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1、第五章 物质的跨膜运输 物质跨膜转运主要有 3 种途径：被动运输、主动运输、胞吞与胞吐作用膜泡运输。第一节 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输 一、脂双层的不透性和膜转运蛋白 细胞膜上存在 2 类主要的转运蛋白，即：载体蛋白carrier protein和通道蛋白channel protein。载体蛋白和通道蛋白识别转运物质的方式不同：载体蛋白只允许与其结合部位相适合的溶质分子通过，而且每次转运都发生自身构象的改变；通道蛋白主要根据溶质大小和电荷进行区分，通道开放时，足够小和带适当电荷的溶质就能通过。一载体蛋白及其功能 载体蛋白为屡次跨膜蛋白，又称做载体carrier、通透酶和转运器transp
2、orter，能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。载体蛋白既可以执行被动运输、也可执行主动运输的功能。二通道蛋白及其功能 通道蛋白有 3 种类型：离子通道、孔蛋白、水孔蛋白AQP。只介导被动运输。1.选择性离子通道，具有如下显著特征：离子选择性相对的 转运离子速率高没有饱和值 大多数具门控性 分为：电压门通道、配体门通道、应力激活通道 电位门通道举例：电位门通道voltage gated channel是对细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化时，或对其他刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门翻开。如：神经肌肉接点由 Ach 门控通道开放而出现终板电位时，这
3、个电位改变可使相邻的肌细胞膜中存在的电位门 Na+通道和 K+通道相继激活即通道开放，引起肌细胞动作电位；动作电位传至肌质网，Ca2+通道翻开引起 Ca2+外流，引发肌肉收缩。配体门通道举例乙酰胆碱门通道 N 型乙酰胆碱受体是目前了解较多的一类配体门通道。它是由 4 种不同的亚单位组成的 5 聚体，总分子量约为 290kd。亚单位通过氢键等非共价键，形成一个结构为 2 的梅花状通道样结构，其中的两个 亚单位是同两分子 Ach 相结合的部位。Ach乙酰胆碱门通道具有具有 3 种状态：开启、关闭和失活。当受体的两个 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+
4、外流。使该处膜内外电位差接近于 0 值，形成终板电位，然后引起肌细胞动作电位，肌肉收缩。即使在结合 Ach 时，Ach 门通道也处于开启和关闭交替进行的状态，只不过开启的概率大一些90%。Ach 释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约 1 毫秒内关闭。如果 Ach 存在的时间过长约 20 毫秒后，那么通道会处于失活状态。应力激活通道机械门通道 细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、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最终引起细胞反响的过程称为机械信号转导 mechanotransduction。内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，
5、毛细胞会出现暂短的感受器电位。2.孔蛋白 存在于革兰氏阴性细菌的外膜、线粒体和叶绿体的外膜上，跨膜区域由折叠片层形成柱状亲水性通道，选择性较低，能通过较大分子如线粒体外膜孔蛋白允许分子量为 5103的分子通过。3.水孔蛋白：水分子的跨膜通道水通道 水通道和水孔蛋白的发现 红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。水分子的简单扩散速度缓慢。对于某些特殊的组织和特殊功能来说，水分子通过水孔的快速跨膜转运是非常重要的。如肾小管对水的重吸收、从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成等
6、。水孔蛋白Aquaporin，AQP是内在膜蛋白的一个家族，具有选择性让水分子通过的特性。水通道特异性容许水通过，不容许离子或其他小分子溶质通过，机制尚不完全清楚，：1与通道内 2 个半跨膜区的 Asn-Pro-Ala 模式有关，其中的 Asn 残基所带的正电荷排除了质子的通过；2通道内有高度保守的氨基酸残基Arg、His、Asp侧链与通过的水分子形成氢键；3水通道非常狭窄。二、小分子物质的跨膜运输类型 根据是否需要膜转运蛋白参与以及细胞是否提供能量，跨膜运输分为 3 种类型：简单扩散、被动运输协助扩散、主动运输。一简单扩散 疏水小分子或不带电荷的极性小分子的一种跨膜转运方式，也叫自由扩散fr
