物质的跨膜运输

（一）离子载体（ionophore）
• 是疏水性的小分子，可溶于双脂层，多为微生物合成，是 微生物防御或与其它物种竞争的武器。
• 分为两类： – 可动离子载体（mobile ion carrier） ：如缬氨霉素 （valinomycin）是一种由三个重复部分构成的环形分 子，能顺浓度梯度转运K+。 DNP和FCCP可转运H+。 – 通 道 离 子 载 体 （ channel former ） ： 如 短 杆 菌 肽 A （granmicidin），是由15个疏水氨基酸构成的短肽， 2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、 Na+、K+按化学梯度通过膜。
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பைடு நூலகம்
4、机械门通道
• 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（mechanotransduction ）。
• 目前比较明确的有两类机械门通道，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。
• 2、V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚 基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶 酶体膜、植物液泡膜上。
• 3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动 力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内 膜和叶绿体的类囊体膜上。
物质的跨膜运输
物质的跨膜运输
2020/11/22
物质的跨膜运输
• 细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通 透屏障，它既能保障细胞对基本营养物质的摄取、 代谢废物的排除和细胞内离子浓度的调节，又能 使细胞维持相对稳定的内环境。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。
•Maintains low cytosolic [Ca++] •Present In Plasma and ER membranes
•Model for mode of action for Ca++ ATPase
•
Conformation change
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三、质子泵
• 1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质 子，位于真核细胞的细胞膜上，如植物细胞膜上的H+泵、 动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。
物质的跨膜运输
内容提要
• 第一节、被动运输 • 一、简单扩散 • 二、协助扩散 • 第二节 、主动运输 • 一、钠钾泵 • 二、钙离子泵 • 三、质子泵
•四、ABC 转运器 •五、协同运输 •第三节、膜泡运输的基本概念 •一、吞噬作用 •二、胞饮作用 •三、外排作用 •四、穿胞运输 •五、胞内膜泡运输
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二、协助扩散
• 也称促进扩散（facilitated diffusion）。 • 特点： ⑴比自由扩散转运速率高； ⑵运输速率同物质浓度成非线性关系，
存在最大运转速率； ⑶特异性；⑷细胞膜上存在膜转运蛋白，饱和性。 • 膜转运蛋白：载体蛋白（或离子载体）和通道蛋白两种类型。
物质的跨膜运输
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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。
•Peter Agre
•Roderick MacKinnon
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第二节 主动运输
• 主动运输的特点是： – ①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； – ②需要能量； – ③都有载体蛋白。
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2、电位门通道(voltage gated 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(S1S6) ，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。
度的选择性，而且转运速率高，可达106个离子/s； 驱动带电荷的溶质跨膜转运的净驱动力有两种，一 种是溶质的浓度梯度，另一种是跨膜电位差； 2.离子通道是门控制的，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。离子通道在神经元与肌细胞冲动传递过程 中起重要作用。
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• 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。
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5、水通道
• 水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。 • 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ），
– 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。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧； 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。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转 运出三个Na+，转进两个K+。
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3、环核苷酸门通道
• CNG通道与电压门钾通道结构相似，也有6个跨膜片段。细 胞内的C末端较长，上面有环核苷酸的结合位点。
• CNG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。 – 如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可 激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子 通道（cAMP-gated cation channel），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。
• Na+-K+泵的作用： • 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； • ③维持细胞的静息电位。 • 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂
有助提高于其活性。
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二、钙离子泵
• 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度 10-7M，细胞外10-3M）。
• 目前发现的通道蛋白已有100余种，有些通道蛋白长期开 放，如钾泄漏通道；
• 有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开， 又称为门通道（gated channel）。主要有4类：电位门 通道、配体门通道、环核苷酸门通道、机械门通道。
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• 离子通道的显著特征： 1.具有离子选择性；对转运离子的大小与电荷都有高
• 人工膜对各类物质的通透率： • 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，极性不带电荷小分子，如
H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢； • 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗
糖则很难透过； • 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。
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• 据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白 的15~30%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗 能量的2/3。
• 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白 （carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。 – 载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease） 和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如： 各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨 酶素。 – 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所 有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。
他将CHIP28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，5 分钟内破裂。细胞的这 种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。 • 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔 化学奖。 • 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（Aquaporin，AQP）。
• 主动运输所需的能量来源主要有： – ①协同运输中的离子梯度动力； – ② ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； – ③光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。
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一、钠钾泵
• 构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就 是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。
• 工作原理：
• 也叫自由扩散（free diffusion）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没有膜蛋白的协助。
• 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。
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物质的跨膜运输
•Ion-channel linked receptors in neurotransmission
•神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜 中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。
• 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。