核细胞中不断产生分泌蛋白，它们合成后立即包装入高尔基复合体(GC)的分泌囊泡中，然后被迅速带到细胞膜处排出，这种分泌过程为结构性分泌途径(constitutive pathway of secretion)。另一些细胞所要分泌的蛋白或小分子，贮存于特定的分泌囊泡中，只有当接受细胞外信号(如激素)的刺激时，分泌囊泡才移到细胞膜处，与其融合将囊泡中分泌物排出，这种分泌过程称为调节性分泌途径(regulated pathway of secretion)。结构性分泌途径几乎存在于所有细胞中，但调节性分泌途径主要存在于特化的分泌细胞(如内分泌腺体细胞、神经细胞和消化腺细胞等)，通过引起细胞质Ca²⁺浓度瞬时增高来启动胞吐作用。

通过胞吐作用，细胞能将细胞内产生的各种物质排到细胞外，有的黏附在细胞表面，变成细胞被的一部分;有的则渗入细胞外基质中;有些扩散到细胞间质或血液中作为其他细胞的营养物质或信号。与此同时，囊泡膜可掺入细胞膜中，但也可以通过胞吞作用再回到细胞质内，还可以再被整合到新的分泌囊泡中。如此，通过胞吐作用与胞吞作用使胞内膜和细胞膜不断地得到交换和更新，形成细胞内膜的循环交流。