第5章跨膜运输

细胞生物学第五章物质的跨膜运输

三种运输方式

●被动运输（passivetransport）

●主动运输（activetransport）

●胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）

前2种方式运输小分子后一种运输大分子，有溶酶体和Golgi体参与物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。

两种机制

●质膜本身的脂双层疏水特征●膜转运蛋白的活性

膜转运蛋白与物质的跨膜运输

典型的哺乳动物细胞内外离子浓度的比较第一节载体蛋白、通道蛋白和小分子物质运输

细胞的小分子运输的类型

载体蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输通道蛋白（channelproteins）特点：具有离子选择性，转运速率高（107－8/s）；没有饱和值；离子通道是门控的；只介导被动运输

类型：电压门通道（voltage-gatedchannel）

配体门通道（ligand-gatedchannel）

压力激活通道（stress-activatedchannel）

水通道（waterchannel）一、载体蛋白和通道蛋白扩散载体蛋白特异性饱和动力学特征不作共价修饰载体蛋白工作机制（一）、载体蛋白：举例二、通道蛋白类型VoltagegatedK+channel特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠(P区或H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。1.电压门通道特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位。2.配体门通道受体门通道-

Nicotinicacetylcholinereceptor乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2）调节主要为亚基变化通道开启：Na+

内流，K+外流，膜去极化。3.应激门（机械门）通道当感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等，细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导。两类机械门通道，其一是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜（如：血管内皮细胞、心肌细胞、内耳毛细胞），后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。牵拉敏感的离子通道的特点：对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD），目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白或者水孔蛋白（Aquaporin，AQP）。2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。4.水孔蛋白AQP1：4个亚基，每个有6个跨膜结构域，氨基端与羧基端完全对称水孔蛋白举例三、被动运输（passivetransport）

定义：通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白类型：简单扩散（simplediffusion）

协助扩散（facilitateddiffusion） 载体蛋白+通道蛋白

1、简单扩散

疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单的扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散。通透性:P=KD/dK:油水中的分配系数D：扩散系数d：膜的厚度

各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量，但需要特异的膜蛋白“协助”物质转运,使其转运速率增加，转运特异性增强，因此称协助扩散。

2、协助扩散四、主动运输（activetransport）●定义：是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。需要细胞提供能量。●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白

被动与主动运输的比较●类型：三种基本类型

1.由ATP直接提供能量的ATP驱动泵：初级主动运输2.协同转运（cotransport）或耦联转运蛋白：次级转运3.光驱动泵物质的跨膜转运与膜电位1、三种基本类型ATP驱动泵：又称初级主动运输协同运输、耦联转运：次级主动运输光泵驱动:主要在细菌中发现由ATP直接提供能量的主动运输

一、P-型离子泵钠钾泵（结构与机制）（P-型离子泵）钙泵（Ca2+-ATP酶）（P-型离子泵）H+-泵（P-型质子泵）（植物、细菌、真菌细胞膜上，驱动转运物质摄入细胞）二、质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵和F-型质子泵（H+-ATP合成酶）三、ABC超家族（主要转运小分子）

第二节ATP驱动离子泵和协同运输cotransport一、P-型离子泵1.钠钾泵1.钠钾泵的工作原理生物学意义细胞的正常生命活动神经冲动的传递维持渗透压的平衡恒定的细胞体积结构:1000个aa构成的跨膜蛋白，与Na+-K+泵的α亚基同源。工作原理：泵工作与ATP的水解相偶联，每消耗一个ATP分子转运出两个Ca2＋。钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将Ca2＋输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2＋。钙泵在肌质网内储存Ca2＋,对调节肌细胞的收缩与舒张是至关重要的。2.钙泵二、质子泵：可分三种：第一种与Na+-K+泵和Ca2＋泵结构类似，在转运H＋的过程中涉及磷酸化和去磷酸化（哺乳动物胃H+-K+泵），存在于植物细胞、真菌和细菌的细胞膜上，称P型质子泵；第二种（v型质子泵）存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜。转运H＋过程中不形成磷酸化的中间体，称v型质子泵，其功能是从细胞质基质中泵出H＋进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性pH和细胞器内的酸性PH；第三种（F型质子泵）存在于线粒体内膜、植物类囊体膜和多数细菌质膜上，它以相反的方式来发挥其生理作用，即H＋顺浓度梯度运动，将所释放的能量与ATP合成偶联起来，如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化作用，因此称为H＋—ATP合成酶更合适。H＋—ATP合成酶

ABC超家族，一种ATP驱动泵：种类繁多：几百种不同的转运蛋白，广泛分布在从细菌到人类各种生物体中；特异性底物：离子、单糖、氨基酸、磷脂、肽、多糖、蛋白质；分布：肝、肾、小肠等质膜分布丰富，能将天然毒物和代谢废物排除体外。真核细胞第一个ABC：肿瘤MDR1三、ABC超家族

四、协同运输（cotransport）由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同运输，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。类型：根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向分为共运输（symport）和反向运输(antiport)

动物、植物细胞由载体蛋白

介导的协同运输异同点的比较膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位：在静息状态下的膜电位。（极化）K＋电化学梯度。动作电位：在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。Na+通道打开，瞬时大量Na+离子内流。五、离子跨膜转运与膜电位：总结：细胞的小分子运输的类型第三节胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）

真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，物质包裹脂双层围绕的囊泡内，因此又称膜泡运输，也称为批量运输（bulktransport），属于主动运输。

●胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡，将外界物质裹进并输入细胞的过程。

●胞吐作用将细胞内的分泌泡或其它某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出的过程。一、胞吞作用endocytosis

●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。 胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别●网格蛋白有被小泡介导的选择性运输过程●受体介导的内吞作用●

胞内体（endosome）及其分选作用1、胞饮作用（pinocytosis）胞饮泡的形成机制1.1.通过网格蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图

1.2.受体介导的胞吞作用

选择浓缩机制（selectiveconcentratingmechanism）Fig.LDL的受体介导的胞吞作用

在细胞胞吞过程中，胞内体被认为是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。在受体介导的胞吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：一、大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如上面讨论过的LDL受体又循环到质膜再利用；二、有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体，在那里被消化，如与表皮生长因子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．称为受体下行调节；三、有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称作跨细胞的转运。1.3.胞内体的分选作用2、吞噬作用（phagocytosis）二、胞吐作用●组成型胞吐途径（constitutiveexocytosispathway）膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）

defaultpathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面●调节型胞吐途径（regulatedexocytosispathway）

特化的分泌细胞储存——刺激——释放

产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白