第章 物质的跨膜运输

LearningObjectives:

1.Principlesofmembranetransport;2.Passivetransportandactivetransport;3.Twomainclassesofmembranetransportproteins:CarriersandChannels;4.Theiontransportsystems;5.EndocytosisandExocytosis:cellularuptakeofmacromoleculesandparticles.当前1页，总共68页。细胞膜是防止细胞内外物质自由流动的屏障，保证了细胞内环境的稳定，使各种生化反应能有序运行。但细胞必须与环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定生理功能。物质通过细胞膜的运输方式：（1）被动运输；（2）主动运输；（3）胞吞与胞吐作用。当前2页，总共68页。一、被动运输（passivetransport）物质依靠自身浓度梯度驱动以简单扩散或协助扩散的方式透过细胞膜进入细胞的运输方式。该过程需顺着浓度梯度，不需要额外的能量。当前3页，总共68页。（一）简单扩散（simplediffusion）也称自由扩散（freediffusing），特点：（１）沿浓度梯度(或电化学梯度)扩散；（２）不需要提供能量；（３）没有膜蛋白协助。当前4页，总共68页。某种物质对膜的通透性（P）可根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算：P=KD/t，t为膜的厚度。当前5页，总共68页。简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性

脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；小分子比大分子容易透过，非极性分子比极性容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。当前6页，总共68页。非极性的小分子如O2、CO2、N2可很快透过脂双层；不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可透过人工脂双层，速度慢；分子量略大的葡萄糖、蔗糖则难透过；带电荷的离子：H+、Na+、K+、Cl－、HCO3－高度不通透的当前7页，总共68页。不同物质透过人工脂双层的能力当前8页，总共68页。（二）协助扩散

（faciliatieddiffusion）

是指极性物质及带电离子在膜蛋白帮助下，顺着离子梯度，不消耗ATP进入细胞的一种运输方式。特点：（１）需要膜蛋白帮助：通道蛋白和载体蛋白；（２）比自由扩散转运速率高；（３）存在最大转运速率；（４）有特异性，即与特定溶质结合。（５）受各种抑制：竞争性抑制、变性剂抑制当前9页，总共68页。１、载体蛋白（carrierproteins）是多次跨膜蛋白，与被运输的离子和分子结合，通过自身构型的变化或移动完成物质运输。具有特异性结合位点，只能与某种物质进行暂时性、可逆性结合和分离。具有酶的特性：转运过程有类似酶与底物的作用曲线。当前10页，总共68页。当前11页，总共68页。典型例子：葡萄糖促进扩散当前12页，总共68页。当前13页，总共68页。2、通道蛋白（channelprotein）形成跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，又称离子通道。单体蛋白或多亚基蛋白形成亲水性通道。不与被运输物结合，运输速度快，无饱和性。具有高度选择性。

具有开关两种构型，所形成的通道是门控性当前14页，总共68页。

离子选择性(ionicselectivity)：不同通道对不同离子的通透性不同。是由通道的结构所决定，只允许具特定离子半径和电荷的离子通过。依离子选择性的不同，通道可分为钠离子通道、钙离子通道、钾离子通道、氯离子通道等。

但通道的离子选择性只是相对的，如钠通道主要对Na+通透，对NH4+也通透。当前15页，总共68页。门通道的类型：（1）配体门通道(ligandgatedchannel)；（2）电位门通道(voltagegatedchannel)；（3）环核苷酸门通道(CyclicNucleotide-GatedIonChannels)（4）机械门通道(mechanosensitivechannel)。当前16页，总共68页。当前17页，总共68页。1、配体门通道表面受体与细胞外特定配体(ligand)结合，引起门通道蛋白发生构象变化，使“门”打开。又称离子通道型受体。阳离子通道：乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；阴离子通道：甘氨酸和γ－氨基丁酸受体。当前18页，总共68页。

N-乙酰胆碱受体是了解较多的配体门通道。由4种不同亚基组成的5聚体。亚基通过氢键等非共价键，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。当前19页，总共68页。α银环蛇毒素可与乙酰胆碱受体结合，但不能开启通道，导致肌肉麻痹。当前20页，总共68页。Ach门通道作用机制：当受体的两个α亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流。使该处膜内外电位差接近于0值，形成终板电位，引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。当前21页，总共68页。2、电位门通道