7、ee diffusing，特点是：沿浓度梯度或电化学梯度扩散；不需要细胞提供能量；没有膜蛋白的协助。脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易穿膜可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜脂运动而产生的间隙。二被动运输 也称协助扩散faciliatied diffusion，是各种极性小分子和无机离子如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等在膜转运蛋白的“协助下，顺浓度梯度或电化学梯度、不需要细胞提供能量的一种物质跨膜转运方式。这类膜转运蛋白主要有：载体蛋白、通道蛋白 2 种类型。(三)主动运输 主动运输是由载体蛋白介导的物质逆浓
8、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，需要与某种释放能量的过程相耦联。由载体蛋白介导 逆浓度梯度或电化学梯度 需要与某种释放能量过程相偶联 根据所需能量来源，将主动运输归为 3 种根本类型：1.ATP 驱动泵为转运 ATP 酶，直接水解 ATP 提供能量，与小分子或离子逆电化学梯度跨膜转运相偶联，因此称起其介导的主动运输为初级主动运输 2.协同转运蛋白或耦联转运蛋白 使一种离子或分子的逆浓度梯度转运与一种或多种离子的顺浓度梯度耦联；同向协同转运蛋白、反向协同转运蛋白；所需能量来自协同转运的溶质的电化学梯度，因此称起其介导的主动运输为次级主动运输 3.光驱动泵利用光能运输
9、物质，见于细菌，如菌紫红质利用光能驱动 H+的转运。协同转运 协同转运cotransport是一类靠 ATP 间接提供能量，通过 ATP 泵与载体蛋白协同完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的直接动力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需要消耗 ATP。动物细胞中常常利用质膜两侧 Na+浓度梯度和细胞器膜两侧的 H+浓度梯度来驱动；植物细胞、酵母和细菌常利用 H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同转运symport与反向协同antiport转运。1同向协同转运 物质运输方向与离子转移方向相同。如动物小肠细胞对
10、对葡萄糖、氨基酸等的吸收就是伴随着 Na+的进入，细胞内的 Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外，细胞内始终保持较低的钠离子浓度，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 1 个 H+吸收 1 个乳糖分子。2、反向协同转运 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。如动物细胞常通过 Na+/H+反向协同运输的方式来转运 H+以调节细胞内的 PH 值，即 Na+的进入胞内伴随者 H+的排出。此外质子泵可直接利用 ATP 运输 H+来调节细胞 PH 值。第二节 ATP 驱动泵与主动运输 ATP 驱动泵将 ATP 水解释放能量，与小分子物质或离子逆电化学浓度跨膜运输偶联，因此称为转
11、运 ATPase。ATP 驱动泵可分为 4 类:P 型泵、V 型质子泵、F 型质子泵、ABC 超家族。前 3 种只转运离子，后 1 种主要转运小分子。一、P 型泵 “P type stands for phosphorylation 所有的 P 型泵都有 2 个独立的催化亚基，具有 ATP 结合位点；绝大多数还有 2 个起调节作用的小的亚基。在转运离子过程中至少有 1 个亚基发生磷酸化和去磷酸化反响，从而改变转运泵的构象，实现离子的跨膜转运。由于转运转运泵水解 ATP 使使自身形成磷酸化中间体，因此称作 P 型泵。一Na+-K+泵 只在动物细胞膜发现。1.钠钾泵的结构和转运机制 图 5-8 N
12、a+-K+泵的结构A与工作模式B示意图 A Model Mechanism for the Na+/K+ATPase 又称 Na+-K+ATPase，由 2 个亚基、2 个亚基组成的 4 聚体。亚基是糖基化的多肽，不直接参与离子跨膜转运，但帮助在内质网新合成的亚基进行折叠。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+的亲和力发生变化去磷酸化时与 Na+亲和性高，磷酸化时与 K+亲和性高，从而实现离子跨膜转运。在膜内侧 Na+与亚基结合，激活 ATP 酶活性，使 ATP 分解，亚基上的一个天冬氨酸残基被磷酸化，构象发生变化，于是与 Na+结合的部位转向膜外侧
