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Na+-K+泵的工作原理 生物工程学院学生论坛 生物021 邓邓福晋 Na+-K+泵的工作原理 1 .细胞内离子通道概述 2. Na+-K+泵简介 3. Na+-K+泵的具体工作流程 4. Na+-K+泵与疾病 5. Na+-K+泵的应用现状及前景 谢谢！ 细胞内离子通道概述 离子泵假说是解释质膜上主动运输机制的例子之一。 它认为，某些离子的运输之所以能逆浓度梯度的方向进行 ，是由于依靠了镶嵌在质膜脂质双分子层上的一种内在蛋 白的分子构象变化来实现的。即可看作一类特殊的载体蛋 白，能驱使特定的离子逆电化学梯度穿过质膜的过程，同 时消耗ATP形成的能源，属于主动运输。 细胞内离子泵除了钠钾泵外还有钙泵和质子泵。在概 述里简单介绍一下钙泵和质子泵。 活体细胞不停地进行新陈代谢活动，就必须不断地与周围环境进行物 质交换，而细胞膜上的离子通道就是这种物质交换的重要途径。人们 已经知道，大多数对生命具有重要意义的物质都是水溶性的，如各种 离子、糖类等，它们需要进入细胞，而生命活动中产生的水溶性废物 也要离开细胞，它们出入的通道就是细胞膜上的离子通道。 离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在 细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快 速进出细胞的通道。离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放 和关闭调节相应物质进出细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有 重要意义。两名德国科学家埃尔温内尔和贝尔特扎克曼即因发现 细胞内离子通道并开创膜片钳技术而获得1991年的诺贝尔生理学奖。 主动运输 主动运输是由于膜以某种方式提供了能量，物质分子或离子可以逆浓 度或逆电化学势差而移动。体内某种物质分子或离子由膜的低浓度 一侧向高浓度一侧移动，结果是高浓度一侧浓度进一步升高，而另一 侧该物质愈来愈少，甚至可以全部被转运到另一侧。 因此可得出主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输 ）；都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有 1. 协同运输中的离子梯度动力； 2. ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 3. 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。 钙离子泵 Ca2+泵 （图）分布在动、植物细胞质膜、线粒体内膜、 内质网样囊膜（SER-like organelle）、动物肌肉细胞肌质 网膜上，是由1000个氨基酸的多肽链形成的跨膜蛋白，它 是Ca2+激活的ATP酶，每水解一个ATP转运两个Ca2+到细 胞外，形成钙离子梯度。通常细胞质游离Ca2+浓度很低， 约10-710-8摩尔/升，细胞间液Ca2+浓度较高，约510-3摩 尔/升。胞外的Ca2+即使很少量涌入胞内都会引起胞质游离 Ca2+浓度显著变化，导致一系列生理反应。钙流能迅速地 将细胞外信号传入细胞内，因此Ca2+是一种十分重要的信 号物质。线粒体内腔、肌质网、内质网样囊腔中含高浓度 的Ca2+，浓度大于10-5摩尔/升，名为“钙库”。在一定的信 号作用下Ca2+从钙库释放到细胞质，调节细胞运动、肌肉 收缩、生长、分化等诸多生理功能。 质子泵 质子泵有三类（图）：P-type、V-type、F-type。 1、P-type：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation）， 发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动 物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞， 分泌胃酸）。 2、V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解 ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞 体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H沿浓度梯度运动，所 释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATP synthase ），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。