（voltage-gatedchannel）受膜内外电压变化控制的一类门通道。细胞内外离子浓度发生变化时，引起膜电位变化，使其构象变化，“门”打开。神经肌肉接点，Ach配体门通道开放引起终板电位→相邻肌细胞膜中Na+和K+电位门通道开放→肌细胞动作电位→肌质网→Ca2+通道打开，Ca2+外流→肌肉收缩。当前22页，总共68页。对Na+、K+、Ca2+通道蛋白质结构分析，它们一级结构中的氨基酸有较大的同源性，属同一蛋白质家族，由同一个远祖基因演化来。

K+电位门通道由四个α亚基(I-IV)构成，每个亚基均有6个(S1-S6)跨膜α螺旋段，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样β折叠(H5区)，构成通道的内衬，大小可允许K+通过。当前23页，总共68页。当前24页，总共68页。S4段被认为是电压感受器，它高度保守，属疏水片段，但每隔两个疏水残基有一个带正电的Arg或Lys。S4段上的正电荷可能是门控电荷，膜去极化时(膜外-，膜内+)，引起带正电的氨基酸转向胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打开。K+电位门和Ach配体门一样，只是瞬间(几毫秒)开放，然后失活，此时N端的球形结构，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球体释放，“门”处于关闭状态。当前25页，总共68页。当前26页，总共68页。当前27页，总共68页。3、环核苷酸门通道CNG通道与电压门通道家族关系密切，从蛋白质序列看，与电压门钾通道结构相似，通道为四聚体结构，每个亚基也有6个跨膜片段，P区构成孔道内侧。CNG通道中，细胞内的C末端较长，含环核苷酸的结合位点。当前28页，总共68页。环核苷酸门通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。当前29页，总共68页。4、机械门通道受机械力控制的一类通道。比较明确的两类机械门通道：（1）牵拉活化或失活的离子通道，存在于所有的细胞膜。（2）剪切力敏感的离子通道，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。当前30页，总共68页。牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜牵拉所开放或关闭的离子通道。特点：（1）对离子的无选择性、无方向性、非线性及无潜伏期。（2）多为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。当前31页，总共68页。

研究表明，当内皮细胞被牵拉时，由于通道开放引起Ca2+内流，Ca2+可作胞内信使，使以Ca2+介导的血管活性物质分泌增多，导致进一步的反应。

当前32页，总共68页。

内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，声音的振动推开牵拉门通道，使离子进入听觉毛细胞，建立起一种电信号，从毛细胞传递至听觉神经和大脑。