13、；这种磷酸化的酶对 Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放 Na+、而与 K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与 K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使 K+在膜内被释放，而又与 Na+结合。其总的结果是每一磷酸化和去磷酸化循环消耗 1 个 ATP；转运出 3 个 Na+，转进 2 个 K+。2.Na+-K+泵主要生理功能 1维持细胞膜电位 细胞质膜两侧均具有电位差，称为膜电位。膜电位是膜两侧的离子浓度不同形成的。细胞静息膜电位为外正内负。Na+-K+泵对于膜电位的形成有重要作用。这对神经冲动的传播有重要作用。2维持动物细胞渗透平衡 N
14、a+-K+泵维持低 Na+、高 K+的细胞内环境，不断将 Na+泵出细胞外，维持了细胞的渗透平衡，对于保持细胞的体积，维持细胞正常的生命活动非常必要。动物细胞靠 Na+-K+泵维持渗透平衡；植物细胞依靠细胞壁防止膨胀和破裂，耐受较大的跨膜渗透差异，并具有相应的生理功能，如保持茎坚挺和调节气孔的气体交换等。一些原生动物如草履虫通过收缩泡收集和排除过量的水。3吸收营养 动物细胞对葡萄糖、氨基酸等有机物的跨膜吸收的能量来自蕴藏在膜两侧的 Na+的电化学梯度中的势能。如在 Na+驱动下，葡萄糖跨膜转运入小肠上皮细胞，然后再经 GLUT2 协助扩散进入血液，完成葡萄糖的吸收。动物细胞利用膜两侧的 Na+
15、电化学梯度协同转运吸收营养物；而植物、真菌和细菌细胞通常利用质膜上的 H+-ATPase 形成的 H+电化学梯度来吸收营养物，如某些细菌中，乳糖的吸收伴随着 H+从细胞质膜外进入细胞，酶每转移 1 个 H+，吸收 1 个乳糖分子。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。二Ca2+泵和其他 P 型泵 1Ca2+泵的结构和功能 细胞内 Ca2+泵有 2 类：一是 P 型 Ca2+泵，其作用原理与钠钾泵相似，每分解 1 个 ATP 分子，泵出 2 个 Ca2+。另一类叫做钠钙交换
16、器Na+-Ca2+exchanger，属于反向协同运输体系antiporter，通过钠钙交换来转运钙离子。耦联转运蛋白泵 Ca2+泵对调节肌细胞的收缩运动至关重要：位于肌质网sarcoplasmic reticulum，肌肉细胞内质网上的 Ca2+泵是了解最多的一类 P 型离子泵，占肌质网膜蛋白质的 90%以上。肌质网是一类特化的内质网，形成网管状结构位于细胞质中，具有贮存钙离子的功能。肌细胞膜去极化后引起肌质网上的 Ca2+通道翻开，大量 Ca2+进入细胞质，引起肌肉收缩之后由Ca2+泵将 Ca2+泵回肌质网。2P 型 H+泵 H+-ATPase:分布在植物、真菌、细菌质膜，将 H+泵出细胞
17、，建立和维持 H+电化学梯度类似于动物细胞的 Na+-K+泵建立和维持的 Na+的电化学梯度，在溶质次级运输、胞质 pH 的控制、细胞生长控制通过植物细胞壁的酸化等方面有重要作用。二、V-型质子泵和 F-型质子泵H+泵 除了 P-型质子泵外，还有 V-型质子泵和 F-型质子泵。1V-型质子泵膜泡质子泵 多位于小泡vacuole的膜上，故称 V 型质子泵。由多亚基构成，水解 ATP 产生能量，但不发生自磷酸化，将质子逆电化学梯度从胞质泵进细胞器，以维持细胞质基质 pH 中性和细胞器内的酸性。位于溶酶体膜、动物细胞的胞内体膜、植物液泡膜和某些细胞质膜上。2F-型质子泵H+ATP 合酶，H+ATP
18、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，是由多亚基构成的管状结构，H顺电化学梯度运动，所释放的能量与 ATP 合成耦联起来如光合磷酸化、氧化磷酸化，所以也叫H+ATP 合酶即 F1F0ATP synthase。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。三、ABC 超家族 一ABC 转运蛋白的结构与工作模式 ABC 转运器ABC transporter最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种转运 ATP 酶transport ATPase。ABC 转
19、运器广泛分布在细菌、植物、动物和人类等各种生物中，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有 2 个高度保守的 ATP 结合区ATP binding cassette，故名 ABC 转运器。作 用：1转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质、磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子物质，维持细胞正常生理活动，将天然毒物和代谢废物排除体外。2ABC 转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。二ABC 转运蛋白与疾病 多药抗性蛋白multidrug resistance protein,MDR：癌细胞中过表达，将药物泵出细胞外，降低了化学治疗的疗效。第一个
