细胞生物学 第5章 物质的跨膜运输与信号传递

第五章物质的跨膜运输与信号传递第一节物质的跨膜运输细胞膜是细胞与环境之间的一种选择性通透屏障。

细胞对营养物质的吸收与代谢废物的排泄，均需要通过细胞膜。

因此，物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。

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、被动运输被动运输（passive 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。

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。

（一）简单扩散简单扩散（simple diffusion）是指小分子的热运动可使分子以简单扩散的方式从膜的一侧通过细胞膜进入膜的另一侧，其结果是分子沿着浓度梯度降低的方向转运。

疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。

在简单扩散的跨膜转运中，跨膜物质溶解中膜脂中并透入细胞中的通透性主要取决于分子大小和分子的极性。

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/t （t为膜的厚度）（二）协助扩散协助扩散（facilitated diffusion）是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其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。

这与简单扩散相同，因此两者均称为被动运输。

例如，葡萄糖分子以简单扩散的方式穿越细胞膜，其通透系数为10－7cm/s，以协助扩散的方式穿越红细胞的质膜时其通透系数为10－2cm/s。

通透系数增加了105倍。

协助扩散的特征：1．转运速率高2．存在最大转运率（V max），因此可用最大转运速率的一半时的葡萄糖浓度作为其K M值，用以衡量某种物质的转运速率。

3．不同分子的K M值，其转运的特异性。

4．细胞膜上存在膜转运蛋白（membrane transport proteins）,负责无机离子和水溶性有机小分子的跨膜转运。

膜转运蛋白可分为两类：载体蛋白（carrier proteins），它既可介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输。

通道蛋白（channel proteins），只能介导顺浓度或电化学的被动运输。

1．载体蛋白及其功能载体蛋白是几乎是所有类型的细胞膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。

图5－3。

载体蛋白，又称为通透酶（permease）,因其在细胞膜上有特异性结合位点，可与特异性底物（溶质）结合，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。

转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线。

既可被底物类似物竞争性抑制，又可被微量的某种抑制剂非竞争性抑制以及对PH的依赖性等。

2..通道蛋白及其功能通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子与带电荷的离子通过。

目前发现的通道蛋白已有100余种。

大多数通道蛋白能够形成与离子转运有关的选择性开关的多次跨膜通道，故又称为离子通道。

见表5－1表5－1离子通道的举例离子通道典型定位功能K＋渗漏通道大多数动物细胞的质膜维持靜息电位电压门Na＋通道神经细胞轴突的质膜介导产生动物电位电压门K＋通道神经细胞轴突的质膜起始动物电位后使膜恢复靜息电位电压门Ca2＋通道神经终末的质膜刺激神经递质释放，将电信号转换为化学信号乙酰胆碱受体（乙酰胆碱门Na＋和Ca2＋通道）肌肉细胞的质膜（神经－肌肉接头处）兴奋突触信号传递（在靶细胞将化学信号转换为电号）受体（GABA门Cl- 通道）许多神经元的质膜（突触处）抑制性突触信号传递压力激活的阳离子通道内耳听觉毛细胞检测声音震动离子通道有两个显著的特征：1．具有离子选择性：离子通道对被转运的离子的大小与电荷都有高度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。

2．离子通道是门控的：即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的信号。

多数情况下，离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。

因此，离子通道又区分为电压通道（voltage-gated channel）、配体门通道(ligand-gated channel)和压力激活通道(stress-activated channel)。

图5－4。

离子通道在神经元与肌细胞冲动传递过程中起重要作用。

二、主动运输主动运输（active transport）是由载体蛋白所介导的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。

转运分子的自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相偶联。

根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为三种：1)ATP直接提供能量2)ATP间接提供能量3)光能驱动提供能量图5－5主动运输普遍存在于动植物细胞和微生物细胞。

这些细胞的内外离子浓度是非常不同的，表明细胞膜具有逆浓度梯度进行主动运输的功能。

表5－2。

表5－2典型哺乳类细胞内外离子浓度的比较组分细胞内浓度/mmol.L-1细胞外浓度/mmol.L-1阳离子Na＋5-15 145K＋140 5Mg2＋0.5 1-2Ca2＋10-41-2H＋7×10-5(P H7.2) 4×10-5(P H7.4)阴离子Cl-5-15 110固定的阴离子高0＊给出的Ca2＋和Mg2＋浓度是胞质中的游离离子浓度，细胞中共有约2020mmol/L Mg2＋和1－2mmol/L Ca2＋。

但大多数与蛋白质和其他底物结合，因此不能离开细胞，大多数的细胞总储存于不同的细胞器内。

＊＊固定的阴离子是带负电荷的大小不同的有机分子，它们被捕获在胞内，不能透过质膜（一）、由ATP直接提供能量的主动运输――钠钾泵在细胞膜的两侧存在很大的离子浓度差，特别是阳离子浓度差。