F型质 子泵位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上，其详细结构 将在线粒体与叶绿体一章讲解。F型质子泵不仅可以利用质子动力势 将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子。 Na+-K+泵简介 细胞膜钠钾泵作用首先是由Hodkin和Keynes（1955）所 发现。1957年Skou发现了Na+-K+ ATP酶并证明其与钠钾 泵的作用有关。 钠钾泵的作用方式可因不同生理条件而异，在红细胞膜中 可能有以下几种方式： 1.正常的作用方式利用ATP的水介与Na+-K+的跨膜转 运相偶联。 2.泵的反方向作用利用Na+-K+的跨膜转运来推动ATP 的合成。 3.Na+ - Na+交换反应可能与ATP和ADP交换反应相偶联。 4.K+ - K+交换反应与Pi和H2(18)O的交换反应相偶联。 5.依赖ATP水解，解偶联使Na+排出。 钠钾泵的具体工作原理 Na+-K+泵 实际上就是Na+-K+ATP酶，存在于动、 植物细胞质膜上，它有大小两个亚基，大亚基催化ATP水 解，小亚基是一个糖蛋白。Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去 磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发 生变化。大亚基以亲Na+态结合Na+后，触发水解ATP。每 水解一个ATP释放的能量输送3个Na+到胞外，同时摄取2 个K+入胞，造成跨膜梯度和电位差，这对神经冲动传导尤 其重要，Na+-K+泵造成的膜电位差约占整个神经膜电压的 80。若将纯化的Na+-K+泵装配在红细胞膜囊泡（血影） 上，人为地增大膜两边的Na+、K+梯度到一定程度，当梯 度所持有的能量大于ATP水解的化学能时，Na+、K+会反 向顺浓差流过Na+-K+泵，同时合成ATP。 钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸 化过程，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬 氨酸残基上，导致构象的变化。通过自磷酸化来转运离子 的离子泵就叫做P-type，与之相类似的还有钙泵和质子泵 。它们组成了功能与结构相似的一个蛋白质家族 。 Na+-K+泵作用是：维持细胞的渗透性，保持细胞的体 积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电 位。 乌本苷（ouabain）、地高辛（digoxin）等强心剂能抑 制心肌细胞Na+-K+泵的活性；从而降低钠钙交换器效率， 使内流钙离子增多，加强心肌收缩，因而具有强心作用。 Na+-K+泵与疾病 经科学研究，发现Na+-K+泵在人体的正常代谢中具有 非常重要的作用，与一些疾病的发生也有着密切的关系。 如肝水肿、白内障、囊纤维化 、癫痫 、偏头痛 、高血压 等。另外，最近的研究表明， Na+-K+泵还与屡减仍肥有 着千丝万缕的关系。 在这里，仅就白内障和高血压与Na+-K+泵的关系做一 点介绍。 白内障与Na+-K+泵 白内障的病因 较为复杂，可能是环境、营养、 代谢和遗传等多种因素。对晶状体长期综合作用 的结果。一般认为，氧化损伤引起白内障的最早 期变化。氧化作用会损伤晶状体细胞膜，使维持 细胞内正常代钠和高钾离子浓度的Na+-K-ATP酶 泵功能明显改变，对钠离子的通透性增加，使晶 状体内的钠离子增加，导致水的流失，开始了皮 质性白内障的过程 高血压与Na+-K+泵 据报道，高血压患者及有高血压家族史而血压正常者有跨 膜电解质转运紊乱，其血清中有一种激素样物质，可抑制 Na+/K+ATP酶活性，以致钠钾泵功能降低，导致细胞内 Na+、Ca2+浓度增加，动脉壁SMC收缩加强，肾上腺素能受 体（adrenergic receptor）密度增加，血管反应性加强 。这些都有助于动脉血压升高。近来研究发现，血管紧张 素（AGT）基因可能有15种缺陷，正常血压的人偶见缺陷 ，而高血压患者在AGT基因上的3个特定部位均有相同的变 异。患高血压的兄弟或姐妹可获得父母的AGT基因的同一 拷贝。有这种遗传缺隐的高血压患者，其血浆血管紧张素 原水平高于对照组。 屡减仍肥与Na+-K+泵 新近发现，有些肥胖者虽然坚持节食，活动量也 不小，但依然“体壮膘肥”，即使使尽各种减肥 手段，体重也有增无减，煞是令人苦恼。其实， 这种肥胖的根本原因是因为人体中褐色脂肪组织 的产热功能发生了故障，无法正常产热，不能消 耗能源脂肪。这主要是镶嵌在竭色脂肪细胞膜上 的一种被称为钠钾三磷酸腺苷酶的“转移泵”运 转