20、被发现的真核细胞的 ABC 转运器是多药抗性蛋白multidrug resistance protein,MDR，该基因通常在肝癌患者的癌细胞中过表达，将通过简单扩散进入到细胞中的治疗药物秋水仙碱、长春花碱等阻断微管组装泵出细胞外，降低了化学治疗的疗效，需要增加剂量。约 40%的患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC 转运器还与病原体对药物的抗性有关。一些人类遗传病的发生与 ABC 转运蛋白功能改变有关：如囊性纤维化。四、离子跨膜转运与膜电位 1膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差。2静息电位：细胞在静息状态下的膜电位。3动作电位：在刺激条件下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位。4极化：静
21、息电位是细胞膜内外相对稳定的电位差，膜内为负，膜外为正，这种现象称为 极化。静息膜电位的外正内负极化现象，在动物细胞主要是通过 Na+-K+泵使 Na+外高内低、K+外低内高，以及静息状态下门控的 K+渗漏通道通常是开放的，而其他离子如 Na+、Cl-、Ca2+通道通常是关闭的使 K+顺化学梯度流出胞外其他离子如 Cl-甚至净电荷为负的蛋白质分子对静息膜电位的大小也有一定影响；在植物和真菌细胞，静息膜电位的外正内负极化现象的维持主要是通过 ATP 驱动的质子泵将大量 H+从细胞内转运到细胞外。5电压感受器：电压门离子通道的特殊的带电荷的蛋白结构域，对膜电位的变化极端敏感，从而控制通道蛋白转换其
22、关开构象。6去极化、反极化、再极化和超极化：细胞接受阈值刺激时刺激信号为电信号或化学信号，只有到达一定刺激阈时，动作电位才会出现，是一种“全或“无的正反响阈值，Na+通道翻开，瞬时大量 Na+流入细胞内，静息膜电位减小乃至消失，称为去极化；当细胞内 Na+进一步增加到达 Na+平衡电位，形成瞬间内正外负的动作电位，称为质膜的反极化；随着 Na+大量进入细胞时，Na+通道从失活到关闭，电压门 K+通道翻开，K+流出细胞从而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位，此时称为超极化。超极化时膜电位使 K+通道关闭，膜电位又恢复至静息状态。细胞质膜膜电位具有重要的生物学意义，特别是在神经、肌肉等可兴奋
23、细胞中，是化学信号或电信号引起的兴奋传递的重要方式。第三节 胞吞作用与胞吐作用 大分子与颗粒性物质如蛋白质、多核苷酸、多糖、代谢废物等的跨膜运输在真核细胞通过胞吞作用endocytosis和胞吐作用exocytosis来完成。在转运过程中，转运物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输。膜泡运输涉及膜的融合与膜泡别离，需要能量，属于主动运输。膜泡运输常常可同时转运1种以上数量不等的大分子和颗粒性物质，因此有人称之为批量运输。胞吞作用:通过质膜内陷形成囊泡(胞吞泡),将转运物质摄取到细胞内的过程。胞吐作用：细胞内合成的生物分子蛋白质和脂质等和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细
24、胞外表或细胞外的过程。一、胞吞作用的类型 根据胞吞泡形成的分子机制和大小，胞吞作用分为 2 种类型：吞噬作用、胞饮作用。一吞噬作用 吞噬作用：胞吞物为较大的颗粒物质如细菌、细胞碎片等，为一信号触发过程，吞噬泡较大直径大于 250 mm、形成需要微丝及其结合蛋白的帮助如用降解微丝的药物如细胞松弛素 B 处理细胞，可阻断吞噬泡的形成，但胞饮作用仍继续进行。吞噬作用是原生动物获取食物的主要方式将胞外的营养物摄取到吞噬体最后在溶酶体中消化成小分子物质供细胞利用。在高等多细胞生物中，吞噬作用往往发生在特化的吞噬细胞如巨噬细胞和中性粒细胞，除摄取营养外，主要是去除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。二胞