一般的动物细胞要消耗1/3的总ATP来维持细胞内低Na＋高K＋的离子环境，神经细胞则要消耗2/3的总ATP，这种特殊的离子环境对维持细胞内正常的生命活动，对神经冲动的传递以及对维持细胞的渗透平衡，恒定细胞的体积都是非常必要的。

Na＋－K＋泵由α和β二个亚基组成，α亚基的相对分子质量为120×103，是一个跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性，因此Na＋－K＋泵又称为Na＋－K＋ATP酶。

β亚基的相对分子质量为50×103，是具有组织特异性的糖蛋白。

Na＋－K＋泵的工作模式见图5－6。

每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na＋和泵进2个K＋。

乌本苷能抑制Na＋－K＋泵的活性。

Mg2＋而和少量的膜脂提高Na＋－K＋泵活性。

Na＋－K＋泵存在于一切动物细胞的细胞膜上。

细胞的生命活动需要Na＋－K＋泵来维持细胞内外Na＋、K＋的相对稳定的离子浓度。

渗透_____由于质膜对水的可透性，水会从低溶质浓度的一侧（高水浓度）向高溶质浓度的一侧（低水浓度）运动，这种运动称为渗透。

渗透压____水分子运动的驱动力等于跨膜水压的差异，称为渗透压（osmotic pressure）(二)、由ATP直接提供能量的主动运输――钙泵和质子泵钙泵（Ca2＋pump）又称Ca2＋－ATP酶，对细胞基本功能具有重要的作用。

泵是由1000个氨基酸残基组成的多肽构成的跨膜蛋白，相对分子质量为100×103，与Na＋－K＋泵的α亚基同源，每一泵单位中有约10个跨膜α螺旋，可能它们有共同的进化来源。

细胞内钙调蛋白与之结合以调节钙泵的活性。

钙泵主要存在于细胞膜和内质网膜上，它将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＋（一般细胞内游离浓度Ca2＋约10-7mol/L，细胞外Ca2＋为10-3mol/L）。

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。

H＋泵（H＋ATPase）存在于植物细胞、真菌（包括酵母）和细菌细胞的质膜上。

H＋泵将H＋泵出细胞，建立跨膜的H＋电化学梯度（取代动物细胞Na＋的电化学梯度），驱动转运溶质进入细胞。

例如，细菌细胞对糖和氨基酸的攝入主要是由驱动的同向运输完成的。

这一过程中，H ＋泵的工作也产生细胞周围基质中的酸性PH。

在一些光合细菌中，电化学梯度由光驱动的H ＋泵（如细菌视紫红质）活性建立。

质子泵可分为三种：1)P型质子泵与Na＋－K＋泵和Ca2＋泵结构相似，在转运H＋的过程中涉及磷酸化和去磷酸化，存在于真核细胞的细胞膜上。

2)V型质子泵存在于动物细胞溶酶体膜和植物细胞液泡膜上，转运H＋过程中不形成磷酸化的中间体。

其功能是从细胞质基质中泵出进入细胞器，有助于保持细胞质基质中性PH和细胞器内的酸性PH。

3)H＋－ATP酶存在于线粒体内膜，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。

（三）协同运输1.协同运输（cotransport）是一类由Na＋－K＋泵（或H＋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。

物质跨膜运动所需要的直接动力来自玗膜两侧离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过消耗ATP所实现的。

根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同运输又可分为共运输(symport)和对向运输(antiport).2.共运输是物质运输方向与离子转移方向相同，如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物，就是伴随Na＋从细胞外流入细胞内完成的。

完成共运输的载体蛋白有两个结合位点。

图5－8,5－93.对向运输是指物质跨膜转运方向与离子转移方向相反，如动物细胞常通过Na＋驱动的Na＋－H＋对向运输的方式来转运以调节细胞内的PH。

综上所述，主动运输都需要消耗能量，所需能量可直接来自ATP或来自离子电化学梯度。

同样也需要膜上的特异性载体蛋白，这些载体蛋白不仅具有结构上的特异性，而且具有结构上的可变性。

细胞运用各种不同的方式通过不同的体系在不同的条件下完成小分子物质的跨膜运动。

（四）物质的跨膜转运与膜电位不同方式的物质跨膜运动，其结果是产生了并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。

对某些带有电荷的物质，特别是对离子来说，就形成了膜两侧的电位差。

插入细胞微电极便可测出细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和，即膜电位。

在静息状态下的膜电位称为静息电位(restiong potential)。

在刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位，即动作电位（active potential）极化（polarization）是指静息电位时，质膜内为负值，质膜外为正值。

静息电位主要是由质膜上相对稳定的离子跨膜运输或离子流形成的。