当前33页，总共68页。当前34页，总共68页。5、水通道细胞内外的水分子被认为是以简单扩散的方式透过脂双层膜。某些细胞在低渗溶液中对水的通透性极高,难以简单扩散来解释，如红细胞在低渗溶液中的溶血。而蛙类卵母细胞在低渗溶液不膨胀。当前35页，总共68页。1988年，Agre发现红细胞膜上有一个28KD的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28；1991年，Agree得到CHIP28的cDNA序列，并将它的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀破裂。当前36页，总共68页。纯化的CHIP28置入脂质体，也得到同样结果。细胞的这种吸水膨胀现象能被Hg2+抑制，而Hg2+是已知的唯一能抑制水通透的物质。这些研究揭示了细胞膜上存在水通道，Agre因此与离子通道研究者MacKinnon共享2003年诺贝尔化学奖。当前37页，总共68页。在人类细胞中至少已发现11种此类蛋白，称水通道蛋白（Aquaporin，AQP），均具选择性的让水分子通过的特性。在模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)中已发现35种这类水通道。当前38页，总共68页。二、主动运输一）、特点：1、依赖载体蛋白。2、逆浓度或电化学梯度运输；3、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)；4、具选择性和特异性。当前39页，总共68页。主动运输所需的能量来源主要有：1、水解ATP提供能量：Na/K泵2、离子浓度梯度动力：协同运输3、光能驱动，如细菌当前40页，总共68页。当前41页，总共68页。二）、参与主动运输的泵参与主动运输的载体蛋白称泵，本质上是ATPase。类型：1、P型泵：运输时需磷酸化，Na+/K+，Ca++2、V型泵：存在于小泡的膜上，需ATP，但不磷酸化3、F型泵：细菌、线粒体和叶绿体，在能量转换中起作用；4、ABC型泵：存在于所有细胞，以ATP供能。当前42页，总共68页。四种ATP驱动的离子泵当前43页，总共68页。(一)钠钾泵：P型泵由2个大亚基（α亚基）、2个小亚基（β亚基）组成的4聚体。α亚基是跨膜蛋白，在膜内侧有ATP结合位点，细胞外侧有乌本苷的结合位点；α亚基还有Na+、K+结合位点。工作原理：通过磷酸化和去磷酸化产生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力变化。当前44页，总共68页。1、运输过程膜内侧Na+与泵结合→ATP酶活性→ATP水解→酶（泵）磷酸化→构象变化→与Na+结合部位转向膜外侧→对Na+亲和力低，对K+亲和力高→释放Na+、与K+结合→酶（泵）去磷酸化，构象恢复→转向膜内侧，K+与酶（泵）亲和力降低，K+释放。总结果：每一循环消耗1个ATP，转运出3个Na+，转进2个K+。当前45页，总共68页。当前46页，总共68页。2、Na+-K+泵作用（1）维持细胞内渗透压，保持细胞的体积；（2）维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。

当前47页，总共68页。(二)钙离子泵：P型泵钙离子是细胞内的重要信使物质，细胞内通常需要保持较低的钙离子浓度（10-7M），比细胞外钙离子浓度（10-3M）低几个数量级。维持这样大的浓度梯度主要靠质膜和内质网膜上存在钙泵。钙泵的原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。当前48页，总共68页。钙离子泵当前49页，总共68页。(三)质子泵（H+泵）有3类：P-type、V-type、F-type。1、P-type：存在于真核细胞的细胞膜上。载体蛋白利用ATP使自身磷酸化，通过构象改变来转移质子。植物细胞膜上的H+泵功能类似于动物细胞上的钠钾泵。2、V-type：位于动物溶酶体及植物液泡膜上，把细胞质中H+泵进细胞器。载体蛋白水解ATP获得能量，但不进行磷酸化。当前50页，总共68页。当前51页，总共68页。当前52页，总共68页。3、F-type：位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。工作方式与P型、V型泵相反：H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来产生ATP，也称ATP合酶(ATPsynthase)。当前53页，总共68页。(四)ABC转运器

（ABCtransporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶(transportATPase)，属一个庞大而多样的蛋白家族，成员都含两个高度保守的ATP结合区(ATPbindingcassette)，故名ABC。结合ATP后发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。当前54页，总共68页。ABC转运器当前55页，总共68页。真核细胞被发现的第一个ABC转运器是多药抗性蛋白(MDR)，该基因在癌细胞中过表达，降低了化疗的疗效。ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。临床用的抗真菌药物氟康唑、酮康唑、伊曲康唑等，真菌对这些药物产生耐药性的原因是通过MDR蛋白降低了细胞内药物浓度。当前56页，总共68页。三）、协同运输（cotransport）是一类靠间接能量工作的主动运输方式。所需能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度。维持这种电化学势就是靠钠钾泵或质子泵，动物细胞常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。依物质运输方向与离子沿浓度梯度转移方向分：同向协同(symport)与反向协同(antiport)。当前57页，总共68页。1、同向协同（symport）是指物质运输方向与离子转移方向相同。动物小肠细胞对葡萄糖的吸收即伴随着Na+的进入。细胞内的Na+又被钠钾泵泵出，细胞内始持较低Na+浓度，形成电化学梯度。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入，每转移一个H+吸收一个乳糖分子。当前58页，总共68页。小肠对葡萄糖的吸收当前59页，总共68页。2、反向协同（antiport）指物质跨膜运输方向与离子转移方向相反。

动物细胞以Na