25、饮作用 胞饮作用：胞吞物为液体或极小的颗粒物质，胞饮泡较小直径小于 150mm，为连续发生的组成型过程，几乎发生在所有类型的真核细胞。分为 4 种类型：网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用、大型胞饮作用、非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。其中，了解最多的胞饮作用是网格蛋白依赖的胞吞作用。受体介导的胞吞作用：根据胞吞的物质是否有专一性，胞吞作用分为非特异性胞吞作用和受体介导的胞吞作用 受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又防止了吸入细胞外大量的液体。胆固醇、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白、维生素 B12 等，都是通过受体介导的内
26、吞作用进行的。受体介导的胞吞作用也被某些病毒利用，流感病毒和 AIDS 病病毒HIV就是通过受体介导的胞吞途径侵染细胞的。受体介导的胞吞作用举例胆固醇的摄取 胆固醇主要在肝细胞中合成，在血液中是与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白low-density lipoproteins，LDL的形式运输。LDL 颗粒的质量为 3X106Da，直径 2030nm，芯部含有大约 1500个胆固醇分子，这些胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸。芯部周围由一脂单层包围，脂单层包含磷脂分子和未酯化的胆固醇以及一个非常大的单链糖蛋白质(apolipoprotein B-100)，这个蛋白质分子可以和靶膜上的受体结合。图 LDL
27、的结构 当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成 LDL 跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与 LDL 颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉笼形蛋白衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中 PH 值低，使受体与 LDL 颗粒别离；再经晚期内体将 LDL 送人溶酶体。在溶酶体中，LDL 颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。细胞对胆固醇的利用具有调节能力，当细胞中的胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身的胆固醇，同时也关闭了 LDL 受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来的胆固醇。有的人因为 LDL 受体蛋白编码的基因有遗传缺陷，造成血液中胆固醇含量过高，因而会过早地患动
28、脉粥样硬化症atherosclerosis，这种人往往因易患冠心病而英年早逝。图 5-16 LDL 通过受体介导的胞吞作用进入细胞 在胞吞过程中，胞内体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：大局部受体返回它们原来的质膜结构域，如 LDL 受体又循环到质膜再利用；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epidermal growth factor，EGF结合的细胞外表受体，大局部在溶酶体被降解，从而导致细胞外表 EGF 受体浓度降低，称为受体下行调节receptor do
29、wn-regulation；有些受体被运至细胞另一侧的质膜，该过程称作跨细胞转运穿胞运输，transcytosis。在具有极性的上皮细胞，这是一种将内吞作用与外排作用相结合的物质跨膜转运方式，即转运的物质通过内吞作用从上皮细胞的一侧被摄人细胞，再通过外排作用从细胞的另一侧输出。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过跨细胞的转运完成的。胞吞作用的意义：是真核细胞调节营养物内化、信号转导、质膜更新的重要方式。二、胞吞作用与细胞信号转导 三、胞吐作用 胞内物质由膜泡包围运送到质膜下方，与质膜融合，将物质排到细胞外的过程。排出物质通常有：1分泌产物；2残渣 膜融合需要：1能量 2某种融合蛋白参与催化 胞吐作用分为类途径：组成型胞吐途径：所有真核细胞都有从高尔基体 TGN 区分泌囊泡向质膜运输的过程。其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成质膜外周蛋白、细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。调节型胞吐途径：特化细胞，如脑垂体细胞分泌促肾上腺皮质激素、胰岛细胞分泌胰岛素、胰腺腺泡细胞分泌胰蛋白酶原。分泌细胞产生的分泌物如激素、粘液或消化酶储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。