第五章 物质的跨膜运输

第一节 膜转运蛋白与物质的跨膜运输

物质通过细胞膜的转运主要有三种途径：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。

一、脂双层的不透性和膜转运蛋白

细胞内外的离子差别分布主要由于两种机制所控制：一是取决于一套特殊的膜转运蛋白（membrane transport protein）的活性；二是取决于质膜本身的脂双层所具有的疏水性特征。

膜转运蛋白可分为两类：一类是载体蛋白（carrier protein）；另一类是通道蛋白（channel protein）。

（一）载体蛋白及其功能

在几乎所有类型的生物膜上，载体蛋白是普遍存在、多次跨膜的蛋白质分子。每种载体蛋白与特定的溶质分子集合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。

载体蛋白如同细胞质膜上结合的酶，有特异性结合位点，可同特异性底物（溶质）结合，所以每种载体蛋白都是具有高度选择性的，通常只转运一种类型的分子；转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学特征即可被底物类似物竞争性抑制，又可被某种抑制剂非竞争性抑制以及对pH有依赖性等，因此有人将载体蛋白成为通透酶（permease）。

（二）通道蛋白及其功能

通道蛋白形成的离子选择性通道（ion-selective channel）。对离子的选择性依赖于离子通道的直径和形状，以及依赖于通道内衬带电荷氨基酸的分布，所以它所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，只有大小和电荷适宜的离子才能通过。

与载体蛋白相比，离子通道具有3个显著特征：

1、离子通道具有高的转运速率，驱动带点和离子的跨膜转运动力来自溶质浓度的浓度梯度和跨膜电位差两种力的合力，即跨膜的电化学梯度（electrochemical gradient），运输方向顺电化学梯度进行；

2、离子通道没有饱和值，即使在分高的离子浓度下它们通过的离子量依然没有最大值。

3、离子通道并非连续性开放而是门控的（gating），即离子通道的活性由通道开或关两种构想所调节，受控于适当的细胞信号。

根据激活信号的不同，离子通道可以区分为：电压门通道（voltage-gated channel）、配体门通道（ligand-gated channel）、应力激活通道（stress-activated channel）。

二、被动运输与主动运输

被动运输（passtive transport）是指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。

（一）简单扩散（simple diffusion）

小分子或离子的热运动从浓度高的一侧通过质膜向浓度低的一侧自行扩散。在这种跨膜运动中，不需要细胞能量，也没有膜蛋白的协助。基通透性主要决定于分子大水和分子极性。

某种物质对膜的通透性（P）可以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/d d为膜的厚度。

（二）水孔蛋白：水分子的跨膜通道

水孔蛋白（aquaporin，AQP）是内在膜蛋白的一个家族，在各种特异性组织细胞中，提供了水分子快速跨膜运动的通道。

水孔蛋白形成对水分子高度特异性的亲水通道，只容许水而不容许离子或其他小分子溶质通过。

（三）协助扩散

协助扩散（facilitated diffusion）是各种极性分子和无机离子顺其浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量，这与简单扩散相同，因此两者都称为被动运输。

协助扩散的特点：

①转运速率高；②存在最大转运速率； ③有膜转运蛋白参与，有特异性.

（四）主动运输

主动运输（active transport）是由载体蛋白质所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。

根据主动运输过程所需要的能量来源的不同，可将主动运输归纳为：①ATP直接诱导提供能量（ATP驱动泵）②相间提供能量（耦联转运蛋白）③光能驱动 3种类型。

1、ATP驱动泵

ATP驱动泵（ATP-driven pump）是ATP酶，直接利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运动。

2、耦联转运蛋白

耦联转运蛋白（coupled transporter）介导各种离子和分子的跨膜运动

2种基本类型：①同向转运蛋白（symporter）②反向转运蛋白（antiporter），这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度梯度的运动与一种多种不同离子顺浓度梯度的运动耦联起来。 由于这两类转运蛋白能同时转运两种不同的溶质，所以又称为协同转运蛋白（cotransporter）。协同转运蛋白所介导的主动运输又称次级主动运输（secondary active transporter）。

3、光驱动泵

光驱动泵（light-driven pump）主要是在细菌细胞中发现，对溶质的主动运输与光能的输入相耦联。

第二节 离子泵和协同转运

根据泵蛋白的结构和功能特性，ATP驱动泵可分为4类：P-型离子泵，V-型质子泵，F-型质子泵、ABC超家族。前3中只转运离子，后一种主要是转运小分子。

一、P-型离子泵

所有P-型离子泵（P-class ion pump）都有2个独立的α催化亚基，具有ATP结合位点；绝大多数还具有2个小的β亚基，通常起调节作用。

（一）钠钾泵

Na⁺-K⁺泵（Na⁺-K⁺ pump）具有ATP酶活性，因此又称Na⁺-K⁺ATPase。

机制：细胞膜内侧α亚基与Na⁺结合→α亚基在耗能情况下磷酸化→α亚基构象发生变化→Na⁺泵出细胞→同时胞外K⁺与α亚基另一结合位点结合→α亚基去磷酸化→α亚基构象再次发生变化→K⁺离子泵入细胞

特征：① 维持细胞的渗透性，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；③存在于一切动物细胞上，每消耗一个ATP，泵入泵出3个Na+，泵入2个K+离子作用机制。

（二）钙泵与其他P-型离子泵

    钙泵（Ca²⁺ pump or Ca²⁺ ATPase），分布在所有真核细胞的质膜和某些细胞器膜上，对细胞引发刺激-反应耦联具有重要作用。

         机制：细胞内钙调蛋白与钙泵结合调节钙泵活性，钙泵工作与ATP水解相偶联，每消耗1个ATP分子转运出2个Ca²⁺ 。

植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞其质膜上没有钠钾泵，而是具有质子泵（H⁺-ATPase），通过H⁺转运，建立和维持跨膜质子电化学梯度，并用来驱动转运溶质。

二、V-型和F-型质子泵

V-型质子泵（V-class proton pump）广泛传在与动物细胞内体、溶酶体膜，破骨细胞和某些肾小管细胞的质膜以及植物、酵母和其他真菌细胞液泡膜上，所以又称膜泡质子泵（vacuolar proton pump）。

F-型质子泵（F-proton pump）存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。

两者与P-型泵不同，在功能上都只是转运质子，并且在转运质子过程中泵蛋白不形成磷酸化的中间体。

三、ABC超家族

    ABC（ATP-binding cassette）超家族含有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。

所有ABC转运蛋白都共享一种由4个“核心”结构域组成的结构域模式：2个跨膜结构域（T），形成运输分子的跨膜通道；2个胞质侧ATP结合域（A）。

在正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。

四、协同转运

协同转运（transport）是一类由在钠钾泵（或质子泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。

根据物质运输方向于离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同转运可以分为：同向转运（symport）和反向转运（antiport）。

五、离子跨膜转运与膜电位

插入细胞微电极便可测出细胞质膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，即膜电位。

静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。

动作电位（active potential）：细胞在刺激作用下的膜电位。

极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。

去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。

反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。

超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。

第三节 胞吞作用与胞吐作用

按照膜泡的总体运动方向，将细胞内的膜泡转运分为：胞吞途径（endocytic pathway）和胞吐途径（exocytic pathway）。

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。

一、胞饮作用与吞噬作用

胞吞作用是通过细胞质膜内陷形成囊泡，称胞吞泡（endocytic vesicle），将外界物质裹迸并输入细胞的过程。

根据形成胞吞泡的大小和物质，胞吞作用可分为两类：胞吞物为溶液，形成的囊泡较小，成为胞饮作用（pinocytosis）；胞吞物为大的颗粒性物质，形成的囊泡较大，称为吞噬作用（phagocytosis）。

二、受体介导的胞吞作用

根据胞吞的物质是否有专一性，将胞吞作用分为受体介导的胞吞能作用（receptor mediated endocytosis）和非特异性的胞吞作用。

受体介导的胞吞作用过程：配体和受体结合 → 网格蛋白聚集 →有被小窝（coated pit） →有被小泡（coated vesicle） →去被的囊泡和胞内体融合 →溶酶体

不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。

三、胞吐作用（exocytosis）

将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。

1组成型的胞吐途径（constitutive exocytosis）

    1）存在于所有真核细胞中2）是连续分泌的过程 3）用于质膜的更新 4）通过defaulty pathway方式完成蛋白质转运过程

2调节型的胞吐途径（regulated exocytosis）

    1) 特化的分泌细胞所特有 2）分泌物储存在分泌泡中，受到刺激后被释放出来 3）分泌物具有共同的分选机制。